Boulon Hr

dans les ouvrages de gnie civil

G.L. Kulak, Ph.D., ing.Dpartement de gnie civil

Universit de lAlbertaEdmonton, Alberta

Boulons haute rsistance

Boulons haute rsistance dans les ouvrages de

gnie civil

G.L. Kulak, Ph.D., P.Eng.

Department of Civil Engineering University of Alberta Edmonton, Alberta

CANADIAN INSTITUTE OF STEEL CONSTRUCTIONINSTITUT CANADIEN DE LA CONSTRUCTION EN ACIER

201 CONSUMERS ROAD, SUITE 300WILLOWDALE, ONTARIO M2J 4G8

Droits dauteur 2005

Par lInstitut canadien de la construction en acier

Tous droits rservs. Il est interdit de reproduire tout ou partie de cet ouvrage, sous quelque forme que ce soit,

sans lautorisation pralable de lditeur.

Premire dition

Premire dition, novembre 2005

ISBN 0888111118

Photo de couverture : Terri Meyer Boake

IMPRIM AU CANADAPar :

Quadratone Graphics Ltd.Toronto, Ontario

IntroductionObjet et champ dapplication................................... 1 Notes historiques ..................................................... 1Connecteurs mcaniques ......................................... 1Types dassemblages ............................................... 4Philosophie de calcul............................................... 7Approche choisie dans ce document ....................... 8

Rsistance des rivetsIntroduction ............................................................. 9Rivets en traction ..................................................... 9Rivets en cisaillement .............................................. 9Rivets en cisaillement et traction combins .......... 11

Pose des boulons et inspectionIntroduction ........................................................... 13Pose des boulons haute rsistance ...................... 13Pose par mthode du tour dcrou ..........................14Pose avec cl dynamomtrique.............................. 17Prcontraintes obtenues au moyen de la pose

par la mthode du tour dcrou ......................... 17Boulons couple de serrage contrl.................... 18Utilisation des rondelles de prcontrainte ............. 19Slection de boulons serrage contrl

ou non-contrl ................................................. 19Inspection de la pose ............................................. 20Gnralits............................................................. 20Assemblages avec serrage non-contrl................ 21Assemblages au moyen de boulons

serrage contrl................................................. 21Arbitrage................................................................ 22

Comportement dun seul boulonIntroduction ........................................................... 23Boulons en traction................................................ 23Boulons en cisaillement......................................... 24Boulons en traction et cisaillement

combins ........................................................... 25

Boulons dans des assemblages en cisaillementIntroduction ........................................................... 27Assemblages antiglissement.................................. 29Assemblages par contact ....................................... 30Introduction ........................................................... 30Rsistance au cisaillement des boulons................. 30Rsistance la pression diamtrale ....................... 31Rupture par traction et cisaillement combins ...... 32Dcalage en cisaillement ....................................... 32

Boulons en tractionIntroduction ........................................................... 35Boulons uniques en traction .................................. 35Force dans les boulons dassemblages

en traction.......................................................... 37

Fatigue des assemblages boulonns et rivetsPrincipes fondamentaux ........................................ 39Introduction la fatigue des assemblages

boulonns et rivs ............................................. 39Assemblages rivets .............................................. 39Assemblages boulonns......................................... 41Joints de recouvrement boulonns......................... 41Boulons dans les assemblages en traction ............. 43

Sujets spciauxIntroduction ........................................................... 45Utilisation de rondelles dans des assemblages

trous standard .................................................... 45Trous surdimensionns ou oblongs ....................... 45Utilisation de boulons longs ou courts .................. 47Boulons galvaniss ................................................ 47Rutilisation des boulons haute rsistance ......... 48Assemblages mixtes boulons et soudures........... 48Enduits protecteurs ................................................ 49

Rfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

TABLE DES MATIRES

iii

AVANT-PROPOS

LInstitut canadien de la construction en acier est une organisation nationale dindustrie reprsentant lacier deconstruction et les industries de fabrication de poutrelles ajoures en acier et de plat en acier au Canada. Fond en1930 et accord une charte fdrale en 1942, la fonction de lICCA comme organisme but non lucratif est depromouvoir lutilisation efficace et conomique de lacier fabriqu dans la construction.

En tant que membre du Conseil canadien de la construction en acier (CCCA), linstitut a un intrt gnral pour toutesles utilisations de lacier dans la construction. LICCA travaille avec la collaboration troite de la Fondation pourlducation en charpentes dacier (Steel Structures Education Foundation) pour dvelopper des cours et des programmesde formation en conception et construction des structures en acier. LICCA appuis et participe activement au travail duConseil canadien des normes, lassociation canadienne de normalisation, la Commission canadienne sur des codes debtiment et de feu et nombreux dautres organismes, au Canada et dautres pays, impliqus dans le travail de rechercheset la prparation des codes et des normes.

La prparation de dessins techniques nest pas une fonction de lICCA. Linstitut fournit des informations techniquespar son personnel professionnel de technologie, par la prparation et la diffusion de publications, par lintermdiaire deconfrences, cours, runions, matriel audio-visuel, et logiciels. Les architectes, les ingnieurs et tous autres intresss la construction en acier sont encourags se servir des services dinformation de lICCA.

Ce guide a t prpar et dit par lInstitut canadien de la construction en acier. Cest une partie importante duneffort continu de fournir de linformation courante et pratique pour venir en aide aux ducateurs, concepteurs,constructeurs, et dautres intresss lutilisation de lacier dans la construction.

Bien quaucun effort nait t pargn afin dessayer de sassurer que toutes les donnes dans cette publicationsont factuelles et que les valeurs numriques sont prcises un degr conforme la pratique de calcul des structures envigueur, lInstitut canadien de la construction en acier, lauteur et son employeur, luniversit dAlberta, dclinent touteresponsabilit les erreurs ou les inadvertances rsultant de lutilisation de linformation contenue dans ce document.Nimporte qui se servant du contenu de ce livre assume toute la responsabilit rsultant dune telle utilisation. Toutesles suggestions pour lamlioration de cette publication recevront la pleine considration pour les prochains tirages.

v

PRFACE

En 2002, lauteur a crit un guide de conception lintention des ingnieurs praticiens publi par lAmerican Instituteof Steel Construction1. Rdig autant que possible dans un style gnrique, le guide fait rfrence en de nombreuxendroits aux rgles de calcul de lAISC. Les rglements de lAssociation canadienne de normalisation auxquels adhrentles ingnieurs canadiens scartent suffisamment des rgles de lAISC pour que lutilit de ce guide soit limite. LAISCa t contacte et a gracieusement autoris lInstitut canadien de la construction en acier publier une version du guide lintention des concepteurs canadiens. Lditeur et lauteur tiennent remercier lAISC pour son empressement partager ses ressources documentaires.

Les ingnieurs pourront se rfrer cette publication pour mieux comprendre le comportement des boulons haute rsistance dans les structures, leur mode de pose et les exigences dinspection. Ces lments ne sont pas compliqus,mais cest lingnieur en structure quil incombe dune faon ou dune autre de sen charger. Le prsent document runittoutes ces caractristiques et, aprs tude de leur base, les relie aux exigences de CAN/CSAS1601 (btiments etstructures connexes) ou de CAN/CSAS600 (ponts).

Il nous reste ajouter un mot sur les units. Depuis un certain temps, le Canada est pass au systme SI. Parcontre, la grande majorit des travaux de recherche sur lesquels sappuie ce document utilise les units de mesureanglo-saxonnes. La conversion des figures, graphiques et autres dun systme lautre na pas sembl tre ncessaireet, de plus, risquait dintroduire des erreurs. Aprs tude des avantages et dsavantages, lauteur et lditeur ont dcidde prsenter les figures et graphiques dans les units dorigine, cest--dire anglo-saxonnes. Comme leur utilisationse limite des fins descriptives, lutilisateur ne devrait pas en tre incommod.

Lauteur souhaite exprimer sa gratitude lInstitut canadien de la construction en acier pour laide apporte ce projet.

vii

1High Strength Bolts: A Primer for Structural Engineers, Steel Design Guide 17, American Institute of Steel Construction, Chicago,IL, 2002.

Le montage des structures en acier fait appel deux types deconnecteursles boulons et la soudure. Lutilisation de cesdeux types de connecteurs est largement rpandue et il arrivemme quils soient utiliss dans un mme assemblage. Dansde nombreux cas, il nest pas rare dutiliser la soudure pour lafabrication en atelier et les boulons sur le terrain. La souduredemande un quipement relativement important, des oprateurschevronns et des mthodes dinspection assez compliques.Par contre, les boulons sont des lments prfabriqus dont lapose se fait au moyen dun quipement simple et dontlinspection ne requiert pas une formation pousse.

Il faut que les ingnieurs en structures connaissentparfaitement le comportement des boulons et des soudureset quils sachent concevoir des assemblages bass sur cesdeux connecteurs. En gnral, la conception et la spcificationdes soudures, ainsi que leurs mthodes dinspection, exigentla slection de techniques standardises et de critresdacceptation ou lintervention dun spcialiste. Par contre,la conception et la spcification dun assemblage boulonnexigent de lingnieur quil choisisse le type de connecteur,quil comprenne son mode dutilisation et quil tablisse desmthodes acceptables de pose et dinspection. En dautrestermes, un ingnieur constructeur doit en savoir plus sur lesboulons haute rsistance que sur les soudures.

Ce document se propose donc de fournir lingnieuren structures les informations ncessaires la slection desboulons haute rsistance, la spcification des mthodesde pose et dinspection, et la conception des assemblagesfaisant appel ce type de connecteur. Les boulons peuventtre de type courant (que lon appelle aussi boulon ordinaire)ou haute rsistance. Nous traiterons des deux types eninsistant plus particulirement sur ceux haute rsistance.Comme les structures rivetes sont encore en services de nosjours et quil faut souvent en vrifier ltat, nous avons aussiprvu une brve description des rivets.

1.2 Notes historiques

Les premires structures en fer et en acier taient principalementrivetes [1, 2]. Ctait une solution gnralement satisfaisante,mais leffort de serrage du rivet chauff contre les matriauxtait variable et incertaine. Par consquent, lemploi de rivetscomme connecteurs dans des assemblages o il fallait viterle glissement dans les assemblages posait des problmes. Enoutre, des rivets dans des assemblages o la charge tait telleque le connecteur tait soumis une traction posaient aussi unproblme. Peut-tre plus important encore, la pose de rivets

exigeait plus dquipement et de main doeuvre que pour lapose des boulons haute rsistance qui commenait segnraliser dans les annes 50. La pose dun rivet revenaitplus chre que celle dun boulon haute rsistance. De plus,les boulons haute rsistance offraient certains avantages en matire de rsistance et de performance que les rivetsnoffraient pas.

