Performance en glissement des assemblages relaxés

Avec la perte de précontrainte observée dans les assemblages métallisés, l’essai de glissement post-relaxation a été conçu afin de vérifier si la relaxation de la force de serrage des boulons réduit la charge de glissement sous celle associée au coefficient de glissement de conception, soit le coefficient de glissement visé dans les essais de fluage. Ces essais ont donc un objectif similaire à celui des essais de glissement post-fluage, mais amènent les assemblages jusqu’à leur capacité limite en glissement. La Figure 4.12 présente les courbes typiques de charge-glissement obtenues dans l’essai de glissement post-relaxation pour les différents ensembles de paramètres. La charge de glissement est définie comme étant soit la charge maximale atteinte avant un glissement de 0,5 mm, soit la charge correspondante à un glissement de 0,5 mm, dépendamment de la réponse de l’assemblage. Dans la majorité des cas, les surfaces métallisées ont présenté une charge de glissement plus grande que celle obtenue pour les surfaces grenaillées SSPC-SP 5, non revêtues, et ce, même si ceux-ci ont subi une perte de précontrainte significative. Les courbes charge-glissement individuelles pour chaque assemblage sont présentées à l’annexe F.

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 0 24 48 72 96 120 144 168 R elaxation [%] Temps [h]

M-12m-70-s-A325 M-6m-70-s-A325 M-12m-90-s-A325 M-12m-70-s-A490 M-12m-70-a-A325 MG-12m-70-s-A325 SP5-0m-70-s-A325

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Figure 4.12 : Courbes typiques charge-glissement

Le Tableau 4.4 présente le sommaire des résultats obtenus pour chaque ensemble de paramètres. La première colonne contient l’identification des spécimens. La deuxième colonne présente le coefficient de glissement de conception visé pour les surfaces de contact métallisées (Classe B) et pour les surfaces de contact combinées métallisées-galvanisées. À noter que pour l’ensemble de paramètres SP5-0m-70-s-A325, un coefficient de classe B de 0,52 est déjà prescrit par le code de conception canadien (CSA 2014). Cette combinaison de paramètres sert de valeur de référence. La troisième colonne contient la relaxation moyenne qui s’est produite au terme de la semaine de relaxation. Pour leur part, les colonnes 4, 5 et 6 présentent respectivement la charge de glissement théorique, la charge de glissement de conception et la charge de glissement moyenne obtenue après relaxation. La charge de glissement théorique est calculée avec le coefficient de glissement obtenu dans les essais de glissement à court terme exécutés par Chiza et al. (2013), avec la précontrainte maximale induite au serrage :

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 C har ge [kN ] Déplacement [mm]

M-12m-70-s-A325 M-6m-70-s-A325 M-12m-90-s-A325 M-12m-70-s-A490 M-12m-70-a-A325 MG-12m-70-s-A325 SP5-0m-70-s-A325

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𝐶_{𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒} = 𝑘_{𝑠−𝐶ℎ𝑖𝑧𝑎 (2013)}× 𝑇_𝑚𝑎𝑥 [4.1]

Donc, cela représente la charge de glissement que nous devrions obtenir directement après le serrage de la connexion. La charge de glissement de conception est calculée avec la même précontrainte, mais avec le coefficient de glissement de conception visé, qui est présenté à la deuxième colonne du Tableau 4.4 :

𝐶_{𝑡ℎé𝑜𝑟𝑖𝑞𝑢𝑒} = 𝑘_{𝑠−𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑝𝑡𝑖𝑜𝑛}× 𝑇_𝑚𝑎𝑥 [4.2]

Donc, cela représente la charge de glissement non pondérée calculée par un ingénieur. Finalement, la charge de glissement moyenne après relaxation est la charge de glissement réelle obtenue dans cette étude. En pratique, cela représente la charge de glissement d’une connexion en service.

Tableau 4.4 : Résultats des essais de relaxation

Spécimen Coefficient de glissement de conception visé Relaxation moyenne [%] Charge de glissement Théorique (eq. 4.1) [kN] Conception (eq. 4.2) [kN] Moyenne après relaxation [kN] Assemblages non-revêtus SP5-0m-70-s-A325 0,52 4,8 203,8 199,9 266,9 Assemblages métallisés M-6m-70-s-A325 0,52 21,1 314,4 199,4 329,4 M-12m-70-s-A325 0,52 30,6 330,1 202,0 269,5 M-12m-90-s-A325 0,52 25,0 430,6 246,1 383,6 M-12m-70-s-A490 0,52 28,9 434,8 266,0 403,6 M-12m-70-a-A325 0,52 37,0 326,3 197,3 357,0

Assemblages combinés métallisés-galvanisés

MG-12m-70-s-A325 0,45 25,9 252,4 174,7 196,5

La comparaison de la charge de glissement théorique avec la charge de glissement moyenne après relaxation pour tous les ensembles de paramètres est présentée à la Figure 4.13. Pour sa part, la

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comparaison de la charge de glissement de conception et la charge de glissement moyenne après relaxation est présentée à la Figure 4.14.

