Assemblages boulonnés

Comme déjà annoncé, la norme canadienne CAN/CSA-S6-2019 exige un assemblage anti-glissement dans les ponts. Ce qui nous conduit automatiquement à l’utilisation des boulons précontraints. Les assemblages anti-glissement sont ceux qui s'appuient sur le frottement entre les surfaces de contact pour résister en toute sécurité à la charge. Selon la norme l’utilisation de ce type de connexion est nécessaire lorsque le joint est soumis à une charge de fatigue, ou quand les trous sont surdimensionnés ou oblongs. Une fois que les boulons sont bien serrés, il existe une variété de méthodes pour atteindre la précontrainte minimale requise :

- La méthode du tour d’écrou;

- L’installation à l'aide d'une clé calibrée (dynamo tachymétrique); - L’utilisation de boulons à tension contrôlée;

- L’utilisation d’indicateurs de tension directe.

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- A307 - Acier à faible teneur en carbone : pas couramment utilisé. Il est utilisé uniquement pour les membres secondaires ;

- A325 - Acier à haute résistance teneur moyenne en carbone : le plus couramment utilisé dans les constructions ;

- A490 - Acier traité thermiquement à haute résistance : coûte plus cher que l'A325, mais il est plus solide, donc pas besoin de beaucoup de boulons ;

Selon (Research Council on Structural Connexions, 2014), la force minimale requise 𝑇0

pour serrer le boulon est décrite comme suit :

𝑇₀ = (70% ∗ 𝐹_𝑢) ∗ ( 75% ∗ 𝐴𝑏)

Où :

−𝐹_𝑢 : est la résistance ultime minimale spécifiée en traction du boulon en MPa ; −𝐴_𝑏 : est l’aire brute transversale d’un boulon en mm2 ;

Pour le calcul de 𝑇₀, on prend 70% de la résistance ultime minimale 𝐹_𝑢 et 75% de l’aire brute transversale du boulon pour prendre en considération l’enlèvement de la matière au niveau de la tige causé par la présence des filets.

Selon l’article (A10.1.6.4, CSA S6-19), tous les boulons à haute résistance doivent être serrés de façon contrôlée par rotation de l’écrou. Le tableau 2-4 résume les prescriptions à respecter, selon le matériau utilisé, pour l’espacement des boulons, la distance minimale aux rives, la distance minimale à l’extrémité et la distance maximale à la rive ou à l’extrémité.

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Tableau 2-4 : Règles de positionnement des boulons

Acier Aluminium

Espacement des boulons

2.7 𝑑_𝑏 < s (article. 10.18.4.4)

2.5 𝑑_𝑏 < s (article. 17.22.2.10.5)

Distance minimale aux

rives

Tableau 10.11 (Annexe 1)

selon le diamètre du boulon

1.25 𝑑_𝑏 < s (article. 17.22.2.10.9) Distance minimale à l’extrémité 1.5 𝑑𝑏 < s (article. 10.18.4.9) 1.5 𝑑𝑏 < s (article. 17.22.2.10.10) Distance maximale à la rive ou à l’extrémité 8 𝑒_𝑥 ou 125 mm (article. 10.18.4.10) Min = (8 𝑒_𝑥 , 90 mm) (article. 17.22.2.10.11) Avec : 𝑑 _𝑏 : diamètre du boulon en mm2 _;

𝑒 _𝑥 : l’épaisseur de l’élément extérieur en mm.

