Développement d'un fusible ductile pour les diagonales de contreventement faites de profilés W pour la conception parasismique de charpentes lourdes en acier

La notion de fusible a émergé durant les deux dernières décennies à la suite de l'adoption du principe de conception sismique par capacité dans les principales normes en vigueur. Dans le cadre de la conception parasismique des charpentes d'acier dont le système de résistance aux charges latérales est formé d'une ossature à contreventement concentrique, cette pratique s'avère particulièrement pénalisante. En effet, malgré la réduction de l'effort sismique de calcul permise par la réponse inélastique de la structure via la ductilité des diagonales, les éléments non dissipateurs doivent être surdimensionnés afin de résister à la capacité maximale probable des diagonales. Les diagonales travaillant en tension-compression sont sélectionnées par rapport à leur résistance pondérée en compression et présentent, de ce fait, une capacité maximale probable en tension qui peut être largement excédentaire. Il en résulte une augmentation des efforts sollicitant les assemblages ainsi que les éléments de la structure porteuse. Lorsqu'il est formé le long d'une membrure diagonale, le fusible a pour rôle de rapprocher ses capacités axiales en tension et compression et ainsi de modérer le surcoût engendré par les contraintes précédemment citées. Plusieurs modèles développés pour les bâtiments légers d'un seul étage ont démontré leur efficacité. Il apparaît ainsi tout à fait pertinent de transposer ce concept pour les charpentes lourdes dont les diagonales sont généralement faites de profilés W. L'objectif de ce projet était donc d'étudier, à la demande de l'industrie, la faisabilité de cette variante en élaborant une méthode de dimensionnement.

Abstract

In the last two decades, the concept of ductile fuses appeared as a consequence of the adoption of capacity design principle in code seismic design provisions. For steel frames, these new design rules have generally resulted in cost increases compared to past practice. The impact has been particularly severe for steel concentrically braced frames when bracing members are selected according to their factored compressive resistance. In that case, brace connections, beams, columns and other connections must be designed to resist lateral load effects that correspond to the probable tensile and compressive resistances of the braces, which are much higher than those induced by the specified seismic loads. The reduction of the seismic design forces associated to ductile inelastic response are therefore partially or completely offset. The role of ductile fuses shaped along bracing members is to keep the brace yield tensile resistance strength close to the brace compressive resistance, so that extra costs can be mitigated. Several effective ductile models have been developed for light single-storey steel buildings. Hence, it is relevant to transpose the concept for heavy steel frames where W-shapes are commonly used for the bracing members. The objectives of the project were to examine the feasibility of this variant and establish design guidelines for the system. Finite elements analysis was carried out to assess the performance of fuses shaped by locally reducing the cross section area of the member in such a way that the brace compressive strength would not be affected. However, as was observed in previous similar studies, local buckling is likely which may detrimentally impact on the brace behaviour. A buckling restraining mechanism was progressively developed and the analysis of the successive failure modes enabled to set criteria to achieve the required performance, especially the system ductility. The bending moment that develops upon overall buckling of the brace turned out to be more harmful for the fuse due to the resulting additional compressive stresses induced in the fuse. It is therefore desirable that the confinement be designed to also resist part of the bending moment acting in the fuse zone.