Comportement des assemblages antiglissement dans les ponts de type platelage en aluminium sur poutres en acier

Texte intégral

(1)Comportement des assemblages antiglissement dans les ponts de type platelage en aluminium sur poutres en acier Mémoire. Daniel Charron-Drolet. Maîtrise en génie civil - avec mémoire Maître ès sciences (M. Sc.). Québec, Canada. © Daniel Charron-Drolet, 2018.

(2) Résumé Le haut rapport résistance/poids de l’aluminium, son extrudabilité et sa grande résistance à la corrosion rendent ce matériau prometteur dans un système de pont durable et performant où un platelage alvéolé en aluminium repose sur des poutres en acier. Il est avantageux de développer l’action composite entre le platelage et les poutres, mais plusieurs défis entravent l’atteinte de l’action composite, assurée par des assemblages boulonnés antiglissement. Leur conception doit tenir compte de : la corrosion galvanique, du coefficient de frottement de l’interface acier-aluminium, du coefficient de dilatation thermique double de l’aluminium en comparaison avec celui de l’acier et des défis liés à l’installation des connecteurs en cisaillement. Un programme expérimental a été élaboré pour évaluer la performance des connecteurs en cisaillement mécanique ponctuel identifiés. L’alliage d’aluminium 6063-T6, les boulons ASTM F3125 grade A325 et F1852 ainsi que les boulons aveugles Oneside et Ultra-Twist des fabricants Ajax et Huck ont été mis à l’essai. Les essais de glissement à court terme démontrent que le coefficient de frottement et la rigidité de l’assemblage augmentent lorsque l’épaisseur des plaques en aluminium augmente et que, en contact avec de l’aluminium grenaillé, l’acier métallisé offre une meilleure résistance au glissement et une plus grande rigidité que l’acier galvanisé. La relaxation par glissement a causé une diminution systématique et significative de la charge de précontrainte. La charge de précontrainte initiale moyenne de chacun des connecteurs est suffisante, mais celle des boulons aveugles démontre une variabilité élevée. La relaxation s’apparente à celle des assemblages entièrement galvanisés et le resserrage est efficace pour la diminuer. Les cycles de température causent une perte cumulative de la charge de précontrainte et celle-ci est aussi diminuée par une baisse de température. Pour finir, la résistance au glissement estimée après 75 ans et à -47°C est largement supérieure que celle de conception. Mots clés : acier métallisé, acier galvanisé à chaud, alliage d’aluminium 6063-T6, assemblage boulonné antiglissement, coefficient de frottement, connecteur en cisaillement, platelage en aluminium, serrage par rotation de l’écrou.. ii.

(3) Abstract Aluminium’s high strength to weight ratio, coupled with its extrudability and high corrosion resistance makes it very promising in a durable and efficient bridge concept, where an aluminium honeycombed-deck rests on steel girders. It is advantageous to develop a composite behavior between the multicellular aluminium deck and the steel girders, but many challenges hinder the composite behavior, developed by slip critical bolted connections. Indeed, the design of such connectors need to take into account: galvanic corrosion, the slip factor at the faying surface between steel and aluminium, the thermal expansion factor of aluminium, which is twice that of steel, and the installation challenges of the shear connectors. An experimental program was drafted to evaluate the performance of the identified shear connectors. The 6063-T6 aluminium alloy, the ASTM F3125 grade A325 and F1852 bolts as well as two blind bolts, Ajax’s Oneside and Huck’s Ultra-Twist, were tested. The short-term slip tests reveal that the slip factor and the joint rigidity increase when thicker aluminium plates are used, and that, in contact with sandblasted aluminium, metallized steel yields a higher slip factor and joint rigidity then hot-dip galvanized steel. Relaxation induced by slip caused a systematic and significant decrease of the bolt preload during slip. The achieved initial bolt preload of the identified shear connectors is appropriate, but the standard deviation of the blind bolts is high. The measured relaxation is similar to that of an all hot-dip galvanized steel joints and retightening the bolts is an efficient method to reduce it. Temperature cycles yield a cumulative loss of the bolt preload and a decrease in temperature yields a direct reduction of the bolt preload. Finally, the slip resistance estimated at 75 years and at -47°C is largely superior to the design slip resistance. Key words: aluminium alloy 6063-T6, aluminium deck, hot-dip galvanized steel, metallized steel, shear connector, slip critical bolted connection, slip factor, turn-ofnut.. iii.

