1 Cours de construction métallique I VI.1. Assemblages boulonnés en construction métallique

Les boulons Partie filetée 2

3  Les boulons employés dans la construction métallique sont constitués d'une vis (tige filetée sur une partie de sa longueur + tête généralement de forme hexagonale) et d'un écrou, et éventuellement d'une ou deux rondelles.  Les boulons peuvent être classés selon leur mode de mise en œuvre qui conditionne également le mode de transmission des efforts.  Unboulonestdéfinipardescaractéristiquesgéométriqueset mécaniques.  On distingue les boulons ordinaires, mis en place par un serrage sans spécification particulière, et les boulons précontraints pour lesquels le serrage est contrôlé.

Boulon ordinaire 4 Boulon précontraint

d (mm) A (mm 2 )113,1153, , A s (mm 2 )84, d : diamètre nominal (diamètre de la partie lisse) de la vis. A : section du fût de la vis (A = .d 2 /4). A s : section résistante de la vis (partie filetée). Caractéristiques géométriques ( valeurs normalisées ) 5

Classe f yb (MPa) f ub (MPa)  Elles sont pour les vis définies par une «classe de qualité» indiquée par deux nombres séparés par un point.  Le premier nombre représente 1/10 ème de la résistance nominale à la traction en daN/mm 2 (contrainte minimale de rupture) notée f ub.  Leproduitdupremiernombreparledeuxièmedonnela limite d’élasticité nominale, en daN/mm 2, notée f yb. Caractéristiques mécaniques 6

7  Exemple : classe 6.8 Résistance nominale à la traction : 60 daN/mm 2 = 600 MPa. Limité d’élasticité nominale : 6  8 = 48 daN/mm 2 = 480 MPa.  La classe de qualité pour les écrous est indiquée par un nombre (exp. 6)quireprésente1/10 ème delarésistancenominaleàlatractionen daN/mm 2.  Les allongements minimaux à la rupture (a en %) : Classe a (%) ou 98  La classe de qualité doit être indiquée sur les vis et les écrous, par marquage en creux ou en relief.

 Lesassemblagesboulonnésdoiventêtrefacilementréalisableset doivent assurer pleinement leur rôle d’élément de liaison.  Il faut choisir un diamètre de boulon bien adapté à l’épaisseur des pièces à assembler.  Il faut disposer les boulons de façon adéquate.  Pour des raisons pratiques, la mise en œuvre de boulons de diamètres différents dans un même assemblage est à éviter.  L’utilisation de boulons de classe de qualité différente dans un même assemblage est interdite. Dispositions constructives 8

Positionnement des trous de boulons (selon l’EUROCODE 3) 9

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11 dd0p1dd0p1 p2p2 P1,0P1,0 p1,ip1,i e1e1 e2e2 e3e3 e4e4 diamètre nominal d’un boulon, diamètre nominal du trou ou diamètre d’un rivet, entraxe des fixations dans une rangée dans la direction de la transmission des efforts, entraxe,mesuréeperpendiculairementàladirectiondelatransmission des efforts, entre des rangées de fixations adjacentes, entraxe des fixations dans une rangée de rive d’une pièce tendue avec trous en quinconce dans la direction de la transmission des efforts, entraxe des fixations dans une rangée intérieure d’une pièce tendue avec trous en quinconce dans la direction de la transmission des efforts, pince longitudinale entre le centre d’un trou de fixation et le bord adjacent d’une pièce quelconque, mesurée dans la direction de l’effort transmis, pince transversale entre le centre d’un trou de fixation et le bord adjacent d’une pièce quelconque, perpendiculairement à la direction de l’effort transmis, distance entre l’axe d’un trou oblong et l’extrémité ou bord adjacent d’une pièce quelconque, distanceentrelecentredel’arrondid’extrémitéd’untrouoblonget l’extrémité ou bord adjacent d’une pièce quelconque, tépaisseur de la pièce attachée extérieure la plus mince.

12 2,2 d 0  p 1  Min (14 t ou 200 mm) 2,4 d 0  p 2  Min (14 t ou 200 mm) p 1,0  Min (14 t ou 200 mm) p 1,i  Min (28 t ou 400 mm)  Pour les entraxes :  Pour les rangées de fixations en quinconce, un espacement minimal entre rangées p 2 = 1,2 d 0 peut être utilisé, à condition que la distance minimale L entre deux fixations quelconques soit telle que L  2,4 d 0.  Pinces pour des pièces non exposées aux intempéries : 1,2 d 0  (e 1 ou e 2 )  Pinces pour des pièces exposées aux intempéries ou à d’autres influences corrosives : 1,2 d 0  ( e 1 ou e 2 )  4 t + 40 mm  Pinces pour trous oblongs : 1,5 d 0 (e 3 ou e 4 )

13  Pour éviter des difficultés au montage (dues aux tolérances sur le perçage des pièces à assembler), le diamètre des trous d 0 est égal au diamètre nominal des vis d augmenté de :  1 mm pour les vis de diamètres 12 et 14 mm  2 mm pour les vis de diamètres 16 et 24 mm  3 mm pour les vis de diamètres 27 mm et plus

