I. 7.3 .La flexibilité des fixations
I.11 L‟effet de couple de serrage
Relation entre le couple de serrage et l’effort de tension dans le boulon :
Lors de la mise en place d‟un assemblage (assemblage boulonné : Vis, écrou, rondelle), il est primordial d‟appliquer un couple de serrage adapté.
Ce couple mettre en tension le boulon pour tenir les éléments e contact. La formule de KELLERMAN et KLIEN, issue de l‟analyse et de l‟expérience, met en relation le couple de serrage et l‟effort de tension dans le boulon :
+0. 583
d) F……(33)
En rappelant les définitions suivants où : F : effort de tension dans le boulon : Le couple de serrage
p : pas de filetage
d : diamètre moyen à flanc de filet (moyen de filetage) D: diamètre moyen sous tête de boulon (ou écrou)
f : coefficient frottement dans les filets
t : coefficient de frottement sous tête.
Nous avons appliqué cette formule dans notre cas pour calculer la relation du couple de serrage et tension dans le boulon. Les données d‟entré établé par suite (dans le chapitre III)
Figure I.24 :Les effets du couple de serrage I.11.1. Mode de rupture d’un assemblage boulonné en statique :
Les assemblages boulonnés sollicités en traction-cisaillement se rompent selon différents modes de rupture. Plusieurs travaux dans la littérature ont porté sur la chronologie et les mécanismes d‟endommagement dans ce type de structures. Généralement, la fissure (ou les fissures) s‟initie au voisinage du bord de trou du fait de la concentration des contraintes ; la contrainte à la rupture du matériau est dépassée dans cette zone de l‟assemblage. Ensuite, la fissure se propage d‟une façon stable sur certaine longueur, suivie d‟une phase de propagation instable provoquant la ruine de l‟assemblage. Mais, la rupture peut aussi se produire au niveau de la fixation par cisaillement au plan de joint quand la valeur de la contrainte tangentielle du matériau du boulon atteint sa valeur maximale.
Les modes de rupture dans les plaques d‟un assemblage boulonné dépendent, entre autres, de deux paramètres géométriques décrivant les effets du bord (Figure I. 25a) et l‟intensité du couple de serrage ainsi que la valeur du chargement appliqué (charge d‟extension). Les paramètres géométriques sont définis par deux rapports : le rapport entre la largeur de la plaque W et le diamètre du trou D : W/D, qui définit le pourcentage de la zone utile de la plaque résistant à l‟effort de la traction ;
Le rapport de la distance du centre du trou au bord libre (E) de la plaque et du diamètre du trou (D) : E/D, qui définit le pourcentage de la zone utile de la plaque résistant à l‟effort du cisaillement.
Pour les assemblages boulonnés (ou rivetés) sous sollicitations monotone, les ruptures dans les plaques sont toujours situées à partir du bord du trou. Nous pouvons citer quatre modes de ruptures souvent rencontrés (Figure I. 25) :
rupture par traction caractérisée par la surface : S= (W-D)*t, la direction des fissures est orthogonale à la direction de la charge appliquée.
Rupture par matage caractérisée une zone de fortement endommagée sous l‟action du corps du boulon, conduisant à l‟ovalisation du trou.
rupture par cisaillement caractérisée par deux surfaces de cisaillement décrites par : Sc=2*(E*t) ;
rupture par clivage caractérisée par une seule surface de cisaillement décrite par : Sc=(E-D/2)*t (t étant l‟épaisseur de la plaque) ;
La figure suivante (Figure I. 25) représente le comportement d‟un assemblage en simple cisaillement ; elle met en valeur la flexion des plaques due au chargement excentré de l‟assemblage.
Figure I.25 :Modes de rupture d’un assemblage boulonné [26].
Minguez et al. [27] ont étudié la tenue mécanique d‟un assemblage boulonné en traction. La figure I. 26 présentant l‟évolution de la charge appliquée en fonction du déplacement global de la structure, met en évidence différentes phases d‟accommodation de la liaison : (1) déformation élastique avec un transfert de charge se fait par la contrainte de friction avant l‟apparition de glissement, (2) transfert élastique (phase de glissement et précède le matage), (3) transfert plastique (phase de début de la flexion secondaire), (4) arrachement de l‟élément
Figure I.26 :Comportement d'un assemblage boulonné en chargement statique [27]. I.11.2 Mode de rupture des assemblages en fatigue :
Une enquête à été effectuée par Chakherlou et al. [28] afin d‟étudier l‟effet du couple de serrage sur le comportement en fatigue des plaques boulonnées. Les essais de fatigue ont été réalisés à un chargement à amplitude constante en mode tension-tension et une onde de forme sinusoïdale, la fréquence de l‟essai est 15 Hz avec un rapport de charge nulle, R = 0. Quatre lots d‟essais de fatigue sont considérés (c‟est-à-dire les éprouvettes trouées : open holeet les autres sont serrées par un boulon avec différente couple de serrage : clamped). Huit essais pour chaque lot d'échantillons ont été menés avec différents niveaux de contrainte cyclique afin d‟obtenir une courbe d‟endurance. La figure I. 27a présente la géométrie de l‟éprouvette étudiée et la figure I. 27b illustre les résultats obtenus en termes des courbes d‟endurances (SN).
