Influence des ouvertures d'âme sur la réponse cyclique des poutres d'accouplement en BA

Pourquoi de petites ouvertures comptent dans les grands bâtiments

Dans les immeubles modernes de grande hauteur situés en zones sismiques, on retrouve souvent des paires de murs en béton épais reliés par de courtes poutres horizontales qui jouent le rôle de fusibles structurels. Ces poutres doivent basculer et se déformer pendant les secousses pour que l'édifice puisse dissiper l'énergie en toute sécurité. Parallèlement, architectes et ingénieurs pratiquent régulièrement des percements dans ces poutres pour faire passer canalisations et gaines. Cette étude pose une question apparemment simple mais aux fortes implications pour la sécurité : lorsqu'on percute des ouvertures de service dans ces éléments critiques, dans quelle mesure deviennent-ils plus faibles et plus fragiles, et des dispositions intelligentes en acier à l'intérieur du béton peuvent‑elles compenser la perte de capacité ?

Comment les poutres d'accouplement protègent les structures hautes

Dans de nombreuses tours, les noyaux d'ascenseurs et d'escaliers sont constitués de deux murs parallèles en béton reliés par de courtes poutres profondes appelées poutres d'accouplement. Lorsqu'un séisme déplace latéralement le bâtiment, ces poutres sont conçues pour céder et se déformer de manière contrôlée, absorbant l'énergie et protégeant les murs principaux d'endommagements sévères. Pour les poutres très courtes, les barres d'armature droites traditionnelles ont tendance à rompre brutalement en cisaillement. Les règles de construction privilégient donc des dispositions d'armature diagonale qui traversent la poutre comme un X ; des essais antérieurs ont montré qu'elles sont plus ductiles et dissipent mieux l'énergie. Cependant, les règles fournissent peu d'indications sur ce qui se passe lorsque des besoins pratiques imposent de découper des ouvertures rectangulaires dans ces poutres.

Simuler des cycles sismiques plutôt que de casser de nombreuses poutres

Parce que de larges programmes expérimentaux sont coûteux, les auteurs ont construit un modèle numérique tridimensionnel détaillé de poutres d'accouplement en béton armé en utilisant le logiciel d'éléments finis ABAQUS. Ils ont d'abord vérifié que leur modèle pouvait reproduire des essais de laboratoire sur des poutres courtes avec armatures conventionnelles et diagonales en chargement monotone et en va‑et‑vient. Les simulations ont rendu compte de l'apparition des fissures, de la propagation des dommages et de l'évolution des courbes effort tranchant‑rotation, correspondant étroitement aux résistances maximales mesurées, à la dégradation et à la dissipation d'énergie. Avec cette validation, ils ont simulé douze poutres courtes, de même géométrie, mais avec quatre dispositions d'acier différentes et avec ou sans ouvertures rectangulaires à l'extrémité de la poutre ou en travée.

Que se passe‑t‑il quand on perce des trous dans la poutre

L'étude a comparé trois stratégies d'armature — barres droites simples (conventionnelle), barres diagonales confinées (confinement diagonal) et deux schémas en losange — pour voir comment chacune supporte des ouvertures. De manière générale, les poutres sans ouverture ont donné les meilleures performances, et celles avec confinement diagonal se sont distinguées : elles ont montré des boucles d'hystérésis régulières et stables, une perte de raideur progressive et la plus grande absorption d'énergie. L'introduction d'une ouverture a toujours réduit la résistance et la ductilité, mais l'emplacement et la forme de l'ouverture importent beaucoup. De petites ouvertures proches des extrémités affaiblissaient les poutres, toutefois le confinement diagonal limitait la chute de résistance au cisaillement à environ 6 % et préservait une grande partie de la capacité de rotation, tandis que les dispositions conventionnelles et losangiques devenaient beaucoup plus fragiles.

Pourquoi les ouvertures en travée sont particulièrement dangereuses

Quand une ouverture est placée au centre de la poutre, le chemin diagonal principal de compression qui porte le cisaillement est sectionné en deux et le comportement se dégrade fortement. Dans les poutres conventionnelles avec une ouverture haute et étroite, la capacité au cisaillement a chuté d'environ un tiers et la rotation maximale de plus de moitié, conduisant à une rupture rapide et fragile après seulement quelques cycles de charge. Les schémas losangiques ont également perdu une grande part de leur ductilité et de leur dissipation d'énergie, parfois plus de 80 %. Même dans le meilleur cas — confinement diagonal avec ouverture centrale — la capacité de rotation a souffert d'une perte proche de 50 %, bien qu'elle surperforme encore les poutres pleines équipées d'armatures moins efficaces. Les simulations ont aussi montré que modifier les proportions de l'ouverture, en la rendant plus longue et plus basse pour une même aire, peut réduire sensiblement les dommages en préservant davantage le chemin diagonal critique dans le béton.

Enseignements de conception pour une meilleure performance sismique

D'un point de vue pratique, les résultats délivrent des messages clairs. Pour les poutres d'accouplement courtes, dominées par le cisaillement, l'armature confinée en diagonale devrait être le choix par défaut, surtout quand des ouvertures sont inévitables, car elle préserve le mieux la résistance, la ductilité et la dissipation d'énergie. Les ouvertures près du centre de la travée sont bien plus dommageables que celles près des extrémités, car elles coupent la principale jambe diagonale qui résiste aux secousses. Si une ouverture en travée est nécessaire, elle doit rester de faible hauteur, plus longue dans la direction de la poutre et reculée par rapport aux faces pour que le chemin interne de transfert des efforts diagonaux ne soit pas rompu. En termes simples, l'article montre que l'emplacement et la manière de percer des trémies de service dans ces liaisons petites mais vitales peuvent décider si un grand bâtiment se plie et survit à un séisme — ou se fissure et cède trop tôt.

Citation: Ramadan, O.M.O., Elghool, A., Elshafey, N. et al. Influence of web openings on the cyclic response of RC coupling beams. Sci Rep 16, 10475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42360-y

Mots-clés: poutres d'accouplement en béton armé, comportement sismique, ouvertures structurelles, analyse par éléments finis, génie parasismique