La charge de glissement moyenne obtenue après relaxation pour les surfaces grenaillées SSPC-SP 5, non revêtues, a été de 266,9 kN. Cette valeur est supérieure à la charge de glissement de conception, qui est de 199,9 kN, ce qui confirme que, même après relaxation, l’exigence pour le coefficient de glissement de Classe B du code canadien CAN/CSA S6-14 est satisfaite.

Selon la Figure 4.13, l’effet de la relaxation sur la résistance au glissement des assemblages métallisés ne semble pas être significatif. En effet, même avec une perte de l’ordre de 21 à 37% de la précontrainte, la charge de glissement obtenue après relaxation était soit plus grande, soit plus petite, que la charge de glissement théorique. Par exemple, les assemblages métallisés avec un revêtement d’une épaisseur de 6 mils, sans bavure et avec une force de serrage égale à 70% de la capacité du boulon A325 utilisé, ont présenté une charge moyenne de glissement après relaxation de 329,4 kN. La charge de glissement théorique associée à cet ensemble de paramètres est de 314,4 kN. Cependant, les assemblages avec un revêtement métallisé à 12 mils d’épaisseur, sans bavure, avec une force de serrage égale à 70% de la capacité du boulon A325 utilisé, ont présenté une charge moyenne de glissement égale à 269,5 kN tandis que la charge de glissement théorique associée était de 330,1 kN. Donc, il n’est pas possible de conclure que la relaxation de la force de serrage du boulon a un effet négatif ou positif sur la résistance au glissement des assemblages métallisés et combinés métallisés-galvanisés.

91 Figure 4.13 : Charge de glissement théorique vs charge de glissement obtenue après relaxation À la Figure 4.14, il est possible de voir que les surfaces métallisées ont présenté des charges de glissement après relaxation bien supérieures à celles associées à la Classe B, et ce, pour chaque ensemble de paramètres avec les surfaces entièrement métallisées. La plus petite différence enregistrée a été une charge de glissement après relaxation 33,4% supérieure à la charge de glissement de conception, représentée par l’ensemble de paramètres M-12m-70-s-A325. Tous les autres ensembles de paramètres avec des surfaces de contact métallisées ont présenté une charge de glissement après relaxation plus de 33,4% supérieure à la charge de glissement de conception. Les assemblages avec des surfaces de contact combinées métallisées-galvanisées avec une épaisseur de 12 mils, sans bavures, serrés à 70% de la capacité du boulon A325, ont aussi présenté une charge de glissement moyenne après relaxation supérieure à la charge de glissement de conception associée au coefficient de glissement de 0,45.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 C har ge de glissement [kN ] Théorique Moyenne après relaxation

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Figure 4.14 : Charge de glissement de conception vs charge de glissement obtenue après relaxation

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 C har ge de glissement [kN ] Conception Moyenne après relaxation

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Chapitre 5 – Conclusions

5.1 Introduction

Les ouvrages d’art en acier sont exposés à de sévères conditions environnementales. Ces structures étant vitales pour l’économie d’une région, celles-ci doivent être protégées contre la corrosion afin d’assurer leur durabilité. Dans ce contexte, la métallisation et la galvanisation sont des revêtements de protection contre la corrosion très efficaces à long terme, demandant très peu d’entretien et offrant une protection contre la corrosion tant par effet de barrière physique que par protection galvanique. Jusqu’à ce jour, la métallisation dans les surfaces de contact des assemblages boulonnés antiglissement était méconnue, puisque la performance en glissement à long terme n’avait pas encore été étudiée. Les normes Nord-américaines de conception de ponts ne prescrivent pas encore de coefficients de glissement pour les surfaces de contact métallisées ou les surfaces de contact où un côté est métallisé et l’autre est galvanisé. Il est donc pratique courante pour les fabricants de ponts de masquer les surfaces de contact des assemblages boulonnés avant d’appliquer la métallisation. N’étant pas protégées, ces surfaces sont susceptibles de se corroder.

