La sécurité et la durée de vie d'un cadre en acier de structure dépendent de façon critique de la performance de ses raccords. Alors que les poutres et les colonnes transportent les charges primaires, ce sont les joints boulonnés qui transfèrent les contraintes entre les membres et assurent la stabilité globale du cadre. Une combinaison d'écrous et de boulon mal sélectionnés peut introduire des concentrations de contraintes, réduire la ductilité ou accélérer la corrosion, compromettant finalement l'intégrité structurelle.

Normes et propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques des fixations structurales sont définies par des normes de matériaux qui assurent la cohérence et la performance prévisible sous charge. Les normes régissant l'Amérique du Nord sont élaborées par ASTM International et approuvées par l'AISC, tandis que les régions métriques s'appuient sur les normes ISO 898-1 et EN 14399.

Normes nord-américaines : ASTM F3125

Les boulons structuraux à haute résistance sont régis par l'ASTM F3125, qui a remplacé les anciennes spécifications A325 et A490. L'A325 couvre les boulons en acier à moyenne résistance au carbone avec une résistance minimale à la traction de 120 ksi pour des diamètres allant jusqu'à 1 po et 105 ksi pour des diamètres plus grands. L'A490 couvre les boulons en acier allié avec une résistance minimale à la traction de 150 ksi. Les deux qualités exigent une géométrie de tête lourde pour distribuer la contrainte de roulement sous haute prétension. L'écrou correspondant est l'ASTM A563, avec une norme DH de grade (hex lourd) requise pour les boulons A325 et A490.

Normes métriques: ISO 898-1 et EN 14399

Dans les systèmes métriques, les boulons sont classés selon les classes de propriétés définies dans la norme ISO 898-1. Les boulons de classe 8.8 ont une résistance à la traction minimale de 800 MPa et les boulons de classe 10,9 atteignent 1000 MPa. Les boulons de classe 12,9 offrent la résistance la plus élevée, mais sont souvent limités dans les applications structurelles en raison de la réduction de la ductilité et de la sensibilité à l'embrasement par l'hydrogène.

Identification et traçabilité des catégories

Les marquages de la tête de boulon fournissent un moyen visuel d'identification de la qualité sur le terrain. Un boulon ASTM F3125 de qualité A325 est marqué A325, et un boulon de qualité A490 est marqué A490, ainsi que le symbole du fabricant. Les boulons métriques montrent des nombres relevés tels que 8.8 ou 10.9. Ces marquages constituent une vérification primaire pour les inspecteurs de l'assurance de la qualité et doivent être vérifiés par rapport aux rapports d'essai de matériaux.

Typologie de connexion et mécanismes de transfert de charge

La sélection d'une combinaison d'écrous et de boulons est dictée par la façon dont la connexion transfère les forces. Les connexions structurelles sont classées comme étant de type roulement, critique de glissement ou réglé par tension, chacune avec des exigences distinctes de fixation et des protocoles d'installation.

Connexions de type roulement

Dans les raccords de roulement, les charges sont transférées par le palier de la tige de boulon contre le côté du trou. La résistance au cisaillement et la résistance au roulement de la plaque régissent la conception. Les fils peuvent être inclus ou exclus du plan de cisaillement. Lorsque les fils sont exclus, ce qui signifie que la tige non filetée s'étend sur le plan de cisaillement, la zone de cisaillement du boulon est plus grande, de plus en plus grande. Les raccords de type de roulement sont conçus pour permettre un glissement limité entre les plis sous des charges de service.

Connexions critiques

Les raccords critiques à glissement dépendent de la force de serrage de l'ensemble boulonné pour transférer la charge par frottement entre les surfaces de frottement. La résistance à glissement est fonction de la prétension du boulon et du coefficient de glissement de surface, qui est classé dans la catégorie A, B ou C selon les spécifications de l'AISS. Ces joints exigent une prétension complète des boulons, indépendamment de la charge, et sont obligatoires pour les trous surdimensionnés, les trous à fentes et les raccords sujets à des vibrations ou à un renversement de charge. L'assemblage de l'écrou et du boulon dans un joint critique à glissement doit pouvoir supporter la prétension spécifiée sans relaxation au fil du temps.

Connexions de tension

Les boulons chargés en tension axiale se trouvent dans les raccords de point d'extrémité, les brides et les zones de pissage. La capacité de traction du boulon est déterminée par sa zone de contrainte de traction et les forces de prying introduites par déformation des brides connectées doivent être incluses dans la conception. La prétension complète réduit la plage de contraintes du boulon sous des charges cycliques, améliorant ainsi la performance de fatigue. Les écrous doivent avoir une charge de résistance suffisante pour résister au décapage sous la résistance de traction complète du boulon.

