Les immeubles de faible hauteur et à forte emprise au sol sont couramment utilisés par les commerces de détail et les entreprises d’entreposage et de distribution, et offrent aux propriétaires une structure d’une superficie importante.

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En Amérique du Nord, ce type de bâtiment est conçu avec un système de résistance à la force latérale rigide et est associé à un toit flexible ou à un diaphragme de plancher. Les éléments verticaux du bâtiment comprennent souvent le béton, les murs de maçonnerie ou les cadres renforcés. 


Construction à diaphragme flexible à paroi rigide avec diaphragme de tablier métallique nu

Un diaphragme est défini par l’American Iron & Steel Institute (AISI) comme un système de toiture, de plancher ou de diaphragme qui transfère les forces dans le plan au système de résistance aux forces latérales. Dans les bâtiments de faible hauteur, le tablier métallique est couramment utilisé pour les éléments à diaphragme flexibles. 

Un diaphragme de tablier métallique est créé lorsque des feuilles d’acier profilées simples sont raccordées à l’aide de fixations latérales pour former un grand diaphragme de tablier. Les fixations latérales utilisées pour relier les feuilles d’acier ensemble peuvent consister en des soudures à joint d’arc, des vis ou des fixations de sertissage comme un poinçon à bouton. Le platelage lui-même transfère les charges latérales vers le système de résistance à la force latérale, comme les colonnes et les poutres, à travers le système de charpente de toit structurale par le biais de fixations structurelles comme les soudures par points d’arc, les vis ou les fixations actionnées par poudre (PAF). La sélection des fixations pour les raccordements latéraux et les fixations structurelles du cadre est souvent une question de préférence, de coût et d’efficacité. Cependant, si le bâtiment se trouve dans une zone de risque sismique, il peut y avoir des exigences supplémentaires qu’un concepteur peut vouloir prendre en compte pour la conception.


Fixation du diaphragme de tablier métallique (photo du crédit de soudure à joint d’arc :
Expérimentations cycliques sur les connecteurs latéraux et structurels dans les diaphragmes de tablier métallique, S. Torabian et Schafer, B. W., ASCE, Janvier 2021.

Réponse ductile des différentes fixations

Dans le domaine de la conception sismique, la ductilité fait référence à la capacité d’une structure et de ses composants structurels à subir des déformations cycliques à grande amplitude sans réduction substantielle de leur résistance. La réponse sismique dans les éléments structurels se rapporte à la façon dont chaque composant d’un système structurel dissipe l’énergie à travers la structure. Dans le cas d’un diaphragme de tablier métallique et de sa ductilité, il est important pour les concepteurs de tenir compte de la performance ductile des fixations du lambeau latéral et du cadre structurel en réponse aux exigences de charge sismique. 

Au cours des 10 dernières années, plusieurs études de recherche ont porté sur la performance des fixations dans les diaphragmes de tablier métallique nu, ce qui a entraîné des changements essentiels de conception et de codes de qualification. Récemment, en raison de la recherche approfondie sur les fixations de cadre pour les diaphragmes en acier, la norme ASCE7-22 a été mise à jour avec une procédure de conception alternative en plus de l’approche de force latérale équivalente (ELF) traditionnelle existante (ASCE7-22, chapitre 12, section 12.10.4). La procédure de conception décrite dans ASCE7-22 est spécifique aux bâtiments à diaphragme flexible à paroi rigide et tient compte de la ductilité du diaphragme et de la dissipation d’énergie. Elle dépend également d’un certain niveau de performance cyclique pour les raccords entre les platelages, les raccords latéraux et les raccords entre le tablier et la structure de charpente de toit sous-jacente.

Plus récemment, en janvier 2021, une étude indépendante a été publiée pour discuter de la performance en cisaillement cyclique des connecteurs utilisés pour les connecteurs latéraux et structurel dans les diaphragmes de toit en acier nu. En raison de l’insuffisance des données existantes sur la performance cyclique des lamelles latérales isolées et des fixations structurelles,S. Torabian et B. W. Schafer ont réalisé une série de tests pour créer une classification des raccords de tablier ductils et nonductils . Les expériences ont été menées au Thin-Walled Structures Laboratory de l’Université Johns Hopkins et ont été commanditées par les associations de l’industrie, à savoir l’American Iron and Steel Institute, le Steel Deck Institute et le Steel Joist Institute.