On avait utilis loccasion des boulons en acier douxsur les premires structures en acier et fonte. Lutilisationde boulons haute rsistance fit son apparition en 1934 dansun rapport prpar par Batho et Bateman lintention duSteel Structures Committee of Scientific and IndustrialResearch of Great Britain (Comit des structures en acierde la recherche scientifique et industrielle de GrandeBretagne) [3]. Ils taient arrivs la conclusion quun boulonavec une limite lastique dau moins 54 ksi pouvait tresuffisamment prcontraint pour quil ny ait pas glissementdans les assemblages. Dautres recherches prcoces avaientt entreprises par Wilson et Thomas [4] luniversit delIllinois. Dans leur tude consacre la rsistance lafatigue des recouvrements cisaillement rivets, ilsdmontraient quun assemblage boulonn prcontraint dehaute rsistance avait une dure de vie en fatigue au moinsaussi bonne que celle des assemblages rivets.

Le Research Council on Riveted and Bolted StructuralJoints (RCRBSJ) est fond en 1947. Cet organisme taitcharg de diriger les recherches qui se sont finalementsoldes par lacceptation unanime du boulon hautersistance comme connecteur de choix dans les structuresen acier. Ce conseil existe encore de nos jours sous le nomde Research Council on Structural Connections (RCSC).La premire norme sur les assemblages dans les ouvrages degnie civil a t mise par le RCRBSJ en 1951 [5].

Conjointement avec lAmrique du Nord, dautres paysse sont lancs dans des travaux de recherche et la rdactionde normes; tout dabord lAllemagne et la Grande Bretagne,puis dautres pays europens, le Japon et autres. De nos jours,les chercheurs de nombreux pays participent la croissancede la base de donnes sur les assemblages boulonns. Lelecteur intress peut trouver dautres informations en lamatire dans les rfrences [610].

1.3 Connecteurs mcaniques

Les rivets et les boulons sont les connecteurs mcaniquesle plus souvent utiliss dans les charpentes dacier. On peututiliser loccasion dautres connecteurs : ce sont en gnral

Chapitre 1INTRODUCTION1.1 Objet et champ dapplication

Chapitre 1 Introduction 1

traction/dformation pour les deux diffrents niveaux dersistance est illustre sur la figure 1.1, ainsi que celle descatgories de boulons dont nous traiterons plus loin. (Lacourbe de la figure 1.1 reprsente le comportement dunchantillon prlev sur un rivet ou boulon.) tant donn quela seule raison de sintresser la rsistance des rivets denos jours rside dans lvaluation dune structure en place,il faut donc prendre garde de vrifier avec certitude la nuancedes rivets utiliss. Les structures trs anciennes peuventavoir des rivets en acier dont la rsistance est infrieure aux exigences de la norme ASTM A502. (Cette normeASTM A502 est caduque depuis 1999.)

Les charpentes dacier comptent des lments filetstels que les tirants en fer ronds, les tiges dancrage et lesboulons de construction. Dans les constructions lgres, leslments en traction sont souvent constitus dune seule tigefilete chaque extrmit sur une courte longueur. Letransfert de la charge de la tige la membrure suivante se faitau moyen dun crou. La section filete tant la partie laplus faible de lensemble, la conception est base sur ceque lon pourrait appeler la surface de contrainte , cest--dire une surface bien dfinie situe peu prs entre lasection transversale du fond de filet et la section transversalecorrespondant au diamtre nominal du boulon.

Les tiges filetes ne sont pas produites en usine, commele sont les boulons. Une tige filete peut donc tre constituedun acier dont la nuance convient spcialement lutilisation.

Les tiges dancrage servent relier un socle de poteauou de poutre aux fondations. Comme les lments en traction,elles sont fabriques pour une tche bien prcise. Si ellesse terminent par un crochet ou une tte, seule une extrmitest filete tant donn que sa section principale sera priseou fixe mcaniquement dans le bton. Les tiges peuventtre aussi filetes aux deux extrmits et bloques par des

des formes spciales de boulons haute rsistance. Les rivetset les boulons sont utiliss dans des trous fors, poinonnsou dcoups au chalumeau pour fixer les pices assembler.Le connecteur peut avoir t prcontrainte, ceci tantdtermin par le type et la fonction de lassemblage.

Fabriqus partir de barres, les rivets sont fournis avecune tte prforme une extrmit. Le processus defabrication peut se faire par matriage chaud ou froid. Ilssont en gnral quips dune tte ronde, mais il est aussipossible de se les procurer avec une tte aplatie ou fraiselorsque lespace libre est restraint. Pour poser un rivet, il fautle chauffer haute temprature, le placer dans le trou, etformer la tte de lautre ct avec un marteau pneumatique.La tte prforme doit tre maintenue en place au moyendun outil dappui tout au long de lopration. En applicationcourante, la deuxime tte est aussi ronde.

En refroidissant, le rivet se contracte contre le matriauserr. Ceci rsulte en une force de traction dans le rivet, laprcontrainte. Comme la temprature initiale du rivet et lacompacit initiale du matriau serr sont toutes deux desvariables, le degr de prcontrainte du rivet est aussi unevariable. Un examen destructif aprs la pose dun rivet montreque celui-ci ne remplit pas en gnral lintrieur du trou.

La pose de rivets demande une quipe de trois ou quatrepersonnes et un quantit importante dquipementpourchauffer les rivets et pour former les ttescest en outre uneopration bruyante.

La norme ASTM pour les rivets de construction, A502,prvoit trois nuances, 1, 2 et 3 [11]. La nuance 1 est unrivet en acier au carbone rserv aux emplois gnraux, lanuance 2 est utilise pour les aciers de plus haute rsistanceet la 3 est identique la 2 avec en plus des proprits dersistance la corrosion atmosphrique. La seule propritmcanique spcifie pour un rivet est la duret. La relation

2 Boulons haute rsistance dans les ouvrages de gnie civil

Boulons A490

0.08 0.16 0.24

50

100

150

Dformation unitaire

Con

train

te k

si

Boulons A325

Rivets A502, nuance 1

Rivets A502, nuance 2

Fig 1.1 Comparaison de contrainte/dformation des chantillons prlevs sur des boulons et rivets

crous. Tout comme les tiges dancrage, les tiges filetespeuvent tre constitues dacier aux nuances diverses. Biensouvent cependant, lacier utilis est conforme la normeASTM A307, cest--dire celui constituant les boulons,goujons et autres lments de section circulaire.1 Nous entraiterons plus loin.

Les boulons de construction sont classs de faonsommaire en boulons ordinaires ou haute rsistance2. Lesboulons ordinaires, aussi appells non finis, courants, demcanique ou sans traitement sont conformes la normeASTM A307 [12]. Cette norme comprend les produits dutype goujons et les boulons dancrage. (Le terme goujonindique un produit filet utilis sans crou et viss dans unepice composante.) La norme ASTM A307 se divise en troiscatgoriesA, B et C. La catgorie B, qui est rserve auxsystmes de canalisations, ne sera pas traite dans lesprsentes. La catgorie A, qui offre une limite lastiqueminimale de 60 ksi (415 MPa) est destine aux applicationsgnrales; elle est disponible dans des diamtres allant de1/4 po 11/2 po. Quant la catgorie C, elle est prvue pourlancrage de construction, c.--d., les tiges ou goujons sanstte. Dans cette classe, le diamtre peut atteindre 4 po dans les boulons de construction conformes la normeASTM A307 qui sont parfois utiliss dans des applications

o les forces transfrer ne sont pas particulirementimportantes et lorsque les charges ne sont pas dynamiques,rptitives ni sujettes des inversions. Ces boulons sontrelativement bon march et faciles poser. Le comportement

dun boulon ASTM A307 en traction pure est illustre surla figure 1.2, o il est compar deux types de boulons haute rsistance. Linconvnient principal des boulons A307rside dans ses proprits mcaniques qui sont infrieures celles des boulons haute rsistance et dans le fait que laprcontrainte (si elle est ncessaire pour lassemblage) serafaible et incertaine.

Dans la fabrication des charpentes dacier, on utilisedeux normes pour les boulons haute rsistance : ASTMA325 [13] et ASTM A490 [14]. Les boulons de constructionfabriqus en conformit avec la norme ASTM A325 peuventtre de Type 1 ou de Type 3 et sont disponibles en diamtresallant de 1/2 po 11/2 po (les boulons de Type 2 ont djexist, mais ils ont t retirs de la norme courante.) Lesboulons de Type 1 sont en acier carbone moyen, carburede bore ou carbone faiblement alli. Les boulons de Type3 sont constitus en acier rsistant la corrosion et sontutiliss en gnral dans des structures en acier exposes auxintempries. Les boulons A325 sont utiliss pour assemblagesconus selon les exigences du Research Council on StructuralConnections Specification (RCSC) [15]. Ce lien entre lanorme du produit (ASTM A325) et la norme dutilisation(RCSC) est trait de faon explicite dans la normeASTM A325. La limite lastique minimale des boulons

A325 est de 120 ksi (830 MPa) pour les diamtres jusqu1 po et de 105 ksi (725 MPa) pour les diamtres suprieurs cette valeur.3

Lautre boulon haute rsistance utilis dans lescharpentes dacier correspond la norme ASTM A490. Cestun boulon en acier trait thermiquement dont la limitelastique est de 150 ksi (1 030 MPa) au minimum et de


80

Allongement (pouces)

60

40

20

0.15 0.20

Boulons A490 de 7/8 po de dia.



0.05 0.10

Trac

tion

du b

oulo

n (k

ips)

Fig. 1.2 Comparaison des types de boulons : traction pure

1La norme ASTM F1554-99 (norme pour les boulons dancrageen acier limite lastique de 36, 55 et 105 ksi) est probablement lechoix actuel le plus courant.2Comme les boulons aux tats-Unis sont aux dimensions anglo-saxonnes, ce rapport les cite en pouces . Il existe cependant desboulons aux dimensions mtriques.

3Les diffrences de rsistance en fonction du diamtre proviennentde restrictions mtallurgiques. Ces restrictions nexistent plus, maisla distinction a perdur.

1.4 Types dassemblages

Il est pratique de classifier les assemblages selon les typesdefforts produits dans les connecteurs, cest--dire latraction, le cisaillement et la combinaison de traction et decisaillement. Dans chaque cas, la force peut tre produitede plusieurs manires.

