Les ancrages de rivetage sont l'une des méthodes de jonction mécanique les plus importantes de l'histoire de l'ingénierie civile et structurelle. À la fin du XIXe siècle et au début du XXe siècle, les ancrages rivetés sont la norme pour l'assemblage des cadres en acier dans les ponts, les gratte-ciel, les tours et les bâtiments industriels. La technique fournit un niveau de fiabilité et de durabilité qui permet aux ingénieurs d'ériger certaines des structures les plus emblématiques qui soient encore aujourd'hui.

Le rôle du rivetage s'étend bien au-delà de la simple fixation des pièces d'acier. Lorsqu'il est bien exécuté, un joint riveté distribue les charges, accueille les mouvements thermiques et résiste à la fatigue de manière distincte des connexions soudées ou boulonnées. Cet article explore les principes métallurgiques et mécaniques derrière les joints rivetés, examine leur comportement sous charge et met en évidence les structures historiques clés qui démontrent leur résistance durable.

Le processus de rivetage : outils et techniques

Le processus de flexion dans la construction d'acier de construction était une opération à forte intensité de main-d'oeuvre et très compétente. Le processus comportait généralement trois étapes distinctes : le chauffage, l'insertion et la formation de la tête.

Chauffage et manutention

Les rivets en acier étaient chauffés dans une forge ou un four portatif à une température comprise entre 900°C et 1 000°C (1650°F–1830°F), à laquelle le métal devint rouge-orange vif et très plastique. La chaleur servit deux buts : il adoucit le rivet pour qu'il puisse se déformer sans craquer, et il permit au rivet de se contracter au moment où il refroidit, en resserrant les plaques jointes avec une force énorme.

Insertion et mise en boucle

Une fois le rivet chaud placé dans les trous alignés des éléments d'acier, un ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Refroidissement et abaissement

Comme les plaques d'acier empêchaient le rivet de se rétrécir librement, le rivet se trouvait sous une contrainte de traction, devenant ainsi une fixation à haute résistance. Cette précharge a serré les plaques ensemble, créant des frictions entre les surfaces de faiing. La force de frottement résultante a été un facteur clé dans la capacité de résistance de l'articulation à glisser et à transférer la charge. En revanche, un boulon ou une soudure à montage lâche sans précharge repose uniquement sur la résistance au roulement ou à la soudure en métal pour transférer le cisaillement, ce qui fait de la contraction thermique du rivet un avantage unique.

Métallurgie du Rivet

Les matériaux typiques comprenaient des aciers à faible teneur en carbone (par exemple ASTM A502 Grade 1 ou similaire) qui offraient une bonne ductilité et formabilité à chaud. Le cycle chauffé, martelé et refroidi a également modifié la microstructure du rivet. On a évité l'extinction rapide; le rivet a été laissé refroidir dans l'air, produisant une structure ferrite-péarlite relativement fine avec une résistance et une ténacité adéquates.

Un aspect métallurgique important était que le rivet, forgé à haute température, a subi une recristallisation et un raffinement du grain dans la tête et la tige. Cela a amélioré les propriétés mécaniques de la tige par rapport au stock de la barre d'origine. Le martelage (déformation en plastique) a également éliminé toute ségrégation ou porosité de coulée qui aurait pu être présente, ce qui a donné un matériau plus homogène.

Cependant, le processus de chauffage devait aussi être contrôlé avec soin. La surchauffe pouvait causer une combustion – oxydation le long des frontières des grains – qui a fragilisé le rivet. La souschauffe a laissé le rivet trop raide pour former une bonne tête sans craquer. Les équipes de riveters expérimentés étaient essentielles pour produire des connexions sonores constantes.

