Mélanger les soudures et les boulons

Dans diverses situations structurelles, un ingénieur peut avoir besoin d'évaluer la résistance d'une connexion réalisée avec des soudures et des fixations mécaniques. Aujourd'hui, les fixations mécaniques sont généralement des boulons, mais les structures plus anciennes peuvent inclure des rivets.

De telles situations peuvent survenir lors de projets de rénovation, de réparation ou de renforcement. Pour les nouvelles constructions, les boulons et les soudures peuvent être nécessaires pour travailler ensemble dans des connexions dans lesquelles les matériaux assemblés sont d'abord fixés avec des boulons, puis soudés pour obtenir une résistance totale de la connexion.

Cependant, déterminer la capacité de charge totale de l'assemblage n'est pas aussi simple que d'additionner la somme des composants individuels : les soudures, les boulons et les rivets. Une telle hypothèse peut avoir des conséquences désastreuses.

Les joints boulonnés sont décrits dans les spécifications de l'American Institute of Steel Construction (AISC) pour les joints structurels utilisant des boulons ASTM A325 ou A490 comme étant bien serrés, précontraints ou critiques au glissement.

Un joint bien serré est serré par la force d'une clé à chocs ou par un ferronnier utilisant une clé à molette ordinaire pour mettre les plis en contact ferme. Dans un assemblage précontraint, les boulons sont installés de manière à ce qu'ils soient soumis à une charge de traction importante, les plaques étant soumises à une charge de compression.

Selon la section 8.2, quatre méthodes de réalisation de ces joints sont acceptables :

1. Tour d'écrou. La méthode du tour d'écrou consiste à serrer le boulon, puis à tourner l'écrou d'une quantité supplémentaire, qui est fonction du diamètre et de la longueur du boulon.

2. Clé calibrée. La méthode de la clé calibrée mesure le couple, qui est corrélé à la tension appliquée au boulon.

3. Boulons de contrôle de tension de type dévissable. Les boulons de contrôle de tension de type twist-off ont de petits goujons à l'extrémité du boulon, à l'opposé de la tête. Lorsque le couple requis est atteint, le goujon se dévisse.

4. Indicateurs de tension directe. Les indicateurs de tension directe sont des rondelles spéciales avec des saillies. Le degré de compression sur les saillies indique le niveau de tension appliqué au boulon.

En termes simples, les boulons agissent comme des goupilles dans des joints bien serrés et précontraints, semblables à une attache parisienne en laiton qui maintient ensemble une pile de papiers perforés. Les joints à glissement critique fonctionnent par friction : les forces de prétension créent des forces de serrage et la friction entre les surfaces de contact travaille ensemble pour résister au glissement des joints. Ceci est similaire à un clip de reliure qui maintient ensemble une pile de papiers, non pas parce que des trous sont percés dans le papier, mais parce que le clip de reliure presse les feuilles de papier ensemble et que la friction maintient le paquet ensemble.

Les boulons ASTM A325 ont une résistance à la traction minimale de 150 à 120 kilopounds par pouce carré (KSI), selon le diamètre du boulon, tandis que les boulons A490 doivent avoir une résistance à la traction comprise entre 150 et 170 KSI. Les joints rivetés se comportent davantage comme des joints bien serrés, mais les broches dans ce cas sont les rivets, qui ont généralement environ la moitié de la résistance des boulons A325.

Lorsqu'un assemblage fixé mécaniquement est soumis à une contrainte de cisaillement, c'est-à-dire lorsqu'un élément a tendance à glisser sur l'autre en raison des forces appliquées, deux situations peuvent se produire. Les boulons ou les rivets peuvent appuyer contre les côtés des trous, provoquant ainsi un cisaillement du boulon ou du rivet. La deuxième possibilité est que le frottement, introduit par les forces de serrage de l'attache précontrainte, puisse résister à la charge de cisaillement. Aucun glissement n'est attendu dans cette articulation, mais la possibilité existe.

Des joints bien serrés peuvent être acceptables pour de nombreuses applications, car un glissement mineur peut ne pas affecter négativement les performances de la connexion. Par exemple, considérons une trémie conçue pour contenir des matériaux granulaires. Lors du premier chargement, un léger glissement peut se produire. Une fois le glissement survenu, il ne se reproduira plus car tous les chargements ultérieurs seront de même nature.

Certaines applications impliquent une inversion de charge, par exemple lorsque des éléments en rotation subissent des charges de traction et de compression alternées. Les éléments de flexion soumis à une inversion complète de la charge constituent un autre exemple. Lorsqu'une inversion de charge importante se produit, des joints précontraints peuvent être nécessaires pour éliminer le glissement cyclique. Un tel glissement conduit finalement à des trous allongés et à un glissement encore plus important.