La figure 1.3 montre diffrents types dassemblagescaractriss par un effort tranchant au niveau des boulons. Lapartie (a) illustre un joint double recouvrement. Leffortdvelopp dans lun des composants principaux, la plaquegauche par exemple, doit tre transfr dans lautrecomposant principal, la plaque droite. Sur lassemblageillustr, les six boulons de la plaque gauche se chargent dutransfert. Ces boulons agissent en cisaillement. Puis, les sixboulons en question transfrent la charge dans les deuxplaques de raccord par contact des boulons contre les paroisdes trous dans les plaques.6 La charge est maintenant dansles plaques de transfert o leffort dans les connecteurs estquilibr par un effort de traction dans les plaques detransfert. La charge passe ensuite par les six boulons dedroite des plaques de transfert dans la plaque principale dedroite. Dans tout assemblage il est essentiel de comprendrele cheminement des efforts dans les divers composants, pourla bonne conception des composants, tant pour le picesassembles que pour les connecteurs. Dans lillustration,cette visualisation du cheminement des efforts (ou lemploide diagrammes de corps libres!) permet au concepteur de raliser, entre autres, que six connecteurs, et non douze,doivent tout moment donn se charger de la force. Denombreuses applications pratiques font intervenir desdispositions plus compliques dlments de transfert etlutilisation de composants principaux diffrents, des lmentslamins au lieu de plaques par exemple. Le concepteur restecependant confront au mme problmecomprendre lecheminement des forces travers lassemblage.

La partie (b) de la figure 1.3 illustre un assemblagedans un noeud de treillis lger. Les forces passent des (oudans les) membrures du treillis (ou hors de) aux goussets parles boulons qui sont soumis des efforts tranchants. Lafigure 1.3 (c) montre un support de pont roulant. L encoreles boulons sont soumis un cisaillement, engendr cettefois par une force excentre par rapport au centre de gravitdu groupe de connecteurs. Un assemblage commun entrepoutre et poteau (fig. 1.3 (d)) offre un autre exempledassemblage o les boulons sont soumis des effortstranchants. Il existe de nombreux autres dassemblages oles boulons sont soumis des efforts tranchants.

170 ksi au maximum. Comme le boulon A325, le boulonA490 est utilis dans les assemblages conformes la normeRCSC. Il est de deux classes : Type 1 et Type 3. (Commepour les boulons A325, les boulons A490 de Type 2 ont djexist, mais ne sont plus disponibles.) Les boulons de Type 1,disponibles en diamtres de 1/2 11/2 po, sont en acier alli.Les boulons de Type 3 qui sont rsistants la corrosionatmosphrique sont utiliss dans des lments en acierexposs eux aussi aux intempries. Ils sont aussi disponiblesen diamtres allant de 1/2 11/2 po.

Les boulons A325, comme les A490, peuvent aussi treprcontraints. Comme nous le verrons ultrieurement, laprcontrainte est un facteur important dans certains typesdassemblages. Cette caractristique et les exigences qui luisont associes au niveau de la pose et linspection sonttraites plus loin.

Il existe un certain nombre dautres connecteurs deconstruction rpondant des normes ASTM : A193, A354 etA449 par exemple. La premire dentre elles est un boulon haute rsistance utilis des tempratures leves. Leboulon A354 a des proprits mcaniques similaires cellesdes boulons A490, surtout en catgorie BD, mais en diamtresplus grands (4 po max.). Le boulon A449 a des propritsmcaniques similaires celles du boulon A325, mais lui aussien diamtres plus grands.4 Cest la norme la plus souventutilise pour les tiges dancrage de haute rsistance. Cependant,dans la majorit des cas, les boulons A325 et A490 sont utilisspour lassemblage dlments de construction en acier.

Les crous qui accompagnent les boulons (et les rondelles,si ncessaires) font partie intgrante de lassemblage boulonn.En supposant que lajustement entre le boulon et lcrou estadquat, lcrou est dot dune rsistance compatible aveccelle du boulon. Cela signifie essentiellement que lcrou doittre assez fort et son filetage suffisamment profond pourdvelopper la mme rsistance que le boulon, et ce avant queses filets ne sarrachent.5 Lingnieur en structure peut saiderde la norme ASTM A563 sur les crous en acier alli et aucarbone [16] pour slectionner un crou correspondant auboulon. La norme contient un tableau indiquant les crousadapts aux diverses catgories de connecteurs. Les rondellessont dcrites dans la norme ASTM F436 [17]. La normeRCSC [15] offre des informations sommaires pour la slectiondes crous et rondelles.


4Bien que les boulons A354 et A449 aient des proprits demcaniques similaires aux boulons A325 et A490, respectivement,leur longueur de serrage, leurs normes dassurance de qualit etleur conditionnement diffrent.5Ce nest pas toujours ncessaire. Si le boulon a pour unique objetle transfert du cisaillement, lcrou ne sert qu le maintenir enplace. Cependant, par simplicit, les exigences concernant lescrous sappliquent toutes les applications de boulonnage.

6Le transfert de la charge peut aussi se faire par frottement, ce donttraite la section 5.2.

La figure 1.4 (a) montre un assemblage o certains desboulons sont soumis une traction; ici, le raccordementdun tirant laile infrieure dune poutre. La figure 1.4 (b)montre un assemblage dune poutre un poteau dont le butest de faire passer le moment et leffort tranchant de lapoutre au poteau. Une hypothse satisfaisante pour laconception veut que tout leffort tranchant dans la poutre soitentirement repris par lme et que son moment soit reprisentirement par les ailes. Dans cet ordre dide, les boulonssur la paire de cornires utilises pour transfrer lefforttranchant de la poutre sont sollicits en cisaillement. Lemoment flchissant de la poutre (reprsent par un couplede force situ au niveau des brides) est transmis par desprofils en T relis aux ailes de la poutre. Lassemblagedes profils en T aux ailes de la poutre place deux boulons

en cisaillement, tandis que le raccordement du profil enT suprieur qui relie laile de la poutre laile du poteauplace ces boulons en traction.

Lillustration suivante montre un assemblage o lesboulons sont soumis la fois une traction et un cisaillement.La pice de contreventement illustre dans la figure 1.5,montre sous la forme dune paire dangles, est un lmenten traction ou compression simple. Envisageons le cas detraction; la rsolution de la force incline de traction dansses composants horizontaux et verticaux indique que lesboulons qui raccordent le profil en T au poteau doiventrsister aux efforts de traction et de cisaillement appliqus.

Lexemple de transfert de charge illustr dans lafigure 1.3 (a) peut tre pouss plus loin sil faut tablir lesforces et les contraintes correspondantes dans les pices


Fig.1.3(b) Assemblage avec gousset

Plaques de recouvrementPlaque principale

Fig.1.3(a) Assemblage par recouvrement

Fig.1.3(d) Assemblage entre poutre et poteau

cornires doubles

Fig.1.3(c) Assemblage avec charge excentre

Fig.1.3 Configurations dassemblages boulonns

Fig.1.4(a)

Boulonsen traction

Boulons en cisaillement

Fig.1.4(b)


Boulonsen traction

Fig. 1.4 Exemples o les boulons sont tendus

force dans le boulon par laire de la section transversale duboulon. ltape suivante, figure 1.6 (c), un segment deboulon est isol. Ce diagramme de corps libre montre quilfaut une force oppose et gale pour compenser lefforttranchant. Le seul point qui se qualifie pour cela est la facedroite du boulon. Le boulon est soumis cet effort lorsquela plaque suprieure tire contre lui, c.--d. lorsque le boulonet la plaque sappuient lun contre lautre. Finalement, lafigure 1.6 (d) montre lextrmit de la plaque suprieure droite du boulon, figure 1.6 (a). Il faut que la pressiondiamtrale releve la figure 1.6 (c) soit prsente sous formede force gale et oppose dans la partie (d) de la figure.Cette pression diamtrale peut tre exprime en terme decontrainte, comme indiqu, si cest plus pratique. En fin decompte, comme le segment de plaque doit tre quilibr,les efforts, P/2, doivent tre prsents dans la plaque.

Nous venons de voir des illustrations simples sur lamanire dont certains assemblages agissent et sur les effortssollicitant les boulons et les pices assembles. Il existedautres cas o le mcanisme de transfert de charge exige desexplications plus dtailles, lorsquil sagit par exemple deboulons haute rsistance prcontraints. Nous en traiteronsdans des chapitres ultrieurs.

assembles. La figure 1.6 montre le mme assemblage quecelui de la figure 1.3 (a), sauf quil a t simplifi un boulonet deux plaques. La partie (a) montre lassemblage. Onobtient un diagramme de corps libre lorsque le boulon estcoup au niveau de linterface entre les deux plaques, commele montre la figure 1.6 (b). (Le boulon est lgrementprolong titre pratique.) Pour prserver lquilibre, la forceP dans la plaque doit tre, tel quindiqu, quilibre par uneforce dans le boulon; cest leffort de cisaillement dans leboulon. On peut, au besoin, lexprimer en terme de contraintemoyenne de cisaillement, , dans le boulon en divisant cette


Boulons en cisaillement et traction combins


Fig. 1.5 Boulons en cisaillement et traction combins

Fig. 1.6 (a)P

P

P/2

P/2

P t

d

noter que cette force est gale et oppose la pressiondiamtrale indique en (c)

contrainte moyenne cause par la pressiondiamtrale : = P/A = P/(txd)

Q.Q.

Fig. 1.6 (d)

P

P pression diamtrale{Fig. 1.6 (c)

PP (et contrainte de cisaillement associe, = P/A)

Q.Fig. 1.6 (b)

.Q

Fig 1.6 Efforts dans un boulon et compression dans la plaque

1.5 Philosophie de calcul

La mthode de calcul utilise au Canada pour la ralisationde charpentes mtalliques sappelle calcul aux tats limites.Dans le cadre de cette mthode de calcul, les performancesdune structure sont compares diverses conditions limites des niveaux de charge appropris. Les conditions limites vrifier sont des tats limites ultimes et des tats limitesdutilisation. Les tats limites ultimes concernent la scurit,par exemple la rsistance aux charges, le renversement, leglissement et la rupture due la fatigue ou dautres causes.Les tats limites dutilisation concernent le comportement dela structure en conditions normales dexploitation,notamment la dflexion, les vibrations et la dformationpermanente.

Essentiellement le concepteur tente dassurer que larsistance maximale dune structure (ou des lments dunestructure) est suprieure aux charges aux quelles elle serasoumise, avec une marge raisonnable contre la dfaillance.Cest le critre de ltat limite ultime. En outre, le concepteurdoit sassurer que la structure remplira de faon satisfaisanteses fonctions lorsquelle sera soumise sa charge de service :cest le critre dtat limite dutilisation.

