bu 7 boulons

7. Les boulons

7.1. Composants d'un assemblage

7.1.1. Parties d'un assemblage Un assemblage boulonné peut être composé des parties représentées dans la figure 7.1, soit:

Couvre-joint

Plaque de têou platine

Raidisseur

Gousset

− les couvre-joints, − les plaques de tête ou platine, − les raidisseurs, − les goussets − les plaques de base,

Figure 7.1

7.1.2. Types de connecteurs Comme le travail sur le chantier s'effectue dans des conditions plus défavorables qu'en atelier (accessibilité difficile, position de travail inconfortable, outillage restreint, intempéries), on y effectue normalement des assemblages boulonnés, au contraire des assemblages soudés qui sont pour la plupart entrepris en atelier. L'ingénieur dispose de plusieurs moyens d'assemblage dont les principaux sont (cf. fig. 7.2):

(a)

(b)(c)

Figure 7.2

− les boulons (fig. a), − les rivets (fig. b), − les rivets à anneau (fig. c), − les vis − les soudures

Les rivets, premiers moyens d'assemblage utilisé en charpente métallique, n'ont qu'un emploi limité aujourd'hui et les rivets à anneau n'ont que peu d'importance en Suisse. Quant aux vis, elles n'assurent que rarement un rôle dans la sécurité structu-rale d'un ouvrage.

EIA-FR, GC Construction en acier 7.1 C. Deschenaux

7.2. Boulons

7.2.1. Description

env. 0.7d longueur l

d

partiefiletée

tigetête (6 pans)

épaisseur3 à 5 mm

épaisseurenv. 0.8d

Boulon Rondelle EcrouFigure 7.3

Les boulons employés dans la construction métallique sont constitués d'une tige file-tée sur une partie de sa longueur, d'une tête à six pans et d'un écrou. Les boulons sont aussi munis d'une rondelle pour deux raisons, soit pour

− s'assurer que la partie filetée de la tige est à l'extérieur des éléments reliés par le boulon

− obtenir une meilleure répartition de l'effort de précontrainte dans les assembla-ges précontraints

Dans les assemblages boulonnés des classes de résistance 4.6 et 5.6, les rondelles doivent être placées sous les écrous (SIA 263/1 & 7.3.3) alors que dans les assem-blages de la classe de résistance 10.9, elles seront placées sous les têtes des vis et des écrous, de façon à ce que leur face chanfreinée soit tournée vers l’extérieur (SIA 263/1 & 7.3.4). De plus, on emploiera des rondelles obliques pour les assemblages prévus sur les ailes des profilés UNP et INP afin d'en compenser leur inclinaison (cf. SZS C5/05, p88 et 89). Les boulons les plus utilisés dans la construction métallique en Suisse sont décrits dans les tabelles SZS C5/05, p 85 à 87; ce sont les boulons M 12, M 16, M 20, M 24 et M 27. La lettre M signifie "métrique" et le nombre désigne le diamètre de la tige. Chaque boulon peut être représenté par un symbole graphique que l'on retrouvera dans ces mêmes pages.

7.2.2. Types de boulons On distingue deux types de boulons, soit les boulons de charpente métallique et ceux à haute résistance.

7.2.2.1. Boulons de charpente métallique Ceux-ci sont désignés par les lettres SBS qui signifient "Stahlbauschraube" et sont constitués d'un acier dont la limite d'élasticité vaut, en Suisse 240 resp. 300 N/mm2 (SIA 263 & 3.4.2, SZS C5/05 p. 86). Les boulons de charpente métallique s'em-ploient couramment pour réaliser les assemblages faiblement sollicités des halles et des bâtiments, pour autant que les sollicitations restent principalement statiques.