Les résistances au glissement et à l'écrasement dans un assemblage boulonné sont résumés dans le tableau ci-dessous :

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Tableau 2-5 : Formules de calcul de la résistance au glissement et à l'écrasement

Critère Etat limite Acier Aluminium

Résistance au glissement Service 𝑉𝑠 = 0.53 𝑐𝑠 𝑘𝑠𝑚 𝑛 𝐴𝑏𝐹𝑢 (Article 10.18.2.3.2) 𝑉_𝑠 = 0.15 𝑛 𝑚 𝐴_𝑏𝐹_𝑢 (Article 17.22.2.4.2) Ultime 𝑉𝑟 = 0.6 𝜙𝑏 𝑛 𝑚 𝐴𝑏𝐹𝑢 (Article 10.18.2.3.3) 𝑉𝑟 = 0.6 𝜙𝑓 𝑛 𝑚 𝐴𝑏𝐹𝑢 (Article 17.22.2.3) Résistance à l’écrasement Ultime 𝐵_𝑟 = 3 𝜙_𝑏𝑟𝑛 𝑡 𝑑 𝐹_𝑢 (Article 10.18.2.3.3) Min (𝐵_𝑟 = 𝑒 𝜙_𝑢 𝑡 𝐹_𝑢 , 𝐵_𝑟= 2 𝜙_𝑢𝑑 𝑡 𝐹_𝑢) (Article 17.22.2.6.1) Avec :

𝑐_𝑠 et 𝑘_𝑠 : voir tableau 10.9 ( Annexe 1 ) ; m : nombre de plans de cisaillement; n : nombre de boulons;

𝐹_𝑢 : résistance ultime minimale spécifiée en traction du boulon, en MPa ; 𝐴_𝑏 : aire brute transversale d’un boulon, en mm2 ;

t : épaisseur de la plaque, en mm ; d : diamètre du boulon, en mm2 _;

e : la distance perpendiculaire entre l’axe du trou et la rive d’extrémité dans le sens de la charge. Elle doit être supérieure ou égale à 1,5d et son unité est le mm.

Notez également que la norme CAN/CSA-S6-19 requiert certaines recommandations supplémentaires lors de l'utilisation de l’aluminium dans un assemblage boulonné. Selon

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l’article (17.22.2.10.2) le diamètre nominal du trou ne doit en aucun cas dépasser de plus de 1 mm celui du boulon jusqu'à 12 mm de diamètre. Si celui-ci est supérieur à 12 mm, un dépassement de 1,5 mm est toléré. Pour le traitement de surface de la zone de contact, il doit être préparé à l’avance avec un jet de sable ou un traitement équivalent selon (17.22.2.10.3). Enfin, l'utilisation de rondelles est fortement requise sous la tête des boulons et sous les écrous (17.22.2.10.13).

1.5.2. Boulons aveugles

Les connecteurs à boulon aveugle sont des éléments de fixation qui peuvent être attachés et détachés sur un côté d'une structure. Ils permettent une installation plus rapide et facile. Ce type de boulon a la capacité d'introduire la tête de boulon et la rondelle dans la zone inaccessible de la liaison. Chaque boulon aveugle a sa propre méthode pour empêcher la rotation de la tête pendant le serrage selon la technologie adoptée.

a) Boulon : Hollo-bolt

Les boulons Hollo-bolt (figure 2-18) sont des attaches mécaniques convenables pour assembler les profils creux, les tubes et les composants accessibles uniquement par un côté. Ils sont composés d’un manchon d'expansion et d’un écrou en forme de cône qui, lorsque le boulon est serré, est enfoncé à l'intérieur du manchon, et ce, pour créer un effet de calage et élargir l'attache. Contrairement aux connexions boulonnées ou soudées classiques, les boulons aveugles à expansion peuvent être rapidement installés en insérant simplement la fixation dans un trou pré-percé et en serrant avec une clé dynamométrique. En raison du processus d'installation plus rapide, les travaux sur site sont réduits et, par conséquent, le coût et le délai du projet de construction sont réduits. La plage de serrage totale va de 3 mm pour le plus petit diamètre à 86 mm pour le plus grand diamètre (Lindapter International). Sachant que ce boulon est fabriqué avec un acier doux, il est possible d’assurer une protection élevée contre la corrosion. Les boulons sont livrés en modèle standard avec une protection JS500 supplémentaire ou sont galvanisés par immersion à chaud. Comme mentionné préalablement, ce boulon a été utilisé dans le pont de St-Ambroise pour connecter la plaque pliée avec le platelage en aluminium. Le serrage qu’on peut atteindre avec ce genre de boulon n'excède pas 45 kN, force qui est largement faible pour développer un assemblage anti-glissement,

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sachant que le matériau avec lequel il est fabriqué n’est pas conforme aux prescriptions de la norme CSA S6-19.

