Dans diverses situations structurelles, les ingénieurs peuvent être amenés à évaluer la résistance des assemblages réalisés par soudures et fixations mécaniques. Aujourd'hui, les fixations mécaniques sont généralement des boulons, mais les modèles plus anciens peuvent comporter des rivets.
Cela peut se produire lors de mises à niveau, de rénovations ou d'améliorations d'un projet. Une nouvelle conception peut nécessiter un assemblage par boulonnage et soudage, où les matériaux à assembler sont d'abord boulonnés, puis soudés pour assurer une résistance optimale.
Cependant, déterminer la capacité de charge totale d'un assemblage ne se résume pas à additionner la somme de ses composants individuels (soudures, boulons et rivets). Une telle hypothèse pourrait avoir des conséquences désastreuses.
Les connexions boulonnées sont décrites 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 assemblages serrés à l'aide d'une clé à chocs ou d'une clé à double tranchant classique pour garantir un contact parfait entre les couches. Dans un assemblage précontraint, les boulons sont installés de manière à être soumis à des efforts de traction importants, tandis que les plaques sont soumises à des efforts de compression.
1. Tournez l'écrou. La méthode de serrage consiste à serrer le boulon, puis à le tourner d'un cran supplémentaire, selon le diamètre et 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 torsion sont dotés de petits goujons à l'extrémité opposée à la tête. Une fois le couple requis atteint, le goujon est dévissé.
4. Indicateur de tension directe. Les indicateurs de tension directe sont des rondelles spéciales munies de languettes. La compression exercée sur la patte indique le niveau de tension appliqué au boulon.
En termes simples, les boulons agissent comme des goupilles dans des assemblages serrés et précontraints, un peu comme une goupille en laiton maintenant une pile de papier perforé. Les assemblages coulissants critiques fonctionnent par friction : la précharge crée une force d'appui, et la friction entre les surfaces de contact agit de concert pour empêcher le glissement de l'assemblage. C'est comme un classeur qui maintient une pile de papiers, 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.
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 assemblages rivetés se comportent davantage comme des assemblages serrés, mais dans ce cas, les goupilles sont des rivets dont la résistance est généralement deux fois inférieure à celle d'un boulon A325.
Deux situations peuvent se produire lorsqu'un assemblage mécanique est soumis à des efforts de cisaillement (lorsqu'un élément a tendance à glisser sur un autre sous l'effet d'une force appliquée). Des boulons ou des rivets peuvent se trouver sur les côtés des trous, provoquant simultanément leur cisaillement. La seconde possibilité est que le frottement causé par la force de serrage des fixations précontraintes puisse résister aux efforts de cisaillement. Aucun glissement n'est attendu pour cet assemblage, mais il est possible.
Une connexion étanche est acceptable pour de nombreuses applications, car un léger glissement ne peut pas altérer les caractéristiques de la connexion. Prenons l'exemple d'un silo destiné au stockage de matériaux granulaires. Un léger glissement peut se produire lors du premier chargement. Une fois ce glissement apparu, il ne se reproduira plus, car toutes les charges suivantes sont de même nature.
L'inversion de charge est utilisée dans certaines applications, par exemple lorsque des éléments rotatifs sont soumis à des charges alternées de traction et de compression. Un autre exemple est celui d'un élément en flexion soumis à des charges totalement inversées. En cas de changement important de direction de la charge, une connexion préchargée peut être nécessaire pour éliminer le glissement cyclique. Ce glissement finit par aggraver le glissement dans les trous oblongs.
Certains assemblages subissent de nombreux cycles de charge pouvant entraîner de la fatigue. Il s'agit notamment des presses, des supports de grue et des assemblages de ponts. Des assemblages critiques glissants sont nécessaires lorsqu'ils sont soumis à des charges de fatigue en sens inverse. Dans ces conditions, il est essentiel que l'assemblage ne glisse pas ; des assemblages critiques glissants sont donc nécessaires.
