Connexions boulonnées

Introduction

En essence, les connexions boulonnées transfèrent les forces d'un ou plusieurs éléments vers d'autres éléments et jusque dans les fondations. Elles le font par appui, traction et parfois friction. Elles conviennent à presque tout type d'assemblage. Cependant, le plus souvent, la rigidité résultante de l'assemblage n'est pas reconsidérée dans la conception globale, ce qui parfois ne devrait pas être négligé. Les boulons existent dans une variété de tailles différentes (voir ci-dessous) et de qualités (matériau du boulon), selon la norme et la région. Dans certains pays (pas très loin), ils ont accès aux tailles métriques et impériales – ce qui peut être une arme à double tranchant parfois ! 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'une des premières connexions que nous avons entreprises était une connexion boulonnée 'simple' tirée d'un exemple de portique en acier. Pour montrer à quel point c'était il y a longtemps, nous utilisions un crayon et du papier millimétré ! Les calculs qui ont suivi ne pouvaient pas faire plus d'un côté d'une feuille A4.

Comme les choses ont changé !

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

Connexions d'assemblages boulonnés

La question brûlante est : une connexion boulonnée peut-elle jamais être considérée comme 'simple' même si elle est souvent décrite comme telle ? Les connexions sont compliquées (que cela nous plaise ou non) et il faut un ingénieur pour les comprendre et les concevoir. Il existe des formes 'simples' c'est sûr et oui - les connexions peuvent encore être conçues et vérifiées en utilisant des méthodes traditionnelles, très certainement et c'est là que chaque ingénieur en connexions devrait commencer son voyage, mais y a-t-il une meilleure façon ?

Il existe plusieurs façons d'entreprendre des conceptions mais de nombreuses options simplifient à l'excès le processus en permettant une fenêtre étroite d'applicabilité ou en ignorant les effets clés - l'un des plus gros problèmes reste la dépendance aux forces d'enveloppe et aux effets de charge non coïncidents.  Est-ce une sur-simplification que nous devrions vraiment éviter ? Probablement ! De nombreuses entreprises ont adopté une série de feuilles de calcul, mais cela soulève également des préoccupations concernant la vérification et leur maintien à jour.

Je me souviens aussi d'écrire des réactions d'extrémité sur un dessin basé uniquement sur le cisaillement et une combinaison de charge – toujours pour que le fabricant d'acier conçoive la connexion :-). Ces jours sont définitivement révolus. Mais beaucoup trop d'ingénieurs essaient de rester avec les anciennes méthodes et mélangent l'ancienne approche avec les codes et méthodes modernes – ce qui résulte en des connexions pauvres, inefficaces et sur-dimensionnées.

Avantages et inconvénients des connexions boulonnées

Les connexions d'assemblages boulonnés sont excellentes car elles sont relativement faciles à installer, maintenir et inspecter. Elles pourraient ne pas être aussi bon marché à fabriquer que vous le pensez car elles peuvent générer plus de matériau, avoir des trous de boulons (qui coûtent plus cher) et de plus grandes concentrations de contraintes. Elles peuvent également conduire à des problèmes sur site (je parle d'expérience, ici), où les mauvais boulons (ou aucun boulon) sont envoyés avec la poutre. Dans certaines situations, elles peuvent offrir au concepteur un certain confort car, invariablement, il y a une capacité supplémentaire dans une connexion boulonnée (si elle est faite correctement). Cependant, aucune connexion n'est infaillible ! Beaucoup de défaillances ont été attribuées à de mauvais détails de boulons – insérés à l'envers/assemblage de boulon incorrect pour l'usage prévu. Il est donc très important de prendre en considération les règles de détaillage et toute mesure spéciale devrait être notée sur les dessins/informations de production/montage.

Essayer de simplifier le processus en choisissant une connexion 'simple' peut souvent résulter en un assemblage plus coûteux à fabriquer.  Il est peut-être temps de considérer le coût du matériau et le CO₂ plus que les coûts de conception...