Sélection du matériel pour les conditions de service

L'environnement de service est un facteur déterminant dans la sélection des matériaux de fixation. L'exposition à la corrosion, les températures extrêmes et le contact chimique affectent tous les résultats à long terme et doivent être évalués au cours du processus de spécification.

Aciers au carbone et à l'alliage

Les boulons ASTM A325 et A490 sont fabriqués en aciers à carbone moyen et en alliage, respectivement, et sont traités thermiquement (éjectés et trempés) pour atteindre leurs propriétés mécaniques. Les boulons à huile légère ou plate conviennent aux environnements intérieurs et secs. Pour l'exposition extérieure, les revêtements de protection sont obligatoires. La galvanisation par le procédé ASTM F2329 offre un revêtement en zinc durable offrant une protection anti-corrosion et cathodique. Toutefois, les boulons A490 ne sont généralement pas galvanisés à chaud en raison du risque élevé d'embrouillement de l'hydrogène introduit par les procédés de nettoyage et de décapage.

Pièces d'attache en acier pour l'altération de l'air

Les nuances d'acier d'altération (A325 Type 3 et A490 Type 3) forment une patine d'oxyde stable qui réduit les taux de corrosion dans des conditions atmosphériques appropriées.Ces boulons contiennent du cuivre, du chrome et du nickel pour correspondre aux caractéristiques de corrosion des éléments d'acier d'altération. Lorsque des boulons de type 3 sont utilisés, les écrous doivent également être conformes aux exigences de chimie et de marquage de type 3.

Pièces d'attache en acier inoxydable

Les boulons en acier inoxydable austenitique (ASTM A193 Grade B8, Classe 1 ou 2) sont spécifiés pour les environnements à forte corrosion tels que les structures marines, les usines d'épuration et les installations chimiques. Les boulons en acier inoxydable austenitique (ASTM A193 Grade B8, Classe 1 ou 2) offrent une bonne résistance générale à la corrosion. Cependant, leur résistance au rendement est d'environ 50% d'un boulon en acier au carbone comparable.

Revêtements et protection contre la corrosion

La galvanisation à chaud (HDG) est la méthode la plus courante pour les boulons de structure, fournissant une couche épaisse et sacrificielle de zinc. La galvanisation mécanique est une alternative qui évite les températures élevées de HDG, réduisant le risque d'emboutissage de l'hydrogène dans les aciers à haute résistance. Les peintures riches en zinc et les revêtements Dacromet sont utilisés lorsque l'apparence ou la résistance à la corrosion spécifique est requise. Le revêtement ne doit pas remplir les fils au point où l'écrou ne peut pas être assemblé. Les fils sont généralement surchargés d'une quantité contrôlée pour tenir compte de l'épaisseur du revêtement.

Effets de la température

Les boulons de structure utilisés dans les applications à basse température doivent satisfaire aux exigences de choc Charpy V pour éviter les fractures cassantes. Les boulons ASTM A490 ont des exigences de ténacité à 70°F, mais pour les températures de service inférieures à -20°F, les boulons de grade A325 ou spécialement testés A320 Grade L7 sont souvent spécifiés. Le matériau de l'écrou doit également démontrer une ténacité adéquate.

Structure géométrique : Taille, espacement et types de trous

La disposition des boulons dans une connexion est régie par des états limites qui comprennent la rupture du cisaillement des boulons, le dérapage des roulements, la rupture de section nette et la rupture du cisaillement des blocs.

Dimensions du trou standard et variations admissibles

Les trous standard pour les boulons structuraux sont perforés ou forés 1/16 po de plus que le diamètre nominal du boulon pour les boulons jusqu'à 1 po de diamètre. Les trous surdimensionnés, autorisés uniquement dans les connexions critiques pour les glissements, permettent une tolérance accrue à l'érection, mais nécessitent des rondelles durcies au-dessus du trou. Les trous par fentes fournissent une ajustabilité longitudinale, mais doivent être orientés perpendiculairement à l'axe de fente dans la direction de la charge, si possible pour minimiser la déformation des glissements.