Figure 2-18 : Boulon Hollo-Bolt, (selon la compagnie Lindapter)

b) Boulon Ultra-twist

Le boulon ultra-twist (figure 2-19) est un boulon aveugle à usage multiple développé par la société Huck Fasteners. Grâce à ses caractéristiques mécaniques élevées, il répond aux exigences de l'ASTM F3125 grade A325. Ce boulon pourra atteindre un effort de serrage allant jusqu’à 128 kN pour un diamètre de 20mm. Le scénario d’installation est bien décrit dans l’Annexe 2.

Figure 2-19 : Boulon Ultra-Twist de Huck Fasteners

Ce boulon a été testé dans le protocole expérimental qui fait partie d’un projet de recherche mené par Charron-Drolet (2018). Les essais effectués visaient à étudier la capacité du boulon à atteindre la force de serrage minimale requise par la norme CSA S6-19, et à suivre l'évolution de la précontrainte en fonction du temps et de la température pour évaluer la perte de précontrainte due à la relaxation. Les résultats ont montré qu'il était difficile d'atteindre la

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charge de précontrainte minimale pour ce boulon. Malgré la force de serrage moyenne inférieure à celle des boulons ASTM F3125-A325, un enfoncement non-uniforme a été constaté sous la rondelle formée entre la tête du boulon et la plaque en aluminium (figure 2-

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Parmi les inconvénients révélés aussi par cette étude, se trouve celui au niveau de la composition chimique du boulon qui rend le processus de galvanisation impossible. Ce qui est incompatible avec l'article (17.4.4) de la norme CSA S6-19 qui impose la galvanisation des boulons précontraints. Par ailleurs, le coût initial d’acquisition de ce boulon est assez élevé, presque 35 USD, comparé à l’Ajax ONESIDE qui coûte 8 USD.

Figure 2-20 : Enfoncement de la rondelle sous la tête d'un boulon Huck Ultra-twist, tirée de Charron-Drolet (2018)

c) Boulon Ajax ONESIDE

A l’instar des boulons précédents, le boulon Ajax ONESIDE (figure 2-21) est également un boulon aveugle à usage structural multiple. Il contient un boulon à tête circulaire, une rondelle étagée, un manchon en option (pour cisaillement) et un écrou standard. Il pourra être serré avec la méthode du tour d’écrou (figure 2-22), ce qui répond parfaitement aux exigences de l’article (A10.1.6.4. CSA S6-19). Ses propriétés mécaniques sont aussi intéressantes compte tenu de leurs similitudes avec celles du boulon ASTM F3125 grade A325 défini dans

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la section 2.5.1. Finalement, le boulon ONESIDE est disponible en acier galvanisé à chaud, ce qui rend son emploi dans un assemblage en aluminium largement possible. Dans (Hosseini et al., 2020), il a examiné les performances du boulon aveugle sous des charges statiques et de fatigue. Les spécimens de connecteurs de cisaillement pour boulons aveugles ont démontré un comportement cohérent sous une charge statique. En termes de ductilité, les connexions ont montré des niveaux de ductilité de cisaillement considérables dépassant 6 mm sans signe de défaillance, répondant ainsi aux exigences de l'Eurocode 4. Dans Charron- Drolet (2018) la relaxation du boulon ONESIDE ainsi que l’effet des cycles de température sur la précontrainte du boulon ont été étudiés. Nous aborderons ces aspects plus tard dans les prochaines sections. Le boulon ONESIDE est disponible en acier galvanisé à chaud, coût 8 US dollars, peut atteindre la force de précontrainte requise, et rencontre les recommandations de la norme CSA en terme d’utilisation des rondelles.