(4) Table des matières Résumé .................................................................................................................... ii Abstract ................................................................................................................... iii Table des matières .................................................................................................. iv Liste des tableaux ................................................................................................... x Liste des figures ..................................................................................................... xii Liste des abréviations ............................................................................................ xvi Liste des symboles ............................................................................................... xvii Liste des unités ..................................................................................................... xix Remerciements ..................................................................................................... xxi 1. Introduction.......................................................................................................... 1 1.1. Problématique ............................................................................................... 1 1.1.1. Aspect technique .............................................................................................. 3 1.1.2. Aspect environnemental.................................................................................... 5 1.1.3. Aspect économique .......................................................................................... 6. 1.2. Caractéristiques de l’assemblage à l’étude ................................................... 6 1.3. Objectifs de l’étude........................................................................................ 7 1.4. Structure du mémoire .................................................................................... 7 2. Revue de littérature ........................................................................................... 10 2.1. Généralités .................................................................................................. 10 2.2. L’aluminium de corroyage ........................................................................... 10 2.2.1. Définition d’un aluminium de corroyage .......................................................... 10 2.2.2. Les propriétés mécaniques et physiques ........................................................ 10 2.2.3. Les alliages et traitements .............................................................................. 11 2.2.4. Alliage d’aluminium 6063-T6 ........................................................................... 14. iv.

(5) 2.3. Protection contre la corrosion galvanique ................................................... 15 2.3.1. La corrosion galvanique .................................................................................. 15 2.3.2. Galvanisation à chaud..................................................................................... 18 2.3.3. Métallisation .................................................................................................... 19. 2.4. Les assemblages boulonnés antiglissement dans les codes de conception de charpentes d’aluminium ..................................................................................... 21 2.4.1. Généralités ..................................................................................................... 21 2.4.2. Norme S6-14 .................................................................................................. 21 2.4.3. Eurocode-9 ..................................................................................................... 23 2.4.4. Aluminum Design Manual – The Aluminum Association.................................. 24 2.4.5. AASHTO ......................................................................................................... 25. 2.5. Paramètres de l’assemblage boulonné antiglissement ............................... 26 2.5.1. Coefficient de frottement ................................................................................. 26 2.5.2. Traitement de surface de l’aluminium.............................................................. 27 2.5.3. Méthode de serrage ........................................................................................ 29 2.5.4. Diamètre du boulon ......................................................................................... 32 2.5.5. Nombre de plans de cisaillement .................................................................... 33 2.5.6. Nombre de boulons ......................................................................................... 33 2.5.7. Relaxation de la charge de précontrainte ........................................................ 34 2.5.8. Effet de la température.................................................................................... 38 2.5.9. Distribution de la charge de précontrainte ....................................................... 40. 2.6. Résistance à l’écrasement de l’alliage d’aluminium 6063-T6 ...................... 43 2.7. Action composite ......................................................................................... 46 3. Programme expérimental .................................................................................. 48 3.1. Généralités .................................................................................................. 48 3.2. Essai de glissement à court terme .............................................................. 48 v.