Exemples d’assemblages boulonnés 14

15 V V M M N N F CONTINUITE DE POUTRE PAR COUVRE- JOINT D’AME ET DE SEMELLE ENCASTREMENT DE LA CONSOLE SUPPORT DE CHEMIN DE ROULEMENT SUR LE POTEAU ENCASTREMENT DE POUTRE SUR POTEAU AVEC PLATINE D’EXTREMITE CONTINUITE DE POUTRE PAR PLATINE D’EXTREMITE

16 LIAISON POTEAU-POUTRE PAR EQUERRE

LIAISON POUTRE-POUTRE PAR ECLISSE OU COUVRE-JOINT D’AME LIAISON DE BARRES DE POUTRE TREILLIS 17

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Mise en œuvre  Pour ce type de boulons, il n’y a aucun contrôle de l’effort de serrage (qui est obtenu avec une clé ordinaire). Il faut toutefois veiller à ce que les pièces assemblées soient bien mises en contact.  En général, aucune rondelle n’est nécessaire. appelésboulonsnormauxetboulonsnon  Ilssontaussi précontraints. Boulons ordinaires 19

Calcul et dimensionnement des boulons ordinaires : assemblages sollicités au cisaillement  Deux vérifications doivent être faites simultanément : résistanceaucisaillement des boulons, pression résistanceàla diamétrale des pièces. 20

Résistance au cisaillement Une section cisaillée (m = 1) 21 deux sections cisaillées (m = 2)

 Pour les classes de qualité 4.6, 5.6 et 8.8 :  Mb m.Abm.Ab  0,6. f ub. F v,Ed  F v,Rd  Pour les classes de qualité 4.8, 5.8, 6.8 et 10.9 : F v,Ed  F v,Rd  0,5. f ub. m.A b  Mb Effort de cisaillement de calcul par boulon à l’ELU Résistance de calcul au cisaillement par boulon Résistance à la traction des boulons Nombre de surfaces de cisaillement Coefficient partiel de sécurité pour la résistance des boulons au cisaillement = 1,25 = A : aire de la section brute du boulon si le plan de cisaillement passe par la partie non filetée du boulon; = A s : aire de la section résistance en traction du boulon si le plan de cisaillement passe par la partie filetée du boulon. 22

Résistance à la pression diamétrale 23 C’est la pression exercée par les assembleurs sur les parois des trous dans lesquels ils sont logés. Elle se développe pour des efforts perpendiculaires à l’axe des organes d’assemblage.

 Mb F B,Rd  2,5. . f u.d. t F v,Ed  Résistance à la pression diamétrale des pièces assemblées   ;;1;;1 1 ub  3d 03d 04f u 3d 03d 04f u e;P11fe;P11f   min 24

Rupture des boulons au cisaillement 25

Calcul et dimensionnement des boulons ordinaires : assemblages sollicités à la traction F t,Ed  F t,Rd  0,9. f ub. A s  Mb Coefficient partiel de sécurité pour la résistance des boulons à la traction = 1,5 26

Rupture des boulons en traction 27

Calcul et dimensionnement des boulons ordinaires : assemblages sollicités simultanément au cisaillement et à la traction C’est par exemple le cas d’un effort oblique où un boulon est soumis simultanément à un effort axial de traction et à un effort de cisaillement.  1 1 F t,Ed 1,4F t,Rd F v,Ed  F v,Rd F t,Ed  F t,Rd 28

29 F F F F/2F/2 F/2F/2 Application (Boulons ordinaires)  Application VI-1-1 Données :  Acier S.235  F = 440 kN  Cornières L80  80  8  M16, 8.8  e g = 10 mm Travail à faire :  Nombre de boulons  Vérifications

 Application VI-1-2 On considère l’assemblage articulé poutre-semelle de poteau par platine d’extrémité en acier S235 (dimensions de la platine rectangulaire : 230 mm  200 mm  10 mm) au moyen de 6 boulons ordinaires non précontraints (détails sur la figure ci-dessous). L’effort tranchant de calcul à l’ELU est V Ed = 400 kN. La vérification de la soudure n’est pas demandée. 1)Vérifier les exigences de l’Eurocode 3 en termes d’entraxes et de pinces. 2)Vérifier la résistance des boulons au cisaillement. 3)Vérifier la résistance de la platine d’extrémité à la pression diamétrale. 30

 Ils sont aussi appelés boulons à haute résistance (HR) et à serrage contrôlé. Principe et mise en œuvre  Un assemblage par boulons précontraint est destiné à mobiliser le frottement entre les pièces assemblées. Cette précontrainte développe, par frottement mutuel des pièces, une forte résistance à leur glissement relatif.  Les boulons à haute résistance et à serrage contrôlé sont soumis à une précontrainte mise en place lors du serrage qui représente environ 70% de la résistance en traction du boulon. F p  0,7. f ub.A s La précontrainte Boulons précontraints 31

