NDS Masterclass : approfondissez le dimensionnement des structures en bois avec RFEM 6 !

La leçon accueille les participants au cours sur les structures en bois selon la norme NDS dans RFEM 6 et présente les modules, des calculs de base jusqu'au dimensionnement, à l'aptitude au service et à la résistance au feu. Elle mentionne les diapositives et modèles RFEM gratuits, un certificat de réussite ainsi qu'une version d'essai gratuite de 90 jours ou une version étudiant.

La leçon présente les cinq chapitres du cours, de la norme NDS et des autres normes relatives au bois à la théorie des matériaux, jusqu'à la modélisation pratique des charges, des résultats et du dimensionnement dans RFEM 6. Elle précise que le dimensionnement selon la norme NDS nécessite l'add-on Timber Design (RSTAB et RFEM) et, pour le CLT, l'add-on Multilayer Surfaces (RFEM uniquement).

La leçon traite du comportement orthotrope du bois, dans lequel le cisaillement roulant ramène GYZ à environ 10 % seulement du module de cisaillement attendu pour un matériau isotrope. La formule du coefficient de Poisson, E sur 2G moins un, est appliquée à E = 1700 ksi et G = 106,25 ksi : le résultat dépasse largement la limite de 0,5, c'est pourquoi RFEM 6 le maintient à zéro pour les barres 1D.

Un nouveau modèle 3D nommé « Example 1 » est créé dans RFEM 6, puis l'add-on Timber Design et l'assistant de combinaisons, inutiles ici, sont désactivés. Le matériau Steel A36 (AISC) est importé dans une nouvelle épaisseur et transformé en matériau isotrope défini par l'utilisateur avec E = 1400 ksi et un coefficient de Poisson de 0,1, puis l'épaisseur de la surface passe de 8 à 2 pouces.

Une surface de 13 × 7 pieds est modélisée dans RFEM 6 avec trois appuis linéiques : l'un bloqué uniquement en Z, les deux autres dotés d'une faible rigidité de ressort en X ou en Y afin d'éviter l'instabilité sans créer de modèle hyperstatique. Une charge surfacique de 0,05 KSF dirigée vers le bas est appliquée et le poids propre est désactivé pour une comparaison équitable du bois.

Le modèle est copié deux fois avec un décalage de 10 pieds, charges comprises, puis les deux nouvelles plaques reçoivent une nouvelle épaisseur de 2 pouces en Douglas Fir-South, visually graded decking (AWC NDS 2024), avec le modèle de matériau orthotrope élastique linéaire. Les axes de la troisième surface sont tournés de 90 degrés pour réorienter sa rigidité.

Le calcul est lancé et les déformations sont comparées : les déplacements nodaux atteignent 1,426 pouce pour la plaque isotrope, environ 2,77 pouces pour la surface orthotrope et près de 15 pouces pour la surface tournée. Les moments dans les axes locaux (MX) sont examinés, une rigidité plus élevée donnant des efforts internes plus élevés.

Un nouveau modèle RFEM est créé, l'add-on Timber Design est activé et le groupe de normes est défini sur ASCE 7 wood avec NDS 2024. Une poutre à deux travées de 30 pieds (13 et 17 pieds) est modélisée avec une section en bois lamellé-collé 24F-V4 DF de 7 × 10 pouces, des appuis nodaux sont ajoutés et une charge de poids propre de -0,1 kip/ft est appliquée.

Deux cas de charge d'exploitation sont créés avec une charge de -0,35 kip/ft sur chaque travée, puis les deux barres sont regroupées dans un ensemble de barres. Une longueur de flambement est ajoutée selon la méthode analytique. Les configurations à l'état limite ultime, à l'état limite de service et de résistance au feu sont passées en revue, ainsi que le coefficient KCR dans les données de base.

