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Caractérisation cyclique d'un acier austénitique 304L pour implémentation comme matériau de noyau d'une diagonale ductile confinée


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Résumé:

La conception parasismique moderne est toujours en évolution afin de trouver des solutions pour améliorer la performance des structures, pendant des évènements tels que les séismes, tout en demeurant une option économique. Les diagonales ductiles confinées (DDC) sont devenus un choix intéressant comme système de résistance aux charges sismiques, en combinant la grande rigidité latérale des cadres à treillis concentriques avec une très bonne capacité de dissipation d’énergie. Toutefois, ce système est enclin à de grandes flèches latérales permanentes, causées par une faible rigidité suivant la plastification de la diagonale, ce qui pourrait probablement être résolu par l’utilisation d’un matériau possédant une bonne capacité d’écrouissage comme matériau pour le noyau ductile de la DDC. Dans cette étude, des éprouvettes machinées à partir de plaques d’acier inoxydable austénitique 304L et d’acier au carbone 350WT ont été testées sous des chargements de traction ainsi que des chargements cycliques à amplitude de déformation constante et à amplitude de déformation variable, dans le but de caractériser et de déterminer la faisabilité pour l’introduction de l’acier inoxydable 304L comme matériau de noyau ductile pour les DDC. Les résultats des essais de traction ont démontré que l’acier 304L présente un écrouissage et une ductilité plus importante que l’acier au carbone. De plus, une relation décrivant le comportement en contrainte-déformation vraie a été calée basée sur l’analyse d’image. Les résultats des essais cycliques à amplitude constante ont démontré que l’acier inoxydable 304L présente un plus grand durcissement cyclique que l’acier au carbone avec des contraintes maximales cycliques atteignant jusqu’à près de 3 fois la valeur de la limite élastique. En contrepartie, l’acier au carbone a démontré une meilleure durée de vie en fatigue oligocyclique que l’acier inoxydable. Les résultats des essais cycliques à amplitude variable ont, quant à eux, été utilisés pour caler un modèle d’écrouissage mixte représentant chacun des matériaux afin d’effectuer une simulation numérique d’un test de qualification pour DDC en utilisant le logiciel Abaqus.

Abstract:

Contemporary seismic design is constantly evolving in search of innovative and economic solutions to enhance the performance of structures during earthquakes. Buckling-restrained braces (BRBs) have evolved as an effective seismic load-resisting system, combining high lateral rigidity of concentrically braced frames with high energy dissipation capacity. However, BRBs are prone to large residual drifts, resulting from a low-post yield stiffness of the brace component. This could be resolved by using a material with a high strain hardening capacity, as the core plate material of the BRB or one of the core plates in a multi-plate configuration. This research aims at characterizing the austenetic stainless steel 304L in order to examine the feasibility of introducing this material as a core plate material oin BRBs. In this study, coupons machined from stainless steel 304L and carbon steel 350WT plates were tested under monotonic tensile loading and cyclic loading at both constant and variable cyclic strain. Results from the monotonic tensile tests showed that the 304L steel exhibits higher strain hardening and higher ductility character than the carbon steel. From these tests, a relation describing the true stress-strain behavior of the 304L steel was calibrated using image analysis techniques. Results from the constant amplitude cyclic tests showed that 304L stainless steel exhibits higher cyclic hardening with maximum cyclic stress values up to about three times that of the yield stress. On the other hand, the carbon steel showed higher low-cycle fatigue life. Results from the variable amplitude cyclic tests were used to calibrate the nonlinear kinematic-isotropic hardening model for both materials for use in a numerical simulation of the novel BRB in seismic vulnerability assessment studies.

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Version 2.3