Pour vrifier la condition de ltat limite ultime, il fautessentiellement que la rsistance pondre soit gale ousuprieure leffet des charges pondres. On peut lcriresous lquation suivante

dans laquelle = coefficient de rsistanceR = rsistance nominale dun lment de la structurei = facteur de pondration de la ie charge d de

serviceSi = ie charge variable d de service

Si Pour le Code national du btiment du Canada 2005,les charges de service englobent les charges principales et lescharges complmentaires. Une charge principale est la charged de service qui domine dans une combinaison de chargesdonnes, tandis que la charge complmentaire est une charged de service qui sajoute la charge principale dans unecombinaison de charges donnes. Limportance du facteur decharge dpend du statut de la charge de service, cest--dire sielle est principale ou complmentaire. Les charges de servicesont la charge permanente (D), la surcharge dexploitation(L), une charge variable due au vent (W), une charge variabledue la neige (S), une charge rare due aux tremblements deterre (E), une charge permanente due la pression latraledu sol (H), des effets permanents causs par les forces

de prcontrainte (P) et les effets de la temprature, de lacontraction ou du retrait des matriaux des composants ouau tassement diffrentiel (T). En ce qui concerne les chargesdues la neige, au vent et aux tremblements de terre, il fautaussi multiplier la valeur donne par un facteur dimportancequi reprsente limportance de la structure, p. ex., les exigencesimposes aprs dsastres.

Linformation prsente dans ce document porte presqueexclusivement sur le ct gauche de lquation 1.1. L, lecoefficient de rsistance, , est appliqu la rsistancenominale de la pice de charpente de faon tenir compte dufait que sa rsistance relle peut tre infrieure ce qui at prvu en raison des variables au niveau des propritsdu matriau, des dimensions et de la qualit de la main-doeuvre. Dans certaines quations de calcul aux tats limites,le coefficient de rsistance fait aussi intervenir le type dedfaillance anticip pour la pice et lincertitude dans lecalcul de sa rsistance. Dans la norme CAN/CSAS1601[18], ces paramtres ne sont pas inclus dans le coefficientde rsistance, , mais plutt dans les quations qui tablissentla rsistance thorique des pices. En rgle gnrale, correspond 0,90 pour les composants en acier et 0,60pour les composants en bton. Il existe cependant un certainnombre dexceptions, surtout en ce qui concerne les rglesde calcul pour les assemblages.

La rsistance nominale, R, dune pice de charpentereprsente la rsistance calcule partir des propritsspcifies du matriau, des dimensions nominales et desquations dcrivant le comportement thorique de la pice,de lassemblage ou de la structure. Ainsi, selon les termes decalcul aux tats limites, la rsistance pondre dun lmentde charpente, R, est le produit de la rsistance nominale etdu coefficient de rsistance. Comme lexprime lquation 1.1,la rsistance pondre doit galer ou dpasser leffet pondrdes charges (le ct droit de lquation 1.1).

Dans lquation 1.1, D, L, W et T sont les charges deservice prescrites par lorganisme de rglementation. Lescharges typiques de service sont numres dans le Codenational du btiment du Canada. On appelle le produit dunecharge de service et du coefficient de pondration approprila charge pondre. Il faut utiliser les charges pondreslors de la vrification dtats limites ultimes, par contre, cesont les charges de service quil faut utiliser pour la vrificationdes tats limites dutilisation. La rfrence [19] donne plusde dtails sur le calcul aux tats limites.

Cette rgle gnrale comporte une exception, savoirlors de la conception de structures pour la rsistance lafatigue. Les dfaillances dues la fatigue entrent dans lecadre des tats-limites ultimes, mais la structure est conuepour rsister aux effets de la fatigue sous les charges deservice. Cette anomalie apparente existe du fait que


ii SR D6tI (1.1)

informations documentaires travers des recherches ou,dans certains cas, des analyses thoriques, pour arriver une description du phnomne et, ultrieurement, une rglede conception. Cette dmarche est ensuite relie la rglede calcul correspondante dans la norme sur les constructionsmtalliques, c.--d., CAN/CSAS16 [18]. On fera aussi parfoisrfrence la norme CAN/CSAS6F00, Code canadien surle calcul des ponts routiers [20].

la dfaillance due la fatigue rsulte dapplications trsnombreuses de la charge normalement prvue pour agir surla structure (c--d., la charge de service). Dautres dfaillances ltat limite ultime, telle que la dfaillance dun poteau,peuvent se produire la suite dune seule application dunecharge dont laction sur la structure est suprieure ce qui at normalement prvudans ce cas, on utilise la chargepondre dans les calculs.

1.6 Approche choisie dans ce document

Dans le prsent document, nous avons dcid de dcrireen termes gnraux le phnomne trait, de fournir des


Comme nous lavons mentionn au chapitre 1, cela fait denombreuses annes que lon nutilise plus les rivets dans laconstruction des charpentes dacier. Toutefois, lingnieur enstructure doit tre familier avec le comportement des rivets.Puisquon rencontre des rivets dans certains btiments et pontsexistants, il peut tre ncessaire dvaluer la rsistance de ceslments lorsque lon envisage la rnovation dune structureou lorsque lon dtermine sa scurit sous des niveaux decharge croissants. Ce chapitre traite de la rsistance statiquedes rivets. La rsistance la fatigue dun assemblage rivet,autre centre dintrt important, est traite au chapitre 7,Fatigue des assemblages boulonns et rivets.

Les rgles de calcul des rivets ne figurent pas dans lesnormes consacres la conception des charpentes dacier[18] ou des ponts [20]. Cependant, la section 14 de ce dernierdocument (valuation) donne certaines informations sur lesrivets que nous utiliserons dans ce chapitre. Le paragraphe14.6.3.5 propose des valeurs utiliser pour la rsistance latraction des rivets si les plans ou les certificats dessai enusine ne sont pas disponibles. Le paragraphe 14.13.1.3 donneles rgles de calcul proprement dites.

2.2 Rivets en traction

La figure 1.1 montrait une courbe de contrainte dilatationpour les rivets en acier ASTM A502 (c.--d., rivets avantlinstallation). La rsistance la traction est denviron 60ksi (415 MPa) pour les rivets de nuance 1 et denviron 80 ksi(550 MPa) pour les rivets de nuance 2 ou 3. Une fois le rivetenfonc, la rsistance la traction peut considrablementaugmenter [21]. Pourtant, la ductilit du rivet estconsidrablement infrieure celle du matriau do il at extrait. La majorit des essais de traction sur les rivetsmontre galement une diminution de rsistance avec uneaugmentation de la longueur de serrage. Leffort rsiduelde serrage dans un rivet naffecte en rien la rsistance finaledu rivet. Par principe donc, la rsistance en traction un rivetse limite simplement la contrainte ultime minimale latraction du matriau multiplie par un facteur de rsistance.

La section 14 du code canadien sur le calcul des pontsroutiers [20] reprsente la rsistance la traction pondredun assemblage rivet par lquation

dans laquelleTr = rsistance pondre en traction

r = coefficient de rsistance n = nombre de rivets

Fu = contrainte de rupture spcifie de lacier du rivet Ar = section du rivet calcule partir de son

diamtre.

De toute vidence, le produit ArFu reprsente la rsistance la traction finale de la tige du rivet. La valeur du coefficient de rsistance r recommande dans la norme de calcul est de0,67, ce qui est relativement faible, mme pour les lmentsdun assemblage. Il nexiste aucune recherche disponiblequi fait tat de la valeur approprie du coefficient dersistance pour les rivets en traction. Cependant, on peututiliser titre de comparaison les boulons haute rsistanceen traction. Dans la rfrence [22], on a tabli que = 0,85est un choix satisfaisant pour les boulons haute rsistanceen traction. Cest galement la valeur que recommande leGuide [6]. Par consquent, la slection de 0,67 est un choixconservateur pour les rivets. Elle donne des valeurs qui sontconformes celles utilises prcdemment dans les rglesde calcul aux contraintes admissibles et qui refltent aussila ralit quun rivet peut stre dtrior en service.

Il est courant pour les connecteurs en traction dtresollicits un niveau suprieur celui correspondant lacharge totale applique divise par le nombre de connecteurs.Cest le rsultat de leffet de levier produit par la dformationdes pices raccordes. On recommande dobserver les mmesrgles pour leffet de levier des rivets en traction que cellesrecommandes pour les boulons en traction. Le chapitre 6traite de leffet de levier.

Il faut surtout pour le calcul de la rsistance dun rivetou dun groupe de rivets en traction dterminer la rsistancedun assemblage en place et examiner de prs lintgrit desttes de rivets. Si la tte nest pas en mesure de rsister laforce identifie dans lquation 2.1, le calcul de la rsistancenest pas valide. Les ttes de rivets dans des structures tellesque des ponts ferroviaires peuvent se corroder srieusementsuite aux conditions environnementales auxquelles elles ontt soumises au cours des annes.

2.3 Rivets en cisaillement

On a entrepris de nombreux essais pour dterminer larsistance au cisaillement des rivets-voir, par exemple, lesrfrences [21, 23, 24]. Ces essais dmontrent que la relationentre leffort tranchant appliqu sur un rivet et la dformationcorrespondante ne comporte pratiquement aucune rgion

Chapitre 2RSISTANCE DES RIVETS2.1 Introduction

Chapitre 2 Rsistance des rivets 9

urrr FAn T I (2.1)

rsistance au cisaillement des rivets A502 de nuance 1 seradau moins 0,75415 MPa = 310 MPa et pour les rivets denuance 2 ou 3, denviron 0,75550 MPa = 415 MPa. (Laconstante 0,75 nest pas un facteur de rsistance. Cest lavaleur du rapport rsistance au cisaillement/rsistance latraction susmentionne.)

Comme ctait le cas pour les rivets en traction, il ny aaucune tude qui explore le coefficient de rsistance pourles rivets. La valeur que recommande le Guide [6] pour lesboulons en cisaillement est de 0,80. La rfrence [22]recommande une valeur de 0,83 pour le coefficient dersistance pour les boulons ASTM A325 et 0,78 pour lesboulons ASTM A490.

Le code canadien sur le calcul des ponts routiers [20](section 14) exige que la rsistance pondre en cisaillementdun assemblage avec rivets soit prise comme

Vr = 0,75 r n m ArFu (2.2)dans laquelle

r= coefficient de rsistance, 0,67Fu = contrainte de rupture spcifie de lacier du rivetAr = aire de la section transversale dun rivet n = nombre de rivets

m = nombre de plans de cisaillement

Comme not ci-dessus, le produit 0,75 Ar Fu est la rsistanceau cisaillement dun rivet. Les autres termes de lquation 2.2reprsentent le nombre de plans de cisaillement et le nombrede rivets.

