Mélange de soudures et de boulons

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

De telles situations peuvent se produire lors de projets de modernisation, 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 à assembler sont d'abord fixés avec des boulons, puis sont soudés pour obtenir une résistance de connexion complète.

Cependant, déterminer la capacité de charge totale de la connexion 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 la spécification de l'American Institute of Steel Construction (AISC) pour les joints de structure utilisant des boulons ASTM A325 ou A490 comme étant bien serrés, précontraints ou antidérapants.

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 amener les plis en contact ferme. Dans un joint précontraint, les boulons sont installés de manière à être soumis à une charge de traction importante, les plaques étant soumises à une charge de compression.

En vertu de la section 8.2, quatre méthodes de fabrication 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 Twist-off. 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 protubérances. La quantité de compression sur les protubérances indique le niveau de tension appliqué au boulon.

En termes simples, les boulons agissent comme des épingles dans des joints bien serrés et précontraints, semblables à un brad 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 le frottement entre les surfaces de contact fonctionne 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 plus comme des joints bien serrés, mais les goupilles dans ce cas sont les rivets, qui ont généralement environ la moitié de la résistance des boulons A325.

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

Des joints bien serrés peuvent être acceptables pour de nombreuses applications, car un léger glissement peut ne pas affecter négativement les performances de la connexion. Par exemple, considérez une trémie conçue pour contenir des matériaux granulaires. La première fois qu'il est chargé, un glissement mineur peut se produire. Une fois le glissement survenu, il ne se reproduira pas car tous les chargements ultérieurs seraient de même nature.

Certaines applications impliquent une inversion de charge, par exemple lorsque des éléments rotatifs subissent des charges de traction et de compression alternées. La flexion des éléments soumis à une inversion complète de la charge est 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.

Certaines connexions sont soumises à de nombreux cycles de chargement pouvant entraîner de la fatigue. Ils comprennent les connexions dans les presses, les supports de grue et les ponts. Lorsque les assemblages sont soumis à des charges de fatigue avec inversion de sens, des assemblages antidérapants sont nécessaires. Pour ces types de conditions, il est essentiel que le joint ne glisse pas, d'où l'exigence de joints antidérapants.

Une connexion boulonnée existante peut avoir été conçue et construite selon l'un de ces critères. Les joints rivetés sont considérés comme étant de type bien serré.

Les connexions soudées sont rigides. Les connexions soudées sont rigides. Contrairement aux joints boulonnés bien serrés qui peuvent glisser lorsqu'ils sont chargés, les soudures ne devraient pas s'étirer et répartir la charge appliquée dans une grande mesure. Dans la plupart des cas, les soudures et les fixations mécaniques de type roulement ne se déforment pas de la même manière.

Lorsque les soudures et les fixations mécaniques sont utilisées ensemble, la charge est transférée à travers la partie la plus rigide ; par conséquent, la soudure peut supporter presque toute la charge, partageant peu avec les boulons. C'est pourquoi des précautions doivent être prises lorsque des soudures, des boulons et des rivets sont combinés. Dispositions du code. La question du mélange des fixations mécaniques et des soudures est abordée dans l'AWS D1. 1:2000 Code de soudage structurel—Acier. La disposition 2.6.3 stipule que pour les rivets ou les boulons utilisés dans les assemblages de type palier (c'est-à-dire lorsque le boulon ou le rivet agit comme une goupille), les fixations mécaniques ne doivent pas être considérées comme partageant la charge en combinaison avec les soudures. Si des soudures sont utilisées, elles doivent être prévues pour supporter la totalité de la charge dans la connexion. Cependant, les assemblages soudés à un élément et rivetés ou boulonnés à un autre sont autorisés.

Lorsque les fixations mécaniques sont de type roulement et qu'une soudure est ajoutée, la capacité du boulon est essentiellement ignorée. La soudure doit être conçue pour transférer toute la charge, conformément à cette disposition.

Fondamentalement, c'est la même chose que AISC LRFD-1999, disposition J1.9. Cependant, la norme canadienne CAN/CSA-S16.1-M94 permet également d'utiliser la capacité de la fixation mécanique ou du boulon seul lorsqu'elle est supérieure à la capacité de la soudure.

Les trois normes s'accordent sur ce point : Les capacités des fixations mécaniques de type palier et des soudures ne s'additionnent pas.

AWS D1.1, paragraphe 2.6.3 traite également d'une situation dans laquelle les boulons et les soudures peuvent être combinés dans un assemblage composé de deux composants distincts, comme illustré à la figure 1. Un assemblage soudé est à gauche et un assemblage boulonné est à droite. Ici, la pleine capacité des soudures et des boulons peut être prise en compte. Chaque partie de la connexion globale se comporte indépendamment. Par conséquent, le code prévoit une exception aux principes contenus dans la première partie de 2.6.3.