7.2.2.2. Boulons à haute résistance L'acier des boulons à haute résistance, désignés par les lettres SHV (pour "Stahlbau hochfeste vorgespannte Schraube) possèdent une limite d'élasticité égale à 640 respectivement 900 N/mm2 (SIA 263 & 3.4.2, SZS C5/05 p.87). Ils sont principale-ment employés dans les assemblages fortement sollicités, les ponts et les connec-tions soumises à des efforts dynamiques. On distingue deux sortes d'assemblages constitués de boulons SHV, suivant que ces derniers sont précontraints ou non. Dans ce cours, nous emploierons la termino-logie suivante: - les assemblages à haute résistance

dans lesquels les boulons ne sont pas précontraints - les assemblages précontraints

pour lesquels on emploie des boulons à haute résistance précontraints. Les boulons sont mis en tension par serrage de l'écrou ou exceptionnellement par serrage de la tête selon les procédés décrits dans la norme SIA 263/1, art. 7.6. Les forces de précontrainte qu'il faut appliquer sur les boulons dépendent du mode de sollicitation (précontrainte totale en cas de frottement ou éventuellement partielle en cas de traction) et sont données dans la tabelle SZS C5/05, p 96.

7.2.3. Acier La norme SIA 263 donne à l’article 3.4.2 et les tabelles SZS C5/05, à la page 94, les caractéristiques des différents aciers utilisés pour la fabrication des boulons. En Suisse, on emploie généralement la nuance 4.6 pour les boulons de charpente mé-tallique et la nuance 10.9 pour ceux à haute résistance. Les nuances 5.6 et 8.8 ne sont que rarement utilisées et les autres nuances, pas du tout. La signification de ces nombres est la suivante: - le premier chiffre représente le centième de la résistance à la traction exprimée en

N/mm2 - le deuxième chiffre équivaut à dix fois le rapport obtenu en divisant la limite d'élas-

ticité par la résistance à la traction. Ainsi, un boulon SBS 4.6 est constitué d'un acier dont la résistance à la traction vaut fu=400 N/mm2 et sa limite d'élastici-té est équivalente à fy=6/10x400=240 N/mm2.

f [N/mm2]

ε [%]5 10 15 20

200

400

600

800

1000

La figure 7.4 ci-contre donne les dia-grammes contrainte-déformation des dif-férents boulons employés dans la cons-truction métallique en Suisse.

Figure 7.4 7.2.4. Autres caractéristiques - Les boulons et leur garniture (rondelles et écrous) sont généralement zingués à

chaud par le fournisseur. Il existe toutefois des boulons noirs qui n'ont pas subi ce


traitement mais qui ont les mêmes caractéristiques que ces premiers, à l'exception du couple de serrage qu'il faut appliquer lors de leur mise en précontrainte.

- La partie filetée des boulons devrait toujours être située à l'extérieur des pièces qu'ils connectent. C'est pourquoi, leur longueur doit correspondre à l'épaisseur de serrage désirée (cf. SZS C5/05/05, p. 86 et 87).

- Il existe des boulons de diamètre inférieur ou supérieur à ceux spécifiés dans le paragraphe ci-dessus, mais ils ne sont utilisés que très rarement.

- La nuance d'acier utilisée pour la fabrication des boulons est généralement inscrite sur leur tête.(Cf. & 7.2.2). Si cette inscription n'apparaît pas, les boulons sont en acier 4.6. L'acier des écrous doit correspondre à celui des boulons.

- Pour éviter que l'écrou ne se dévisse sous l'influence des vibrations, on peut em-ployer une des dispositions constructives données ci-dessous : − double écrou (ceux-ci doivent alors être mis en place en appliquant un couple

de serrage opposé sur chacun d'eux), − rondelles à ressort, − détérioration locale du filet.

- On doit utiliser des boulons en acier inoxydables pour les assemblages de structu-res faites de ce même acier. Ceux-ci ne doivent normalement pas être utilisés pour les constructions en acier courant car un effet de pile pourrait se développer et corroder ainsi les deux aciers de noblesse différente.