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 soudures sont plus délicates. Contrairement aux assemblages boulonnés serrés, qui peuvent glisser sous la charge, les soudures ne s'étirent pas et répartissent la charge appliquée de manière importante. Dans la plupart des cas, les fixations mécaniques 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 par la partie la plus dure, de sorte que la soudure peut supporter la quasi-totalité de la charge, avec une très faible répartition avec le boulon. C'est pourquoi il est important d'être prudent lors du soudage, du boulonnage et du rivetage. Spécifications. La norme AWS D1 résout le problème de la combinaison de fixations mécaniques et de soudures. Spécification 1:2000 pour le soudage de structures – acier. Le paragraphe 2.6.3 stipule que pour les rivets ou boulons utilisés dans les assemblages de type palier (c'est-à-dire lorsque le boulon ou le rivet fait office d'axe), les fixations mécaniques ne doivent pas être considérées comme partageant la charge avec la soudure. En cas de soudage, elles doivent être prévues pour supporter la charge totale de l'assemblage. Cependant, les assemblages soudés à un élément et rivetés ou boulonnés à un autre élément sont autorisés.
Lors de l'utilisation de fixations mécaniques à roulement et de l'ajout de soudures, la capacité portante du boulon est largement négligée. Conformément à cette disposition, la soudure doit être conçue pour transférer toutes les charges.
Cette norme est essentiellement identique à la clause J1.9 de l'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.
En la matière, trois critères sont cohérents : les possibilités de fixations mécaniques de type roulement et les possibilités de soudures ne s'additionnent pas.
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, boulonnage à droite. La puissance totale des soudures et des boulons peut être prise en compte ici. 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 décrites 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 attribuée.
Les mêmes règles exigent que si un rivet ou un boulon est uniquement surchargé par des charges statiques ou soumis à des charges cycliques (fatigue), une quantité suffisante de métal de base et de soudures doit être ajoutée 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 un glissement s'est produit entre les éléments assemblés. Cependant, seules des charges statiques peuvent être appliquées aux fixations mécaniques. Les charges vives susceptibles d'entraîner un glissement plus important doivent être protégées par l'utilisation de soudures capables de supporter la charge totale.
Les soudures doivent être conçues pour résister à toutes les charges appliquées ou dynamiques. Lorsque les fixations mécaniques sont déjà surchargées, la répartition de la charge n'est pas autorisée. Sous charge cyclique, la répartition de la charge est également interdite, car elle peut entraîner un glissement permanent et une surcharge de la soudure.
Illustration. Prenons un assemblage à recouvrement initialement boulonné (voir figure 2). La structure ajoute de la puissance, et des connexions et connecteurs doivent être ajoutés pour doubler la résistance. La figure 3 illustre le plan de base pour renforcer les éléments. Comment réaliser l'assemblage ?
Comme le nouvel acier devait être assemblé à l'ancien par des soudures d'angle, l'ingénieur a décidé d'en ajouter. Les boulons étant toujours en place, l'idée initiale était de n'ajouter que les soudures nécessaires pour transférer la puissance 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 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 cet assemblage de type porteur, la soudure et le boulon ne peuvent pas être considérés comme partageant la charge. La taille de la soudure spécifiée doit donc être suffisante pour supporter l'intégralité de la charge statique et dynamique. Dans cet exemple, la capacité portante des boulons ne peut être prise en compte, car sans charge statique, l'assemblage sera lâche. La soudure (conçue pour supporter la moitié de la charge) se rompt initialement lorsque la charge totale est appliquée. Ensuite, le boulon, également conçu pour transférer la moitié de la charge, tente de la transférer et se rompt.
Supposons également qu'une charge statique soit appliquée. De plus, on suppose 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 uniquement supporter des charges statiques et des charges vives générales accrues. Les charges permanentes existantes peuvent être attribuées aux fixations mécaniques existantes.
Sous charge constante, l'assemblage ne s'affaisse pas. Au contraire, les boulons supportent déjà leur charge. Un glissement a été observé dans 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 sera négative. Dans les conditions spécifiques du second scénario, la réponse sera oui.
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 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, Responsable du Centre de technologie de soudage, Lincoln Electric Company, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric fabrique des équipements et des consommables de soudage dans le monde entier. Les ingénieurs et techniciens du Centre de technologie de soudage aident les clients à résoudre leurs problèmes de soudage.
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