(6) 3.2.1. Généralités ..................................................................................................... 48 3.2.2. Dimensions des échantillons ........................................................................... 49 3.2.3. Instrumentation ............................................................................................... 50 3.2.4. Serrage des échantillons................................................................................. 51 3.2.5. Déroulement de l’essai.................................................................................... 53 3.2.6. Traitement des données ................................................................................. 53. 3.3. Connecteurs en cisaillement ....................................................................... 55 3.3.1. Introduction ..................................................................................................... 55 3.3.2. Boulon ASTM F3125 grade A325 ................................................................... 57 3.3.3. Boulon ASTM F3125 grade F1852 .................................................................. 58 3.3.4. Boulon Ultra-Twist de Huck Fasteners ............................................................ 59 3.3.5. Boulon OneSide d’Ajax ................................................................................... 61. 3.4. Essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température ................................................................................ 62 3.4.1. Généralités ..................................................................................................... 62 3.4.2. Description des échantillons............................................................................ 63 3.4.3. Serrage des connecteurs ................................................................................ 64 3.4.4. Suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps ............................... 66 3.4.5. Suivi de la charge de précontrainte en fonction de la température .................. 67. 4. Préparation des échantillons ............................................................................. 71 4.1. Préparation des échantillons pour l’essai de glissement à court terme ....... 71 4.1.1. Généralités ..................................................................................................... 71 4.1.2. Plaques en aluminium ..................................................................................... 71 4.1.3. Plaques en acier ............................................................................................. 74. 4.2. Préparation des échantillons pour l’essai du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température ................................... 75. vi.

(7) 5. Résultats ........................................................................................................... 76 5.1. Généralités .................................................................................................. 76 5.2. Essais de glissement à court terme ............................................................ 76 5.2.1. Généralités ..................................................................................................... 76 5.2.2. Fraction du tour d’écrou .................................................................................. 77 5.2.3. Coefficient de frottement ................................................................................. 78. 5.3. Essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température ................................................................................ 80 5.3.1. Généralités ..................................................................................................... 80 5.3.2. Charge de précontrainte initiale ...................................................................... 82 5.3.3. Suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps ............................... 83 5.3.4. Suivi de la charge de précontrainte en fonction de la température .................. 85. 6. Analyse des résultats ........................................................................................ 88 6.1. Généralités .................................................................................................. 88 6.2. Essai de glissement à court terme .............................................................. 88 6.2.1. Fraction du tour d’écrou .................................................................................. 88 6.2.2. Relaxation par glissement ............................................................................... 90 6.2.3. Coefficient de frottement ................................................................................. 95 6.2.4. Rigidité de l’assemblage ................................................................................. 97. 6.3. Essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température .............................................................................. 100 6.3.1. Charge de précontrainte initiale .................................................................... 100 6.3.2. Suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps ............................. 105 6.3.3. Suivi de la charge de précontrainte en fonction de la température ................ 110. 6.4. Analyse globale des résultats.................................................................... 116 6.4.1. Charge de précontrainte au terme de la vie utile du pont .............................. 116. vii.

(8) 6.4.2. Résistance au glissement au terme de la vie utile du pont en basse température ............................................................................................................................... 121. 7. Conclusion....................................................................................................... 125 7.1. Généralités ................................................................................................ 125 7.2. Conclusions............................................................................................... 125 7.3. Recherches futures ................................................................................... 126 7.4. Recommandations .................................................................................... 127 Références bibliographiques ............................................................................... 129 ANNEXE A : Boulon Ultra-Twist .......................................................................... 135 ANNEXE B : Boulon OneSide ............................................................................. 138 ANNEXE C : Rapport de conformité de l’aluminium ............................................ 141 ANNEXE D : Rapports de conformité de l’acier................................................... 142 ANNEXE E : Épaisseur de revêtement de zinc provenant de la métallisation et de la galvanisation ....................................................................................................... 144 ANNEXE F : Instrumentation ............................................................................... 149 Mesure de la charge de précontrainte.............................................................. 149 Application de la charge de glissement ............................................................ 150 Mesure de la température ................................................................................ 150 Mesure des déplacements ............................................................................... 150 Système d’acquisition des données ................................................................. 151 Cabinet environnemental ................................................................................. 151 Mesure des aspérités de surface ..................................................................... 152 Machine à grenailler ......................................................................................... 152 ANNEXE G : Données de rotation de la méthode du tour d’écrou ...................... 153 ANNEXE H : Données du glissement en fonction de la charge de cisaillement .. 154. viii.