7.3. Détails de construction des assemblages boulonnés

7.3.1. Diamètre des boulons Pour des raisons pratiques, on veillera à ne choisir qu'un seul diamètre de boulons pour un même assemblage et on proscrira tout emploi de classe de qualité diffé-rente. Le diamètre d des boulons doit être choisi en fonction de l'épaisseur minimale tmin des pièces assemblées. Les règles constructives suivantes se sont révélées judi-cieuses

Epaisseur min des pièces tmin [mm] 4-6 5-10 7-14 10-20 13-25 Diamètre des boulons d [mm] 12 16 20 24 27

7.3.2. Trous Les trous des boulons peuvent être forés ou poinçonnés. Toutefois, le poinçonnage n'est admis que si l'épaisseur du matériau est inférieure ou égale à 25 mm et au diamètre des trous. En cas de fatigue, seul le forage est autorisé. Le diamètre (do) des trous est déterminé en fonction du diamètre (d) des boulons et vaut (SIA 263/1 & 7.2.1)

do=d+2 mm pour d≤24 mm (7.1a) do=d+3 mm pour d≥27 mm (7.1b) Dans certains cas rares, un jeu plus petit peut être exigé dans le but de diminuer les déformations. On parle de boulons ajustés lorsque le jeu est de 0.3 mm seulement. Comme ces assemblages sont très coûteux, il ne faut les utiliser qu'en cas de né-cessité absolue. Dans les joints de dilatation ou pour des raisons constructives, on peut prévoir des trous oblongs, perpendiculaires ou parallèles à la direction de l'effort. Ces trous doi-EIA-FR, GC Construction en acier 7.4 C. Deschenaux


vent normalement être recouverts par des pièces de recouvrement de dimensions et d'épaisseurs appropriées. Les trous dans les pièces de recouvrement ne doivent pas être plus grands que les trous normalisés spécifiés sous la relation 7.1. On se repor-tera aux tabelles SZS C5/05 p 92 et à la norme SIA 263 & 7.1.4 pour la fabrication, la disposition et le calcul de tels trous.

7.3.3. Positionnement Définitions La pince e est la distance entre l'axe d'un boulon et le bord d'extrémité qui lui est ad-jacent. L'entraxe p est la distance entre les axes des boulons. Ces deux grandeurs p et e sont caractérisées par les indices 1 si elles sont mesurées dans la direction de l'effort ou 2 si elles lui sont perpendiculai-res (cf. fig. 7.5). On appelle ligne de trusquinage les axes parallèles au bord longitudinal des ailes d'un profilé laminé sur lesquels il faut, dans la mesure du possible, placer les boulons. Celles-ci sont données dans les tabelles SZS sous la dénomination w. Disposition On veillera à disposer les boulons en respectant les valeurs limite prescrites par la norme SIA 263, & 7.1.3 et reproduites dans les tabelles SZS C5/05, p. 90 et 91. Les distances minimales ont été fixées en fonction de l'outillage (dimension des clefs) et pour éviter la rupture prématurée des pièces. Afin d'éviter tout bâillement des tôles et réduire ainsi les risques de corrosion, il est conseillé de respecter les écartements maximums prescrits par les Eurocodes et schématisés dans les deux dessins ci-dessous (cf. fig. 7.6).

e1<40 mm + 4t

e 2<4

0 m

m +

4t

p1<14t et <200 mm

.. p 2<1

4t e

t <20

0 m

m

e1<12t et <150 mm

e 2<1

2t e

t <15

0 m

m

p1<21t et <300 mm (traction)

p 2<2

1t e

t <30

0 m

m (t

ract

ion

p1<14t et <200 mm (compression)

p 1<1

4t e

t <20

0 m

m (c

ompr

essi

on)

t: épaisseur du plat extérieur le plus mince

Assemblages à l'abri Assemblages soumis aux intempéries

Figure 7.6

e1

p1

e2 p2

>p1

p1

e2

Figure 7.5

7.4. Boulons cisaillés

7.4.1. Transmission des forces de cisaillement 7.4.1.1. Cisaillement des boulons non précontraints Les deux types de boulons SBS et HVS peuvent être utilisés pour de tels assembla-ges. Lorsque l'on charge un assemblage, on observe un glissement relatif des pièces qui se mettent en contact avec le boulon. La figure 7.7a montre schématiquement la po-sition des pièces à l'état chargé. La force F agissant dans la pièce centrale est transmise dans les pièces extérieures au moyen du boulon, exerçant ainsi de fortes pressions au droit des surfaces de contact (fig. b). Bien que ce ne soit pas le cas, on peut admettre que ces pressions, appelées pressions latérales, soient uniformément réparties pour le calcul.