Types de rivets et configurations de joints

Les rivets structuraux sont apparus sous plusieurs formes, bien que les plus courants pour les bâtiments et les ponts en acier soient la tête boutonnée (tête ronde) et la tête de contrecoup. Des rivets à tête boutonnée ont été utilisés sur des surfaces où la protrusion était acceptable; les têtes de contrecoup étaient encastrées avec la surface de la plaque, souvent nécessaires sur les ponts ou les emplacements soumis à une traînée aérodynamique.

Les joints eux-mêmes ont été conçus en deux catégories principales : les joints de lap et les joints de fesses. Dans un joint de lap, les plaques se chevauchent et sont reliées par une seule rangée (ou plusieurs rangées) de rivets. Dans un joint de lap, les plaques sont alignées de bout en bout et recouvertes de plaques d'épingles (une ou deux) rivetées des deux côtés. Le nombre de rangées et la hauteur (espacement centre-centre) ont été déterminés par la force requise et la rigidité de la connexion.

Une autre caractéristique critique de la conception était la longueur de -grip, l'épaisseur totale des plaques jointes. Les diamètres des rivets ont été choisis de façon à ce que la longueur de l'adhérence ne dépasse pas 4 à 5 fois le diamètre, ce qui a permis de perturber complètement la tige de rivet pendant l'installation.

Comment le rivetage contribue à l'intégrité structurelle

Distribution de charge et flux de stress

Les joints rivetés transfèrent la charge par une combinaison de cisaillement dans le rivet et de roulement entre le jarret et la plaque. Dans un joint bien conçu, les rivets sont disposés de façon à ce que la trajectoire de charge à travers le joint soit aussi directe que possible, minimisant l'excentricité et la flexion secondaire. Comme les rivets sont relativement espacés, le flux de contrainte à travers un brin riveté est plus uniforme que dans un raccord boulonné avec moins de fixations plus grandes.

Résistance aux frottements et aux glissements

Comme nous l'avons déjà mentionné, la contraction thermique du rivet de refroidissement crée une force de serrage qui presse les plaques ensemble. Pour un rivet structural de 7⁄8 pouces typique, la force de serrage peut dépasser 50 à 60 kN. Cette force de serrage serre les surfaces de frayage de façon si serrée que la friction seule peut résister à une partie importante de la charge de cisaillement appliquée – souvent jusqu'à 30 à 50 % de la charge de cisaillement ultime du rivet. Ce mécanisme de frottement signifie que, sous les charges de service, un joint riveté éprouve peu à pas de glissement, ce qui aide à maintenir l'alignement et réduit l'usure sur les trous de rivet.

Flexibilité et dissipation d'énergie

Contrairement à une connexion soudée rigide, qui peut développer des concentrations de contraintes élevées et une défaillance fragile si elle n'est pas correctement détaillée, une articulation rivetée permet une petite quantité de rotation ou de glissement — généralement une fraction de degré — avant l'établissement d'un palier complet. Cette -give aide à disperser l'énergie et réduit les forces de pointe transmises par le cadre. Dans les gratte-ciels, la combinaison des connexions rivetées et la ductilité de l'acier a permis aux structures de se comporter comme un tissu d'acier, - capable de redistribuer des charges après la production locale. Cette propriété est souvent citée dans la littérature de génie structurel comme une raison clé pour laquelle de nombreux bâtiments à structure en acier du début du XXe siècle ont survécu au tremblement de terre de San Francisco en 1906 avec des dommages structuraux minimes.

Résistance à la fatigue

Les joints rivetés présentent une excellente résistance à la fatigue par rapport aux joints boulonnés ou soudés, car le serrage à friction empêche les rivets de travailler dans le trou de façon excessive. Dans les joints boulonnés sans précharge, la fixation peut se faire dans le trou sous charge cyclique, fréquer la plaque et déclencher des fissures. Les joints soudés ont des transitions géométriques nettes à l'orteil de soudure, un élévateur connu de contraintes. Les joints rivetés ont une transition plus progressive et, comme le rivet s'étend pour remplir complètement le trou, il n'y a pas de trous ou de angles tranchants pour concentrer la contrainte.