Lutilisation de lquation 2.2 pour le type le plus courantdacier rivet, A502, prsente un problme car cette norme ne prsente pas la rsistance la traction. Ce sont des valeursde duret plutt qui sont prises en considration. La normeCAN/CSAS6 [20] suggre (paragraphe 14.6.3.5) que lacontrainte de rupture des rivets A502 soit rapporte 360MPa, dfaut de meilleures informations. Selon lquation2.2, la contrainte de rupture en cisaillement sera alors0,75360 MPa = 270 MPa. Des rsultats dessais ontdmontr que pour un rivet A502 de nuance 1, la contraintede rupture en cisaillement est de 310 MPa et pour un rivet de nuance 2 ou 3, 415 MPa. Par consquent, lquation 2.2 est assez conservatrice, avant mme que le coefficient dersistance ne soit pris en compte. Au moment dvaluer larsistance au cisaillement des rivets dans une structure enplace, il faut garder lesprit ces lments conservateurs de la rgle de conception.

Leffet de la longueur de lassemblage sur la rsistance aucisaillement appliqu aux joints de recouvrement boulonns(section 5.1) sapplique aussi aux joints de recouvrementrivets.

que lon pourrait dcrire linaire. Par consquent, la meilleuredescription de rsistance dun rivet en cisaillement est sacapacit maximale en cisaillement. Pour pouvoir comparer desrivets de rsistances diffrentes, nous utilisons habituellementla relation entre la rsistance au cisaillement et la rsistance la traction de lacier constitutif du rivet. Les rsultats [21,23] dessais indiquent que la valeur du rapport rsistance aucisaillement/rsistance la traction est denviron 0,75. Lanuance du rivet ou le fait que lessais de cisaillement a texcut sur des rivets avant ou aprs linstallation, naffectepas de manire importante ce rapport. Par contre, la plagede valeur du rapport est relativement large, denviron 0,67 0,83, selon les travaux des rfrences [21 et 23].

La figure 2.1 montre des courbes types de charge decisaillement par rapport aux dformations en cisaillement[25]. Ces essais concernent les rivets A502 de nuance 1 et de7/8 po de diamtre, possdant deux longueurs diffrentes deserrage, 3 po et 41/2 po. tant donn que la flexion dans lesrivets plus longs est suprieure (et une charge dissymtriquedans le cas de ces essais), il se produit une plus grandedformation dans ces rivets un stade prcoce de lessai.Cependant, la rsistance au cisaillement finale nest pasaffecte par la longueur de serrage. Comme la pause du rivetaugmente sa rsistance la traction, il y a de fortes chancespour que la rsistance au cisaillement correspondanteaugmente elle aussi.

Les rsistances la traction des rivets illustrs dans lesessais prsents dans la figure 1.1 sont de 60 ksi (415 MPa)pour les rivets A502 de nuance 1 et 80 ksi (550 MPa) pourles rivets de nuances 2 et 3. En se basant sur ces valeurs, la


20

40

60

0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Dformation (po)

Longueurde serrage de 3 po

Longueur de serrage de 41/2 po

Cha

rge

(kip

s)

Fig. 2.1 Comportement en cisaillement des rivets A502 de nuance 1

2.4 Rivets en cisaillement et traction combins

On a expliqu la section 1.4 (avec rfrence la figure 1.5)que les connecteurs doivent parfois agir sous des effortscombines de traction et de cisaillement. Les essais effectuspar Munse et Cox [23] constituent la base de la rgle decalcul pour ce cas. Les essais ont t effectus sur des rivetsASTM A141 (comparables aux rivets A502 de nuance 1),mais on considre que les rsultats peuvent sappliquer toutes les nuances de rivets. Les variables tudis lors desessais comprennent la longueur de serrage, de diamtre durivet, de mthode de pause et le processus de fabrication. Laseule variable parmi celles susmentionnes ayant un impactsur le comportement tait la longueur de serrage : les rivets grande longueur de serrage ont tendance montrer unediminution de rsistance en rapport avec la longueur. Cersultat est en accord avec les essais effectus sur des rivetschargs uniquement en cisaillement. En passant de tractionseulement cisaillement seulement, la condition de chargese traduit par une rduction des capacits de dformation.Cest galement en accord avec les observations sur les rivetsen traction et les rivets en cisaillement.

Une courbe dinteraction elliptique a t adapte auxrsultats dessais [23]. La description mathmatique de lacourbe est la suivante :

dans laquellex = rapport de la contrainte de cisaillement calcule

() la rsistance la traction du rivet (u),c.--d.,x = /u

y = rapport de la contrainte de traction calcule () la rsistance la traction du rivet (u), c.--d.,y = /u

En utilisant les symboles Vf et Tf pour leffort pondr decisaillement et leffort pondr de traction, respectivement,lquation 2.3 peut scrire de la manire suivante

dans laquelle le nombre 0,56 a t crit pour remplacer 0,752et le symbole Fu pour remplacer le symbole u. Aprscombinaison algbrique cela devient

Vf2 + 0,56 Tf2 = 0,56 (Ar Fu)2

Le seul terme qui reprsente une rsistance est celui de droiteet par consquent on devrait lui associer un coefficient dersistance. En outre, lquation sera crite sous la formedune exigence, c.--d., sous forme dingalit. Lexigencede calcul dcrite dans la section 14.13.1.3.3 de CAN/CSA-S6 devint ainsi:

Vf2 + 0,56 Tf2 0,56 (r Ar Fu)2 (2.4)Le coefficient de rsistance r prend la valeur de 0,67. noter que les quations 2.3 et 2.4 ne sont crites que pour unseul rivet.

Chapitre 2 Rsistance des rivets 11

0.1y

75.0

x 22

2

(2.3)

F

A/T

F56.0

AV

2u

2rf

2u

2rf 1,0

1,0(0,75)2

0,56

Ce chapitre traite de la pose des boulons haute rsistanceet ordinaires. Il fourni galement des informations sur lamthode dinspection ncessaire pour assurer que la poserpond bien ce que lon attend delle. Dautres informationssur les caractristiques physiques et les proprits mcaniquesdes boulons y sont galement incluses.

Les boulons haute rsistance peuvent tre poss de manire tre soumis une prcontrainte initiale (ouprtension). La pose de boulons ordinaires (p. ex., ASTMA307), par contre, ne prvoit pas de prcontrainte apprciable.Dans certaines applications, la prsence dune prcontrainteaffecte le comportement gnral de lassemblage, etlinspection de la pose des boulons haute rsistance doitvrifier la prsence ou labsence de prcontrainte du boulon.Il est donc primordial de savoir tant la pose qu ltapedinspection si les boulons doivent tre prcontraints. Il fautdonc indiquer quand les boulons doivent tre prcontraints.

3.2 Pose des boulons haute rsistance

Un boulon est un connecteur filetage externe et tte utilisen combinaison avec un crou. Les boulons hautersistance prsents la section 1.3 sont de deux typesselon lapplication de construction-ASTM A325 et ASTMA490. La prsence de rondelles (voir chapitre 8) estfacultative et dpend du type dapplication. La tte duboulon et lcrou sont hexagonaux. La tige nest filetequen partie et la longueur du filetage dpend du diamtredu boulon. Des informations compltes sur ces dtails setrouvent dans les normes pertinentes [13, 14].

Les boulons de construction utiliss dans la pratiquene rpondent pas tous la dfinition susmentionne. Il existedeux autres types de boulons couramment utiliss. Ce sontdes boulons qui rpondent aux exigences des normes ASTMA325 ou A490 mais qui en plus ont des caractristiquesspciales au niveau de la pose. Lun dentre eux est le boulon couple de serrage contrl qui fait lobjet de la normeASTM F1852. Il est dcrit la section 3.2.4. Quant lautre,il diffre de lensemble conventionnel boulon/crouuniquement par laddition dune rondelle spciale qui jouele rle dindicateur de prcontrainte dans le boulon. La posede ces rondelles de prcontrainte et ses caractristiques sontdcrites la section 3.2.5.

Les boulons rpondant aux exigences des normes ASTMA325 et A490 ont fait lobjet dune premire description auparagraphe 1.3. Il y tait mentionn que la contrainte derupture en traction pour les boulons A325 tait de 120 ksi

(830 MPa) ou de 105 ksi (725 MPa). La premire valeurconcerne les boulons dun diamtre allant jusqu 1 po,tandis que lautre concerne les boulons dont le diamtre estsuprieur 1 po. Il nexiste pas de rsistance la tractionmaximale prescrite pour les boulons A325. Lautre type deboulon haute rsistance utilis dans la construction, dfinipar la norme ASTM A490, affiche une contrainte de rupturede 150 ksi (1030 MPa) et une rsistance maximale latraction de 173 ksi (1 190 MPa) pour tous les diamtres.Dans chaque cas, les normes des exigences mcaniques fontgalement rfrence une charge dessai, cest--dire leniveau maximal auquel on peut charger et dcharger leboulon sans lui faire subir de dformation permanentersiduelle. Dans les aciers de construction doux, on lappellelimite lastique. Cependant, dans le cas des boulons hautersistance, il nexiste pas de limite lastique bien dfinie ettoutes les mentions de rsistance envisages pour les boulons haute rsistance utilisent comme paramtre de base lacontrainte de rupture. Par consquent, il nest pas ncessaireque le concepteur se proccupe de la charge dessai.

Il est impratif que les crous pour les boulons hautersistance utiliss dans les applications normales de constructionsoient des crous hexagonaux pour travaux durs conformes la norme ASTM A563 [16]. (Si les boulons doivent tre soumis des tempratures lves ou des pressions lves, uneautre norme ASTM permet didentifier les crous appropris.)Lorsquil faut utiliser des boulons A325 galvaniss, les crousdoivent tre galement galvaniss et tarauds un diamtreplus grand. Dans ce cas, la norme ASTM A325 requiert unelubrification des crous et un essai de capacit de rotation delensemble boulon crou. (Ce dont traite la section 8.5.)

Pour poser un boulon, il faut le placer en premier lieudans son trou et visser ensuite lcrou sur son filetage jusquce quil entre en contact avec les plis de lassemblage. Onpeut le faire manuellement, avec une cl mchoires1, ou unoutil lectrique, en loccurrence une cl chocs pneumatique2.Le but est de joindre les pices assembles en contact troit,bien que pour les assemblages faits de plaques paisses, celasoit difficile raliser pleinement. La pose des boulons doit

Chapitre 3POSE DES BOULONS ET INSPECTION3.1 Introduction

Chapitre 3 Pose des boulons et inspection 13

1La cl mchoires est utilise par les monteurs de charpentesmtalliques pour poser un boulon. Elle se compose dune ttehexagonale ouverte et dun manche effil que le travailleur insredans les trous pour un premier alignement des pices.2On peut aussi se servir de cls lectriques qui sont particulirementutiles pour les boulons de petit diamtre.

tous les boulons dun mme lot ont reu le mme serrageinitial 8 kips.) On remarque que la rponse moyenne estlinaire jusqu un niveau de charge dpassant lgrementla charge dessai prescrite, puis la plastification commence se manifester dans les filets et la courbe de rponse sadoucie.La figure montre galement lcart des valeurs dallongementobserv un demi-tour au-del du serrage initial, quireprsente lexigence de la norme RCSC [15] pour lesboulons de la longueur utilise dans cette tude. Laprcontrainte minimale prescrite pour le boulon est de 39 kips(174 kN) pour les boulons A325 de ce diamtre et onremarque que la prcontrainte mesure un demi tour estbien suprieure cette valeur. (La prcontrainte minimalerequise est de 70 % de la contrainte de rupture minimaleprescrite pour le boulon [15].)