(9) ANNEXE I : Données de l’essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température .......................................................... 161 ANNEXE J : Brochure technique du Lindapter Hollo-Bolt et du Huck BOM ........ 169 ANNEXE K : Extrusion d’attache ......................................................................... 170 Annexe L : Analyse au microscopique électronique à balayage ......................... 171 I.. Micrographies de contrôle ......................................................................... 171. II. Micrographies d’une surface d’aluminium grenaillé affectée par le glissement 176 III.. Conclusion ............................................................................................. 181. ix.

(10) Liste des tableaux Tableau 2.1 : Désignation des alliages de corroyage (Beaulieu, 2013)................. 12 Tableau 2.2 : Composition chimique de l’alliage 6063-T6 (Alcoa, 2002) ............... 14 Tableau 2.3 : Coefficient de frottement de l’Eurocode 9 (CEN, 1998) ................... 24 Tableau 2.4 : Influence du traitement de surface sur le coefficient de frottement (Fortin, 2001) ......................................................................................................... 28 Tableau 2.5 : Tableau de conversion de certains paramètres de rugosité ............ 29 Tableau 2.6 : Coefficient de frottement moyen en fonction de l'épaisseur totale de l'assemblage en aluminium (Fortin, 2001) ............................................................. 42 Tableau 5.1 : Résultats du tour d'écrou moyen ..................................................... 77 Tableau 5.2 : Perte de la charge de précontrainte évaluée au glissement à partir de la charge de précontrainte initiale.......................................................................... 79 Tableau 5.3 : Résultats des essais de glissement à court terme par configuration 80 Tableau 5.4 : Charge de précontrainte initiale par connecteur en cisaillement ..... 83 Tableau 5.5 : Résultats de resserrage par configuration ....................................... 84 Tableau 5.6 : Résultats de relaxation des assemblages par séries....................... 85 Tableau 5.7 : Perte de précontrainte cumulative causée par des cycles de température ........................................................................................................... 87 Tableau 6.1 : Rigidité d’un assemblage antiglissement avec un seul boulon et un seul plan ................................................................................................................ 98 Tableau 6.2 : Augmentation de la rigidité avec une plaque métallisée versus une plaque galvanisée ................................................................................................. 99 Tableau 6.3 : Rapport de la perte de précontrainte entre la série resserrée et celle non resserrée de chaque connecteur en cisaillement ......................................... 106 Tableau 6.4 : Taux de variation de la charge de précontrainte en fonction d'une hausse ou d'une baisse de température.............................................................. 116 Tableau 6.5 : Perte de précontrainte additionnelle estimée ................................ 118 Tableau 6.6 : Perte de précontrainte causée par la relaxation estimée à 75 ans 119 Tableau A1 : Caractéristiques mécaniques du boulon Ultra-Twist ...................... 135 Tableau B1 : Caractéristiques mécaniques du boulon OneSide ......................... 138 Tableau E1 : Rugosité de surface de l'acier métallisé et de l'acier galvanisé ...... 148 x.

(11) Tableau G1 : Rotation suite au serrage à bloc pour atteindre la charge de précontrainte requise par la procédure de l'essai de glissement à court terme ... 153 Tableau H1 : Sommaire des résultats des essais de glissement à court terme .. 158 Tableau H2 : Diminution de la charge de précontrainte en cours d’essai. ........... 159 Tableau H3 : Rigidité des assemblages antiglissement ...................................... 160 Tableau I1 : Serrage initial................................................................................... 162 Tableau I2 : Résultats du suivi de la relaxation et du resserrage ........................ 165 Tableau I3 : Estimation de la perte de charge de précontrainte additionnelle à 75 ans causée par la relaxation ...................................................................................... 166 Tableau I4 : Perte de précontrainte causée par la relaxation estimée à 75 ans .. 167. xi.