L’installation du boulon ONESIDE requiert l’utilisation d’un outil spécifique conçu pour cette tâche (figure 2-23). Les étapes d’installation sont décrites comme suit :

- Faites glisser l'écrou / la rondelle pleine et la rondelle pliable sur le corps de l'outil. Placez le boulon sur l'outil d'installation en tirant le manchon de l'outil vers le bas pour engager le boulon à l'extrémité avant de l'outil. Puis tirez le manchon vers l'avant pour verrouiller le boulon en place ;

- Pliez la rondelle pliable dans la zone mince de l'outil d'installation. Guidez le boulon et la rondelle pliable à travers le trou ;

- Faires pivoter l'outil d'installation pour déplier la rondelle pliable, retirez l'outil d'installation et placez la rondelle pliable contre l'arrière du joint ;

- Faites glisser la rondelle pleine et l'écrou sur le boulon et serrez l’écrou.

De plus amples informations sur les caractéristiques de ce boulon ont été rapportées à

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Figure 2-21 : Boulon ONESIDE (Ajax Fasteners, 2017)

Figure 2-22 : Boulon ONESIDE serré avec la méthode du tour d’écrou (Ajax Fasteners, 2017)

Figure 2-23 : Composants du boulon ONESIDE avec l’outil d’installation (Ajax Fasteners, 2017)

31 d) Boulon BOM (Blind Oversized Mechanically)

Le boulon BOM (figure 2-24) est un boulon aveugle à usage multiple développé par Huck fasteners. Ce boulon suit presque la même technique de serrage que celle d’Ultra-Twist, sauf qu’il n’y a pas d’écrou pour serrer le boulon, car on procède d’une autre manière qu’on explicitera par la suite. Ce boulon peut atteindre une force de serrage allant jusqu'à 90 kN, une force considérable qui peut nous éviter des problèmes d'enfoncement autour du trou observés lors de l'utilisation du boulon Ultra-Twist. De plus, selon le constructeur, les performances en fatigue et en vibration du boulon BOM sont intéressantes, car la conception des assemblages anti-glissement est fortement souhaitée dans les ponts pour surmonter les problèmes de fatigue.

L’installation du boulon BOM requiert aussi l’utilisation d’un outil spécifique, les étapes d’installation sont décrites comme suit :

- Appuyez sur la gâchette de l’outil pour lancer l'action de traction. Au fur et à mesure que l'outil tire sur le pilon, la conception unique du collier empêche l'action de sertissage jusqu'à ce que le bulbe maximal permis se forme à l'arrière;

- Une traction continue sur la queue du pilon rapproche les pièces, et l'enclume de sertissage surmonte l'écart et se déplace sur la longueur du collier, verrouillant solidement le collier à la goupille;

- Une fois le collier estampé, l'outil éjecte la fixation et libère l'extracteur pour terminer la séquence.

La brochure technique de ce boulon donne plus de détails en Annexe 4.

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1.6.

La superstructure du pont est comme chaque système extérieur, elle est exposée aux variations de la température. Ces dernières sont régies par les mécanismes de transfert thermique, dont on distingue trois types qui peuvent coexister (figure 2-25) :

- La conduction : elle représente la circulation de la chaleur dans un matériau ou le passage de la chaleur d’un corps à un autre par le biais du contact physique entre eux; - La convection : ce mode de transfert ne concerne que les fluides ou les échanges entre un solide et un fluide. Ce mode est affecté fortement par la température de l’air ainsi que par les mouvements causés par le vent.

- Le rayonnement : c’est un transfert d’énergie par transmission d’ondes électromagnétiques entre deux surfaces (même dans le vide).

