Modes de ruine des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme

Cet article fait suite à un précédent article portant sur la « Conception des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme » [1]. Les modes de ruine spécifiques aux poutres en acier simplement fléchies avec ouvertures isolées ou régulièrement espacées sont présentés ci-après.

NOTE    Les modes de ruine dépendent des formes et dimensions des ouvertures. Certains modes de ruine présentés dans cet article ne peuvent survenir que pour certaines configurations.

Modes de ruine en section

En complément des modes de ruine des sections de poutres à âme pleine, les modes de ruine suivants peuvent affecter les sections de poutres avec ouvertures dans l’âme :

• Ruine par cisaillement global de la section ajourée,
• Ruine par flexion globale de la section ajourée,
• Ruine par cisaillement générant un mécanisme Vierendeel autour des ouvertures (voir Figure 1a)),
• Ruine par cisaillement des montants d’âme, dans le cas d’ouvertures régulièrement et faiblement espacées,
• Ruine par flexion dans les montants d’âme, dans le cas d’ouvertures régulièrement et faiblement espacées,
• Ruine par rupture de la soudure dans les montants d’âme, le cas échéant (voir Figure 1b)).

NOTE    La ruine par flexion dans les montants d’âme ne peut se produire que dans le cas où les ouvertures sont excentrées par rapport au centre de l’âme ou pour les sections mono-symétriques.

De plus, il convient de tenir compte des interactions potentielles entre les modes de ruine. En particulier, l’interaction de l’effort normal, dû au moment de flexion global, du moment de flexion local et du cisaillement dans le té comprimé doit être considérée.

NOTE    Des modes de ruine additionnels peuvent affecter les sections d’une poutre avec ouvertures dans l’âme lorsque celle-ci est utilisée pour constituer une poutre mixte acier-béton.

Modes de ruine par instabilité

Les poutres avec ouvertures isolées ou régulièrement espacées peuvent également présenter les modes de ruine par instabilité spécifiques suivants :

• Ruine par flambement du té comprimé,
• Ruine par voilement de l’âme à proximité d’ouvertures, dans le cas d’ouvertures largement espacées (voir Figure 2a)),
• Ruine par flambement des montants d’âme (voir Figure 2b)),
• Ruine par voilement local de la portion d’âme comprimée en console au-dessus ou en-dessous de l’ouverture,
• Ruine par déversement de la poutre.

NOTE    La ruine par déversement n’est pas spécifique aux poutres avec ouvertures dans l’âme, mais les ouvertures peuvent avoir une influence significative sur la résistance au déversement de la poutre, en particulier dans le cas d’ouvertures multiples.

Ouvertures raidies

Pour s’opposer à certains modes de ruine, des raidisseurs ou renforts peuvent être soudés sur l’âme des poutres selon les dispositions décrites dans la référence [1].

Des raidisseurs transversaux peuvent être mis en place afin d’éliminer le risque de voilement de l’âme ou le flambement du montant d’âme.

De même, des raidisseurs longitudinaux peuvent être ajoutés afin de renforcer les sections. Certaines conditions doivent être respectées pour tenir compte de ces raidisseurs lors du calcul de la résistance de la poutre. Les raidisseurs longitudinaux peuvent alors améliorer la résistance aux modes de ruine suivants :

• Ruine par flexion globale de la section ajourée,
• Ruine par mécanisme Vierendeel autour des ouvertures,
• Ruine par voilement de l’âme à proximité d’ouvertures,
• Ruine par flambement des montants d’âme.

NOTE    Pour les âmes raidies, des vérifications complémentaires portant sur la résistance au cisaillement des raidisseurs et des soudures d’angle des raidisseurs doivent être effectuées.

Déformée

La présence d’ouvertures dans l’âme a un effet sur la déformée de la poutre (voir Figure 3) qu’il convient de prendre en compte, en tenant compte de la déformée additionnelle d’effort tranchant.

Règles de calcul

Il n’existe actuellement aucune partie d’Eurocode dédiée à la vérification des poutres avec ouvertures dans l’âme. Il convient alors de se référer aux Recommandations de la CNC2M [2], largement basées sur l’Annexe N de la version expérimentale de l’Eurocode 3 Partie 1-1 [3]. La deuxième génération de l’Eurocode 3 comporte une nouvelle Partie 1-13 [4] dédiée à la vérification des poutres avec ouvertures dans l’âme, dont la parution est prévue d’ici à 2027.

Des articles portant sur la vérification des poutres avec ouvertures dans l’âme vis-à-vis des modes de ruine présentés seront publiés ultérieurement.

Références

[1] Lebastard, M. Conception des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme. Métalétech, Juin 2025.

[2] CNC2M – N0199 : Recommandations pour le dimensionnement des poutres en acier avec ouvertures dans l’âme selon la NF EN 1993. BNCM. Juillet 2015.

[3] ENV 1993-1-1/A2 : Amendement A2 à l’Eurocode 3 « Calcul des structures en acier » et Document d’application nationale – Partie 1-1 Règles générales et règles pour les bâtiments. AFNOR. Septembre 2002.

[4] EN 1993-1-13 : Eurocode 3 – Calcul des structures en acier – Partie 1-13 : Poutres avec grandes ouvertures dans l’âme. CEN/TC 250. 2024.

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Maxime Lebastard, ingénieur de recherche, CTICM