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L'expert en soudage Duane Miller a écrit une excellente paire d'articles pour les numéros de février et mars 2024 du magazine STRUCTURE. Les articles décrivaient 10 conditions dans lesquelles les soudures peuvent subir des charges inégales. Ces conditions peuvent être problématiques si elles ne sont pas évitées ou si une attention particulière n’est pas accordée lors de la conception. L'hypothèse courante selon laquelle les charges appliquées provoquent des contraintes uniformes dans une soudure ne s'applique pas à ces conditions. Cependant, que se passe-t-il si vous utilisez une approche de conception qui ne fait jamais une telle hypothèse ? La conception des connexions par analyse inélastique, par exemple à l'aide de la méthode des éléments finis basée sur les composants (CBFEM) telle que mise en œuvre dans IDEA StatiCa Connection, ne fait aucune hypothèse générale sur la répartition des contraintes dans les soudures ou dans tout autre composant. Les contraintes apparaissent naturellement dans l'analyse basée sur la rigidité des différents composants de l'assemblage. Cet article passe en revue chacune des 10 conditions de Miller pour identifier l’attention particulière qu’elles nécessitent lors de la conception par analyse inélastique.
Dix conditions les plus fréquemment rencontrées impliquant des soudures inégalement chargées
Dans sa série en deux parties STRUCTURE 2024 sur les soudures inégalement chargées (numéros de février et mars), l'auteur Duane Miller a résumé les conditions courantes rencontrées suivantes.
Condition 1 : Charge inégale en raison de la flexion autour de la racine des soudures d'angle ou de rainure PJP
Condition 2 : Charge inégale en raison d'une seule soudure transversale dans un joint à recouvrement chargé en extrémité
Condition 3 : Charge inégale en raison d'un espacement court entre les soudures transversales dans les connexions chargées aux extrémités
Condition 4 : Charge inégale en raison du décalage de cisaillement
Condition 5 : Charge inégale en raison d'une longue soudure dans une connexion chargée en extrémité
Condition 6 : Charge inégale car le groupe de soudure est chargé de manière inégale
Condition 7 : Charge inégale car la soudure attache un élément rigide à un élément flexible
Condition 8 : Charge inégale car les soudures transversales sont combinées avec des soudures longitudinales
Condition 9 : Charge inégale car la soudure fait partie d'une connexion tubulaire
Condition 10 : Charge inégale car les soudures sont combinées avec des boulons ou des rivets
La première condition est une charge inégale due à une flexion autour de la racine d’une soudure d’angle ou sur rainure PJP. La deuxième condition est une soudure transversale unique dans un joint à recouvrement chargé aux extrémités, où il existe un risque de charge inégale en raison de la flexion autour de la racine si la déflexion des pièces chevauchées n'est pas suffisamment limitée. La modélisation des soudures varie selon les approches d'analyse inélastique, mais dans le CBFEM, les soudures d'angle et les soudures sur rainure PJP sont modélisées à l'aide de contraintes multipoints et d'un élément de coque de soudure équivalent qui se rapproche du comportement élastoplastique de la soudure. Un aspect important de cette approche de modélisation est qu’elle aboutit à une rigidité en flexion nulle autour de la racine de la soudure. En conséquence, aucune contrainte de flexion ne peut se développer et, pour les détails présentés dans l’article de Miller, l’analyse ne sera pas exécutée car le manque de rigidité en flexion rend le modèle instable. Cependant, dans certains cas, l'assemblage peut ne pas dépendre de la rigidité à la flexion de la soudure pour être stable, et des déformations par flexion autour de la racine d'une soudure peuvent se développer. Les déformations par flexion doivent être évitées en inspectant la forme déviée à partir du modèle d'analyse et en détaillant correctement la connexion.
Dans la troisième condition, la charge inégale est due au court espacement entre les soudures transversales dans les assemblages chargés aux extrémités. En utilisant le CBFEM, l'espacement a un effet minimal sur la résistance des soudures. Considérons la connexion illustrée à la figure 1. Sans non-linéarité géométrique, les conditions aux limites et l'excentricité entraînent une flexion importante des plaques. La flexion est réduite grâce à la non-linéarité géométrique due aux effets de membrane, mais le faible espacement n'a aucun effet sur les soudures. Pour un espacement très court (par exemple, chevauchement de 1/2 pouce), les plaques cèdent, limitant la résistance, mais là encore, l'évaluation des soudures n'est pas affectée. L'évaluation de la résistance par analyse inélastique élimine la nécessité de vérifier certains états limites capturés par le modèle, mais elle n'élimine pas la nécessité de satisfaire à des exigences détaillées telles que l'exigence de la section J2.2b(f) de la spécification AISC qui prescrit une distance minimale de chevauchement.
Le décalage de cisaillement est le problème dans la quatrième condition. Bien qu'un décalage de cisaillement existe dans les assemblages tels que le joint à recouvrement chargé aux extrémités illustré à la figure 2, il n'est pas clair si le décalage de cisaillement affecte la résistance de l'assemblage. Les analyses CBFEM ne détectent aucune réduction de la résistance de la soudure due au décalage de cisaillement pour cette connexion, tout comme une récente série d'expériences physiques menées par l'auteur. Néanmoins, tout comme pour la troisième condition, les exigences détaillées de l'American Welding Society (AWS) doivent être satisfaites même lors de l'évaluation de la résistance à l'aide d'une analyse inélastique. Plus précisément, la clause 4.9.2 d'AWS D1.1 précise que la longueur de chaque soudure d'angle ne doit pas être inférieure à la distance perpendiculaire entre elles si des soudures d'angle longitudinales sont utilisées seules dans les joints à recouvrement des connexions d'extrémité des éléments de barres plates ou de plaques.
