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Utilisations utilisations de contreventement limitant le flambement (BRB)
By Kimberley Robinson, S.E.
Powerful and versatile! There are many applications for the buckling restrained brace.
Below are excerpts of an article printed in Structure Magazine in August 2012 and more from a 2014 NZSEE Conference Article.
Le contreventement limitant le flambement (BRB) a été introduit aux États-Unis à la fin des années 1990 et a depuis été utilisé dans près de 500 structures. Cette technologie a atteint un niveau de maturité important grâce à la recherche, à la codification et à la pratique. Le système de résistance aux charges latérales dont il fait partie intégrante, l'ossature ductile a contreventement limitant le flambement (BRB), est codifié depuis 2005. Cependant, de nombreux projets utilisent le contreventement à résistance au flambement de manière unique, différente du l'ossature ductile à contreventement limitant le flambement (BRB) standard. Les ont été utilisés ou proposés pour diverses applications, notamment les ponts, les structures civiles, les éléments de diaphragme horizontal, les cadres de stabilisateur de grande hauteur, des ancrés à l'extérieur, les tours éoliennes et de nombreuses autres applications uniques. Les projets suivants présentent un échantillon de certaines des applications les plus innovantes.
Rénovation à l'aide d'une seule diagonale
Rutherford & Chekene, une société de conseil en ingénierie des structures très respectée à San Francisco, a été confrontée à un défi unique sur une structure en acier et en béton friable qu'on lui a demandé d'évaluer. Il s'agissait d'un poste électrique à deux étages construit au début des années 1900 à l'aide d'une ossature en acier et de murs de cisaillement en béton. Une rénovation effectuée dans les années 1970 a supprimé la partie inférieure de l'un des murs de cisaillement en béton. La structure résultante n'était pas adéquate pour répondre aux nouvelles exigences sismiques.
Les possibilités de modernisation étaient limitées. Le remplacement du mur en beton qui avait ete enleve n'etait pas envisageable, car le deplacement de L'équipement qui y avait été placé était d'un coût prohibitif. Le contreventement a l'exterieur de la structure n'etait pas possible en raison de la nature historique de la structure. Un seul contreventement pouvait etre autorise dans la piece adjacente a la zone ou le mur avait ete enleve. Le choix s'est porte sur une capable de supporter a la fois des charges de traction et de compression tout en conservant la resistance et la ductilite nécessaire (voir figure 1). En outre, l'entretoise pouvait etre "reglée" pour correspond re a la rigidite des murs restants et reduire la torsion possible de la structure tout en reduisant la taille des connexions et les charges qui devaient etre transferees aux ancrages. Un nouveau collecteur et une nouvelle fondation ant ete fournis pour achever cette partie de la renovation.
Système de stabilité d'un bâent grande hauteurtm
La tour One Rincon Hill South Tower est une structure residentielle de 60 etages et de 651 pieds de haut. Elle est situee a proximite de l'approche ouest du pant de la baie de San Francisco - Oakland. Au cceur de l'une des regions les plus actives sismiquement des Etats-Unis, la conception a egalement ete regie par des considerations liees aux vents puissants du Pacifique, qui peuvent atteindre la force d'un ouragan.
La conception de la structure comprend un noyau en béton pour les forces sismiques de vent. Cependant, la longueur du noyau dans une direction était beaucoup plus petite que dans l'autre direction. Cela a créé d'importants moments de renversement à la base et une augmentation du balancement potentiel de la structure dans cette direction. L'équipe de conception de Magnusson Klemencic Associates, basée à Seattle, a décidé d'incorporer des colonnes de stabilisateur dans la structure afin de réduire les forces de renversement à la fondation de la structure et de rigidifier la structure dans cette direction, un peu comme l'utilisation de bâtons de ski peut stabiliser un skieur. Un contreventement serait utilisé pour atteindre les colonnes de stabilisateur afin de les engager à quatre niveaux de la structure (voir figure 2). Les contreventements limitant le flambement ont permis à l'équipe de conception de limiter la quantité de charge qui serait transmise aux colonnes de stabilisateur tout en contrôlant la rigidité et la réponse des contreventements. De plus, un grand réservoir au sommet de l'immeuble contenant jusqu'à 50 000 gallons d'eau est utilisé à deux fins : comme amortisseur de liquide pour contrer le balancement causé par les forces éoliennes et comme réservoir pour la lutte contre les incendies.
Pont
Le plus haut pant de Californie, le Foresthill Bridge, avait besoin d'une mise a niveau sismique. Ce celebre pant, qui enjambe le North Fork Canyon au-dessus de !'American River, a ete construit au debut des annees 1970 et mesure 2 428 pieds d'un cote a l'autre. A plus de 730 pieds au-dessus de la riviere, ii est le quatrieme pant le plus haut des Etats Unis et le neuvieme pant le plus haut du monde (voir figure 3). II s'agit d'un pant en treillis qui constitue la principale liaison entre les vilies d'Auburn et de Foresthill, en Californie. Dans le cadre des travaux.