Une première recherche a eu lieu à ce sujet de 2012 à 2013 à l’Université Laval (Chiza 2013). Cette recherche avait pour but de déterminer le coefficient de glissement des surfaces de contact métallisées et combinées métallisées-galvanisées à l’aide d’essais de glissement à court terme. L’effet de plusieurs paramètres, tels l’épaisseur de revêtement, la force de serrage du boulon, l’épaisseur des plaques et la présence de bavures, sur le coefficient de glissement a été étudié. Les coefficients de glissement obtenus pour tous les ensembles de paramètres pour les surfaces de contact complètement métallisées ont été largement supérieurs au coefficient de glissement prescrit pour les surfaces grenaillées sans revêtement avec des valeurs moyennes allant de 0,77 à 0,98. Pour les assemblages avec des surfaces de frottement combinées métallisées-galvanisées, les coefficients de glissement déterminés pour tous les ensembles de paramètres allaient de 0,47 à 0,80, et ce, sans brossage manuel des surfaces galvanisées.

L’actuel projet de recherche, qui est la suite et la conclusion de ce premier projet, a étudié la résistance au glissement à long terme des surfaces de contact métallisées et combinées métallisées- galvanisées dans les assemblages boulonnés antiglissement à l’aide d’essais de fluage et d’essais

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de relaxation. Ce chapitre présente donc les conclusions principales de l’étude, suite à l’analyse des résultats de ces essais à long terme. Ensuite, des recommandations pour les codes de conception de ponts sont formulées. Finalement, une liste non exhaustive de propositions de recherches futures est présentée.

5.2 Conclusions

Le programme expérimental, qui incluait les essais de fluage et de relaxation, a permis de dégager les conclusions suivantes :

1. Les assemblages complètement métallisés ont démontré un comportement en fluage très satisfaisant sous une charge de service associée à un coefficient de glissement de 0,50. En effet, les déformations de fluage obtenues à mille (1000) heures varient de 0,0449 mm à 0,0570 mm pour des épaisseurs de 6 mils et varient de 0,0702 mm à 0,0991 mm pour des épaisseurs de 12 mils, tandis que la limite maximale recommandée par le RCSC est de 0,127 mm (0,005 pouce). Un coefficient de glissement de 0,50 pour les surfaces métallisées est confirmé, selon les exigences du RCSC. Sous une charge de service associée à un coefficient de 0,52, les assemblages complètement métallisés ont aussi démontré un comportement en fluage satisfaisant. Les déformations de fluage observées pour des revêtements de 12 mils avec et sans bavures varient de 0,0775 mm à 0,1240 mm, ce qui est sous la limite du RCSC. Un coefficient de glissement de 0,52 pour les surfaces métallisées avec 12 mils d’épaisseur est confirmé, selon les exigences du RCSC.

2. Pour ce qui est essais de fluage sous une charge de service associée à un coefficient de glissement de 0,55, les assemblages complètement métallisés avec une épaisseur de 6 mils ont présenté des déformations de fluage allant de 0,0375 mm à 0,0492 mm, ce qui est largement inférieur à la limite imposée par le RCSC. Cependant, les assemblages avec une épaisseur de 12 mils ont subi une déformation de fluage supérieure, se trouvant à la limite permise par le RCSC pour quatre (4) assemblages. En effet, les déformations moyennes pour des épaisseurs de 12 mils varient de 0,0581 mm à 0,1324 mm. Quatre (4) spécimens sur quinze (15) ont présenté une déformation de fluage légèrement supérieure à la limite de 0,127 mm, dépassant la limite de 2,8 à 4,3 %. Un coefficient de glissement de 0,55 pour les

95 surfaces de contact de 6 mils est confirmé, selon les exigences du RCSC. Pour les surfaces de contact de 12 mils, la déformation est considérée acceptable par l’auteur, mais un coefficient de 0,55 semble être la limite de performance en fluage de cette épaisseur de métallisation.

3. Les assemblages combinant des surfaces métallisées et des surfaces galvanisées sans brossage manuel avec des épaisseurs de revêtement de 12 mils ont démontré un comportement en fluage très satisfaisant sous une charge de service associée à un coefficient de glissement de 0,45. Les déformations obtenues ont varié de 0,0456 mm à 0, 0835 mm, soit bien sous la limite de 0,127 mm. Un coefficient de glissement de 0,45 pour les surfaces combinées métallisées-galvanisées avec une épaisseur de revêtements de 12 mils est donc confirmé, selon les exigences du RCSC.

4. Lors des essais de glissement post-fluage, les déformations finales obtenues pour tous les paramètres étudiés ont respecté la limite maximale permise par le RCSC, qui est de 0,381 mm. En effet, l’augmentation de la charge de traction à la charge de glissement de conception a augmenté très faiblement la déformation. La relaxation de la charge de serrage durant les essais de fluage n’a donc pas diminué la charge de glissement sous la charge de glissement de conception.

5. Une augmentation de l’épaisseur du revêtement métallisé (de 6 – 150 µm à 12 mils – 300 µm) a conduit dans tous les cas à une augmentation de la déformation de fluage. Cela est en accord avec la littérature : les revêtements plus épais subissent un fluage plus grand.