Un appui de calcul avec une longueur d'appui de 9,5 pouces est créé pour la vérification de la compression perpendiculaire au fil selon le paragraphe 3.10.2 de la norme NDS, puis copié comme appui intermédiaire pour le nœud central. La flèche est vérifiée dans les directions locales Z et Y, et trois situations de projet à l'état limite de service sont définies, dont une avec le coefficient de fluage.

Les 5 situations de projet sont passées en revue et la deuxième situation ASD est basculée à l'état limite en situation d'incendie ; la leçon montre ensuite pourquoi les barres individuelles sont désactivées au profit de l'ensemble de barres, sélectionnable par sa ligne pointillée extérieure. Le calcul est lancé avec les processeurs multicœurs de RFEM 6, puis les messages sont contrôlés dans l'onglet « overview ».

La leçon examine 2 erreurs de résistance au feu pour la flexion autour de l'axe Y, ajoute une charge de vent de 0,5 kip et active les vérifications au feu des appuis ; l'activation de la réduction de l'effort tranchant diminue le taux d'utilisation au cisaillement. Les méthodes analytique NDS et aux valeurs propres sont comparées pour le flambement, puis une flèche de 0,232 pouce dans la direction Y est relevée.

L'outil d'optimisation recherche une section dont les taux d'utilisation sont inférieurs à 1,0, en testant des largeurs de 7 à 12 pouces et des hauteurs de 10 à 15 pouces par pas d'un demi-pouce, et retient une section de 8 × 11 pouces. Cette section remplace dans le modèle la section d'origine de 7 × 10 pouces et, après un nouveau dimensionnement, tous les taux d'utilisation passent au vert.

Des diapositives expliquent le facteur de courbure selon le paragraphe 5.3.8 et les vérifications de traction radiale selon 5.2.8 et 5.4.1 pour les poutres courbes en bois lamellé-collé. L'exemple 3 est ensuite construit dans RFEM 6 avec l'add-on Timber Design, les normes ASCE 7 Wood et NDS, un « Arc » défini par 3 nœuds et une barre de section 8 × 24 pouces en bois lamellé-collé 24F-1.8E.

Des appuis nodaux bloquent la rotation autour de l'axe X et une charge de 0,15 kip/ft est appliquée à l'arc ; seule la situation de projet ASD est conservée après suppression des situations à l'état limite de service et LRFD. Le calcul donne une déformation maximale de 0,02 pouce, et les faibles moments fléchissants autour de l'axe local Y rendent le déversement moins déterminant.

Une définition de longueur de flambement désactive le déversement pour l'élément courbe et fixe la longueur à la longueur totale de la barre. L'add-on Timber Design signale alors plusieurs vérifications de stabilité comme non dimensionnables, car l'élancement dépasse sa limite, avec un avertissement concernant la méthode des longueurs de flambement pour les éléments courbes.

Un nœud intermédiaire sur la barre, maintenu dans la direction locale Y, divise par deux les longueurs de flambement, ce qui supprime l'erreur d'élancement sans aucun taux d'utilisation dépassé. Les détails montrent la vérification de traction radiale selon 5.4.1, puis le déversement est réactivé par la méthode des valeurs propres, ce qui donne MCrit à partir du coefficient AlphaCrit et une déformée modale en affichage filaire.

L'exemple 4 modélise un élément à inertie variable de 60 pieds : une répartition en selle va d'une section de départ de 7 × 14 pouces à une section de 7 × 80 pouces au point K, avec un appui articulé fixe, un appui glissant et une charge de 0,350 kip/ft sur la longueur réelle. Le passage du cas de charge en charge d'exploitation porte la durée de chargement à 10 ans.

La déformation atteint environ 1,05 pouce et le moment fléchissant autour de l'axe local Y près de 201,2 kip·ft. La vérification déterminante au déversement selon NDS 3.9.2 échoue avec environ 238 % pour la hauteur de référence par défaut selon 3.7-3, et le maintien du nœud 3 dans la direction locale Y ramène le dépassement à 15 %.

