Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi certaines structures en acier résistent à l'épreuve du temps alors que d'autres vacillent ? Cet article explore le monde des assemblages boulonnés et soudés dans les structures en acier, en soulignant leurs avantages et inconvénients uniques. À la fin, vous comprendrez comment ces assemblages influencent la durabilité et la rentabilité des constructions en acier.
Les assemblages boulonnés et soudés représentent les deux méthodes prédominantes d'assemblage dans les structures métalliques et les systèmes mécaniques modernes. Ce document propose une comparaison complète de ces techniques d'assemblage, en analysant leurs avantages respectifs, leurs limites et leurs applications optimales dans le contexte de la fabrication et de la construction en acier.
L'intégrité et la performance des structures en acier reposent fondamentalement sur l'efficacité de l'assemblage de composants discrets, tels que les plaques et les profilés, en un tout cohérent. La sélection et l'exécution des méthodes d'assemblage à ces points critiques ont un impact significatif non seulement sur la qualité de la structure, mais aussi sur la rentabilité globale et la constructibilité du projet. Par conséquent, la conception des connexions joue un rôle essentiel dans la réussite des structures en acier dans diverses industries.
Historiquement, les structures en acier utilisaient une gamme variée de techniques d'assemblage, notamment des goupilles fendues, des boulons, des rivets et des soudures. Cependant, l'évolution de la science des matériaux, des pratiques d'ingénierie et des méthodes de construction a conduit à l'obsolescence de certaines méthodes. En particulier, les assemblages par goupilles fendues et rivets ont été progressivement abandonnés dans la construction métallique contemporaine en raison de leurs limites en termes de résistance, d'efficacité et d'adaptabilité. C'est pourquoi cette analyse se concentrera exclusivement sur les deux types d'assemblages dominants dans la fabrication moderne de l'acier : les assemblages boulonnés et les assemblages soudés.
En examinant ces méthodes d'assemblage en détail, ce document vise à fournir aux ingénieurs, aux fabricants et aux chefs de projet des informations précieuses pour éclairer les processus de prise de décision dans la conception et l'assemblage des structures en acier. La comparaison portera sur des facteurs tels que les performances structurelles, la facilité d'installation, le contrôle de la qualité, les considérations de coût et l'adéquation aux différentes conditions environnementales et de charge.
Les assemblages soudés sont formés par la fusion d'une baguette de soudage et des composants à assembler, en utilisant la chaleur générée par un arc électrique. Lorsque le matériau fondu se refroidit et se solidifie, il forme un cordon de soudure qui intègre les pièces séparées dans une structure unifiée.
Dans la construction métallique moderne, les assemblages soudés sont la méthode d'assemblage prédominante. Le soudage à l'arc manuel et le soudage à l'arc submergé automatisé (ou semi-automatisé) sont les techniques les plus utilisées dans l'industrie.
Avantages
Les structures soudées offrent plusieurs avantages par rapport aux connexions boulonnées :
(1) Élimination de l'affaiblissement de la section transversale : Les joints soudés ne nécessitent pas de perçage, ce qui préserve l'intégrité structurelle des composants. L'absence d'éléments de liaison supplémentaires simplifie la construction, ce qui permet de réaliser des économies de main-d'œuvre et de matériaux. Cette rentabilité est l'un des principaux avantages des assemblages soudés.
(2) Propriétés structurelles améliorées : Les structures soudées offrent une étanchéité supérieure, une grande rigidité et une excellente intégrité globale. Les géométries complexes, telles que les raccords en Y et en T entre les tubes d'acier, sont plus facilement réalisables par soudage qu'avec des raccords boulonnés ou d'autres méthodes d'assemblage.
Inconvénients
Malgré leurs avantages, les joints soudés présentent certains défis :
(1) Effets thermiques : Les températures élevées du processus de soudage peuvent modifier les propriétés des matériaux dans la zone affectée thermiquement (ZAT).
(2) Problèmes de qualité des soudures : Les cordons de soudure peuvent présenter divers défauts et le métal de base adjacent à la soudure peut subir une fragilisation localisée. Ces problèmes peuvent entraîner des concentrations de contraintes et une propagation potentielle des fissures dans la structure.
(3) Incidences sur la rigidité de la structure : La grande rigidité des structures soudées peut faciliter la propagation des fissures dans l'ensemble de l'assemblage. Cette caractéristique, combinée à une fragilité potentielle à basse température, nécessite une attention particulière lors de la conception et de la sélection des matériaux.
