Dans diverses situations structurelles, les ingénieurs peuvent avoir besoin d'évaluer la résistance des joints constitués par des soudures et des attaches mécaniques.Aujourd'hui, les fixations mécaniques sont généralement des boulons, mais les conceptions plus anciennes peuvent avoir des rivets.
Cela peut se produire lors de mises à niveau, de rénovations ou d'améliorations d'un projet.Une nouvelle conception peut nécessiter le boulonnage et le soudage pour travailler ensemble dans un joint où le matériau à assembler est d'abord boulonné ensemble puis soudé pour fournir une résistance totale au joint.
Cependant, déterminer la capacité de charge totale d'un joint n'est pas aussi simple que d'additionner la somme des composants individuels (soudures, boulons et rivets).Une telle hypothèse pourrait avoir des conséquences désastreuses.
Les assemblages boulonnés sont décrits dans la spécification des joints structurels de l'American Institute of Steel Structures (AISC), qui utilise des boulons ASTM A325 ou A490 comme montage serré, précharge ou clé coulissante.
Serrez les connexions bien serrées avec une clé à chocs ou un serrurier à l'aide d'une clé à double face conventionnelle pour vous assurer que les couches sont en contact étroit.Dans un assemblage précontraint, les boulons sont installés de manière à être soumis à des charges de traction importantes et les plaques sont soumises à des charges de compression.
1. Tourner l'écrou.La méthode de rotation de l'écrou consiste à serrer le boulon, puis à tourner l'écrou d'une quantité supplémentaire, qui dépend du diamètre et de la longueur du boulon.
2. Calibrez la clé.La méthode de la clé calibrée mesure le couple associé à la tension du boulon.
3. Boulon de réglage de tension de type torsion.Les boulons de tension à torsion ont de petits goujons à l'extrémité du boulon opposée à la tête.Lorsque le couple requis est atteint, le goujon est dévissé.
4. Index de traction droite.Les indicateurs de tension directe sont des rondelles spéciales avec des languettes.La quantité de compression sur la patte indique le niveau de tension appliqué au boulon.
En termes simples, les boulons agissent comme des goupilles dans des joints serrés et précontraints, un peu comme une goupille en laiton retenant ensemble une pile de papier perforé.Les joints coulissants critiques fonctionnent par frottement : la précharge crée une force d'appui et le frottement entre les surfaces de contact fonctionne ensemble pour résister au glissement du joint.C'est comme un classeur qui maintient une pile de papiers ensemble, non pas parce que des trous sont percés dans le papier, mais parce que le classeur presse les papiers ensemble et que la friction maintient la pile ensemble.
Les boulons ASTM A325 ont une résistance à la traction minimale de 150 à 120 kg par pouce carré (KSI), selon le diamètre du boulon, tandis que les boulons A490 doivent avoir une résistance à la traction de 150 à 170-KSI.Les joints de rivet se comportent plus comme des joints serrés, mais dans ce cas, les goupilles sont des rivets qui sont généralement environ deux fois moins solides qu'un boulon A325.
L'une des deux choses peut se produire lorsqu'un joint fixé mécaniquement est soumis à des forces de cisaillement (lorsqu'un élément a tendance à glisser sur un autre en raison d'une force appliquée).Des boulons ou des rivets peuvent se trouver sur les côtés des trous, provoquant le cisaillement des boulons ou des rivets en même temps.La deuxième possibilité est que le frottement provoqué par la force de serrage des fixations précontraintes puisse supporter des charges de cisaillement.Aucun glissement n'est prévu pour cette connexion, mais c'est possible.
Une connexion serrée est acceptable pour de nombreuses applications, car un léger glissement ne peut pas affecter négativement les caractéristiques de la connexion.Par exemple, considérez un silo conçu pour stocker des matériaux granulaires.Il peut y avoir un léger glissement lors du premier chargement.Une fois le glissement survenu, il ne se reproduira plus, car toutes les charges ultérieures sont de même nature.
L'inversion de charge est utilisée dans certaines applications, par exemple lorsque des éléments rotatifs sont soumis à des charges de traction et de compression alternées.Un autre exemple est un élément fléchissant soumis à des charges complètement inversées.Lorsqu'il y a un changement important dans la direction de la charge, une connexion préchargée peut être nécessaire pour éliminer le glissement cyclique.Ce glissement conduit finalement à plus de glissement dans les trous allongés.