P

P/2

P/2

(a) Boulon cisaillé (b) Pression latérale (c) Effort tranchant dans le boulon

réelle

admise

Figure 7.7

Pour vérifier la résistance du boulon, il suffit de l'isoler et de déterminer les efforts in-térieurs qui le sollicitent (fig. c). Pour autant que les pièces soient plaquées les unes contre les autres, on peut négliger le moment de flexion et ne prendre en considéra-tion que l'effort tranchant qui est toujours maximum à l’interface de deux pièces. En outre, il faut s'assurer que les pièces puissent supporter les pressions latérales auxquelles elles sont soumises.


7.4.1.2. Cisaillement des boulons précontraints Seuls les boulons HVS peuvent être précontraints. Le comportement des assemblages avec des boulons précontraints est influencé par le frottement entre les pièces assemblées qui dépend lui-même de la force de pré-contrainte et de l'état de surface de contact. Ce comportement est caractérisé par trois phases, suivant l'intensité de la force F que doit reprendre l'assemblage (cf. fig. 7.8).

B ou lons p récon tra in ts

B ou lons non p récon tra in ts

F

G lissem en tre la tif

P hase b P hase ca

Figure 7.8

a) Dans une première phase, l'effort F est uniquement transmis par frottement et les pièces ne subissent aucun mouvement relatif.

b) La deuxième phase est caractérisée par le glissement relatif des pièces lorsque la résistance au frottement est vaincue. Les pièces se mettent en contact avec le boulon.

c) La transmission des forces est assurée par cisaillement et pression latérale dans la troisième phase et l'effort de précontrainte ne joue plus aucun rôle.

Comme on peut le constater dans la figure ci-dessus, que l'on mette en pré-contrainte ou non un boulon, sa résistance ultime au cisaillement ne change pas. Ainsi, la précontrainte ne dessert qu'un seul but, celui de diminuer les déplacements relatifs entre les pièces assemblées, ce qui contribue à augmenter la rigidité d'une structure. Dès lors, on devra effectuer deux contrôles pour les assemblages précontraints (Cf. para 7.2.2), soit a) la vérification de la sécurité structurale qui est faite sans tenir compte de la pré-

contrainte et en se basant sur les efforts de dimensionnement b) la vérification de l'aptitude au service par laquelle on s'assure qu'il n'y a aucun dé-

placement relatif sous les charges de service. Notons qu'il est rare que l'on emploie des assemblages précontraints quand ceux-ci ne sont pas soumis à des efforts de traction. Leur principal usage se limite dans la construction des ponts vu la forte limitation des flèches que les normes imposent et les assemblages soumis à la fatigue.



7.4.2. Résistance au cisaillement (SIA 263, tableau 16)

Figure 7.10

La résistance au cisaillement d'un boulon est directement proportionnelle à la sur-face de cisaillement qui peut se situer soit dans la section de la tige ( ) , soit dans la section du filetage. Dans ce dernier cas, qui doit être évité dans la mesure du possible, la section qu'il faut introduire dans le calcul est la section résistante (As) du boulon. Celle-ci est égale à l'aire d'un cylindre lisse offrant la même résistance à la rupture que la partie filetée du boulon.