Exemples historiques de structures en acier riveté

Le pont de Brooklyn (1883)

Bien que principalement un pont suspendu, le pont de Brooklyn utilise largement l'acier riveté dans ses fermes, tours et ancrages de raidissement. Les câbles en acier de pont sont ancrés dans des culées massives de pierre, mais la superstructure comprend des milliers de rivets de champ à chaud reliant les nombreux poutres bâties et les éléments du réseau. Le pont a porté des charges de trafic sans cesse croissantes et a été soumis à l'air de sel corrosif depuis plus de 140 ans.

La Tour Eiffel (1889)

Gustave Eiffel est un chef-d'œuvre parisien, un tour en treillis construit principalement en fer flaqué (un matériau semblable à l'acier à faible teneur en carbone) auquel participent plus de 2,5 millions de rivets. La Tour Eiffel est un exemple de manuel de la façon dont le rivetage a permis un transfert efficace des charges de vent à travers un cadre ouvert et hautement redondant. Les connexions sont conçues de façon à ce que les rivets fonctionnent principalement en cisaillement, et la tour gracieuse courbure a été obtenue en modifiant l'angle des lignes de joint riveté.

Le bâtiment Woolworth (1913)

L'un des premiers gratte-ciel à utiliser un cadre en acier triangulé, le bâtiment Woolworth à Manhattan comptait beaucoup sur le rivetage sur le terrain. Sa hauteur de 792 pieds nécessitait des conceptions de raccordement innovantes pour transférer les charges des colonnes minces au sommet vers les colonnes plus lourdes à la base. Les connexions rivetées de la plaque de guisse dans le bâtiment ont donné de superbes résultats; même pendant les ouragans, l'écart latéral du bâtiment reste dans des limites acceptables. Le cadre en acier Woolworth est toujours considéré comme sain, et les évaluations structurelles récentes confirment que les rivets originaux conservent presque leur pleine capacité de conception. National Park Service listing for the Woolworth Building.

Le pont Forth (1890)

En Écosse, le pont Forth est un pont ferroviaire à cantilever composé entièrement de tubes en acier et de membres de treillis reliés par des rivets de terrain. Il demeure une merveille de l'ingénierie du XIXe siècle. Le pont utilise des millions de rivets pour former ses fermes en forme de diamant distinct. Bien que transportant des trains de charbon lourds et de marchandises depuis plus d'un siècle, les inspections de fatigue ont trouvé très peu de rivets fissurés. La conception a délibérément utilisé des connexions rivetées pour leur ductilité et leur redondance, ce qui a permis au pont de survivre à la charge dynamique de passer des trains sans exiger le remplacement des principaux membres. Le site Web Forth Bridges.

Défis de la préservation et approches de restauration

La corrosion aux surfaces de faiing (la zone où se rencontrent les deux plaques d'acier) est un problème courant, surtout dans les ponts exposés aux sels de dégivrage ou aux milieux côtiers. La corrosion dans ces crevasses peut causer la chute des têtes de rivet ou perdre la force de serrage. Dans certaines structures historiques, les rivets individuels se sont fracturés à la tige en raison de cycles de surcontrainte ou de dilatation thermique.

Une méthode de restauration consiste à remplacer les rivets endommagés par de nouveaux rivets à chaud de matériaux et de géométrie semblables, ce qui nécessite la formation d'une nouvelle génération de riveteurs et l'entretien de l'équipement de forge, une compétence qui a été presque perdue à la fin du XXe siècle. Cependant, plusieurs projets de ponts historiques aux États-Unis et en Europe ont utilisé avec succès des rivets chauds pour restaurer les connexions originales.

Une autre approche novatrice est la conduite froide de rivets utilisant des outils hydrauliques, mais cette méthode ne fournit pas la même force de serrage de rétrécissement que le rivetage à chaud. Par conséquent, les rivets à froid sont généralement utilisés uniquement pour la réattachement de détails architecturaux où la capacité de charge n'est pas critique.