La figure 3.1 montre galement que la rsistanceminimale la traction prescrite pour le boulon (c.--d., latraction pure) est bien au-dessus de la traction maximaleatteinte dans lessai (c.--d. la traction par couple de serrage).Cela indique que pendant la pose, les boulons sont soumis des contraintes de traction et torsion combines.

Le rsultat de la pose du boulon indiqu dans la Fig.3.1, qui est typique des poses par la mthode du tour dcrou,soulve les questions suivantes :

Comment ragissent ces boulons dans des assemblagesplutt quindividuellement comme le montre laFig. 3.1?

Si les boulons doivent ultrieurement agir en traction,peuvent-ils atteindre la rsistance minimale latraction prescrite?

La dformation plastique qui se manifeste dans lefiletage du boulon (principalement) affecte-t-elle la

commencer dans la partie la plus rigide de lassemblage etprogresser de faon systmatique. La reprise de certainestapes simpose parfois. ce stage de serrage initial laprcontrainte dans le boulon est le produit de leffort dumonteur de charpentes mtalliques utilisant une cl mchoires ou vissant lcrou jusqu ce que la clpneumatique accuse son premier choc. Le boulon subit uncertain allongement au cours de ce processus qui impose auboulon sa prcontrainte initiale. Pour maintenir lquilibre,une force de compression gale et oppose se dveloppedans le matriau raccord. Le degr de traction du boulondans ltat de prcontrainte initiale suffit en gnral maintenir les pices solidement ensemble et empcherlcrou de se dvisser sous charges statiques. titredexemple, dans les essais de laboratoire, la gamme desprcontraintes initiales des boulons va de 5 10 kips (22 44 kN) pour les boulons A325 de diamtre 7/8 po. Dans lapratique, cette gamme est probablement plus importante.

Dans beaucoup dapplications, la prcontrainte initialesuffit amplement. Comme cest une solution conomique,il ne faut pas manquer de sen servir le plus possible. Si lafonction de lassemblage exige que les boulons soientprcontraints, leur pose doit tre excute de lune desmanires dcrites ci-dessous. La section 3.3 indique si leboulon doit tre prcontraints ou non.

3.2.1 Pose par la mthode du tour dcrou

Si lon continue tourner lcrou au-del du serrage initial,la prcontrainte du boulon continue augmenter. Cettesection traite de la mthode de pose caractrise par unnombre prcis de tours dcrou appliquer suite laprcontrainte initiale. Cette mthode de serrage contrlpermet le contrle de la traction du boulon et cest la seulemthode gnrique de pose autorise par la norme S16.Cette norme permet par ailleurs lemploi de rondelles deprcontrainte ou de boulons couple de serrage contrlqui feront lobjet dun traitement ultrieur dans ce chapitre.

mesure que lcrou tourne, les conditions dans leboulon sont premirement lastiques, mais il se produitbientt une plastification locale dans la partie filete, plusparticulirement entre la fin du filetage et les quelquespremiers filets chargs de lcrou. mesure que le bouloncontinue sallonger sous laction de rotation de lcrou,la courbe de charge (prcontrainte) en fonction delallongement du boulon sapplatie, cest dire que la forcede prcontrainte du boulon atteint une valeur limite.

La figure 3.1 montre la prcontrainte obtenue au niveaudu boulon en tournant lcrou sur un certain groupe deboulons A325 [26]. Ce sont des boulons de diamtre 7/8 popossdant une longueur de serrage de 41/8 po. (Dans cettetude, la condition de serrage initial a t contrl de sorte que


0,05 0,10

50

40

30

20

10

longation (po)

boulons A325 de 7/8 po de dia.

prcontrainte minimale prescrite

1/2 tour dcrou

rsistance la traction minimale prescrite

tract

ion

du b

oulo

n (k

ips)

Fig. 3.1 Relation entre la charge et llongation, traction par application de couple

rsistance ultrieure du boulon au cisaillement, latraction ou la traction et au cisaillement combins?

Quelle marge ont les boulons avant cassure au caso on appliquerait par inadvertance plus dun 1/2 tour?

Quel effet le niveau de serrage initial a-t-il sur ltatfinal (prcontrainte du boulon 1/2 tour)?

Les trois premiers lments de la liste concernent lesboulons poss par nimporte quel moyen, tandis que lesautres concernent plus prcisment les poses par la mthodedu tour dcrou.

On peut rpondre plusieurs de ces questions enobservant le comportement des boulons prlevs dans lemme lot que ceux utiliss pour obtenir la Fig. 3.1 lorsquilsont t installs dans un grand assemblage [6]. La figure3.2 montre llongation des boulons et les prcontraintesfaisant suite la pose pour 28 de ces boulons poss un 1/2tour dcrou au-del du serrage initial.

On peut prvoir les prcontraintes de chaque boulonen projetant vers le haut de lhistogramme dlongation duboulon au bas de la figure la courbe de prcontrainteobtenue par pose par la mthode du tour dcrou. Mme sillongation de ces 28 boulons varie normment dunboulon lautre, (denviron 0,03 po prs de 0,05 po),la prcontrainte qui en rsulte ne varie pratiquement pas.Cela est d au fait que les boulons ne sont plus dans la phase lastique. Par consquent, la pose par la mthode du tour dcrou produit un niveau fiable de prcontrainte,uniformment suprieur au minimum requis.

Lobservation de la Fig. 3.2 nous montre en second lieuque malgr un grand cart de prcontrainte au serrage initial

(denviron 16 kips 36 kips), la prcontrainte finale nenest aucunement affecte. L encore, on doit cela au fait que lallongement impos au boulon ltape de la pose a fait passer le boulon dans la phase non lastique de soncomportement.

Il y a trs peu de chances pour quun boulon hautersistance, une fois pos, soit soumis un serrage dpassantles normes prescrites. En raison du niveau extrmementlev de prcontrainte, environ 49 kips dans lexemple dela Fig. 3.2, il faudrait un quipement considrable poursurmonter la rsistance la torsion existante et continuer tourner lcrou. En dautres termes, cela exigerait une actiondlibre de continuer serrer lcrou, un phnomnepratiquement impossible dans les ponts ou les btimentsune fois la construction termine. Il se peut cependant quunmonteur de charpentes mtalliques visse par inattentionlcrou plus que prvu. Quelle serait la consquence, parexemple, dun crou qui aurait t viss, disons, dun tour aulieu dun 1/2 tour?

Il y a deux rponses cette question. Premirement, un tour dcrou le niveau de prcontrainte dans le boulonreste au-dessus de la prcontrainte minimale prescrite [6].De fait, la recherche montre que la prcontrainte a de forteschances dtre leve juste avant la rupture du boulon. Ensecond lieu, la marge avant rupture reste importante. Lafigure 3.3 montre comment la prcontrainte varie avec lenombre de tours dcrou pour deux lots de boulons, A325et A490, de 7/8 po de diamtre et 51/2 po de longueur avecune longueur de serrage de 1/8 po [6]. On remarque quil afallu environ 13/4 tour pour la rupture des boulons A325 etenviron 11/4 tour pour la rupture des boulons A490. En


0,02 0,080,060,04

20

40

60

tract

ion

du

boul

on (k

ips)

traction appllique par serrage de lcrou

prcontrainte minimale prescrite

cart dlongationdu boulon durant le serrage initial

longation du boulon (po)

longation du boulon un demi tour

Fig. 3.2 Effort de traction dans un boulon aprs serrage initial et un demi tour dcrou

nest affecte par la prtension, il y a peu de chances quela torsion et le cisaillement combins soient eux aussiinfluencs.

Nous avons trait jusqu prsent de boulons qui sontposs un 1/2 tour au-del du serrage initial. En pratique,cest bien ce quil faut faire dans un grand nombre de caspratiques. Cependant, pour les boulons plus longs, un 1/2tour ne suffit peut-tre pas amener la prcontrainte auniveau dsir, alors que pour les boulons plus courts, un 1/2tour risque de les casser. Les tudes de laboratoire montrentque pour les boulons dont la longueur est suprieure huitdiamtres, sans dpasser 12 diamtres, il faut 2/3 de tourdcrou pour obtenir une prcontrainte satisfaisante. Pourles boulons courts, dont la longueur est infrieure ou gale quatre diamtres, il faut appliquer 1/3 de tour dcrou. Onentend par longueur du boulon, la distance de la faceinfrieure de la tte de boulon lextrmit du boulon. Onsattend ce que lextrmit du boulon affleure la faceextrieure de lcrou ou quelle la dpasse lgrement. Si lacombinaison longueur de boulon et longueur de serrage esttelle quune partie importante sort , on recommandealors denvisager comme longueur du boulon la distanceallant de la face infrieure de la tte de boulon la faceextrieure de lcrou, ceci afin de slectionner le serrageappropri.

Ces rgles sappliquent lorsque les faces extrieures deslments boulonns sont perpendiculaires laxe des boulons.Certaines formes structurelles en acier ont des surfaces enpente une pente maximale de 1:20 est autorise. En prsencedes surface non parallles, le tour dcrou diffre de ce que

dautres termes, la marge avant la rupture de ces deux typesde boulons est considrable.

On a observ ltude des donnes de la figure 3.1que la prcontrainte obtenue en vissant un crou sur unboulon natteint pas la charge maximale possible dans unessai de traction directe du boulon. En effet, la rsistancese dtriore en raison des contraintes causes par la tractionet celles causes par la torsion. Cependant, les essais enlaboratoire pour les boulons A325 et A490 [26,27] montrentquun boulon pos en utilisant la mthode du tour dcrouet ultrieurement charg en traction directe uniquementpeut parvenir sa pleine rsistance la traction directe.Cela est d au fait que les contraintes de cisaillement dues la torsion cres lors de la pose se dissipent lorsque lespices assembles sont charges et que les contraintes decontact disparaissent avant la rupture du boulon. Ainsi, lesboulons prcontraints lors de la pose peuvent tre soumis une charge de traction pure ultrieure sur la base de leurcontrainte de rupture.