2 / 4A dπ=

La valeur de calcul de la résistance d’un boulon vaut pour chaque plan de cisaille-ment (Fv,Rd) :

Cisaillement dans la tige: , 20.6 /v Rd ub MF f A γ= (7.2a) Cisaillement dans le filetage: , 0.6 /v Rd ub s MF f A 2γ= (aciers 4.6 / 5.6 / 8.8) (7.2b)

, 20.5 /v Rd ub s MF f A γ= (acier 10.9) (7.2c)

avec ubf : résistance à la traction de l'acier du boulon A : section de la tige du boulon As : section résistante (As : voir SIA 263, tableau 16)

Il sera toujours important de bien vérifier, lors du calcul d'un assemblage, le nombre de surfaces cisaillées (cf. fig. 7.7) Nous rappelons ici que la résistance au cisaille-ment d'un boulon HR reste la même, qu'il soit précontraint ou non. La norme SIA 263 impose à l’art. 6.2.2.2 une diminution de la résistance ultime au cisaillement quand la transmission des efforts est répartie sur une distance supé-rieure à 15d. La figure ci-dessous schématise la raison de cette diminution qui est donnée par le facteur

15

1 0.75 1.0200

β β−

= − ≤ ≤jLf Lf

L dd

(7.3)

avec Lj : longueur de l’assemblage

e1 p1 p1 p1 e1

Sections cisaillées

Figure 7.11


7.4.3. Pression latérale (SIA 263, tableau 16) Pour ce contrôle, on admet que la pression latérale se répartit uniformément sur les pièces (cf. fig. 7.12).

Figure 7.12

La résistance à la pression latérale est influencée par - la résistance à la traction des pièces, - l'épaisseur des pièces, - les pinces e1 et entraxes p1.

Si la distance entre les boulons mesurée perpendiculairement à la direction des ef-forts répond aux conditions suivantes :

2 0 21.0 et 2.0e d p≥ ≥ 0d

la valeur de calcul de la résistance à la pression latérale vaut, pour chaque boulon,

,2

ub Rd

M

fF dtα

γ= (7.4)

avec 1 1

0 0

1min 0.85 ; 0.85 ; 2.42

e pd d

α⎧ ⎫⎛ ⎞⎪ ⎪= −⎨ ⎬⎜ ⎟⎪ ⎪⎝ ⎠⎩ ⎭

e1 : pince dans la direction de l'effort, p1 : entraxe des boulons dans la direction de l'effort, d : diamètre de la tige du boulon, fu : résistance à la traction des pièces, t : épaisseur déterminante des pièces.

Remarque: La pression de contact qui agit sur la tige du boulon n'est pas déterminante car le boulon se ruine toujours par cisaillement.

LR

7.5. Boulons tendus

7.5.1. Transmission des forces de traction

T/2

T/2

T/2

T/2

Figure 7.13

Dans les assemblages sollicités en traction, les for-ces se transmettent d'un élément à l'autre directe-ment pas l'intermédiaire des boulons dont la résis-tance ultime des dépend uniquement de leur résis-tance à la traction fu,b

7.5.2. Résistance à la traction (SIA 263, tableau 16) La résistance ultime à la traction d'un boulon (cf. fig. 7.13) est directement propor-tionnelle à la résistance à la traction fu,b du matériau du boulon et à l'aire de la sec-tion résistante As. La valeur de calcul de la résistance en traction d’un boulon vaut:

,2

0.9 ub st Rd

M

f AFγ

= (7.5)

L'utilisation des boulons précontraints est fortement recommandée pour tous les as-semblages sollicités à la traction et obligatoire pour les assemblages soumis à des charges de traction répétées en raison de la sensibilité élevée à la fatigue de ces as-semblages (SIA 263 & 6.2.2.3). De cette façon, la précontrainte réduit la différence de contrainte dans les boulons.

7.6. Boulons cisaillés et tendus (SIA 263 & 6.2.2.6) La résistance ultime d'un boulon sollicité simultané-ment au cisaillement et à la traction est dictée par une loi d'interaction faisant intervenir les résistances au ci-saillement pur et à la traction pure des boulons. La vé-rification de la sécurité structurale d'un tel boulon s'ef-fectue selon la formule (73) de la norme SIA 263 qui stipule:

1

1

Fv,Ed/Fv,Rd

Ft,Ed/Ft,R d Figure 7.14

2 2

, ,

, ,

1v Ed t Ed

v Rd t Rd

F FF F

⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ ≤⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (11.6)

Cette dernière relation représente le cercle schématisé dans la figure 7.14. De plus, on contrôlera toujours la pression latérale des pièces assemblées.


bu 7 boulons

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