Le programme d’essai comprenait 16 séries d’essais avec des raccords à lamelles latérales et 13 séries d’essais avec des fixations de cadre structurel. Lors de leur test, quatre types de raccords latéraux ont été observés : la soudure de joint d’arc supérieur, la vis, le poinçon à bouton et le sertissage PunchLok II propriétaire. Les vis latérales choisies pour l’évaluation du portefeuille de Hilti : Vis HWH3 S-MD 10-16×3/4 n° 10-16 et vis HWH4 S-MD12-24×7/8 n° 12-24. 

Les tests de connecteur structurel comprenaient des fixations actionnées par poudre, des soudures par points d’arc et des soudures par joints d’arc. Deux types différents de connecteurs PAF, Hilti X-HSN 24 et Hilti X-ENP-19 , se connectant à des éléments de cadre de 0,189 pouce et 0,25 pouce (plaques de substrat) simulant le cadre en acier de base, respectivement, ont été testés. Les ponts à large nervure (WR) nivelables et interverrouillables de calibre 22 à 16 ont été pris en compte.


Fixations de cadre structurel et fixations latérales Hilti utilisées dans l’étude de ductilité, étude réalisée par S. Torabe et B. W. Schafer

La configuration de l’essai était basée sur la procédure de cisaillement du joint de recouvrement selon l’AISI S905-17. Un spécimen d’essai est un joint à un seul tour utilisant deux composants de tablier métallique raccordés à deux attaches. L’un des ponts est raccordé à la partie mobile de la plateforme, qui réagit aux forces appliquées par l’actionneur de la machine d’essai. La partie stationnaire est fixée sur la base par des boulons haute résistance. La cellule de charge installée entre l’actionneur et la partie mobile de la plateforme a enregistré la réponse de force des échantillons et les déplacements de la plateforme ont été enregistrés à travers des transducteurs de position. En général, trois échantillons ont été testés cycliquement selon le protocole de chargement FEMA 461 et un échantillon a été testé monotoniquement pour chaque type ou configuration d’un connecteur.


Expérimentations cycliques sur les connecteurs latéraux et structurels dans les diaphragmes de tablier métallique, essai réalisé par S. Torabian et B. W. Schafer, ASCE, Janvier 2021.

Les fixations soudées traditionnelles ont une réponse ductile inférieure à la charge cyclique

Le mode de défaillance observé de la soudure par points d’arc utilisée pour la fixation du cadre structurel était une fracture du tablier métallique autour de la soudure par points. La déformation hors plan du platelage mince était évidente et liée au gondolement sur le côté de la soudure en compression/tension, il n’y a eu aucun cas de défaillance de cisaillement. Les raccords de soudure structurelle avaient une capacité importante, mais la ductilité et la capacité de force résiduelle étaient très faibles, ce qui rend l’utilisation de la solution non optimale en présence de charge sismique.


Expérimentations cycliques sur les connecteurs latéraux et structurels dans les diaphragmes de tablier métallique, essai réalisé par S. Torabian et B. W. Schafer, ASCE, Janvier 2021.

Le mode de défaillance couramment observé des claques latérales soudées à la couture d’arc supérieure est le plissage et le gondolement sous la plaque femelle supérieure. La première dégradation de la résistance du raccord de soudure à joint d’arc s’est produite après des déformations localisées du tablier métallique autour de la soudure et le gauchissement de la lèvre debout. Par conséquent, la charge de pointe a diminué relativement fortement, mais aucune défaillance de soudure n’a été observée lors des essais. Les soudures à arc et à joint d’arc avaient une rigidité initiale élevée et une résistance maximale élevée, mais aussi une ductilité limitée et un manque presque complet de capacité de force résiduelle pour les raccords soudés à des déformations plus importantes.



Le poinçon à bouton et le PunchLock II ont été testés pour déterminer leur performance en ductilité pour les fixations latérales

La défaillance des claques latérales du connecteur du poinçon s'est produite en raison du déplacement de l'extrémité de la plaque sertie ayant causé une friction entre les plis mâle et femelle. Cependant, les raccords avaient un comportement post-pic stable et aucune déformation ou déchirure de la plaque en plastique n’a été observée tout au long de l’essai. La conclusion a été faite que le poinçon à bouton en tant que lambeau latéral pourrait être suffisamment ductile, mais la force et la rigidité peuvent être un facteur limitant pour l’ingénieur de conception.