Exigences relatives à la distance entre les bords et le point de départ

La distance entre le centre d'un trou de boulon et le bord de la partie reliée doit être suffisante pour empêcher le démontage. Les distances minimales de bordure sont spécifiées dans le tableau J3.4 de l'IASC 360 et varient par le diamètre et le type de boulon (ensevelis, roulés ou coupés au gaz). Le pas, ou l'espacement entre les centres des boulons, est limité à un minimum de 2 2/3 fois le diamètre nominal du boulon pour assurer une installation appropriée et éviter la rupture du roulement entre les trous adjacents.

Engagement des fils et compatibilité des assemblages

L'assemblage d'un écrou à un boulon implique plus que de garantir l'ajustement des fils. L'écrou doit développer la pleine capacité de traction du boulon sans décapage du filetage ou d'expansion radiale.

Fit de fil et point de départ

Les fils grossiers métriques (ISO 261) sont utilisés à l'échelle internationale. L'ajustement de filetage définit la souplesse ou l'étanchéité entre les flancs des fils. Pour les assemblages structuraux, les classes 2A (bolt) et 2B (noix) offrent un ajustement de course libre qui permet d'obtenir des épaisseurs normales de revêtement et de manutention sur le terrain. Les tolérances plus serrées telles que la classe 3A/3B sont évitées dans les applications à haute résistance en raison du risque de galage lors de l'installation sur le terrain. Les fils de boulon doivent être exempts de rinçages et de bavures. Les écrous doivent tourner librement sur le boulon à la main; la fixation indique un défaut ou un mauvais ajustement de revêtement.

Compatibilité de la hauteur et de la charge de l'écrou

La hauteur de l'écrou détermine la surface de cisaillement disponible pour la décompression des fils internes. Les écrous hexagonaux lourds de qualité ASTM A563 DH ont une hauteur minimale de 5/8 fois le diamètre nominal du boulon pour les fils grossiers. Cette géométrie garantit généralement que le boulon se brisera en tension avant la bande des fils hexagonaux, à condition que la charge de preuve de l'écrou soit égale ou supérieure à la résistance minimale du boulon.

  • AsTM F3125 Boule A325 de qualité: écrou ASTM A563 de qualité DH ou DH3 (hex lourd). Pour les assemblages galvanisés à chaud, utilisez des écrous de qualité DH avec des fils suremballés par ASTM A563.
  • ASTM F3125 Boule A490 de qualité: A563 d'écrou de qualité DH ASTM (hex lourd). Le revêtement doit être approuvé pour une application à haute résistance; le HDG est généralement évité.
  • ASAT F1554 tige d'ancrage (de 55e ou 105e année) :[ A563 ASTM écrou DH de grade 105; grade A ou C de grade 36.
  • ISO 898-1 Bout de classe 10,9: ISO 898-2 Noix de classe 10, style 2 (hex lourd).
  • ISO 898-1 Bouteille de la classe 8.8: ISO 898-2 Noix de la classe 8, style 1.

Lubrification et contrôle de la torque-ension

Le couple appliqué à un écrou est principalement consommé par friction sous la face de l'écrou et dans les fils, avec seulement environ 10% du couple converti en prétension de boulon. Les variations de friction provoquent une dispersion importante dans la relation couple-tension. Lubrification réduit la friction et améliore la consistance. Les boulons galvanisés à chaud nécessitent un lubrifiant contenant du disulfure de PTFE ou de molybdène pour atteindre la prétension requise sans galvaniser. Les boulons en acier inoxydable nécessitent des composés anti-sérieux. Le lubrifiant doit être compatible avec le revêtement et approuvé par le fabricant de boulon. L'utilisation d'une clé étalonnée nécessite une vérification quotidienne contre un étalonneur de tension connu pour chaque lot, taille et condition de lubrification.

Méthodologie d'installation et contrôle de la qualité

Une installation adéquate est essentielle pour développer la prétension nécessaire aux joints critiques et à commande de tension. La spécification RCSC pour les joints structuraux utilisant des boulons à haute résistance reconnaît quatre méthodes de prétension acceptées.

Installation étroite

Un joint est étanche lorsque tous les plis sont tirés en contact ferme sans discontinuité visible. Cette condition est atteinte par quelques impacts d'une clé d'impact ou par tout l'effort d'un travailleur à l'aide d'une clé à ressort. L'étanchéité est acceptable pour les raccords de type roulement utilisant des trous standard, sauf si la conception exige une prétension.