Les dispositions qui viennent d'être discutées sont applicables pour les nouvelles constructions. Pour les structures existantes, D1.1, paragraphe 8.3.7 stipule que lorsque les calculs de conception montrent que les rivets ou les boulons seront surchargés par la nouvelle charge totale, seule la charge permanente existante doit leur être affectée.

La même disposition exige que si les rivets ou les boulons sont surchargés par la seule charge permanente ou sont soumis à une charge cyclique (de fatigue), alors suffisamment de métal de base et de soudure doivent être ajoutés pour supporter la charge totale.

Le partage des charges entre les fixations mécaniques et les soudures est acceptable si la structure est préchargée ; en d'autres termes, si un glissement entre les membres connectés s'est déjà produit. Mais seule la charge permanente peut être affectée à la fixation mécanique. Les charges vives, qui peuvent causer plus de glissement, doivent être résistées par l'application de soudures capables de supporter la totalité de la charge.

Les soudures doivent être utilisées pour reprendre la totalité de la charge appliquée ou d'exploitation. Aucun partage des charges n'est autorisé lorsque les fixations mécaniques sont déjà surchargées. Lorsque le chargement cyclique est impliqué, aucun partage de charge n'est autorisé car le chargement pourrait provoquer un glissement continu et surcharger les soudures.

Une illustration. Considérez un joint à recouvrement connecté à l'origine avec des boulons bien serrés (voirFigure 2 ). Une capacité supplémentaire est ajoutée à la structure, et la connexion et les éléments attachés doivent être augmentés pour fournir deux fois la force.figure 3 illustre le plan de base pour renforcer les membres. Que faut-il faire de la connexion ?

Parce que le nouvel acier va être joint à l'ancien avec des soudures d'angle, l'ingénieur décide d'ajouter des soudures d'angle à la connexion. Étant donné que les boulons sont toujours en place, l'idée initiale est d'ajouter uniquement les soudures nécessaires pour transférer la capacité supplémentaire du nouvel acier, 50 % de la charge devant passer par les boulons et 50 % par les nouvelles soudures. Cela sera-t-il acceptable ?

Supposons d'abord qu'aucune charge permanente n'est actuellement appliquée à la connexion. Dans ce cas, AWS D1.1, paragraphe 2.6.3 s'applique.

Dans cette connexion de type palier, les soudures et les boulons ne peuvent pas être considérés comme partageant la charge, de sorte que la taille de soudure spécifiée doit être suffisamment grande pour supporter la totalité de la charge permanente et d'exploitation. La capacité des boulons ne peut pas être prise en compte dans cet exemple, car sans la charge permanente, la connexion serait dans un état relâché. Lorsque la pleine charge est appliquée, les soudures (conçues pour transférer la moitié de la charge) se rompent initialement. Ensuite, les boulons - également conçus pour transférer la moitié de la charge - tenteraient de transférer la charge et se briseraient.

Supposons ensuite qu'une charge permanente est appliquée. Supposons en outre que la connexion existante est adéquate pour transférer la charge permanente existante. Dans ce cas, D1.1, paragraphe 8.3.7 s'applique. Les nouvelles soudures ne doivent supporter que la charge permanente accrue et la charge utile totale. La charge permanente existante peut être attribuée aux fixations mécaniques existantes.

Avec la charge morte, la connexion n'est pas relâchée. Au lieu de cela, les boulons portent déjà leur charge. Tout glissement dans la connexion s'est déjà produit. Par conséquent, des soudures peuvent être appliquées et elles peuvent transférer la charge vive.

Répondre à la question « Est-ce acceptable ? » dépend des conditions de chargement. Dans le premier cas où aucune charge permanente n'a été supposée, la réponse est non. Dans les conditions spécifiques du deuxième scénario, la réponse est oui.

On ne peut pas en conclure que la réponse sera toujours oui simplement parce qu'une charge permanente est appliquée. Le niveau de charge permanente, l'adéquation de la connexion mécanique existante et la nature de la charge finale, qu'elle soit statique ou cyclique, pourraient changer la réponse.

Duane K. Miller, Sc.D., PE, est le responsable du centre de technologie de soudage de The Lincoln Electric Company, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, site Web www.lincolnelectric.com. La Lincoln Electric Company fabrique des équipements de soudage et des consommables de soudage dans le monde entier. Les ingénieurs et techniciens de son centre de technologie de soudage aident les clients à répondre à leurs questions sur les applications de soudage.

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