Les soudures longues dans les connexions chargées aux extrémités subissent une charge inégale en raison de la compatibilité des contraintes entre les pièces connectées. La contrainte près des extrémités des soudures est plus grande que près du milieu, la différence dépendant de la rigidité relative entre les soudures et les pièces connectées. Dans la conception traditionnelle, cette cinquième condition de soudure inégalement chargée est résolue en utilisant une longueur efficace réduite pour les soudures longues. Dans la conception par analyse inélastique, les rigidités des soudures et des pièces connectées sont modélisées explicitement et la compatibilité des déformations est renforcée. Ainsi, les résultats capturent avec plus de précision l’effet d’une charge inégale que l’équation approximative. Une comparaison entre les résultats des analyses CBFEM et la conception traditionnelle est présentée dans la figure 3, sur la base d'une étude plus vaste.
La sixième condition est lorsque le groupe de soudure est chargé de manière inégale ou excentrique. Dans la conception traditionnelle, cette condition est souvent traitée à l'aide de la méthode du centre de rotation instantané via les tableaux de la partie 8 du manuel AISC. La méthode du centre de rotation instantané est elle-même une méthode d'analyse non linéaire qui garantit que l'équilibre et la compatibilité des déformations sont satisfaits tout en intégrant également l'effet bénéfique du facteur d'augmentation de la résistance directionnelle. Des comparaisons entre la méthode du centre de rotation instantané et le CBFEM pour les connexions de plaques de support ont montré que le CBFEM capture de manière prudente les charges inégales.
Les conditions 7 à 10 présentent plusieurs chemins de charge possibles, avec des charges inégales résultant du fait que certains chemins sont plus rigides ou plus résistants que d'autres. La conception par analyse inélastique est bien adaptée pour évaluer correctement ces conditions car la rigidité de tous les composants est modélisée explicitement et la compatibilité et l'équilibre des déformations sont renforcés.
Souder un élément rigide à un élément flexible est la septième condition. Une plaque sous tension soudée sur la semelle d'une section en forme de I telle que représentée sur la figure 4 est un exemple classique de la condition 7. La soudure entre la plaque et la semelle est chargée de manière inégale car une plus grande partie de la charge est attirée vers le chemin le plus rigide directement à travers la semelle et dans l'âme. Lors de la modélisation à l'aide du CBFEM, les contraintes de soudure sont les plus élevées au niveau de l'âme de l'élément en forme de I. Ces soudures atteignent leur pleine utilisation en premier, signalant que la résistance de la connexion a été atteinte, même lorsque les parties de la soudure proches des extrémités des brides ne sont pas à leur pleine capacité. La neuvième condition, les soudures faisant partie d'une connexion tubulaire, est un autre exemple de soudage d'un élément rigide à un élément flexible. Là encore, le CBFEM est capable de détecter les charges inégales et de calculer l'utilisation des soudures en conséquence.
Dans la huitième condition, les soudures transversales sont combinées avec des soudures longitudinales et une charge inégale se produit car les assemblages soudés avec des soudures transversales sont plus solides mais moins ductiles que les assemblages similaires réalisés avec des soudures longitudinales. La spécification AISC fournit l'équation J2-6 pour les groupes de soudures chargés de manière concentrique comme celui-ci. Même sans mise en œuvre de cette équation, le CBFEM capture bien l'effet puisque le comportement sous-jacent est modélisé et incorporé dans les contrôles de résistance (Fig. 5).
La dixième et dernière condition de chargement inégal se produit lorsque les soudures sont combinées avec des boulons ou des rivets. La section J1.8 de la spécification AISC permet de considérer les boulons et les soudures comme partageant une charge uniquement dans la conception des assemblages de cisaillement sur une surface de contact commune où la compatibilité de déformation entre les boulons et les soudures est prise en compte. Les contrôles de résistance des boulons et des soudures sont indépendants dans le CBFEM, sans traitement particulier lorsque les boulons et les soudures partagent la charge. Compte tenu de la modélisation explicite de la rigidité des boulons, des soudures, des barres et des éléments de connexion, la compatibilité des déformations est toujours prise en compte dans le CBFEM. Lorsque les boulons et les soudures partagent la charge, la résistance requise de chacun est basée sur leur rigidité relative. Le résultat est des résistances globales similaires à celles obtenues en utilisant la méthode approximative également présentée dans la section J1.8 des spécifications AISC. Cependant, le CBFEM n'interdit généralement pas le partage des charges entre les boulons et les soudures dans les assemblages tendus. L'utilisateur doit éviter de tels cas en modélisant soit des boulons, soit des soudures dans les assemblages en traction, même si les deux sont présents dans l'assemblage physique.
Les soudures inégalement chargées, telles qu'évaluées dans les articles originaux de Miller et revisitées ici, méritent une attention particulière car elles peuvent être moins efficaces que les soudures uniformément chargées et parce qu'elles violent les hypothèses courantes dans les approches de conception traditionnelles. La conception par analyse inélastique offre une voie à suivre pour ces soudures, car les modèles d'analyse bien définis ne supposent jamais que les soudures sont chargées uniformément. En outre, l'analyse inélastique peut être utilisée pour déterminer si une action est nécessaire pour atténuer les effets d'une charge inégale et, si nécessaire, aider à déterminer la meilleure stratégie d'atténuation. ■
À propos de l'auteur
Mark Denavit est professeur agrégé au Département de génie civil et environnemental de l'Université du Tennessee à Knoxville.
Références
https://www.ideastatica.com/support-center/long-bolted-and-welded-connections-aisc
https://www.ideastatica.com/support-center/bracket-plate-connections-aisc