Certaines articulations subissent de nombreux cycles de charge qui peuvent entraîner de la fatigue.Il s'agit notamment des presses, des supports de grue et des connexions dans les ponts.Des assemblages critiques glissants sont nécessaires lorsque l'assemblage est soumis à des charges de fatigue dans le sens inverse.Pour ces types de conditions, il est très important que le joint ne glisse pas, c'est pourquoi des joints anti-glissement sont nécessaires.
Les assemblages boulonnés existants peuvent être conçus et fabriqués selon n'importe laquelle de ces normes.Les connexions rivetées sont considérées comme serrées.
Les joints soudés sont rigides.Les soudures sont délicates.Contrairement aux joints boulonnés serrés, qui peuvent glisser sous la charge, les soudures n'ont pas à s'étirer et à répartir la charge appliquée dans une large mesure.Dans la plupart des cas, les fixations mécaniques de type soudées et à roulement ne se déforment pas de la même manière.
Lorsque des soudures sont utilisées avec des fixations mécaniques, la charge est transférée à travers la partie la plus dure, de sorte que la soudure peut supporter presque toute la charge, avec très peu de partage avec le boulon.C'est pourquoi il faut être prudent lors du soudage, du boulonnage et du rivetage.Caractéristiques.AWS D1 résout le problème du mélange des fixations mécaniques et des soudures.Spécification 1:2000 pour le soudage structurel – acier.Le paragraphe 2.6.3 stipule que pour les rivets ou les boulons utilisés dans les assemblages de type palier (c'est-à-dire lorsque le boulon ou le rivet agit comme une goupille), les fixations mécaniques ne doivent pas être considérées comme partageant la charge avec la soudure.Si le soudage est utilisé, ils doivent être prévus pour supporter la pleine charge dans le joint.Toutefois, les assemblages soudés à un élément et rivetés ou boulonnés à un autre élément sont autorisés.
Lors de l'utilisation de fixations mécaniques de type roulement et de l'ajout de soudures, la capacité de charge du boulon est largement négligée.Selon cette disposition, la soudure doit être conçue pour transférer toutes les charges.
C'est essentiellement la même chose que AISC LRFD-1999, clause J1.9.Cependant, la norme canadienne CAN/CSA-S16.1-M94 permet également une utilisation autonome lorsque la puissance de la fixation mécanique ou du boulon est supérieure à celle du soudage.
En la matière, trois critères sont cohérents : les possibilités de fixations mécaniques de type palier et les possibilités de soudures ne s'additionnent pas.
La section 2.6.3 de l'AWS D1.1 traite également des situations où les boulons et les soudures peuvent être combinés dans un joint en deux parties, comme illustré à la figure 1. Soudures à gauche, boulonnées à droite.La puissance totale des soudures et des boulons peut être prise en compte ici.Chaque partie de l'ensemble de la connexion fonctionne indépendamment.Ainsi, ce code est une exception au principe contenu dans la première partie du 2.6.3.
Les règles qui viennent d'être évoquées s'appliquent aux nouvelles constructions.Pour les structures existantes, la clause 8.3.7 D1.1 stipule que lorsque les calculs de structure montrent qu'un rivet ou un boulon sera surchargé par une nouvelle charge totale, seule la charge statique existante doit lui être affectée.
Les mêmes règles exigent que si un rivet ou un boulon est uniquement surchargé de charges statiques ou soumis à des charges cycliques (de fatigue), suffisamment de métal de base et de soudures doivent être ajoutés pour supporter la charge totale.
La répartition des charges entre les fixations mécaniques et les soudures est acceptable si la structure est préchargée, c'est-à-dire si des glissements se sont produits entre les éléments assemblés.Mais seules les charges statiques peuvent être placées sur les fixations mécaniques.Les charges vives qui peuvent entraîner un glissement plus important doivent être protégées par l'utilisation de soudures capables de supporter la totalité de la charge.