Figure 2-25 : Mécanismes de transfert de chaleur des tabliers de pont, tirée de Kappayil et al. (1996)

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Étant donné que les phénomènes de transfert de chaleur sont généralement complexes à estimer et que les données météorologiques relatives au vent et au rayonnement solaire ne sont pas disponibles partout, la norme canadienne CSA S6-19 nous propose une méthode simplifiée pour estimer la température effective dans un pont routier. La section (3.9.4. CSA S6-19) est consacrée à une étude dans ce sens et propose une estimation des températures effectives minimales et maximales à considérer pour un pont. Tout d’abord, il faut trouver les températures journalières moyennes minimales et maximales en fonction de l’emplacement possible du pont, en se référant aux figures A3.1.1 et A3.1.2 du code(Voir

Annexe 1 ). Ensuite, ces températures doivent être corrigées conformément au Tableau 3.8 de la norme CSA S6-19 (Annexe 1) selon le type d’ossature. En outre, on ajoute encore une autre correction due à l’effet de la hauteur selon la figure 3.5 de la norme CSA S6-19. La dernière correction de la température effective doit prendre en compte le moment des travaux de construction. A cet effet, l’article 3.9.4.2 CSA S6-19 stipule que lors de l’exécution des travaux sur chantier la température à ce moment est égale à 15 °C. Finalement, la température est appliquée en tenant compte de la différence de température entre le haut du platelage et le bas des poutres (article 3.9.4.4 CSA S6-19) qui est souvent appelé gradient de température. La norme CSA S6-19 recommande le calcul de trois gradients de température. En hiver, il faut rechercher un gradient positif et un négatif entre le bas et le haut de la superstructure. Cependant, pour l'été, un seul gradient positif suffit. Pour ce faire, nous devons nous baser sur la figure 3.6 de la norme (cf. Annexe 1).

À la toute fin, ces températures doivent être pondérées en fonction de l’état limite considéré (ELU ou ELS). Pour cela, il faut se référer au Tableau 3.1 de la norme CSA S6-19 (Annexe 1).

On peut récapituler le contenu de ce paragraphe, en utilisant une formule simplifiée pour trouver les bornes du gradient dans chaque saison :

𝑇𝑏 = 𝑇𝑚𝑜𝑦_𝑚𝑎𝑥+ 𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑎𝑥+ 𝑅𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑎𝑥− 15 + 𝐺𝑟𝑎𝑑 (2.1)

34 Où :

𝑇_ℎ , 𝑇_𝑏 : température en haut et en bas de la superstructure ;

𝑇_{𝑚𝑜𝑦_𝑚𝑎𝑥} , 𝑇_{𝑚𝑜𝑦_𝑚𝑖𝑛} : température moyenne minimale et maximale selon la région d’étude ; 𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑎𝑥 , 𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑖𝑛 : température effective maximale et minimale selon le type d’ossature ;

𝑅_{𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑎𝑥} , 𝑅_{𝑇𝑒𝑓𝑓_𝑚𝑖𝑛} : modification de la température (réduction ou augmentation) selon la hauteur de la superstructure ;

Grad : représente le gradient entre le haut et le bas de la superstructure, il doit être nul soit

en haut ou en bas.

Comme annoncé dans l'introduction, dans un projet de master antérieur, les boulons aveugles ont été déjà testés expérimentalement. Parmi les essais effectués on retrouve la relaxation sous l'effet d'un chargement thermique cyclique, les limites thermiques ont été calculées avec le même article de la norme canadienne CSA S6-19 expliqué dans cette section. On donnera plus de détails sur ces tests dans le prochain chapitre.

1.7.

