Assemblages boulonnés

Introduction

En substance, les assemblages boulonnés transfèrent les efforts d'un ou plusieurs éléments vers d'autres éléments et jusqu'aux fondations. Ils le font par appui, traction et parfois par frottement. Ils conviennent à presque tous les types d'assemblages. Cependant, la rigidité résultante de l'assemblage n'est le plus souvent pas reconsidérée dans la conception globale, ce qui ne devrait parfois pas être négligé. Les boulons existent en différentes tailles (voir ci-dessous) et nuances (matériau du boulon), selon la norme et la région. Dans certains pays (pas si lointains), on a accès aux tailles métriques et impériales – ce qui peut parfois être à double tranchant ! Comme je l'ai également découvert, il existe des applications pour smartphones et des vidéos YouTube qui aident les prescripteurs et les ingénieurs...

En revenant à mes cours de structures, l'un des premiers assemblages que nous avons étudiés était un assemblage boulonné « simple » tiré d'un exemple de portique métallique. Pour montrer à quel point c'était il y a longtemps, nous utilisions un crayon et du papier millimétré ! Les calculs qui s'ensuivaient ne pouvaient pas dépasser une face d'une feuille A4.

Comme les choses ont changé !

À cette époque, je n'aurais jamais pu imaginer les changements de méthodes et de raisonnement – mais c'est un autre sujet, pour un autre jour et un autre article.

Assemblages boulonnés

La question brûlante est la suivante : un assemblage boulonné peut-il jamais être considéré comme « simple », même s'il est souvent décrit comme tel ? Les assemblages sont complexes (que cela nous plaise ou non) et il faut un ingénieur pour les comprendre et les concevoir. Il existe certes des formes « simples » et oui – les assemblages peuvent encore être conçus et vérifiés à l'aide de méthodes traditionnelles, sans aucun doute, et c'est là que tout ingénieur spécialisé dans les assemblages devrait commencer son parcours, mais existe-t-il une meilleure approche ?

Il existe plusieurs façons de réaliser des conceptions, mais de nombreuses options simplifient à l'excès le processus en n'autorisant qu'une fenêtre étroite d'applicabilité ou en ignorant des effets clés – l'un des plus grands problèmes reste encore le recours aux efforts enveloppes et aux effets de charge non concomitants.  S'agit-il d'une simplification excessive que nous devrions vraiment éviter ? Probablement ! De nombreuses entreprises ont adopté une série de tableurs, mais cela soulève également des préoccupations quant à la vérification et à leur mise à jour.

Je me souviens aussi avoir inscrit des réactions d'appui sur un plan basées sur le seul cisaillement et une seule combinaison de charges – toujours pour que le charpentier métallique conçoive l'assemblage :-). Ces jours sont définitivement révolus. Mais trop d'ingénieurs tentent de s'accrocher aux anciennes méthodes et de mélanger l'ancienne approche avec les codes et méthodes modernes – ce qui aboutit à des assemblages médiocres, inefficaces et surdimensionnés.

Avantages et inconvénients des assemblages boulonnés

Les assemblages boulonnés sont intéressants car ils sont relativement faciles à installer, à entretenir et à inspecter. Ils ne sont peut-être pas aussi économiques à fabriquer que vous le pensez, car ils peuvent nécessiter plus de matière, comporter des trous de boulons (qui coûtent plus cher) et présenter des concentrations de contraintes plus importantes. Ils peuvent également entraîner des problèmes sur chantier (je parle d'expérience), où les mauvais boulons (ou aucun boulon) sont livrés avec la poutre. Dans certaines situations, ils peuvent offrir au concepteur un certain confort car, invariablement, il existe une capacité supplémentaire dans un assemblage boulonné (si réalisé correctement). Cependant, aucun assemblage n'est infaillible ! De nombreuses défaillances ont été attribuées à de mauvais détails de boulonnage – boulons insérés à l'envers / assemblage de boulons incorrect pour l'usage prévu. Il est donc très important de prendre en compte les règles de détaillage et toute mesure particulière doit être notée sur les plans/informations de fabrication/montage.

Tenter de simplifier le processus en choisissant un assemblage « simple » peut souvent aboutir à un assemblage plus coûteux à fabriquer.  Il est peut-être temps de considérer le coût des matériaux et le CO₂ davantage que les coûts de conception...