(4) Contraintes résiduelles : Un refroidissement et un retrait irréguliers pendant le processus de soudage peuvent induire des contraintes résiduelles à l'intérieur de la structure. Ces contraintes internes peuvent provoquer une déformation localisée prématurée sous charge et réduire la contrainte critique de flambage dans les éléments de compression.
(5) Distorsion géométrique : La dilatation et la contraction thermiques différentielles pendant le soudage peuvent entraîner une déformation résiduelle, telle que le gauchissement des plaques d'acier plates.
Pour atténuer ces difficultés, il est essentiel de mettre en œuvre des mesures préventives pendant les phases de conception, de fabrication et d'installation. Le respect de la norme nationale "Quality Acceptance Specification for Steel Structure Engineering" est essentiel pour l'inspection et l'acceptation des cordons de soudure.
Pour garantir des assemblages soudés de haute qualité, il faut adopter une approche globale :
En tenant compte de ces facteurs, le risque de rupture fragile des soudures peut être considérablement réduit, ce qui permet d'obtenir des structures d'acier soudées plus sûres et plus fiables.
Les assemblages boulonnés unifient les composants grâce à l'utilisation de boulons, un type de fixation. Il existe deux types d'assemblages boulonnés : les assemblages boulonnés standard et les assemblages boulonnés à haute résistance.
Les boulons utilisés dans les assemblages de charpentes métalliques sont classés en deux catégories principales : les boulons standard et les boulons à haute résistance. Les boulons standard ont généralement une tête hexagonale et sont classés en A, B et C, chacun ayant des caractéristiques et des applications distinctes.
Les boulons de classe C sont généralement fabriqués en acier Q235, à partir d'acier rond laminé à chaud. Ces boulons grossiers ont des exigences relativement souples en matière de fabrication des trous de boulon, ce qui fait qu'ils sont largement adoptés dans les assemblages de boulons standard où la précision est moins critique.
En revanche, les boulons standard de qualité A et B sont fabriqués avec précision et exigent des tolérances de fabrication plus strictes, tant pour le boulon que pour le trou de boulon correspondant. Malgré leur qualité supérieure, les boulons standard sont généralement posés à l'aide de clés manuelles sans exigences spécifiques de précontrainte.
Les boulons à haute résistance dans les structures en acier ont une signification particulière. Leur installation fait appel à des clés spécialement conçues pour assurer une pré-tension prescrite dans le boulon, ce qui se traduit par une prépression spécifiée sur la surface de contact des plaques connectées. Cette précontrainte est cruciale pour l'intégrité structurelle et la capacité de charge de l'assemblage.
Pour atteindre les valeurs de précontrainte requises, les boulons à haute résistance sont fabriqués à partir d'aciers à haute résistance. Il est important de noter que si les boulons standard de grade A et B peuvent également être fabriqués en acier à haute résistance, ils sont toujours classés comme boulons standard en raison de leur méthode d'installation et de l'absence d'exigences en matière de précontrainte.
Les boulons à haute résistance sont classés par catégories de performance, les 8.8 et 10.9 étant les plus courants dans les applications structurelles. Ces boulons sont généralement fabriqués à partir d'un acier à teneur moyenne en carbone ou d'un acier allié, soumis à un traitement thermique (trempe et revenu) pour améliorer leurs propriétés mécaniques.
Les boulons à haute résistance de qualité 8.8 ont une résistance minimale à la traction (fub) de 800 N/mm², avec un rapport de limite d'élasticité de 0,8. Les boulons de qualité supérieure 10.9 offrent une résistance encore plus grande, avec une résistance minimale à la traction de 1000 N/mm² et une limite d'élasticité de 0,9. Ces propriétés mécaniques supérieures font des boulons à haute résistance la solution idéale pour les assemblages structurels critiques où une capacité de charge et une résistance à la fatigue élevées sont essentielles.
Lors de la sélection des types de boulons pour les structures en acier, les ingénieurs doivent prendre en compte des facteurs tels que les exigences de charge, le type de connexion, la méthode d'installation et les conditions environnementales afin de garantir des performances optimales et la sécurité de l'assemblage structurel.
