Dimensionnement des boulons

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CRCI Creusot

3.7 DIMENSIONNEMENT DES BOULONS

3.7.1 Types et qualités des boulons


Dans la pratique, on distingue quatre type de boulons:

a) Les boulons ordinaires utilisés généralement en construction métallique ou mécanique Fig. 3-26.
Acier 4.6 ( S235 ) Re = 24 daN/mm²; Rr = 40 daN/mm²
Acier 5.6 (C351) Re = 30 " Rr = 50 "

b) Les boulons à haute résistance ( non précontraints ) Fig.3-26.
Acier 8.8 (C342) Re = 64 daN/mm²; Rr = 80 daN/mm²
Acier 10.9 (42CrMo4) Re = 90 daN/mm²; Rr = 100 daN/mm².

Nous avons indiqués les qualités les plus courantes, il existe également les qualités 4.8 ; 5.8 ; 6.6 ; 6.8 et 6.9.

Remarque : Le premier chiffre correspond à Rr/10 et le deuxième chiffre à ( 10 . Re / Rr ).

c) Les boulons précontraints ( ou à serrage contrôlé ). Ils sont de mêmes qualités qu'au paragraphe b), mais ils subissent une précontrainte au montage, agissant parallèlement à l'axe du boulon, au moyen d'une clé dynamométrique indiquant avec précision le couple de serrage et par là l'effort dans le boulon. Cet effort développe une forte résistance à leur glissement respectif.

Notons qu'il existe sur le marché des boulons en acier inoxydable tels que :
A2 ( X5CrNi18.9 => AISI 304 ) Re0,2 = 22 daN/mm² ; Rr = 50 daN/mm²
A4 ( X5CrNi18.10 => AISI 316 ) Re0,2 = 21 daN/mm² ; Rr = 50 daN/mm² ;
C4 ( X12CrNiMoS17 => AISI 430F ) Re0,2 = 30 daN/mm² ; Rr = 55 daN/mm² ;

Attention, les écrous des boulons en acier inoxydables ont une fâcheuse tendance à se desserrer, il faut toujours prévoir des freins d'écrous.

d) On ajoutera les goujons Fig.3-27 et 3-28, les tiges filetées Fig.3-29, les boulons d'ancrage Fig.3-30, les boulons à tête marteau Fig. 3-31, etc … . Tous ces boulons sont fournis dans les diverses qualités explicitées ci avant.

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Remarques : 1) Le jeu normal, entre la tige du boulon et le trou des pièces à assembler, est fixé par les normes.

Exemples pour l'Eurocode 3:
d0 = d + 1 mm pour d
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14 mm
d0 = d + 2 mm " d
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24 mm
d0 = d + 3 mm " d
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27 mm
d = le diamètre de la tige ou le diamètre extérieur du filetage.

2) Il existe également des boulons ajustés où le jeu est réduit à 0,3 mm. Ils ne sont utilisés que pour les structures très peu déformables. Ils sont rarement utilisés en construction
métallique.

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3.7.2 Calcul des boulons à la traction



1) Calcul aux états limites selon l'Eurocode 3 constructions métalliques ( EC3 )

a) Pour les boulons ordinaires HR (non précontraints) appelés aussi boulons de charpente.
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T = résistance ultime à la traction ( daN )
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= 1,5 ( boulons soumis à traction seule )
Vérifier que l'effort de traction dans le boulon N < T

b) Pour les boulons HR précontraints
Effort de précontrainte : Tp = 0,7 . Rr . As avec N
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Tp

Couple de serrage: C = 0,9 . fg . d . Tp
fg = coefficient de frottement vis-écrou
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0,18 pour le filetage triangulaire métrique.


2) Calcul à la traction des boulons d'ancrage
Ils sont généralement réalisés en acier 4.6 ( S235 ) et ils ont les caractéristiques dimensionnelles indiquées à la Fig.3-24. La prédétermination du diamètre de la tige ( d ) peut être déduite à partir de la relation tirée du CM66 français.
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Dans laquelle :
Np = effort de traction pondéré ( daN )
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= dosage de ciment dans le béton, en général :
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= 350 kg/m³, mais il est prudent d'adopter
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= 300 kg/m³ dans les calculs pour ce type de béton.
d = diamètre de la tige du boulon d'ancrage ( mm )
c = la plus petite distance de l'axe du boulon aux bords extérieurs du massif en béton ( mm ).
l1 = longueur entre l'axe de la crosse et le dessus du massif en général, on adopte l1 = 20,5 . d ( mm )
l2 = longueur de la tige au-dessus de l'arrondi ( l2 = 2 . d )
r = rayon de courbure de la crosse ( r = 3 . d )

Si on remplace ces valeurs dans la relation précédente, il viendra :
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mm => adopter le diamètre commercial immédiatement supérieur. Du tableau Fig. 3-33, on tire la section résistante As ( mm² ) et on vérifiera que
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Contrainte caractéristique des boulons
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3) Calcul à la traction des boulons bruts

Connaissant la limite élastique du matériau ( Re ), on en déduit facilement la contrainte admissible
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avec se = coefficient de sécurité = 2,5 ( limitation Re
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0,7 Rr ) et il faudra tenir compte des phénomènes de concentration de contrainte:

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Note : Pour les boulons en alu. on limite la contrainte admissible à 0,85 Rtadm ( alu ), c’est à dire en adoptant Re ( alu ) / 3.

Remarque : On trouve encore ( dans les anciennes constructions ) des boulons bruts de forge, réalisés dans un acier appelé A37 ( Re = 23,5 daN/mm² et Rr = 36,3 daN/mm² )


4. La résistance en traction des boulons ordinaires ( non précontraints – classes 4-6 à 10-9 ) peut être déduite de la relation :
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pour le cas 1 de sollicitation de la NBN.

5) Pour la chaudronnerie et accessoires, les boulons seront calculés à traction en adoptant la norme EN 13480.

La contrainte admissible est traduite des relations suivantes :
Pour les aciers au carbone et les autres aciers non austénitiques, la plus petite des valeurs suivantes Ret0,2 / 3 ou Rr / 4.
Pour les aciers inoxydables austénitiques Rrt /4. Ret0,2 =limite élastique à la température de calcul
Rr = charge de rupture à t° ambiante
Rrt = charge de rupture à t° de calcul

3.7.3 Exercices résolus



1. Une ouverture située sous un appareil, de diamètre intérieur di = 800 mm est obturée par une bride pleine fixée au corps au moyen de 24 goujons en acdx ( Re = 23,5 daN/mm² ). Sachant que la pression effective, dans cet appareil, est de 10 barg et qu’il est à température ambiante de 20°C, calculer le diamètre des goujons ainsi que la contrainte maximale due au filetage.

Solution:

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2. Supposons un pied de poteau ‘’articulé ‘’ Fig. 3-36,soumis à un effort de soulèvement ( traction ) de 8000 daN. Pour maintenir ce pied de colonne sur le massif, on utilise 2 boulons d’ancrage à crochet ( Fig. 3-23). Déterminer le diamètre des boulons de qualité 4.6 ( utiliser
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= 300 kg/m³ pour le dosage de ciment dans le béton du massif ).



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3. Soit un montant de passerelle représenté à la Fig. 3-36bis et fixé à la membrure au moyen de 4 boulons M16 HR 8.8 précontraints.
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a) Déterminer la charge maximale aux états limites, que peut supporter ces boulons, ainsi que le couple de serrage nécessaire ( fg = 0,18 ).

b) Quel serait la charge maximale admissible si les boulons n’étaient pas précontraints.

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