Dans diverses situations structurelles, les ingénieurs peuvent avoir besoin d'évaluer la résistance des assemblages soudés et des fixations mécaniques. Aujourd'hui, les fixations mécaniques sont généralement des boulons, mais les conceptions plus anciennes peuvent comporter des rivets.
Cela peut se produire lors de mises à niveau, de rénovations ou d'améliorations apportées à un projet. Une nouvelle conception peut nécessiter l'utilisation de boulons et de soudure pour assembler les matériaux, ces derniers étant d'abord boulonnés puis soudés afin de garantir la solidité de l'assemblage.
Toutefois, déterminer la capacité de charge totale d'un assemblage ne se résume pas à additionner les charges de ses composants individuels (soudures, boulons et rivets). Une telle hypothèse pourrait avoir des conséquences désastreuses.
Les assemblages boulonnés sont décrits dans la spécification des joints structuraux de l'American Institute of Steel Structures (AISC), qui utilise des boulons ASTM A325 ou A490 comme fixations serrées, précharges ou clés coulissantes.
Serrez les fixations à l'aide d'une clé à chocs ou faites appel à un serrurier utilisant une clé plate classique pour assurer un contact optimal entre les différentes couches. Dans une fixation précontrainte, les boulons sont installés de manière à être soumis à d'importantes charges de traction, tandis que les plaques sont soumises à des charges de compression.
1. Serrer l'écrou. La méthode consiste à serrer le boulon puis à serrer l'écrou d'un nombre de tours supplémentaire, qui dépend du diamètre et de la longueur du boulon.
2. Calibrer la clé. La méthode de la clé calibrée mesure le couple associé à la tension du boulon.
3. Boulon de réglage de tension à torsion. Les boulons de tension à dévissage sont munis de petits ergots à l'extrémité opposée à la tête. Lorsque le couple requis est atteint, l'ergot est dévissé.
4. Indicateur de traction directe. Les indicateurs de tension directe sont des rondelles spéciales munies de languettes. Le degré de compression sur la languette indique le niveau de tension appliqué au boulon.
En termes simples, les boulons agissent comme des goupilles dans les assemblages serrés et précontraints, un peu comme une goupille en laiton maintenant une pile de feuilles perforées. Les articulations coulissantes critiques fonctionnent par friction : la précharge crée une force d'appui, et la friction entre les surfaces de contact empêche le glissement de l'articulation. C'est comme un classeur qui maintient une pile de feuilles ensemble, non pas grâce à des perforations, mais parce que le classeur comprime les feuilles et que la friction maintient la pile.
Les boulons ASTM A325 ont une résistance à la traction minimale de 150 à 120 kg par pouce carré (ksi), selon leur diamètre, tandis que les boulons A490 doivent avoir une résistance à la traction de 150 à 170 ksi. Les assemblages rivetés se comportent davantage comme des assemblages serrés, mais dans ce cas, les rivets sont généralement environ deux fois moins résistants qu'un boulon A325.
Deux cas de figure peuvent se produire lorsqu'un assemblage mécanique est soumis à des efforts de cisaillement (lorsqu'un élément tend à glisser sur un autre sous l'effet d'une force appliquée). Soit les boulons ou rivets situés de part et d'autre des trous se rompent simultanément. Soit le frottement généré par la force de serrage des fixations précontraintes peut résister aux efforts de cisaillement. Dans ce cas, aucun glissement n'est attendu, mais il reste possible.
Un assemblage serré est acceptable pour de nombreuses applications, car un léger glissement n'altère pas les caractéristiques de l'assemblage. Prenons l'exemple d'un silo conçu pour stocker des matériaux granulaires. Un léger glissement peut se produire lors du premier chargement. Une fois ce glissement amorcé, il ne se reproduira plus, car tous les chargements suivants seront de même nature.
L'inversion de charge est utilisée dans certaines applications, notamment lorsque des éléments rotatifs sont soumis à des charges alternées de traction et de compression. Un autre exemple est celui d'un élément fléchi soumis à des charges totalement inversées. En cas de changement important de la direction de la charge, une liaison précontrainte peut être nécessaire pour éliminer le glissement cyclique. Ce glissement entraîne à terme un glissement accru dans les trous oblongs.
Certains assemblages subissent de nombreux cycles de charge susceptibles d'entraîner une fatigue. C'est le cas notamment des presses, des supports de ponts roulants et des liaisons de ponts. Des assemblages à glissement critique sont nécessaires lorsque l'assemblage est soumis à des charges de fatigue en sens inverse. Dans ces conditions, il est primordial que l'assemblage ne glisse pas ; on utilise donc des assemblages à glissement critique.
Les assemblages boulonnés existants peuvent être conçus et fabriqués selon n'importe laquelle de ces normes. Les assemblages rivetés sont considérés comme étanches.
Les assemblages soudés sont rigides. Les assemblages brasés sont plus délicats. Contrairement aux assemblages boulonnés serrés, qui peuvent glisser sous la charge, les soudures n'ont pas à s'étirer et répartissent la charge appliquée de manière significative. Dans la plupart des cas, les fixations mécaniques soudées et celles à roulement ne se déforment pas de la même façon.