L'equipe d'ingenieurs de Quincy Engineering a Sacramento, en Californie, a realise !'evaluation sismique et developpe d'autres solutions de modernisation. Le projet comprenait des criteres de conception tres detailles, specifiques au projet, qui ant ete examines par un comite technique d'evaluation par les pairs et qui comportaient des mesures de performance tres specifiques. II y avait plusieurs series de mouvements du sol bases sur une acceleration maximale du sol de 1,0. L'ensemble de l'analyse detaillee a permis de determiner que les BRBs fournissaient les mesures de performance et permettaient des dommages reparables apres un evenement maximum credible. Les charges a transferer aux ancrages longitudinaux du pont devaient etre limitees pour proteger les ancrages et deplacer les deformations inelastiques vers des elements qui pourraient etre remplaces apres un evenement sismique. La flexion des BRB, de concert avec d'autres elements, a permis de s'assurer que les forces transferees a la superstructure ne depassaient pas les niveaux acceptables, tout en assurant la stabilite longitudinale.
Renovation d'immeubles de grande hauteur
La rénovation des structures représenter des défis de conception particulièrement difficiles. Lorsque la structure à rénover est encombrée de tuyaux et de machines qui doivent rester en place, le niveau de complexité augmente. Lorsque la structure est une installation de fabrication qui fonctionne 24 heures sur 24 et qui doit rester en service ceci représente une opportunité à l'équipe de conception pour trouver des solutions créatives.
L'équipe de conception de Simpson Gumpertz & Heger a été confrontée à un tel projet, qui présentait un accès limité à l'intérieur de la structure. Une partie de la solution élaborée par l'équipe comprenait un cadre de contrefort extérieur de contreventement traditionnel, qui a été conçu pour rester élastique pendant un événement sismique, relié à la structure à l'aide de contreventements horizontaux limitant le flambement (voir figure 5). Ces contreventements été choisis parce qu'ils pouvaient fournir la rigidité nécessaire rechercher par le concepteurs tout en limitant la charge maximale à transférer, assurant ainsi la ductilité du système. En outre, ils fournissaient des capacites similaires en traction et en compression et etaient coni;ues pour ne pas se deformer sous les charges de conceptions. Des contreventements supplementaires ont ete inclus a l'interieur de la structure en utilisant des cadres BRBF traditionnels, y compris !'utilisation d'un contreventement BRB épissuré afin d'eriger le nouveau contreventement autour des obstacles recontres a l'interieur de la structure.
Contreventements ancrés à l'extérieur
Les ingénieurs de Degenkolb ont été confrontés à un problème similaire. Eux aussi travaillaient avec une installation qui ne pouvait pas être arrêtée pendant le processus de rénovation. Le système BRB ancré à l'extérieur qui a été utilisé a permis de rénover et mettre la structure à nieau avec un minimum de perturbations pour l'installation (voir figure 6). En outre, le contreventement s'est adapté à l'apparence esthétique de la structure que l'architecte avait envisagée. Des éléments de contreventement plus grands que nécessaire ont été fournis et les connexions ont été adaptées pour obtenir l'impact visuel souhaité de la structure.
Les projets énumérés ci-dessus ne fournissent qu'un petit échantillon d'utilisations uniques des contreventements limitant le flambement. Au fur et à mesure que l'utilisation des contreventements limitant le flambement (BRB). À mesure que l'utilisation de ce type de contreventement se développe, de nouvelles applications nécessitant une capacité symétrique entre la tension et la compression, une rigidité calibrée des éléments, une limitation de la compression, une rigidité calibrée des éléments et d'autres caractéristiques de ce type de contreventement continueront d'être découvertes. Les applications trouvées illustrent véritablement la créativité foisonnante des ingénieurs concepteurs qui utilisent cette technologie.
Coefficient de modification de force (de sur-résistance) du conroventement
Pour le système à ossature ductile à contreventement limitant le flambement (BRBF), le contreventement est désigné comme l'élément « fusible » et toutes les autres parties du cadre et les assemblages sont conçus pour rester dans le domaine élastique. Lorsqu'un événement sismique sollicite le contreventement BRB, l'âme en acier est conçue pour plastifier et ensuite pour s'écrouir.
Ce processus exigera que les poutres, les poteaux et les assemblages soient dimensionnés pour ces forces de contreventement plus élevées. L'augmentation de la force de traction dans le contreventement est représentée par le facteur ω, tandis que l'augmentation en compression est représentée par le facteur βω. En utilisant les méthodes d'interprétation des essais de l'AISC 341 (États-Unis), ces facteurs peuvent être déterminés à partir des résultats obtenus à partir d'une « courbe d'hystérésis » tracée à l'aide des valeurs provenant des résultats d'essais.