La défaillance du lambeau de sertissage PunchLok II n’était pas visible d’en haut tout au long du test, mais les distorsions locales aux emplacements de sertissage et les observations faites après avoir retiré les échantillons du banc ont montré que le pli mâle déchiré et les languettes de cisaillement ont fini par cisailler le pli mâle sous le pli femelle supérieur. Malgré cela, il y a eu une défaillance ductile, due à une distorsion graduelle et une défaillance des feuilles engageantes. Le connecteur PunchLok II offrait une capacité relativement supérieure à celle des vis, mais n’avait qu’une ductilité modérée et fournissait des valeurs de résistance et de rigidité similaires à celles des soudures à joint d’arc supérieur, mais avec plus de deux fois la ductilité et la capacité de force résiduelle des soudures.

Les fixations mécaniques offrent une réponse plus ductile dans des conditions de chargement dynamique

Les modes de défaillance typiques observés pour les clous actionnés par poudre testés étaient le cisaillement avec une déformation importante à travers le platelage et la défaillance du roulement du platelage à l’emplacement de la fixation sans défaillance du clou lui-même. Le mode de défaillance de contrôle a été influencé par l’épaisseur du pont. Sur l’image ci-dessous, des jauges plus épaisses de feuilles d’acier ont été caractérisées par des fentes à travers le platelage et une accumulation du matériau du platelage. Pendant ce temps, les platelages plus minces ont démontré des fentes, puis la déchirure et le gondolement de la tôle d’acier autour du clou. Indépendamment de l’épaisseur de l’acier, les clous X-HSN et X-ENP présentaient une ductilité exceptionnelle et des niveaux élevés de capacité de force résiduelle. Cela montre que les fixations à clous actionnées par poudre, telles que les Hilti X-HSN 24 et X-ENP 19, offrent une dissipation d’énergie significative au point de connexion du diaphragme de toit, offrant ainsi une méthode de fixation aux concepteurs qui offre une fixation plus ductile. Malgré la capacité de pic deux fois plus faible, les connecteurs structurels PAF surpassent les connecteurs structurels soudés dans cet indicateur. 


Expérimentations cycliques sur les connecteurs latéraux et structurels dans les diaphragmes de tablier métallique, essai réalisé par S. Torabian et B. W. Schafer, ASCE, Janvier 2021.

De même que pour les fixations de cadre fixées mécaniquement, les flancs vissés ont connu une défaillance par l’inclinaison de la vis et en faisant des roulements avec de grands déplacements cycliques autour de la fixation. En raison du déplacement, les vis reculaient des trous de façon irréversible avec un grand angle d’inclinaison. Par conséquent, le recul s’est terminé par le retrait de la vis. Du point de vue des propriétés de connexion, les lamelles vissées avaient une capacité inférieure à celle des lamelles soudées, mais beaucoup plus de ductilité.


Comparaison relative des propriétés de connexion

Les recherches et les résultats de S. Torabian et B. W. Schafer montrent que la combinaison de clous actionnés par poudre comme raccords structurels entre le tablier métallique et la charpente, et les vis emboîtables comme lamelles latérales offrent la meilleure combinaison de ductilité et de capacité de force résiduelle par rapport aux fixations soudées. La combinaison d’une fixation de cadre actionnée par poudre et de raccords latéraux vissés offre également des niveaux raisonnablement élevés de rigidité initiale et de résistance lorsqu’elles sont combinées pour une conception de diaphragme. Il est raisonnable de poursuivre les enquêtes avec des simulations d’analyse non linéaire de l’historique temporel des bâtiments avec des diaphragme de toit de tablier métallique nu et de vérifier les références de ductilité établies par les codes de conception pertinents.

Ressources

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Références (en anglais)

American Society of Civil Engineers, ASCE/SEI 7-22, « Charges de conception minimales et critères associés pour les bâtiments et autres structures.

S. Torabian, B. W. Schafer, Cyclic Experiments on Sidelap and Structural Connectors in Steel Deck Diaphragms (Les résultats de recherche explicites, les données d’essai et d’autres renseignements pertinents peuvent être trouvés dans l’article original ou demandés à l’auteur correspondant par l’entremise de torabian@jhu.edu sur demande raisonnable.