Les assemblages boulonnés sont privilégiés dans les structures en acier en raison de leur efficacité, de leur simplicité et de leur faible niveau de compétence par rapport au soudage. En termes de fréquence d'utilisation, ils se classent juste derrière les assemblages soudés. Les assemblages boulonnés sont classés en deux catégories : les assemblages boulonnés standard et les assemblages boulonnés à haute résistance, chacun étant ensuite classé en fonction des conditions de contrainte : assemblages résistants au cisaillement, résistants à la traction et assemblages combinés résistants au cisaillement et à la traction.
Les assemblages boulonnés standard utilisent généralement des boulons à filetage grossier (grade C). Leur résistance au cisaillement est déterminée par la résistance au cisaillement de la tige du boulon et la résistance à la compression de la paroi du trou, tandis que la résistance à la traction dépend de la capacité de traction axiale du boulon. Ces assemblages sont principalement utilisés dans les composants secondaires qui ne sont pas directement soumis à des charges dynamiques, tels que les appuis, les bandes de frottement, les poutres murales, les petites fermes et les structures amovibles. Pour les assemblages sur site où les boulons sont soumis à une tension, les boulons à filetage grossier sont couramment utilisés en raison de leur meilleure résistance à la traction.
Les boulons à filetage fin (grades A et B) sont utilisés dans les assemblages conventionnels nécessitant une résistance élevée au cisaillement. Cependant, en raison de leur fabrication complexe, des exigences strictes en matière d'installation (jeu minimal entre le boulon et le trou) et de leur coût plus élevé, ils sont souvent remplacés par des assemblages par friction de boulons à haute résistance.
Les assemblages par boulons à haute résistance ont les mêmes exigences en matière de matériaux, de précharge et d'installation que les assemblages par friction. La principale différence réside dans leur mécanisme de capacité de charge ultime. Après avoir surmonté le frottement, les plaques connectées glissent l'une par rapport à l'autre, ce qui entraîne la rupture du boulon par cisaillement et la compression de la paroi du trou. Il en résulte une capacité de charge supérieure à celle des assemblages par friction, ce qui permet de réaliser des économies de matériaux. Cependant, la déformation après frottement limite leur application aux structures supportant des charges statiques ou indirectement soumises à des charges dynamiques. Les exigences en matière de préparation de la surface sont moins strictes que pour les assemblages par friction, puisqu'il suffit d'enlever l'huile et la rouille non adhérente.
Bien que les assemblages à paliers aient des performances similaires à celles des boulons standard, la précharge sur l'arbre du boulon et l'utilisation d'un acier à haute résistance améliorent leurs performances au-delà de celles des assemblages boulonnés standard. Cela en fait une option précieuse dans des applications structurelles spécifiques où une capacité de charge plus élevée est requise sans la complexité des assemblages par friction.
Avantages des assemblages boulonnés :
Inconvénients des assemblages boulonnés :
Sensibilité à la corrosion : L'interface entre les composants boulonnés peut retenir l'humidité et les débris, ce qui peut accélérer la corrosion si elle n'est pas correctement scellée ou protégée.
Complexité accrue de la fabrication : Ils nécessitent le perçage précis de trous dans les plaques, qui doivent être alignés avec précision lors de l'assemblage. Cela augmente le temps de fabrication, le coût et le risque d'erreurs.
Exigences plus élevées en matière de précision : Des tolérances serrées sont essentielles pour assurer un ajustement et une répartition de la charge corrects, ce qui exige des mesures de contrôle de la qualité plus rigoureuses lors de la fabrication et de l'assemblage.
Réduction de la section transversale : Les trous de boulons affaiblissent la section transversale effective des composants, ce qui peut compromettre leur capacité de charge et nécessiter une compensation par une augmentation de l'épaisseur du matériau ou un renforcement supplémentaire.
Complexité structurelle : Les pièces connectées nécessitent souvent des éléments de connexion supplémentaires ou qui se chevauchent (par exemple, des goussets, des cornières), ce qui augmente la complexité globale de la structure et la consommation de matériaux.
Considérations relatives à la maintenance : Les connexions boulonnées peuvent nécessiter une inspection et un resserrage périodiques en raison du risque de desserrage sous l'effet de charges dynamiques ou de cycles thermiques, ce qui nécessite des protocoles d'entretien permanents.
Concentration des contraintes : Les trous de boulons peuvent créer des points de concentration de contraintes, ce qui peut entraîner des problèmes de fatigue dans les structures soumises à des charges cycliques.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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