La rsistance des boulons au cisaillement nest paselle non plus affecte par les contraintes imposes pendantla pose. On en traite en dtail au paragraphe 4.3 qui dcritla rsistance des boulons au cisaillement.

La section 4.4 nous apprend que la rgle de calcul pourles boulons en traction et en cisaillement combins est unequation dinteraction labore directement partir dersultats dessais. Do la question de savoir comment larsistance peut-elle ne pas tre affecte par les tats decontraintes prexistants. De toute faon, comme ni larsistance la traction directe ni la rsistance au cisaillement


10

20

30

40

60

50

41

21

43 1

411

211

431

tract

ion

du b

oulo

n (k

ips)

boulons A490

boulons A325

1/2 tour dcrou

prcontrainte minimale des boulons A325

prcontrainteminimale des boulons A490

tours dcrou

Fig. 3.3 Charge du boulon en fonction de la rotation de lcrou

nous venons de voir. Le dplacement exact appliquer lcrou dpend du nombre de surfaces en pente, sil y en a uneou deux. Il faut pour cela consulter la norme RCSC. titredalternative, on peut utiliser des rondelles amincies pourajuster les surfaces auquel cas on considre quelles sontparallles.

Il est important de se rendre compte que le matriauraccord doit tre entirement en acier sur toute la longuerde serrage. En prsence dun matriau plus flexible quelacier, isolant thermique, par exemple, les relations au niveaudes tours dcrou dveloppes pour lacier ne sont plusvalides. Quels que soient le type de boulon et la mthodede pose, le but est de raliser et de conserver la prcontraintedu boulon. La norme RCSC suppose simplement que tous lesmatriaux raccords sont en acier.

Ceux qui utilisent des boulons dont la longueur estsuprieure 12 diamtres environ, doivent user de prcaution :les boulons de cette longueur nont fait lobjet que de trspeu de recherches en laboratoire pour la pose par la mthodedu tour dcrou. Il faut faire prcder linstallation de cegenre de boulon par des essais dtalonnage pour tablir ledegr appropri de tour dcrou.

En rgle gnrale, les rondelles ne sont pas ncessairespour la pose par la mthode du tour dcrou ralise avecdes boulons A325. Les exceptions majeures tant (a) lorsqueles surfaces ne sont pas parallles, comme nous en avonstrait ci-dessus et (b) lorsque les plaques externes ont destrous surdimensionns ou oblongs. Comme lexplique lasection 8.2, il faut employer des rondelles pour la pose parla mthode du tour dcrou des boulons A490. Lutilisationde trous surdimensionns ou oblongs fait lobjet de la section8.3. La prsence de rondelles avec les boulons A490 est dueau fait quil peut se produire des raillures ou chancruressuite aux prcontraintes trs leves qui vont de pair avecces boulons. Sil se produit des dformations par railluresou chancrures sous la tte du boulon ou de lcrou, laprcontrainte qui en rsulte peut tre infrieure ce qui avaitt prvu. Lutilisation de rondelles durcies sous la tte duboulon et sous lcrou permet dliminer ce problme.Cependant, la majorit des aciers utiliss de nos jours peuventtre assembls avec succs au moyen de boulons A490 sansrondelles. Le chapitre 8 offre des dtails plus complets ce sujet.

Il faut aussi ajouter que toute mthode de pose pourboulons prcontraints, la mthode du tour dcrou tant laseule traite jusqu maintenant, peut entraner desprcontraintes suprieures la valeur minimale prescrite. Ilny a pas lieu de sen inquiter. Les personnes charges dela pose des boulons haute rsistance et les inspecteurs destravaux doivent comprendre que lobtention de la valeurprescrite exacte de prcontrainte nest pas le but et quilest tout fait acceptable de la dpasser.

3.2.2 Pose avec cl dynamomtrique

Lanalyse thorique rvle quil existe une relation entre lecouple de serrage appliqu et la prcontrainte qui en rsultedans un boulon [28]. Il serait tentant den dduire que lonpeut installer avec succs des boulons des prcontraintesspcifies uniquement en appliquant un couple de serragedonn. La relation entre la prcontrainte et le couple de serrageest complique et fait intervenir des facteurs tels que le pas defiletage, langle de filetage et dautres caractristiquesgomtriques du boulon et de lcrou, ainsi que les conditionsde frottement entre les divers composants de lassemblage.En consquence, il est convenu gnralement que la relationdrive entre couple de serrage et prcontrainte nest pasfiable [6, 28]. La norme RCSC [15] ne laisse aucun doute cesujet. Elle mentionne ne pas accepter les couples de serragestandard dtermins partir de tableaux ou de formules quirelient soi-disant le couple la traction.

Une mthode de pose base sur le couple est possiblesous rserve que la cl servant la pose soit talonne. Pource faire, il faut utiliser un chantillon reprsentatif des boulons installer. Il fut un temps o la norme S16 le permettait maisce nest plus le cas depuis de nombreuses annes. La mthodede pose par tour dcrou est plus simple, elle offre des niveauxuniformes de prcontrainte et elle est beaucoup moinslitigieuse sur le terrain. La section 3.2.4 traite dune forme depose base sur le couple de serrage, lemploi de boulons couple de serrage contrl.

3.2.3 Prcontraintes obtenues au moyen de la posepar la mthode du tour dcrou

La mthode de pose dcrite la section 3.2.1 concerne lessituations o il est impratif dobtenir une prcontrainte duboulon de faon ce que lassemblage soit conforme saconception. (Voir section 3.3.) Dans le mme ordre dide,il convient de commenter sur les prcontraintes obtenuespour le boulon par rapport aux valeurs minimales prescrites.Comme nous lavons dj mentionn, la prcontrainteminimale prescrite pour les boulons serrage contrlcorrespond 70 % de la contrainte de rupture nominale.(Ce sont les valeurs de prcontrainte numres au tableau7 de S16-01.)

Selon les tudes en laboratoire, la prcontrainte relledu boulon, dans une pose par tour dcrou, peut treconsidrablement suprieure la valeur prescrite. Deuxfacteurs sont lorigine de cette hausse. Premirement, lesboulons possdent une rsistance relle la traction biensuprieure la valeur minimale prescrite. Deuximement, lapose par tour dcrou produit des contraintes suprieures la valeur prescrite, quelle que soit la rsistance du boulon.Prenons par exemple le cas des boulons A325 dont larsistance est denviron 18% suprieure celle de leur traction


contraire de lun par rapport lautre pour serrer le boulon.A un moment donn, le couple dvelopp par le frottemententre lcrou et les filets du boulon, et linterface crou/rondelle surmonte la rsistance au cisaillement par torsiondu boulon au niveau de la rainure annulaire. Lextrmitcannele du boulon casse alors au niveau de la rainure. Si lesystme a t correctement fabriqu et talonn, ce pointmarque la prcontrainte cible pour le boulon. Laprcontrainte dpend alors des facteurs suivants : la rsistancedu matriau constitutif du boulon, ltat du filetage, lediamtre de la rainure annulaire et les conditions de surface linterface crou/rondelle. La mthode de pose nexige laprsence que dune seule personne, place uniquement dunct de lassemblage, ce qui est souvent un avantage sur leplan conomique. La cl utilise pour la pose est lectriquece qui est un atout sur le terrain puisquelle est moins bruyanteque les outils pneumatiques.

Il existe une tude [31] sur la prcontrainte des boulons couple de serrage contrl, sur ses variations dun fabricant lautre, et sous diffrentes conditions de vieillissement,dexposition aux intempries et dtat du filetage. Les rsultatsmontrent que la prcontrainte dans un boulon couple deserrage contrl reflte le frottement existant sur les filets,sur la face de compression de lcrou et sur les rondellesfournies avec les boulons. Dans cette tude, la qualit dulubrifiant fourni par le fabricant varie et dans de nombreux casson efficacit dcrot aprs exposition lhumidit et auxlments.

La mthode pour la pose dun boulon couple de serragecontrl repose sur le couple de serrage. A ce titre, il fautprvoir un procd avant pose permettant dassurer quelinstallation produira des niveaux adquats de prcontraintedans les boulons. Ce procd est expliqu au paragraphe23.8.4 de la norme S16-01 [18]. Il faut tester au moins troisensembles complets de boulons, reprsentatifs en matirede diamtre, longueur, nuance et lot, dans un appareil capabledindiquer la traction obtenue sur application dun couplede serrage. Le dispositif indicatif de charge utilis en gnralest une jauge hydraulique (nom de marque, Skidmore-Wilhelm). La valeur de prcontrainte cible est de 5%suprieure la valeur minimale prescrite dans la norme.Cette hausse de 5 % permet davoir une marge de scuritentre lchantillon test et la pose relle des boulons sur lechantier. Les boulons F1852 doivent tre quips de rondellesde faon pouvoir contrler les conditions de frottement linterface crou/rondelle.

Le processus dtalonnage doit tre entrepris en dbutde travail ou tout moment auquel les variables changent,cest--dire des changements de diamtre, de longueur, denuance ou de lot de fabrication. Il faut faire plus particulirementattention aux mthodes de stockage et de manipulation desboulons contrle de traction et une dgradation possible

minimale prescrite, alors que la mthode par tour dcrou(1/2 tour) engendre une prcontrainte qui est environ 80 %de sa rsistance relle la traction [6]. Il sensuit donc que laprcontrainte du boulon pos sera denviron (1,180,80 =)0,95 fois la rsistance minimale la traction prescrite desboulons A325. En dautres termes, la prcontrainte moyennedu boulon est susceptible de dpasser la valeur minimalerequise denviron [(0,950,70)/0,70] 100 % = 35 % lorsquela mthode du tour dcrou est utilise. Une tude similaireen laboratoire sur les boulons A490 montre que laprcontrainte moyenne du boulon peut dpasser la valeurminimale requise denviron 26% [6]. On dispose dtudessur le terrain qui entrinent ces conclusions [29].

La section 5.2 montre que ces valeurs de tractionobserves pour les boulons constituent un lment des rglesde conception pour les assemblages antiglissement.

En rsum, lutilisation de la mthode de pose par tourdcrou est fiable et produit des prcontraintes qui sontuniformment suprieures aux valeurs prescrites.

3.2.4 Boulons couple de serrage contrl

Les boulons couple de serrage contrl, ASTM F1852,sont des connecteurs qui rpondent globalement auxexigences de la norme ASTM A325 mais qui se distinguentpar un mode de pose particulier [30]. Pour tre plus prcis, leboulon comporte une extrmit cannele qui stend au-delde sa partie filete, ainsi quune rainure annulaire entre sapartie filete et son extrmit cannele. La figure 3.4 montreun exemplaire de boulon couple de serrage contrl. Leboulon illustr possde une tte arrondie (appele aussi ttebombe ou en coupole), mais on peut aussi lobtenir avec lamme tte que les boulons de construction hexagonaux haute rsistance. Le boulon, lcrou et la rondelle doiventtre fournis sous forme densemble ou jeu .