La force de freinage est définie par le commentaire C3.8.6 de la norme CSA S6-19 comme étant une force longitudinale transitoire appliquée au sommet du tablier du pont. Cette force provoque un mouvement longitudinal de la superstructure qui est restreint par des réactions de support. L'amplitude des forces de retenue dépend des caractéristiques dynamiques de la superstructure du pont, du véhicule et des piliers du pont. Pour une conception simplifiée, la force de freinage dans le code canadien est spécifiée comme une force longitudinale statique équivalente qui entraînera des effets de charge similaires à ceux causés par les véhicules (figure 2-26).

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Figure 2-26 : Force de freinage dans un pont, tirée de Ikpong et al. (2017)

Chaque norme de calcul a sa propre méthode ou ses propres critères pour estimer la valeur de la force de freinage. Dans la section 3.8.6 de la norme canadienne CSA S6-19, la force est de 180 kN, à laquelle on ajoute 10% de la portion de surcharge de la piste uniformément répartie d'une voie de calcul, quel que soit le nombre de voies de calcul. Cette force ne doit pas être supérieure à 700 kN et ne doit être prise en compte qu'en cas de combinaison de charges à l'état limite ultime.

D'un autre point de vue, on constate que l’article S3.6.4 de la norme américaine AASHTO LRFD prédit la valeur de la force de freinage comme la plus grande de ces déclarations :

- 25% des charges par essieu du camion de conception ; - 25% des charges par essieu du tandem de conception ; - 5% du camion de conception + la charge de voie ; - 5% du tandem de conception + la charge de voie.

Finalement, dans la norme Eurocode 1, article 4.4.1 (figure 2-27), la force est donnée par une courbe selon la longueur du pont.

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Figure 2-27 : Calcul de la force de freinage selon l'Eurocode 1, article 4.4.1

La nécessité de compenser la force de freinage et de la transférer aux piles (la descente de charge), nécessite le développement de connexion anti-glissement pour empêcher le glissement qui peut se produire entre le platelage en aluminium et les poutres en acier grâce à une connexion anti-glissement. Ce qui entraîne un apaisement des sollicitations que le platelage endure et par conséquent une augmentation de sa durée de vie utile.

1.8.

L'action composite fait référence au degré de transfert des forces de cisaillement horizontales entre la poutre et la dalle. Dans une section à pleine action composite, 100% des forces de cisaillement horizontales sont transférées entre la poutre et la dalle. À l'inverse, dans une poutre non composite, il n'y a pas de transfert de forces de cisaillement horizontales. De plus, une troisième situation intermédiaire, appelée action composite partielle, peut exister où une partie des forces de cisaillement horizontales est transférée. La quantité d'action composite qui existe dans n'importe quelle section est directement liée à la quantité de connexion de cisaillement fournie (Righman, 2002).

Le degré d'action composite qui existe affecte de manière significative le comportement de la section composite. Lorsqu'il n'y a pas d'action composite et que la section est soumise à une charge verticale arbitraire, la surface inférieure de la dalle est en tension et s'allonge

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tandis que la surface supérieure de la poutre est en compression et se raccourcit. Ainsi, le glissement se produit entre les deux surfaces. Dans le cas où un certain degré d’action composite existe, la quantité de glissement sera réduite. Dans une section composite complète, il n'y a pas de glissement entre les deux surfaces (figure 2-28).

Figure 2-28 : Degré d'action composite défini par AISC, d’après Chen et al. (2016)

Dans (Park et al., 2005), un test de charge statique a été effectué sur 3 échantillons afin d'analyser le degré d'effet composite en cas de connexion d'un pont mixte composé d’un platelage en polyester renforcé de fibre de verre FRP sur des poutres en acier et connecté à l'aide d'un boulon, la pertinence entre les changements d'axe neutre et le système de connexion des boulons a été analysée en comparant l'axe neutre théorique avec l'axe neutre extrait du résultat du test pour le degré de calcul de l'action composite. Le calcul de l'axe neutre théorique a été calculé efficacement par transformation du tablier FRP de section creuse en section rectangulaire fermée.

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1.9.

D’après la définition proposée par la société américaine de mécanique, le fretting est un