FpFp FpFp FsFs Axe du boulon Effort de précontrainte axial dans un boulon Effort de cisaillement transmis par l’assemblage et sollicitant le boulon  Il faut vérifier que l’interface des pièces en contact puisse transmettre l’effort tangent sans glissement : F s  .F p Coefficient de frottement des pièces en contact 32

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34 parboulonsHRnécessitelaprisedeslaprisedes  Unbon assemblage précautions suivantes : la tête du boulon ne doit pas poinçonner les pièces assemblées (d’où l’interposition d’une rondelle), la force de précontrainte doit bien être appliquée à sa valeur de calcul (d’où l’importance du couple de serrage et la nécessité d’utiliser des clés dynamométriques ou pneumatiques), le coefficient de frottement doit correspondre à sa valeur de calcul. Cela peut nécessiter une préparation des surfaces (par brossage ou grenaillage) pour éliminer toute trace de rouille, de graisse …

 4 classes de surfaces sont définies selon l’EC3, et on a :  2 classes de boulons HR existent : les boulons HR1 ou HR 10.9, les boulons HR2 ou HR

Calcul et dimensionnement des boulons HR :assemblages résistant au glissement F pF p  MS ks mks m F v,Ed  F S,Rd  Effort de cisaillement de calcul par boulon à l’ELU Résistance de calcul au glissement par boulon HR Effort de précontrainte Coefficient de frottement des pièces Coefficient fonction de la dimension des trous de perçage qui vaut : = 1,0 : pour les trous à tolérances normales; = 0,85 : pour les trous circulaires surdimensionnés et pour les trous oblongs courts; = 0,7 : pour les trous oblongs longs. Nombre d’interfaces de frottement Coefficient partiel de sécurité qui vaut : = 1,25 : pour les trous à tolérances normales, ainsi que pour les trous oblongs dont le grand axe est perpendiculaire à l’axe de l’effort; = 1,4 : pour les trous surdimensionnés, ainsi que pour les trous oblongs dont le grand axe est parallèle à l’axe de l’effort. 36

Calcul et dimensionnement des boulons HR : assemblages sollicités simultanément au cisaillement et à la traction F v,Ed  MS  F S,Rd  k s m   F p  0,8F t,Ed  Effort de traction de calcul par boulon à l’ELU Effort de cisaillement de calcul par boulon à l’ELU  FP FP F t,Ed 37

 Application VI-1-3 NEdNEd 38 NEdNEd Données :  Acier S.235  N Ed = 190 kN  Cornières L70  70  7  Boulons HR, 8.8   = 0,3 Travail à faire :  Diamètre des boulons  Nombre de boulons

V M N1N1 N2N2 N3N4N5N3N4N5  G N1N2N1N2 N3N3 N4N5N4N5 a5a5 a4a4 a3a3 a2a2 a1a1 Nbre des boulons m  n effeff 39 b=pb=p Assemblage poutre-poteau par platine

 Le moment résistant de l’assemblage est obtenu par la somme des produits des efforts de traction dans les rangées des boulons situés dans la zone tendue par leurs distances respectives au centre de résistance de la zone comprimée (c’est à dire de la semelle inférieure).  L’assemblage transmet le moment qui va donner les efforts normaux N i (i=1..m).     m traction M  n Niai M  n Niai  i1i1  N 1  N 2  N 3 a 1 a 2 a 3    a a N  m traction  M  n ii1ii1 2 maxmax maxmax

 Résistance de l’assemblage à l’effort tranchant V : V s,Rdv,Ed  F F m  nm  n FF  Résistance de l’assemblage au moment fléchissant M : p an F m traction  F F  N N ii i1i1 2 Ma max maxt,Ed  Il convient aussi de vérifier la résistance de l’âme du poteau M Zone tendue Zone cisaillée Zone comprimée 41

 Résistance de l’âme du poteau dans la zone tendue : V  M 0 M 0 FF Epaisseur de l’âme du poteau f y t wc b eff Entraxe rangées boulons  Résistance de l’âme du poteau dans la zone comprimée (âme non raidie) : b eff f y   M 0f y   M 0    n  n     F V  f y t wc  1,25  0,5  M 0 Contrainte normale de compression dans l’âme du poteau due à l’effort de compression et au moment fléchissant b eff 42  t fb  2t p  5  t fc  r c  t fb : épaisseur semelle poutre t fc : épaisseur semelle poteau t p : épaisseur platine r c : rayon de raccordement âme/semelle du poteau

 Résistance de l’âme du poteau dans la zone comprimée (âme raidie) : aucune vérification n’est nécessaire (épaisseur du raidisseur égale à celles des semelles  Résistance de l’âme du poteau dans la zone cisaillée (âme non raidie) : V  M 0 M 0 f y t wc h F  0,58 43

Si la résistance s’avère insuffisante, il faut raidir l’âme. 44

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Applications (Assemblage poutre-poteau par platine )  Boulons HR 10.9 et  = 0,3  t platine = 28 mm  Poutre IPE 360 et poteau IPE   Application VI-1-4  Sollicitations : M = 320 kN.m et V = 80 kN Nbre des boulons