Comportement porteur et modes de rupture des joints horizontaux soudés dans les structures de murs de cisaillement préfabriqués

Pourquoi des bâtiments préfabriqués plus sûrs comptent

De plus en plus de bâtiments sont réalisés à partir de grands panneaux en béton fabriqués en usine puis assemblés rapidement sur site. Cette approche permet de réduire le temps de construction, de diminuer les déchets et d’améliorer le contrôle de la qualité. Mais dans les régions sismiques, une grande question subsiste : dans quelle mesure les assemblages métalliques qui relient ces lourdes pièces de béton tiennent-ils lorsque le sol tremble ? Cette étude examine de près un type clé de connexion soudée entre murs et dalles dans les bâtiments préfabriqués afin d’évaluer sa résistance et sa tolérance aux dommages.

Comment les bâtiments modernes sont assemblés

Dans un bâtiment en béton traditionnel, murs et planchers sont coulés en une masse quasi continue, si bien que la structure se comporte comme un bloc unique. Les bâtiments préfabriqués diffèrent : murs et dalles sont fabriqués en usine, puis reliés sur site. Ces joints deviennent les « maillons faibles » qui déterminent la sécurité et le coût des réparations lors d’un séisme. Les ingénieurs peuvent utiliser des joints « humides », ajoutant du béton coulé sur place, ou des joints « secs », reposant sur des boulons ou des soudures. Les joints humides se comportent davantage comme du béton massif mais ralentissent la construction. Les joints secs sont plus rapides et plus propres, mais leur comportement lors de forts secousses est moins bien connu, en particulier pour les soudures horizontales où les murs rencontrent les planchers.

Un nouveau lien soudé entre murs et planchers

Les auteurs ont conçu un système de joint soudé pratique, adapté à la construction réelle. Des plaques d’acier sont noyées dans les rives des panneaux muraux et de la dalle en usine. Sur site, une plaque de liaison est soudée entre ces plaques incorporées, des barres d’acier raccordant les plaques à des poutres et poteaux dissimulés dans le béton. Cela crée un « pont » en acier caché qui transfert les efforts entre le mur supérieur, la dalle et le mur inférieur. Deux spécimens à l’échelle réelle ont été construits : l’un représentant un mur extérieur connecté à une dalle d’un seul côté, l’autre représentant un mur intérieur lié à des dalles des deux côtés. Les deux ont été montés dans un cadre d’essai et soumis à des poussées alternées pour imiter les déplacements lents et répétés produits par un fort séisme.

Ce qui s’est passé lors de la simulation du séisme

Pendant les essais, les joints ont supporté des efforts latéraux d’environ 330 kilonewtons — comparables au poids de plusieurs petits camions — avant que leur résistance ne commence à décroître. Ils ont aussi permis des déplacements de tête d’environ 40–44 millimètres tout en conservant l’essentiel de leur charge, indiquant une bonne ductilité, c’est‑à‑dire la capacité à se déformer sans rompre subitement. Des fissures sont apparues d’abord dans la zone inférieure du mur près des plaques soudées, puis se sont propagées en diagonale ; finalement, le béton sur le bord comprimé du mur s’est écrasé tandis que les plaques et barres d’acier proches du joint ont cédé. Le mode de rupture combinait cisaillement latéral au niveau du joint et flexion du mur — plutôt qu’une rupture fragile et brutale. Le spécimen représentant les murs intérieurs, avec des dalles de chaque côté, a montré une raideur et une résistance légèrement supérieures à la version mur extérieur, traduisant un chemin de transmission des efforts plus équilibré.

Regarder à l’intérieur par des essais virtuels

Pour compléter les expérimentations en laboratoire, l’équipe a développé un modèle numérique tridimensionnel détaillé avec le logiciel de calcul ABAQUS. Ils ont utilisé un modèle de béton avancé capable de reproduire fissuration, écrasement et perte de raideur sous chargements répétés, combiné à un comportement de l’acier simplifié mais réaliste. Après calibration, ils ont constaté que les courbes force–déplacement simulées, les zones de concentration de contraintes et les schémas de fissuration correspondaient raisonnablement aux essais : les charges de pic et d’écoulement étaient généralement dans un écart de 10–20 % par rapport aux valeurs mesurées. Avec cet outil validé, ils ont mené des expériences virtuelles pour étudier comment la variation de la charge verticale sur le mur (compression axiale) et la géométrie du mur (rapport porte-à-faux de cisaillement) influençaient les performances. Une compression plus élevée augmentait la résistance maximale mais réduisait la capacité de déformation au‑delà d’un certain seuil, tandis que des murs plus hauts et plus élancés faisaient évoluer le dommage d’un mode dominé par le cisaillement vers un mode dominé par la flexion et une résistance moindre.

Ce que cela implique pour la conception résistante aux séismes

Pour un public non spécialiste, le message principal est que des joints soudés soigneusement détaillés entre murs et planchers préfabriqués peuvent bien fonctionner sous sollicitations de type sismique. Ces joints n’ont pas agi comme des coutures fragiles ; au contraire, ils ont supporté de fortes efforts, dissipé l’énergie par fissuration contrôlée et écoulement de l’acier, et sont entrés en rupture de manière progressive et observable. L’étude montre aussi que les concepteurs doivent équilibrer la charge verticale et les proportions des murs pour éviter des ruptures par écrasement sous compression trop rigides et préserver la ductilité. Enfin, le modèle numérique validé fournit un outil puissant pour affiner les détails des joints et explorer des scénarios plus extrêmes, aidant les ingénieurs à concevoir des bâtiments préfabriqués à la fois rapides à construire et plus sûrs en cas de séisme.

Citation: Xu, B., Xu, Y. & Zhang, Y. Load-bearing and failure behavior of welded horizontal joints in prefabricated shear wall structures. Sci Rep 16, 10262 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40936-2

Mots-clés: béton préfabriqué, joints sismiques, connexions soudées, murs de cisaillement, ingénierie parasismique