« Optimize for current row » fait varier la largeur de la section de 7 × 14 pouces de 8 à 12 pouces par pas de 0,125 pouce ; la largeur optimisée de 8,375 pouces reste légèrement insuffisante, et c'est avec 8,5 pouces que la vérification est satisfaite. Des points de contrainte numérotés donnent un CI de 0,35 pour une inclinaison de 10 degrés au point 1, contre un CI de 1 au point 9 en traction.

Le modèle de l'exemple 5 active les add-ons Timber Design et Multilayer Surfaces avec ASCE 7 wood et la norme NDS, avec un poteau 8 × 8 et une poutre maîtresse 8 × 12 en 24F-1.8E. Deux définitions d'excentricité placent la poutre maîtresse à fleur du plancher en CLT et du poteau au moyen de liaisons rigides.

Une épaisseur multicouche constitue la composition d'un mur en CLT à partir de trois couches de 1,5 pouce en southern pine selon PRG 320, la couche centrale étant tournée de 90 degrés, définies comme surfaces orthotropes élastiques linéaires. Le bouton « import layers from library » importe ensuite à la place, pour les murs, un produit ANSI/APA PRG 320 de classe E4, de 4 1/8 pouces et à 3 couches.

L'onglet « stiffness reduction » traite des coefficients K33 de torsion et K88 dans le plan, fournis par la FAQ 4119 et l'annexe nationale autrichienne de l'Eurocode 5, tandis que K44 et K55 restent à 1,0. Les options « shear failure mode » restent décochées, et RFEM établit la matrice de rigidité complète du panneau selon la théorie des stratifiés et non selon la méthode de l'analogie du cisaillement.

Les axes locaux du mur sont définis parallèlement à la ligne 9, puis une ouverture rectangulaire est placée de la coordonnée (8 ; 0 ; 3) à (3 ; 0 ; 7). Une barre ronde A36 d'un quart de pouce, définie en traction, forme le contreventement en croix, et des articulations de barre libèrent phi Y et phi Z au poteau et phi X au début de la poutre maîtresse.

Une articulation linéique libère le moment et ajoute un ressort UX de 150 kip/ft² pour le glissement, appliqué à la surface 5 sur la ligne 5 et aux deux murs, le côté opposé restant bloqué. Une libération linéique détache ensuite la ligne 15 de la surface 5 avec le nœud de définition 6 et relâche le moment, de sorte que la poutre maîtresse ne reprend aucune torsion du plancher.

Des appuis nodaux et des appuis linéiques articulés sont ajoutés au poteau en bois et aux murs, puis des charges surfaciques permanentes, d'exploitation (la moitié de la charge permanente) et de vent de 0,02 et 0,03 KSF sont appliquées. Le maillage EF est généré avec une taille d'un pied, les résultats statiques montrent une flèche de 0,7 pouce sous le vent, et les contraintes dans les couches du CLT ainsi que les points de grille sont examinés.

Les situations de projet sont modifiées pour comprendre deux situations ASD, résistance et incendie, plus trois situations à l'état limite de service, et les deux tirants du contreventement en croix, barres 6 et 7, sont exclus du dimensionnement. Suivent les longueurs de flambement et les configurations de calcul du CLT, avec le coefficient C con de PRG 320 et la vitesse de carbonisation nominale fixée à 0,25.

« Show Results » lance le dimensionnement, et les taux d'utilisation sont examinés sur les barres et les surfaces : l'aptitude au service atteint 1,6 à l'ouverture du mur, objet quatre, emplacement 607, pour une limite de 0,433 pouce. Le cisaillement YZ couvre le cisaillement roulant, et une coupe de résultats à travers la surface 4 représente les taux d'utilisation sur le mur.

Un nouveau rapport d'impression est créé depuis la barre d'outils avec le gabarit des données d'entrée et des résultats réduits, la mise en page et la page de garde étant laissées par défaut, et « Save and Show » l'ouvre dans une fenêtre séparée. « Multiprint » insère dans le rapport les graphiques des vues X, Y et Z ; le rapport peut être exporté en PDF, HTML ou RTF.