Encore une fois, ces facteurs varient selon les fabricants de contreventements et même selon le type d'assemblage du contreventement. L'ingénieur n'a pas besoin de les calculer, car ils peuvent être fournis par le fabricant. Ces valeurs sont déterminées à partir des élongation prévus dans les contreventements. Le concepteur des BRB peut les déterminer à partir de l'analyse des déplacements de l'ingénieur, ou simplement en utilisant les facteurs de conception utilisés par l'ingénieur en conception. Après l'analyse des déplacements, l'ingénieur peut fournir au fabricant des BRB les allongements de point de travail à point de travail pour chaque cadre en se basant sur les profils de dérive finaux et prédominants du cadre. Basé sur la forme des déplacements finaux de chaque cadre,Si ces profils incluent d'éventuels mécanismes inélastiques, il est important d'en informer le fabricant des BRB. Les allongements déterminés directement à partir des déflexions élastiques amplifiées peuvent nécessiter l'application d'un facteur additionnel de 2 sur les déformations du contreventement, tandis que les allongements déterminés à partir de mécanismes possibles ou d'une analyse inélastique ne devraient pas nécessiter ce facteur. Il est à noter que l'utilisation de la seule dérive inélastique pour déterminer les allongements de contreventement pourrait être trop conservatrice, car de nombreux facteurs de l'ensemble des éléments du cadre (allongement/raccourcissement des poteaux, distorsion des poutres, etc.) contribuent à la dérive, et les formules couramment utilisées pour calculer l'allongement du contreventement à partir de la dérive supposent que tous les éléments du cadre, mis à part les contreventements, sont infinimentrigides.
Atténuation déplacement le cisaillements entre bâtiments
Souvent, dans le cadre de projets de rénovation, deux bâtiments sont situés à proximité l'un de l'autre et l'on peut s'attendre à ce qu'ils se cognent entre eux ou se déplacent de manière à potentiellement endommager la tuyauterie ou d'autres équipements reliant les deux structures. Le projet de rénovation de la tour de soins infirmiers pour anciens combattants était un tel projet.
Des paires de contreventements limitant le flambement (BRB) ont été utilisées pour répondre à ces préoccupations et servir d'amortisseur entre les deux structures afin de limiter les dommages qui pourraient survenir. Se référer à la figure 4. Les deux poutres illustrées appartiennent chacune à une structure distincte, séparées par un joint de dilatation mais libres de se déplacer indépendamment l'une de l'autre.
Le contreventement B-34 a été ajouté, reliant les deux bâtiments pour traiter le problème de cognement entre les deux bâtiments. Le contreventement B-35, également connecté à chaque bâtiment, a été ajouté pour traiter les déplacements de cisaillement entre les deux bâtiments. L'analyse structurelle a incorporé une analyse non linéaire en fonction du temps et a vérifié que l'ajout des BRB a permis de soulager les préoccupations de l'équipe de conception concernant les interactions dommageables entre les deux structures.
Contreforts horizontaux
En 1925, lors de son achèvement, la structure de la Pacific Telephone and Telegraph Company, au 140 New Montgomery, était le plus haut bâtiment de San Francisco, en Californie, avec ses 413 pieds (125,9 m). Les assemblages à moment utilisés dans la conception originale n'étaient pas suffisants pour atteindre les objectifs de performance du projet. Ils ne possédaient pas une rigidité adéquate pour limiter les dérives à un niveau acceptable, compte tenu de la façade en terre cuite fragile.
Ils manquaient également de la ductilité requise pour la performance souhaitée. Un nouveau système de contreventement latéral était nécessaire pour rigidifier la structure et protéger les éléments existants des déformations et des dommages excessifs. L'équipe de conception a ajouté une combinaison de contreventements à flambement empêché (BRB) et de nouveaux murs de cisaillement.
Les BRB (illustrés en rouge ci-dessous dans la figure 5) ont été intégrés dans des systèmes de fermes "en porte-à-faux". Les BRB fournissent à la fois la résistance et la rigidité nécessaires pour lier les nouveaux segments de mur, améliorant considérablement la rigidité globale du système. Contrairement aux contreventements ordinaires, un BRB ne flambage pas et limitera la charge qui pourrait être transférée au reste de la structure, réduisant ainsi considérablement les forces pour lesquelles le reste de la structure devrait être dimensionné.
The projects used in this article represent projects from all three of the 2012 domestic BRB manufacturers. The author appreciates the input from each of the engineering firms listed, as well as Star Seismic, LLC., SIE, Inc. and Corebrace, LLC.