Méthode de mise en marche

Après que tous les plis sont portés à un état d'étanchéité, l'écrou est tourné une fraction prédéterminée supplémentaire d'un tour par rapport au boulon. Cette rotation se traduit par la prétension de boulon requise. La rotation requise dépend de la longueur du boulon et de la pente de la face de l'écrou par rapport aux fils de boulon. Pour les boulons d'une longueur égale ou inférieure à quatre fois le diamètre, un demi tour est typique. Pour les boulons plus longs, un tour 2/3 peut être nécessaire. La méthode est indépendante du couple et de la friction, ce qui le rend très fiable lorsqu'elle est effectuée correctement. L'installateur doit marquer le boulon et l'écrou avant la rotation finale pour permettre un contrôle visuel de l'angle de virage.

Méthode de la clé calibrée

Les clés de torque ou de choc sont réglées pour fournir un couple déterminé par des essais pour chaque taille, grade, lubrification et lot. La clé doit être étalonnée quotidiennement et un essai de vérification du couple sur trois boulons du lot est effectué au moins une fois par jour. L'écrou est tourné jusqu'à ce que les signaux de la clé que le couple cible a été atteint. Cette méthode est sensible à la variabilité de frottement et nécessite un contrôle rigoureux du processus.

Indicateurs de tension directe

Les DTI sont des rondelles durcies avec des protrusions qui s'aplatissent lorsque le boulon est serré. L'écart entre la laveuse et la surface du roulement est vérifié avec une jauge de capteur pour confirmer que la prétension spécifiée a été atteinte. Les DTI par ASTM F959 sont disponibles pour les boulons A325 et A490 et fournissent une indication visuelle fiable de la prétension indépendante du couple et de la friction.

Protocoles d ' inspection et de vérification

Après l'installation, les contrôles de terrain suivants sont effectués. La face de l'écrou doit être à l'eau et les fils de boulon doivent faire passer au moins un filet complet au-delà de la face de l'écrou. Pas plus de trois fils doivent faire la saillie dans les joints structuraux. Tout écrou qui peut être tourné à la main après la prétension indique un assemblage défectueux qui doit être remplacé.

Durabilité à long terme et gestion du cycle de vie

La durabilité d'une connexion boulonnée dépend des détails de conception qui s'étendent au-delà de l'installation initiale. Les crevasses entre les plies peuvent emprisonner l'humidité et accélérer la corrosion. L'étanchéité des surfaces de frayage ou les détails des voies de drainage sont recommandés pour les structures exposées. L'isolement galvanique doit être fourni lorsque des métaux différents sont joints, comme les boulons en acier inoxydable sur les éléments en acier au carbone.

Les joints critiques de fatigue nécessitent des détails minutieux pour réduire les concentrations de contrainte. Le rayon de racine du filet, la transition de la tête au filet et la longueur de l'adhérence influencent la durée de fatigue d'un boulon. La prétension améliore la résistance à la fatigue en réduisant la composante de contrainte alternée. Les fils doivent être exclus du plan de cisaillement où la fatigue gouverne, et le roulage du filet doit se produire en dehors des plies de joint.

Les tiges d'ancrage intégrées dans le béton présentent un ensemble différent de défis de durabilité. La partie de la tige passant par le joint et la plaque de base est sensible à la corrosion si elle n'est pas bien enduite ou manchonnée. ASTM F1554 couvre trois nuances (36, 55 et 105) et offre trois options de protection contre la corrosion : un revêtement en zinc uni, galvanisé ou supplémentaire. Les écrous pour les tiges d'ancrage doivent correspondre à la qualité de la tige et être suffisamment durcis pour développer la capacité de traction de la tige.

Les ponts, les grues et les bâtiments industriels devraient avoir un plan d'inspection des raccords boulonnés. Les écrous, les boulons cassés ou les taches de corrosion doivent être écartés et il faut les réparer. Dans les systèmes de résistance sismique, les boulons en fin de plaque peuvent subir une déformation inélastique. Il faut vérifier la prétension et remplacer les boulons à forte teneur en particules après un événement sismique majeur. L'équipe de conception doit préciser la fréquence d'inspection et les critères d'acceptation dans les spécifications du projet afin d'assurer une application cohérente sur le cycle de vie de la structure.

Le choix de la combinaison d'écrous et de boulons pour les aciéries structurales exige une évaluation systématique des charges de conception, de la typologie des raccords, de l'environnement de service et des contraintes d'installation. Le processus commence par le code de construction et les normes de matériaux applicables, qui définissent les propriétés mécaniques minimales et les exigences géométriques. De là, le type de raccord dicte la nécessité d'une installation étanche ou prétendue, et l'environnement régit la sélection du matériau et du revêtement. La vérification de la compatibilité de l'écrou, du boulon et de la rondelle par des essais de charge et des documents de traçabilité fournit l'assurance finale de la performance.