Ils ont constaté que la durée de vie augmente avec l‟augmentation du couple de serrage si on fait une comparaison avec la durée de vie obtenue pour les éprouvettes trouées. Ils expliquent que le couple de serrage génère des contraintes de compression au bord du trou qui permet de retarder le risque d‟amorçage des fissures au bord du trou et par conséquent une durée de vie importante.
Figure I. 27: a)Géométrie de l'éprouvette de fatigue ; b) courbe d’endurance des plaques
boulonnées [28].
Nous rappelons que ces résultats ont été observée par d‟autre hauteur [28] lors d‟une série d'expériences des plaques boulonnées en alliage d‟aluminium série 6xxx sous sollicitation de fatigue (Figure I. 27).
Figure I. 28: Durée de vie en Fretting fatigue en fonction de la force de contact [29].
Ces auteurs ont montré que la durée de vie augmente avec l‟augmentation de la force de contact (couple de serrage) pour atteindre une durée de vie maximale à une force de contact de 8 KN. Au-delà de cette dernière (> 8 KN) la durée de vie diminuée légèrement avec l‟augmentation de la force de contact jusqu‟à 10 KN puis augmente légèrement une autre fois avec l‟augmentation de la force de contact. Selon Guo et al. [29] ce comportement variable est relié principalement au mécanisme de dégradation des surfaces de contact par fretting qui est un domaine assez complexe à maitriser surtout lorsqu‟on parle à des assemblages.
des surfaces de contact et l'amélioration de la durée de vie en fretting fatigue d‟un assemblage boulonnés à double recouvrement. Les essais de fatigue ont été réalisés à une charge à amplitude constante, avec un rapport de charge R = 0 et une fréquence de 15 Hz. Afin d'étudier l'effet de la lubrification sur la durée de vie en fretting fatigue, trois lots d'échantillons ont été étudiés. Dans deux lots d‟assemblage les trous de fixation et les zones de contact sont graissés par deux huiles différents pour réduire l‟effet du frottement à l‟interface (huile 1 avec coefficient de frottement de 0,08 ; Oil 1) et huile 2 avec coefficient de frottement de 0,12 ; Oil 2), (Figure I. 29).
Figure I. 29 :Courbe d’endurance d’un assemblage boulonné
à double recouvrement pour différents lubrifiant [30].
Ces auteurs observent, pour l‟alliage d‟aluminium, une réduction importante de la durée pour les assemblages non lubrifié (Withoutlubrication). Tant dis qu‟il y à une amélioration de la durée de vie en fretting fatigue pour les assemblages lubrifiés. Selon ces auteurs le coefficient de frottement à un effet déterminant sur la durée de vie de tel assemblage boulonné en fatigue. Afin de localiser le lieu où il y a risque d‟amorçage des fissures des observations microscopiques ont été réalisée par ces auteurs pour chaque échantillon.
Les examens montrent que des fissures de forme elliptique sont initiées au milieu de la plaque suivant la direction de l‟épaisseur que ce soit pour les assemblages non lubrifié ou les assemblages lubrifié avec huile 1, Oil 1. Toutefois, des fissures de coin (semielliptique) sont initiées en surface au bord du trou pour le cas des assemblages lubrifié avec huile 2, Oil 2
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Fiabilités des assemblages par
rivet :
Etat d’art de simulation numérique:
Le rivetage a été longtemps le seul procédé d’assemblage utilisable en construction métallique (par exemple pour la tour Eiffel). Développé dès la fin du XVIIIe siècle pour la confection des chaudières, très largement développé à partir de 1850, il est complètement abandonné aujourd’hui pour les assemblages sur les chantiers sauf dans les cas
de rénovation de bâtiments anciens ou de ponts
Chapitre 2
Sommaire
II.1 Sollicitations de fatigue………... 47