6. Une augmentation de la charge de service soutenue pendant mille (1000) heures dans les essais de fluage (d’un coefficient de glissement de 0,50 à 0,55) sur les assemblages métallisés a conduit à une augmentation de la déformation de fluage, ce qui était attendu.

7. Une augmentation de la force de serrage des échantillons métallisés (de 70 à 90%) a conduit à une diminution significative de la déformation de fluage.

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8. La présence de bavures laissées en place suite au perçage de trous de boulons n’a pas influencé de façon claire (négativement ou positivement) la performance en fluage des assemblages.

9. Lors des essais de relaxation, une augmentation de l’épaisseur du revêtement métallisé (de 6 à 12 mils) a conduit à une augmentation de la relaxation de la charge de serrage. Les assemblages métallisés à 6 mils d’épaisseur, serrés avec des boulons A325 à 70% de la capacité maximale en tension du boulon et sans bavures ont subi en moyenne une relaxation de 21,1%, tandis que les assemblages avec les mêmes paramètres avec une épaisseur de 12 mils ont subi une relaxation moyenne de 30,6%.

10. Lors des essais de relaxation, la présence de bavures a conduit à une augmentation de la relaxation de la charge de serrage. En effet, pour les assemblages métallisés à 12 mils d’épaisseur, serrés avec des boulons A325 à 70% de la capacité maximale en tension du boulon, les assemblages avec les bavures laissées en place ont subi une relaxation moyenne de 37,0% tandis que les assemblages sans bavures ont relaxés en moyenne de 30,6%.

11. La résistance au glissement des assemblages métallisés n’a pas semblé être diminuée par la relaxation de la charge de serrage. Dans certains cas, la charge de glissement a été quelque peu diminuée, tandis que dans d’autres cas, la charge de glissement a été augmentée lors de la relaxation. Il faut mentionner que dans tous les cas, la charge de glissement est restée bien au-delà de la charge de glissement de conception, calculée avec un coefficient de 0,52 pour les assemblages complètement métallisés et 0,45 pour les assemblages combinant des surfaces métallisées et des surfaces galvanisées sans brossage manuel. La résistance au glissement après relaxation est donc plus élevée que celle associée au coefficient de glissement visé pour inclusion aux codes de conception.

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5.3 Recommandations

Les résultats obtenus dans cette recherche ont permis la formulation de recommandation pour les prochaines versions des codes de conception de ponts canadien et américain. Les deux principales recommandations sont les suivantes :

1. Inclusion d’un coefficient de glissement de 0,52 (Classe B du code canadien CAN/CSA S6- 14) pour les surfaces de contact entièrement métallisées.

2. Inclusion d’un coefficient de glissement de 0,45, supérieur à la Classe A du code canadien CAN/CSA S6-14 pour les surfaces de contact combinant un revêtement combiné métallisé- galvanisé.

L’étude de l’effet de différents paramètres a aussi permis de formuler des recommandations secondaires :

1. Acceptation des bavures ayant des hauteurs allant jusqu’à 1/16 pouce (1,6 mm) par le code de conception canadien CAN/CSA S6-14, tel que le recommande le RCSC (2014).

2. Élimination de l’exigence de brossage manuel des surfaces de contact galvanisées dans les assemblages combinant des surfaces de contact métallisées et galvanisées.

5.4 Recherches futures

Suite aux résultats de cette recherche, d’autres travaux pourraient être considérés en vue de consolider la place de la métallisation dans les assemblages boulonnés antiglissement. Voici quelques travaux qui pourraient s’avérer intéressants dans le domaine :

1. Le nombre d’essais de glissement à court terme et de fluage à long terme pourrait être augmenté en vue d’avoir une meilleure idée de la variabilité statistique des différents paramètres étudiés, et ce, tant pour les assemblages complètement métallisés que pour les assemblages combinant des surfaces métallisées et galvanisées.

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2. Des épaisseurs de métallisation plus grandes pourraient être testées tant dans les essais de glissement à court terme que les essais de fluage à long terme. Cela permettrait de connaître quelle est l’épaisseur maximale de métallisation qui peut être introduite dans les assemblages.

3. Des essais supplémentaires pourraient être effectués par un autre laboratoire, avec la métallisation et la préparation des surfaces exécutées par un autre fournisseur. Cela prendrait en compte la variabilité au niveau des méthodes utilisées pour accomplir les essais et prendrait en compte la variabilité au niveau du matériel de la métallisation.

4. Les essais supplémentaires pourraient inclure de nouveaux paramètres, tels l’effet de la contamination des surfaces de contact métallisées pendant la fabrication, le montage et l’exploitation de la structure ainsi que l’effet de l’ajout d’un scellant sur la métallisation dans les assemblages boulonnés.

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