Lorsqu'on utilise des soudures avec des fixations mécaniques, la charge est transmise par la partie la plus dure. La soudure supporte ainsi la quasi-totalité de la charge, la contribution du boulon étant minime. C'est pourquoi il convient d'être vigilant lors du soudage, du boulonnage et du rivetage. La norme AWS D1 résout le problème de l'association de fixations mécaniques et de soudures. La spécification 1:2000 relative au soudage des structures en acier stipule, au paragraphe 2.6.3, que pour les rivets ou les boulons utilisés dans les assemblages de type appui (c'est-à-dire lorsque le boulon ou le rivet fait office de goupille), les fixations mécaniques ne doivent pas être considérées comme partageant la charge avec la soudure. En cas de soudage, les fixations doivent être dimensionnées pour supporter la totalité de la charge de l'assemblage. Toutefois, les assemblages soudés à un élément et rivetés ou boulonnés à un autre sont autorisés.
Lorsqu'on utilise des fixations mécaniques à roulement et qu'on y ajoute des soudures, la capacité portante du boulon est généralement négligée. Or, selon cette disposition, la soudure doit être conçue pour transmettre la totalité des charges.
Cela correspond essentiellement à la clause J1.9 de la norme AISC LRFD-1999. Cependant, la norme canadienne CAN/CSA-S16.1-M94 autorise également une utilisation autonome lorsque la puissance de la fixation mécanique ou du boulon est supérieure à celle du soudage.
Sur ce point, trois critères sont cohérents : les possibilités de fixations mécaniques de type roulement et les possibilités de soudure ne sont pas compatibles.
La section 2.6.3 de la norme AWS D1.1 traite également des situations où boulons et soudures peuvent être combinés dans un assemblage en deux parties, comme illustré à la figure 1 : soudures à gauche, boulons à droite. La résistance totale des soudures et des boulons peut être prise en compte. Chaque élément de l’assemblage fonctionne indépendamment. Ce code constitue donc une exception au principe énoncé dans la première partie de la section 2.6.3.
Les règles qui viennent d'être évoquées s'appliquent aux bâtiments neufs. 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 imputée.
Les mêmes règles exigent que si un rivet ou un boulon est uniquement surchargé par des charges statiques ou soumis à des charges cycliques (de fatigue), une quantité suffisante de métal de base et de soudures doit être ajoutée pour supporter la charge totale.
La répartition de la charge entre les fixations mécaniques et les soudures est acceptable si la structure est précontrainte, c'est-à-dire si un glissement s'est produit entre les éléments assemblés. Toutefois, seules des charges statiques peuvent être appliquées aux fixations mécaniques. Les charges dynamiques susceptibles d'entraîner un glissement plus important doivent être protégées par des soudures capables de supporter la totalité de la charge.
Les soudures doivent être conçues pour résister à toutes les charges appliquées ou dynamiques. Lorsque les fixations mécaniques sont déjà surchargées, le partage de charge est proscrit. Sous charge cyclique, le partage de charge est également proscrit, car la charge peut entraîner un glissement permanent et une surcharge de la soudure.
Illustration. Prenons l'exemple d'un assemblage à recouvrement initialement boulonné (voir figure 2). La structure étant renforcée, des connexions et des connecteurs doivent être ajoutés pour doubler sa résistance. La figure 3 présente le schéma de base du renforcement des éléments. Comment réaliser la connexion ?
Comme le nouvel acier devait être assemblé à l'ancien par des soudures d'angle, l'ingénieur a décidé d'en ajouter au niveau du joint. Les boulons étant toujours en place, l'idée initiale était de n'ajouter que les soudures nécessaires pour transmettre la charge supplémentaire au nouvel acier, en prévoyant que 50 % de la charge passerait par les boulons et 50 % par les nouvelles soudures. Est-ce acceptable ?
Supposons tout d'abord qu'aucune charge statique ne soit actuellement appliquée à la connexion. Dans ce cas, le paragraphe 2.6.3 de la norme AWS D1.1 s'applique.
Dans ce type d'assemblage par appui, la soudure et le boulon ne peuvent être considérés comme se partageant la charge ; par conséquent, la dimension de la soudure doit être suffisamment importante pour supporter la totalité des charges statiques et dynamiques. La capacité portante des boulons ne peut être prise en compte dans cet exemple, car en l'absence de charge statique, l'assemblage est détendu. La soudure (conçue pour supporter la moitié de la charge) se rompt initialement sous l'effet de la charge totale. Le boulon, également conçu pour transmettre la moitié de la charge, tente alors de transmettre la charge restante et se rompt à son tour.
Supposons également qu'une charge statique soit appliquée. De plus, on suppose que la liaison 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 uniquement résister à l'augmentation des charges statiques et des charges d'exploitation générales. Les charges permanentes existantes peuvent être imputées aux fixations mécaniques existantes.
Sous charge constante, l'assemblage ne fléchit pas. Ce sont les boulons qui supportent déjà la charge. Un léger glissement s'est produit au niveau de l'assemblage. Par conséquent, des soudures peuvent être utilisées et transmettre les 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 est négative. Dans les conditions spécifiques du second scénario, la réponse est positive.
L'application d'une charge statique ne permet pas toujours de tirer une conclusion. Le niveau des charges statiques, l'adéquation des liaisons mécaniques existantes et la nature des charges aux extrémités (statiques ou cycliques) peuvent modifier le résultat.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Responsable du Centre de technologie du soudage, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric fabrique des équipements et des consommables de soudage à l'échelle mondiale. Les ingénieurs et techniciens du Centre de technologie du soudage aident les clients à résoudre leurs problèmes de soudage.
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