À l'inverse, à mesure que les assemblages boulonnés deviennent plus complexes – en raison de la géométrie ou des charges appliquées, ou des deux – ils deviennent encore plus difficiles à concevoir et à soumettre à une vérification normative. Une approche simpliste, consistant éventuellement à décomposer un assemblage complexe en parties plus simples, ne fonctionnera pas.

Pièges de conception

De nombreux problèmes peuvent survenir lors de la conception d'un assemblage, mais de loin les plus fréquemment observés sur notre service d'assistance sont les efforts de traction « surprenants » dans les boulons alors qu'aucun tel effort n'est appliqué au boulon.

D'où proviennent ces efforts de traction et ces contraintes de traction ? Je vous renvoie à l'étude des efforts de levier résultant de platines flexibles dans la conception de votre assemblage. Ceux-ci peuvent parfois être plus défavorables que les composantes de cisaillement ! À titre de remarque, si vous souhaitez voir comment ceux-ci peuvent affecter votre conception, essayez d'augmenter votre matériau acier de plusieurs ordres de grandeur, et (si vous le faites par étapes), vous pouvez constater qu'à mesure que la flexibilité diminue, les efforts dans les boulons tendent vers le résultat « attendu ».

Un autre aspect des assemblages boulonnés qui peut se produire est lorsque des assemblages à glissement contrôlé ou des boulons précontraints sont requis. Cela affecte non seulement l'approche de conception, mais aussi les travaux sur chantier. Les essais et la certification de tels boulons sur chantier sont problématiques et coûteux. En tant que jeune ingénieur, on m'a conseillé de les éviter dans la mesure du possible – je me demande pourquoi ?

Un boulon passe généralement dans un trou de boulon.  Ces trous sont appelés trous de passage.  À mesure que le diamètre des boulons augmente, le diamètre du trou de passage augmente également (ou devrait augmenter).  De plus, si un traitement de surface ou une préparation de surface est appliqué, les jeux doivent être augmentés – la galvanisation en est un bon exemple.

J'ai mentionné au début de cet article l'approche avec laquelle j'ai commencé : une réaction d'appui issue d'une combinaison de charges simple, généralement majorée puis arrondie à la valeur supérieure. Cela aurait même pu être tabulé en fonction de la taille d'un élément et de sa capacité. Cette approche est encore utilisée aujourd'hui dans de nombreux pays et peut entraîner des problèmes dans la conception des assemblages. Le problème est une question d'équilibre : équilibrer l'ingénierie avec les détails résultants. La conception structurelle a évolué, tout comme les logiciels utilisés. En effet, on pourrait soutenir qu'une structure ne peut pas être conçue (efficacement) sans logiciel. Comment utiliser au mieux tous ces logiciels pour modéliser et concevoir vos assemblages boulonnés ?

L'approche CBFEM

Comment IDEA StatiCa exploite-t-elle la technologie derrière CBFEM ?  Cette méthodologie est intégrée dans IDEA StatiCa Connection. Les boulons sont traités comme des ressorts non linéaires dépendants. Cela permet de modéliser, calculer et soumettre à une vérification normative toute géométrie d'assemblage, avec tout chargement appliqué. De plus, la stabilité et d'autres effets peuvent être vérifiés – après tout, il est peu probable que l'approche « simple » soit suffisante !

L'un des arguments souvent cités est que c'est une approche qui consiste à « utiliser un marteau-piqueur pour casser une noix ». Cependant, dans les versions récentes, nous facilitons encore davantage la modélisation et la conception d'assemblages simples en utilisant l'IA, la programmation visuelle et les améliorations d'API, en exploitant la puissance de nos ordinateurs pour réduire le coût monétaire et en CO₂ des assemblages courants.

À cela s'ajoute la possibilité d'extraire les effets de charge/assemblages de plusieurs grandes solutions EF/BIM de fournisseurs tels qu'Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, etc., ce qui impacte réellement l'efficacité et la précision, car les effets de charge ou l'assemblage lui-même sont transmis à IDEA Connection via Checkbot – une sorte de hub pour l'échange d'informations transparent entre différentes solutions.

IDEA StatiCa Connection offre le meilleur des deux mondes ! Elle vous donnera des résultats précis et vérifiables qui peuvent faire l'objet d'une vérification normative.

Une chose est certaine, je ne considérerai plus jamais un assemblage boulonné comme simple !