Conversions bureau-résidentiel : analyse approfondie en ingénierie structurelle

Réimaginer les structures : la réutilisation adaptative en pratique
La dynamique de l'équilibre entre préservation et innovation, des retrofits structurels et des stratégies de réutilisation innovantes à la conception adaptative

Nous avons assisté à une session de David Farnsworth d'Arup, où il a décrit le processus structurel et les défis liés à la conversion d'un ancien bâtiment (années 1950) en immeuble résidentiel. Pour en savoir plus sur les économies de carbone réalisées grâce à ces conversions, consultez le rapport ARUP : https://www.arup.com/globalassets/downloads/insights/office-to-residential-conversions-the-carbon-story.pdf

Un aspect clé expliqué lors de la session était que la forme de ces bâtiments ressemblant à un gâteau de mariage carré présente de grands plateaux de plancher (conceptions d'après-guerre, lorsque la climatisation a été inventée), ce qui, pour une disposition résidentielle, n'est pas utile car les promoteurs souhaitent maximiser la surface disposant d'une fenêtre.

Ainsi, la solution trouvée par Arup dans ce cas était d'entailler une partie du « gâteau » et d'augmenter la disponibilité des fenêtres, augmentant ainsi le nombre d'unités à chaque niveau. Le volume entaillé peut ensuite être réaffecté au sommet ou sur le côté du bâtiment. Vous pouvez en lire davantage sur ce sujet dans l'article suivant : https://www.nytimes.com/interactive/2023/03/11/upshot/office-conversions.html

Avec ces modifications et ajouts, le processus structurel se met en marche. Plusieurs défis se posent au cours de ce processus : ancien code utilisé et réévaluation de la structure selon les codes actuels, nouvelles charges, stabilité, connexions au vent, renforcement de la structure (poutres, colonnes et connexions), dalles en mâchefer/colonnes montantes.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur le retrofit des connexions en acier et de la structure en acier. 

« Connexions au vent »

Les connexions « au vent » (Type 2 avec vent) autorisées par les dispositions AISC ASD 1989 constituaient une solution simplifiée : la connexion est suffisamment rigide pour résister aux charges latérales, mais suffisamment flexible pour permettre à la poutre de se comporter comme simplement appuyée sous les charges gravitaires, autrement dit partiellement retenue.

Lors de l'analyse des bâtiments existants, les ingénieurs en structure ont découvert ce détail typique construit avec des profilés en T ou des cornières aux semelles supérieure et inférieure de la poutre, ainsi qu'une connexion par cisaillement simple dans l'âme, assemblée par rivets.

Pour effectuer des modifications structurelles, l'ingénieur en structure doit évaluer la capacité actuelle de la structure. Une investigation du bâtiment est réalisée et, à l'aide d'outils modernes, les entreprises modélisent lesconditions existantes dans des logiciels d'analyse structurelle globale et effectuent des analyses pour en déterminer la capacité.

Cependant, étant donné que les connexions sont partiellement retenues, les extrémités de poutre (relâchements d'extrémité de poutre) ne peuvent pas être modélisées comme articulées ou encastrées dans le logiciel de structure. La solution consiste à saisir la rigidité en rotation réelle de la connexion existante.

Dans la spécification AISC actuelle, le commentaire note que les courbes moment-rotation des connexions partiellement retenues peuvent être trouvées dans plusieurs bases de données (Goverdhan, 1983 ; Ang et Morris, 1984 ; Nethercot, 1985 ; Kishi et Chen, 1986). Le principal problème est de trouver la base de données qui correspond exactement aux dimensions ou aux conditions de connexion présentes sur le chantier.

L'alternative dans ce cas est soit de calculer la rigidité par modélisation par composants (basée sur les calculs manuels de l'Eurocode), soit d'utiliser un logiciel d'analyse par éléments finis.

IDEA StatiCa a la capacité de modéliser et de concevoir des connexions en acier en utilisant le CBFEM basé sur des codes internationaux tels que l'AISC. Outre la conception structurelle, le logiciel inclut des analyses avancées telles que : la conception en capacité pour les conditions sismiques, l'analyse de flambement linéaire, la résistance de calcul de l'assemblage pour déterminer la capacité maximale de la connexion, et l'analyse de rigidité qui classe la connexion selon les codes de conception et calcule le diagramme moment-rotation.

Le logiciel peut fournir une valeur de ressort multi-linéaire ou linéaire pour caractériser la condition d'extrémité de la poutre dans les logiciels d'analyse globale commerciaux.

D'après certains retours d'expérience utilisateurs, le logiciel a été utilisé pour l'évaluation par analyse structurelle de structures existantes, comme dans le processus suivi pour convertir un ancien immeuble de bureaux en immeuble résidentiel moderne à New York.

Il a également été utilisé pour confirmer l'hypothèse de rigidité sélectionnée, qu'elle soit articulée ou retenue.Par exemple, un cas courant est celui où des connexions HSS sont modélisées : même si nous sommes certains (sur la base de l'expérience du concepteur) d'avoir modélisé une connexion rigide, la rigidité de l'élément de support est toujours discutable.

L'état existant des connexions est important pour calculer leur rigidité. Pour ce faire dans IDEA StatiCa, vous pouvez modéliser des rivets, des sections transversales historiques et des matériaux, modifier des sections en acier avec des ouvertures et des découpes. Après toutes les analyses, si l'utilisateur conclut qu'un renforcement est nécessaire, il peut ajouter un renforcement par soudure, des connexions d'appui (renforcement par profilés en T) et un renforcement par platines. En savoir plus ici : https://www.ideastatica.com/blog/connection-design-rfis-retrofitting-existing-steel-connections

Renforcement des poutres au vent et gravitaires

Comme expliqué précédemment, l'analyse de rigidité de la connexion fait partie du processus structurel, mais une fois ces données obtenues à partir de logiciels tels qu'IDEA StatiCa, les ingénieurs saisissent les valeurs dans leur logiciel d'analyse globale afin d'effectuer une analyse non linéaire complète de la structure pour obtenir la capacité actuelle de l'ensemble de la structure.

Ensuite, ils doivent modifier le modèle structurel pour représenter la nouvelle structure : suppression d'une partie de la structure en raison des entailles ou de l'extraction de volume, augmentation des charges due aux modifications du code de construction, ajout de niveaux, etc. Une fois le modèle modifié en utilisant la majeure partie de la structure existante, les ingénieurs peuvent constater que certaines poutres et colonnes doivent être renforcées.

Cela peut consister à ajouter un renforcement aux extrémités des poutres pour les portiques à moment, ou un renforcement au milieu de la poutre pour les portiques gravitaires.

Une solution qu'IDEA StatiCa propose à ses utilisateurs travaillant avec l'acier est la possibilité d'analyser et de concevoir des éléments de poutre à l'aide de la méthode des éléments finis. Au lieu d'utiliser des éléments de poutre 1D comme la plupart des logiciels, l'application Member modélise les poutres comme des éléments coques. Cela permet à l'utilisateur de modéliser des ouvertures dans les platines de l'élément et des renforts tels que des platines soudées/boulonnées ou des sections transversales. En savoir plus : https://www.ideastatica.com/case-studies/26-story-office-tower-transformation-project

De plus, dans l'application Member, au lieu de modéliser la condition d'extrémité de la poutre comme articulée ou rigide, la connexion est modélisée explicitement. Aucun aller-retour n'est nécessaire, le calcul des diagrammes de moment et d'effort tranchant sera précis en tenant compte de la rigidité réelle du portique.