La cl spciale ncessaire la pose de ces boulons secompose de deux mandrins coaxiaux un mandrin interne qui sengage sur lextrmit cannele et un mandrin externequi entoure lcrou. Les deux mandrins tournent dans le sens


Fig. 3.4 Boulon contrle de traction

la longue du lubrifiant, tel quil a t livr. Dans ces cas, ilfaut entreprendre un nouvel talonnage avant pose.

Les tudes consacres aux prcontraintes dans lesassemblages composs de boulons cassure de tige sontlimites celles de laboratoire; il nen nexiste pas sur leterrain. A bien des gards, ils sont similaires aux boulonsposs au moyen de cls talonnes que les normesamricaines autorisent. Il existe des tudes en laboratoirepour ce cas qui prcisent que la prcontrainte obtenue lors dela pose est denviron 13 % suprieure la valeur minimalerequise [6]. A noter que cest considrablement infrieur laprcontrainte obtenue au moyen de la mthode du tourdcrou.

3.2.5 Utilisation des rondelles de prcontrainte

On peut aussi poser des boulons haute rsistance desvaleurs cibles au moyen de rondelles de prcontrainte [32].Ce sont des rondelles spciales, dfinis dans la norme ASTMF959 et illustres sur la figure 3.5, qui sont places sous latte de boulon ou sous lcrou. En tournant lcrou, despetites protubrances en forme darc, moules dans la surfacede la rondelle, se compriment sous la prcontrainte dans leboulon. Si ltalonnage est correct, on peut dterminer ledegr de prcontrainte du boulon en mesurant la hauteur delcartement restant mesure que les protubrancesscrasent. Cet talonnage exige un certain nombre dessaisdans un dispositif dindication de charge et lutilisation dunejauge dpaisseur pour mesurer lcartement.3 Il y a parexemple cinq protubrances sur la rondelle de prcontrainteutilise avec un boulon A325 de 7/8 po de diamtre. Il fautquil y ait au moins trois refus de jauge la valeur cibledcartement, qui est de 0,015 po. Les normes RCSC [15] etASTM [32] offrent des dtails sur les rondelles deprcontrainte ainsi que sur la procdure dtalonnage. Hormis

les particularits de la rondelle de prcontrainte proprementdite, le processus de vrification est similaire celui de lapose par cl dynamomtrique.

Lutilisation de rondelles de prcontrainte pour la posedes boulons haute rsistance tant une mthode de contrlepar dformation, elle nest pas sujette aux variables lies aufrottement qui vont de pair avec les mthodes de couple deserrage contrl et de cl dynamomtrique. Comme cestle cas pour les boulons couple de serrage contrl, ilnexiste pas de nombreuses tudes sur le terrain relatives lefficacit des rondelles de prcontrainte. Les rsultatsdisponibles semblent mitigs. Une tude a dmontr [29]que le rapport de prcontrainte mesure la tractionminimale prescrite tait de 1,12 pour un chantillonnage de60 boulons A325 quips de rondelles de prcontrainte. Bienque ces rsultats ne soient pas aussi levs que ceux relevspour la pose par la mthode du tour dcrou, ils restentsatisfaisants. Dautres tudes [33, 34], consacres uniquementaux boulons A490, indiquent que les tractions minimalesprescrites pour les boulons sont difficiles obtenir lorsquelon utilise des rondelles de prcontrainte pour poser desboulons de gros diamtre, relativement longs. Certaines desdifficults rapportes, mais pas toutes, portent sur la longueuret la nuance des boulons, comme telles, plutt que surlutilisation de rondelles de prcontrainte. En revanche, sices derniers sont utiliss conformment aux exigences de lanorme RCSC, on peut sattendre ce que les prcontraintesproduites soient satisfaisantes.

3.3 Slection de boulons serrage contrl ou non-contrl

Deux des trois normes de conception auxquelles ce documentfait rfrence (RCSC et S1601) exigent du concepteur quilmentionne le mode de pose des boulons : prcontraint ounon prcontraint. Les devis doivent indiquer lintention duconcepteur. De cette manire, ceux chargs de la fabricationen atelier, de ldification sur le terrain et de linspectiondes travaux pourront respecter ses dsirs au moment delassemblage. Lautre norme cite, S600, exige simplementque tous les assemblages soient de type antiglissement, cest--dire que tous les boulons doivent tre prcontraints.

PontsLa conception de ponts soulve un problmeimportant : la prsence de charges mobiles rptitives. Siles assemblages devaient glisser sous laction de ces charges,il pourrait en rsulter un comportement indsirable de laconstruction (p. ex., fissuration par fatigue) qui entraneraitdes modifications inacceptables de la gomtrie. Dans cetordre dide, le code canadien sur le calcul des ponts routiers[20] exige que tous les assemblages soient de typeantiglissement ce qui signifie que tous les boulons doiventtre prcontraints.


3 Dans la pratique, on ne procde aucune mesure, mais on utiliseune jauge dpaisseur pour vrifier.

Fig. 3.5 Rondelle de prcontrainte

chargs de telle manire que les boulons sont entraction, ltat en surface du matriau assembl nejoue aucun rle. Il suffit que les boulons soient possau niveau de prcontrainte prescrit.Il est vident que les cots de pose des boulons etdinspection des assemblages avec serrage contrlseront plus levs que pour les boulons serragenon-contrl.

Assemblages antiglissementComme nous lavonsdj vu, ce type dassemblage est requis pour tousles joints de ponts o la fatigue joue un rle de premierplan et dans certains cas pour les btiments, surtoutpour les lments de renfort. Dans les btiments,on considre que le vent nest pas un phnomne de fatigue. Cependant, si lon utilise des troussurdimensionns ou des trous oblongs parallles ausens des forces de llment, il faut prvoir desassemblages antiglissement dans les btiments. Oninclut dans linterprtation de ces impratifs leslments de contreventement. Il importe de noter aussique les assemblages destins rsister aux forcessismiques doivent faire lobjet dune attentionparticulire.Toute utilisation inutile dassemblages antiglissementdans des btiments se solde par des frais de pose etdinspection plus levs.

Les exigences pour les boulons serrage non-contrl, serrage contrl, ou antiglissement diffrent quelque peudans la norme RCSC, mais traitent essentiellement du mmedomaine que la norme S16 dont on sest servi ici.

3.4 Inspection de la pose

3.4.1 Gnralits

Linspection relative la pose de tout composant en acier estimportante plusieurs titres. Il est vident que lintgrit duncomposant doit tre assure par le processus dinspection. Enmme temps, linspection doit tre effectue un niveauconforme la fonction de llment ltude et aveccomprhension quant son comportement. Par exemple, silagence dinspection juge ( tort) que les prcontraintes desboulons doivent tre strictement conformes des valeursmaximale et minimale, cela risque de conduire une situationde litige avec lentreprise de montage et un fardeauconomique inutile. Pour rsumer, donc, le niveau dinspectiondoit permettre de vrifier que le composant est en mesure deremplir sa fonction prvue, mais ne doit pas tre excessif aupoint daffecter conomiquement le travail en cours.

Dans le cas de boulons haute rsistance, la premiretape consiste bien comprendre la fonction du connecteur

BtimentsLes exigences de calcul pour les btimentslaissent toute latitude pour la slection de pose des boulons.Il nest pas courant en effet que les btiments soient soumis des charges mobiles et les forces du vent ou de tremblementsde terre nont pas la rputation de provoquer la fatigue desmatriaux. Par consquent, le besoin de boulons prcontraintset des assemblages antiglissement nest pas aussi frquentpour les btiments que pour les ponts.

Les assemblages boulonns de btiments doiventrpondre trois conditions. Au titre de lconomie et du bonfonctionnement, il est important de prciser celle qui convient.

La norme S1601 numre au paragraphe 22.2.2 lescas o il est indispensable de poser les boulons uneprcontrainte minimale prescrite. Cela comprend lesassemblages soumises des charges cycliques ou dimpact,monts avec des trous surdimensionns ou oblongs, desjoints pour charges sismiques et des assemblages o lesboulons sont soumis des charges de traction. Seul le derniercas est contre-intuitif parce que la rsistance limite de cetype de boulons nest pas fonction de la prcontrainte(chapitre 4). On considre quil est dans les rgles de lart queles pices dun assemblage charges en traction ne sesparent pas sous les charges de service, do la ncessit deprcontrainte pour ces boulons.

Assemblages avec des boulons serrage non-contrlLa prcontrainte des boulons naffecte enrien la rsistance au cisaillement dun boulon hautersistance ni la rsistance en compression du matriauassembl. Elle naffecte pas non plus la rsistanceen traction, moins que des charges pouvant causerla fatigue des matriaux ne soient prsentes. (Ceslments sont traits aux chapitres 4 et 5.) Cest ainsique la majorit des assemblages dans les btimentssont raccords avec des boulons serrage non-contrl, cest--dire poss avec une cl mchoirespar un monteur de charpentes mtalliques mettanten oeuvre tous ses efforts. Cest le moyen le plusconomique de raliser des assemblages boulonnsdans un btiment, car ils se font sans air comprim niquipement auxiliaire, sans rondelles, et le contrlereste simple.Selon a norme S16, dans la plupart des btiments,seuls les lments de renfort et les assemblages o la traction est introduite dans le boulon par la chargeont besoin de boulons prcontraints. Dans le premiercas, lassemblage doit aussi tre antiglissement.

Assemblages avec boulons serrage contrlDansles assemblages de btiment o le raccordement se faitavec des boulons prcontraints, mais sans assemblagesantiglissement, c.--d., des assemblages qui sont


dans lassemblage. Sil nest pas ncessaire que les boulonssoient prcontraints, linspection ne doit pas prvoirdexamen ce sujet. Cela parat vident, mais on sait parexprience que des inspections de prcontrainte ont lieu pourdes boulons qui selon la conception du projet ne ncessitentpas de prcontrainte.

Les lments les plus importants dans linspection depose des boulons haute rsistance sont :

Savoir si les boulons doivent tre prcontraints ounon et dans la ngative ne pas les inspecter ce sujet.

Savoir quelles sont les vrifications avant pose requiseset effectuer un contrle rgulier sur le chantier.

Observer rgulirement la progression des travaux.

Lutilisation des mthodes acoustiques permet dedterminer avec une prcision raisonnable la prcontraintede boulons haute rsistance poss [28, 29]. Toutefois, ceprocd qui dtermine la prcontrainte par lenvoi dun

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