Les soudures doivent être utilisées pour résister à toutes les charges appliquées ou dynamiques.Lorsque les fixations mécaniques sont déjà surchargées, le partage de charge n'est pas autorisé.Sous chargement cyclique, le partage de charge n'est pas autorisé, car la charge peut entraîner un glissement permanent et une surcharge de la soudure.
illustration.Prenons l'exemple d'un joint à recouvrement initialement boulonné (voir la figure 2).La structure ajoute de la puissance supplémentaire, et des connexions et des connecteurs doivent être ajoutés pour doubler la résistance.Sur la fig.3 montre le plan de base pour le renforcement des éléments.Comment la connexion doit-elle être établie ?
Étant donné que le nouvel acier devait être joint à l'ancien par des soudures d'angle, l'ingénieur a décidé d'ajouter des soudures d'angle au joint.Comme les boulons étaient toujours en place, l'idée originale était d'ajouter uniquement les soudures nécessaires pour transférer la puissance supplémentaire au nouvel acier, en s'attendant à ce que 50 % de la charge passe par les boulons et 50 % de la charge passe par les nouvelles soudures.Il est acceptable?
Supposons d'abord qu'aucune charge statique n'est actuellement appliquée à la connexion.Dans ce cas, le paragraphe 2.6.3 d'AWS D1.1 s'applique.
Dans ce joint de type roulement, la soudure et le boulon ne peuvent pas être considérés comme partageant la charge, de sorte que la taille de soudure spécifiée doit être suffisamment grande pour supporter toute la charge statique et dynamique.La capacité portante des boulons dans cet exemple ne peut pas être prise en compte, car sans charge statique, la connexion sera dans un état lâche.La soudure (conçue pour supporter la moitié de la charge) se rompt initialement lorsque la pleine charge est appliquée.Ensuite, le boulon, également conçu pour transférer la moitié de la charge, tente de transférer la charge et se casse.
Supposons en outre qu'une charge statique est appliquée.De plus, il est supposé que la connexion existante est suffisante pour supporter la charge permanente existante.Dans ce cas, le paragraphe 8.3.7 D1.1 s'applique.Les nouvelles soudures doivent seulement résister à des charges statiques et générales accrues.Les charges permanentes existantes peuvent être affectées aux fixations mécaniques existantes.
Sous une charge constante, la connexion ne s'affaisse pas.Au lieu de cela, les boulons supportent déjà leur charge.Il y a eu un certain glissement dans la connexion.Par conséquent, des soudures peuvent être utilisées et elles peuvent transmettre des charges dynamiques.
La réponse à la question « Est-ce acceptable ?dépend des conditions de charge.Dans le premier cas, en l'absence de charge statique, la réponse sera négative.Dans les conditions spécifiques du deuxième scénario, la réponse est oui.
Juste parce qu'une charge statique est appliquée, il n'est pas toujours possible de tirer une conclusion.Le niveau des charges statiques, l'adéquation des connexions mécaniques existantes et la nature des charges d'extrémité, qu'elles soient statiques ou cycliques, peuvent modifier la réponse.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, directeur du centre de technologie de soudage, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com.Lincoln Electric fabrique des équipements de soudage et des consommables de soudage dans le monde entier.Les ingénieurs et techniciens du centre de technologie de soudage aident les clients à résoudre les problèmes de soudage.
American Welding Society, 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, téléphone 305-443-9353, fax 305-443-7559, site Web www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, téléphone 610-832-9585, fax 610-832-9555, site Web www.astm.org.
American Steel Structures Association, One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, téléphone 312-670-2400, fax 312-670-5403, site Web www.aisc.org.
FABRICATOR est le principal magazine de fabrication et de formage d'acier en Amérique du Nord.Le magazine publie des actualités, des articles techniques et des exemples de réussite qui permettent aux fabricants de faire leur travail plus efficacement.FABRICATOR est dans l'industrie depuis 1970.
Maintenant avec un accès complet à l'édition numérique The FABRICATOR, un accès facile aux précieuses ressources de l'industrie.
L'édition numérique de The Tube & Pipe Journal est désormais entièrement accessible, offrant un accès facile aux précieuses ressources de l'industrie.
Obtenez un accès numérique complet au STAMPING Journal, qui présente les dernières technologies, les meilleures pratiques et les actualités de l'industrie pour le marché de l'emboutissage des métaux.
Désormais, avec un accès numérique complet à The Fabricator en Español, vous avez un accès facile aux précieuses ressources de l'industrie.