Inversement, à mesure que les connexions boulonnées deviennent plus compliquées – soit en raison de la géométrie ou du chargement appliqué, ou les deux – elles deviennent encore plus difficiles à concevoir et à vérifier selon les codes. Une approche simple, possiblement en décomposant une connexion compliquée en parties plus simples, ne fonctionnera pas.

Pièges de conception

Il y a de nombreux problèmes possibles qui peuvent survenir lors de la conception d'une connexion mais de loin les plus largement vus sur notre service d'assistance sont les forces de traction 'surprenantes' dans les boulons quand aucune telle force n'est appliquée au boulon.

D'où viennent ces forces de traction et contraintes de traction ? Je vous renvoie à examiner les forces d'effet de levier provenant de plaques flexibles dans votre conception d'assemblage. Celles-ci peuvent parfois être plus contraignantes que les composantes de force de cisaillement ! En note annexe, si vous voulez voir comment celles-ci peuvent affecter votre conception, essayez d'augmenter votre matériau acier de plusieurs ordres de grandeur, et (si vous faites cela par étapes), vous pouvez voir qu'à mesure que la flexibilité diminue, les forces de boulon tendent vers le résultat 'attendu'.

Un autre aspect des connexions boulonnées qui peut se produire est quand des connexions critiques au glissement ou des boulons préchargés sont requis. Cela n'affecte pas seulement l'approche de conception mais aussi les travaux sur site. Les essais et la certification de tels boulons sur site sont problématiques et coûteux. En tant que jeune ingénieur, on m'a dit de les éviter si possible – je me demande pourquoi ?

Un boulon passe habituellement par un trou de boulon.  Ceux-ci sont appelés trous de jeu.  À mesure que les diamètres de boulon augmentent, le diamètre du trou de jeu augmente aussi (ou devrait).  De plus, si une finition de matériau ou une préparation de surface est appliquée, alors les jeux devraient être augmentés - la galvanisation est un bon exemple ici.

J'ai mentionné au début de cet article l'approche avec laquelle j'ai commencé une réaction d'extrémité d'une combinaison de charge simple, habituellement factorisée puis arrondie vers le haut. Cela pourrait même avoir été tabulé basé sur la taille d'un élément et sa capacité. Cette approche est encore utilisée aujourd'hui dans de nombreux pays, et peut conduire à des problèmes dans la conception de connexion. Le problème est un équilibre : équilibrer l'ingénierie avec les détails résultants. La conception structurelle a évolué et le logiciel utilisé aussi. En effet, on pourrait arguer qu'une structure ne peut pas être conçue (efficacement) sans logiciel. Comment utiliser au mieux tout ce logiciel pour modéliser et concevoir vos connexions boulonnées ?

L'approche CBFEM

Comment nous chez IDEA StatiCa exploitons-nous la technologie derrière CBFEM ?  Cette méthodologie est intégrée dans IDEA StatiCa Connection. Les boulons sont traités comme des ressorts non-linéaires dépendants. Cela permet à toute géométrie de connexion, avec tout chargement appliqué, d'être modélisée, calculée et vérifiée selon les codes. De plus, la stabilité et autres effets peuvent être vérifiés – après tout, il est peu probable que l'approche 'simple' soit suffisante !

Un des arguments souvent cités est que c'est une approche 'tuer une mouche avec un marteau'. Cependant, dans les versions récentes, nous rendons encore plus facile de modéliser et concevoir des connexions simples en utilisant l'IA, la Programmation Visuelle, et les améliorations d'API, utilisant la puissance de nos ordinateurs pour réduire le coût monétaire et CO₂ des connexions faciles.

Ajouté à cela est la capacité d'extraire les effets de charge/connexions de plusieurs principales solutions FEA/BIM de fournisseurs tels qu'Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek, etc., ce qui impacte vraiment l'efficacité et la précision puisque les effets de charge ou la connexion elle-même sont passés à IDEA Connection via Checkbot – une sorte de hub pour l'échange d'informations transparent entre différentes solutions.

IDEA StatiCa Connection est le meilleur des deux mondes ! Il vous donnera des résultats précis et vérifiables qui peuvent être vérifiés selon les codes.

Une chose est sûre, je ne traiterai plus jamais une connexion boulonnée comme simple !