Pour toute évaluation, il est essentiel de comprendre les motifs, les hauteurs et les distances de bord d'origine. Les ingénieurs doivent évaluer la force de serrage restante des rivets, souvent par des essais ultrasoniques ou en mesurant le couple nécessaire pour tourner une tête de rivet, une indication de résistance au glissement. Si plusieurs rivets dans un joint ont perdu la précharge, toute la connexion peut nécessiter un renforcement avec des attaches ou des plaques d'acier supplémentaires, soigneusement conçues pour éviter une surcontraction des éléments adjacents.

La transition vers le soudage et le boulonnage

Dans les années 1950, la soudure structurelle avait atteint son point de maturité, où elle pouvait rivaliser avec le rivetage en termes de vitesse et d'économie. Les raccords soudés n'exigeaient pas de trous pré-percés, de forges de chauffage et de gros équipages. De plus, les joints soudés étaient plus efficaces pour transférer la charge, car ils n'exigeaient pas de plaques ou de guêpes à éclisses, réduisant la quantité d'acier utilisée.

Le boulonnage a également gagné en popularité parce que les boulons à haute résistance (torqués à une tension contrôlée) pourraient fournir une force de serrage semblable aux rivets chauds sans avoir besoin de chauffage. Le boulon A325, introduit dans les années 1940, est devenu une norme pour la construction en acier. Les raccords boulonnés sont plus faciles à inspecter, installer et entretenir, et ils peuvent être desserrés pour démonter si nécessaire.

Études modernes et héritage des liens avec les communautés

Ces dernières décennies, les chercheurs en ingénierie structurelle ont revisité les connexions rivetées pour comprendre leur performance à long terme et élaborer des lignes directrices pour l'évaluation des structures existantes.Les essais de charge sur des fermes rivetées à grande échelle ont montré que la capacité de frottement des joints rivetés est souvent plus élevée que ce qui était initialement supposé, et que le facteur de glissement (coefficient de frottement) pour les plaques rouilleuses mais toujours sonores peut atteindre 0,5.

Les modèles de joints rivetés ont également montré que les contraintes résiduelles du processus de refroidissement ne sont pas préjudiciables; en fait, les contraintes de compression autour du trou peuvent effectivement augmenter la durée de la fatigue de la plaque en élevant le seuil d'initiation de la fissure. Ceci est contraire à des croyances antérieures que le processus de martelage a introduit des concentrations de contraintes nocives.

L'héritage du rivetage s'étend au design moderne : certains architectes et ingénieurs utilisent maintenant des motifs de rivets exposés dans de nouvelles structures comme hommage esthétique au patrimoine industriel. De plus, les principes de précharge, de friction et de redondance qui ont fait des joints rivetés si réussis sont appliqués dans des connexions à haute résistance modernes avec boulons de commande de tension. Le rivet reste une icône de l'âge de la machine, symbole de l'effort humain qui a construit le paysage urbain moderne.

Conclusion

Le rivetage était bien plus qu'une méthode de jointage pratique pour les cadres en acier; c'était une technologie sophistiquée qui a permis de tirer parti des propriétés physiques du métal pour créer des connexions avec une résistance, une ductilité et une durabilité exceptionnelles. La force de serrage générée par la contraction thermique, la répartition uniforme des contraintes, la résistance au glissement et la capacité d'absorption d'énergie ont tous contribué à l'intégrité structurelle qui a permis aux bâtiments et ponts historiques de survivre à plus d'un siècle d'utilisation.

Pour les professionnels qui s'occupent de ces structures historiques, il est essentiel de bien comprendre le fonctionnement du rivetage et la façon dont il continue de fonctionner. Les efforts de préservation qui respectent la mécanique articulaire originale sont plus susceptibles de réussir, tant sur le plan structurel que sur le plan esthétique.