Modélisation thermomécanique de la structure exposée au feu

Modélisation thermomécanique de la structure exposée au feu

Description de l’essai à simuler

Il s’agit d’une poutre continue sur deux appuis simples qui se compose de deux travées : une travée centrale et une travée de console. Il y a eu six poutres avec différentes dimensions qui ont été testées. On s’intéresse à modéliser les deux poutres numéro 1 et 3 qui ont les dimensions illustrées sur la Figure 5.1. La poutre supporte six forces P constantes sur la travée centrale et une force P0 variable à l’extrémité de la console. Cette variation de P0 a pour but d’assurer que la flèche de l’extrémité de la console est constante durant la première heure du feu. Après une heure, la valeur de P0 est gardée constante. La valeur des six forces P et la valeur initiale de la force P0 sont illustrées sur la Figure 5.1. L’évolution de la valeur de P0 en fonction du temps est donnée dans la Figure 5.2. Le feu affecte la face inférieure et les deux faces latérales de la travée centrale de la poutre. L’augmentation de la température suit la courbe ASTM-E119. Cette courbe est illustrée sur la Figure 5.3 en comparaison avec la courbe du feu ISO 834. Modélisation thermomécanique de la structure exposée au feu 130 Figure 5.1 Description de l’essai de Lin et al. présenté dans Cai et al. [31] Figure 5.2 Variation de la force P0 [30] Figure 5.3 Les courbes du feu ASTM E119 et ISO 864 [32] 131 Les paramètres des matériaux sont présentés dans le Tableau 5.1. Leurs lois de comportement mécanique et leurs propriétés thermiques respectent les descriptions de l’Eurocode II. 

Analyse du comportement global de la poutre avec interface béton-acier parfaite

En réalité, pour l’analyse du comportement global, il n’est pas nécessaire d’intégrer le comportement de l’interface dans le modèle numérique si les glissements des armatures ne sont pas importants et ne causent pas de perte d’adhérence. En effet, comme expliqué dans le chapitre 1, dans le cas des structures en béton armé, le comportement de l’interface bétonacier a principalement des impacts locaux comme la perte d’ancrage aux extrémités d’armature ou l’apparition des fissures locales de l’enrobage du béton. Son influence sur le comportement global de la structure est faible. On considère donc que l’interface est parfaite sur toute la longueur des armatures dans cette section. Cela facilite la mise en œuvre et la validation du modèle de calcul. Les influences locales et globales seront évaluées dans la section 5.3.

Généralités sur la méthode de modélisation utilisant ANSYS

Modèle d’élément fini

Une modélisation massive 3D est utilisée. Grâce à la symétrie de la poutre et du chargement, une demie de la poutre est modélisée (voir la Figure 5.4). La section transversale de la structure modélisée est égale à la moitié de celle de la poutre réelle testée. 132 Figure 5.4 Vue latérale du maillage (à gauche) et la demie section de la poutre (à droit) Le béton est modélisé par des éléments massifs de type SOLID185/SOLID186 qui supportent le modèle de matériau CastIron ou de type SOLID65 qui supportent le modèle CP Von-Mises (CPVM). Les armatures actives sont modélisées par des éléments de barre. Les nœuds des éléments d’acier coïncident avec ceux de béton pour permettre une interface parfaite entre les deux matériaux (voir la Figure 5.5). Figure 5.5 Armatures actives modélisées (lignes rouges) Concernant les cadres d’armature de renforcement transversal, la modélisation de toutes ces barres entraînera une grande complexité dans le maillage et causera des difficultés de convergence dans le calcul. ANSYS dispose de deux méthodes simples et efficaces pour intégrer les cadres d’armature de renforcement transversal. Ces deux méthodes consistent à remplacer les cadres d’armature en couches d’acier équivalentes et attacher ces couches aux éléments de base du béton qu’elles traversent.La première méthode fonctionne avec l’élément de base SOLID65 et le modèle de matériau CPVM pour le béton (voir la Figure 5.6). Elle consiste à répartir uniformément le volume de la barre d’armature dans tout le volume de l’élément de béton. Les données à entrer pour la barre sont : le rapport volumique de la barre d’acier à l’élément de béton, le matériau d’acier utilisé et les angles d’orientation (θ, φ). L’effet de renforcement est simulé implicitement par l’augmentation de la rigidité de l’élément du béton dans la direction de l’armature. Cette méthode permet de déclarer trois barres d’acier selon trois différentes directions. La Figure 5.7 illustre la mise en œuvre de cette méthode dans la poutre étudiée. Les petites barres en rouge illustrent la présence des armatures transversales dans les éléments extérieurs de la poutre. La direction de ces petites barres détermine celle des armatures transversales. 

Modèle de matériau

Pour le calcul thermique Les propriétés thermiques du béton et de l’acier comme la chaleur spécifique, la conductivité thermique et la masse volumique utilisées dans l’analyse thermique de Lin et al. [30] ont une grande dispersion et ne sont pas fiables. Elles sont aussi différentes des valeurs données dans l’Eurocode II. Dans notre calcul, les valeurs de l’Eurocode II [28] sont utilisées. Les figures Figure 4.5, Figure 4.6, Figure 4.7, Figure 4.8 et Figure 4.9 du chapitre 4 illustrent la variation de ces propriétés en fonction de la température. Pour la chaleur spécifique du béton, les valeurs correspondant à la teneur en eau de 3% sont choisies. Pour le calcul thermomécanique La dilatation thermique à haute température des matériaux est prise selon l’Eurocode II [28]. Voir la Figure 5.10.