Étude expérimentale et conception de fusibles ductiles travaillant en traction pour l'amélioration de l'efficacité des contreventements parasismiques en acier

Les études antérieures ont démontré que l'ajout d'un fusible ductile en acier, FDA, dans les diagonales des cadres contreventés concentriques travaillant en tension-compression des bâtiments d'un étage, s'avère être un moyen simple et efficace pour réduire la résistance excessive des diagonales, et rendre ainsi la conception par capacité plus attrayante. Le fusible composé de quatre cornières à section réduite est celui qui a été proposé. Par contre, l'information disponible à ce jour n'est pas suffisante pour permettre son application en pratique. L'objectif de ce projet était de poursuivre le travail entamé par Kassis (2008) ainsi que de développer des règles pour la conception et la fabrication de ces fusibles. Plus de quinze essais sur des cornières individuelles, sans et avec défauts, ont été effectués, afin d'étudier l'influence négative que peut avoir une encoche (défaut) sur la capacité de déformation d'un fusible. Également, plusieurs simulations par éléments finis ont été effectuées afin de compléter l'étude. Il s'en est dégagé qu'un défaut réduit considérablement la ductilité du fusible, comparativement à sa contrainte ultime. De plus, il a été montré que la profondeur du défaut était le paramètre le plus critique et qu'un défaut d'au plus 0.25 mm de profondeur, soit 1.25% de la largeur réduite avant défaut de l'aile de la cornière, n'affecte pas de manière significative le comportement inélastique du fusible. Également, il a été observé que la résistance des cornières utilisées était 5% plus élevée que celle provenant des coupons de caractérisation. Suite à cette constatation, le programme expérimental B a été ajouté. Les essais de ce programme ont confirmé la variation des propriétés mécaniques à l'intérieur de la section d'une cornière. Ainsi,la partie centrale, formée par l'intersection des ailes et du rayon de congé entre les ailes, est moins ductile et affiche une résistance beaucoup plus élevée que l'aire d'acier contenue dans les ailes. Par conséquent, la conception du fusible fait de cornières devrait être basée sur les propriétés mécaniques d'une des quatre cornières, une fois découpée, plutôt que sur celles du coupon de cara térisation des cornières, à moins d'ajuster les valeurs de résistance mesurées de ce dernier. D'ailleurs, une méthode d'ajustement des propriétés mécaniques a été proposée dans le mémoire. Les fusibles découpés dans une plaque d'acier ont été également proposés comme autre solution à cette variabilité.

Abstract

Previous studies have demonstrated that the addition of a ductile steel fuse in the diagonal braces of single story concentric braced frames working in tension-compression, turns out to be a simple and effective way to reduce the excessive resistance of the diagonals, and thus making the capacity design more attractive. The ductile steel fuse consisting of four angles with reduced section is one that has been proposed. By cons, the information available to date is insufficient to allow its application in the practice. The objective of this project was to continue the work begun by Kassis (2008) and to develop the rules for the design of these fuses. More than fifteen tests on individual angles, with and without defect, were performed to study the negative influence that may have a notch on the deformation capacity of a fuse. In addition, several finite element simulations were also performed to complete this study. It has emerged that a notch significantly reduced the ductility of the fuse, compared to its ultimate strength. Moreover, it was shown that the depth of the notch was the most critical parameter, and a notch of 0.25 mm (or less) in depth, the equivalent of 1.25% the width of the leg of the angle without the notch, did not affect significantly the ductile behavior of the fuse. It was also observed that the resistance of the angles used was 5% higher than from the steel characterization with coupons. Following this, experimental program B was added. This experimental program has confirmed the variation in mechanical properties within a section of angles. Thus, the central part, formed by the intersection of the legs and the fillet radius between the legs, is less ductile and display resistance values much higher than those in the legs part, making it difficult to predict the resistance as well as the deformation of the fuse. Therefore, the design of the fuse made of steel angles should be based on the mechanical properties of one of the fuse angles, after being cut, instead of the properties from the coupon characterization, unless adjusting the resistance values of the coupon. A method for adjusting those values has been proposed in this work. However, fuses cut from a steel plate have been also proposed as another alternative solution to this mechanical variability.