(12) Liste des figures Figure 1.1 : Schématisation de la section d'un pont constitué d'un platelage multicellulaire en aluminium sur poutres d'acier ...................................................... 2 Figure 2.1 : Courbe de la contrainte en fonction de la déformation de l’alliage d’aluminium 6063-T6 (Alcoa, 1953)....................................................................... 15 Figure 2.2 : Série galvanique de métaux dans l’eau de mer à 10°C (Francis, 2001) .............................................................................................................................. 17 Figure 2.3 : Illustration amplifiée de l'effet du module de Young des plaques sur le serrage pour atteindre une même charge de précontrainte .................................. 31 Figure 2.4 : Comparaison de l'élongation d'un boulon dans un assemblage en acier et un assemblage en aluminium en fonction de la rotation de l'écrou (Luttrell, 1998) .............................................................................................................................. 32 Figure 2.5 : Perte de précontrainte en fonction de l’épaisseur du revêtement des plaques assemblées (Yang et DeWolf, 2000) ....................................................... 35 Figure 2.6 : Extrapolation de l’évolution de la charge de précontrainte dans un boulon en fonction du logarithme du temps (Nijgh, 2016) ..................................... 36 Figure 2.7 : Relaxation relative après resserrage comparée à la relaxation relative après le premier serrage (Nijgh, 2016) .................................................................. 37 Figure 2.8 : Illustration de l’effet d'hystérésis causé par les cycles de température avec la courbe de contrainte – déformation de l’aluminium et de l’acier de la tige du boulon ................................................................................................................... 39 Figure 2.9 : Distribution de la charge de précontrainte à l’interface (Cullimore et Eckhart, 1974) ....................................................................................................... 41 Figure 2.10 : Les différents degrés d'action composite (Naud, 2017) ................... 47 Figure 3.1 : Schématisation des échantillons pour les essais de glissement à court terme ..................................................................................................................... 50 Figure 3.2 : Assemblage typique avec cellule de charge ...................................... 52 Figure 3.3 : Courbes de comportement pour définir le glissement selon la procédure d’essai du RCSC (2014) ........................................................................................ 54 Figure 3.4 : Boulon ASTM F3125 grade A325 galvanisé ...................................... 57 Figure 3.5 : Boulon ASTM F3125 grade F1852 galvanisé mécaniquement .......... 58 xii.

(13) Figure 3.6 : Boulon Ultra-Twist de Huck Fasteners ............................................... 59 Figure 3.7 : Illustration de la procédure d’installation du boulon Ultra-Twist de Huck Fasteners (Muzeau, 2012) .................................................................................... 60 Figure 3.8 : Composants du boulon OneSide (Ajax Fasteners, 2017) .................. 62 Figure 3.9 : Illustration de l’échantillon typique pour les essais de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température............. 64 Figure 3.10 : Montage avec cellule de charge pour les boulons Ultra-Twist ......... 65 Figure 3.11 : Scénario de température .................................................................. 70 Figure 4.1 : Scie à ruban industrielle ..................................................................... 72 Figure 4.2 : Perceuse à métal ............................................................................... 72 Figure 4.3 : Support des plaques d'aluminium pour le sablage au jet ................... 73 Figure 4.4 : Avant et après le sablage des plaques d'aluminium........................... 74 Figure 5.1 : Charge de précontrainte en fonction du glissement ........................... 78 Figure 5.2 : Boulon Ajax OneSide rogné ............................................................... 82 Figure 5.3 : Effet de la température sur la charge de précontrainte ...................... 86 Figure 6.1 : Occurrence des données de serrage au tour d’écrou ........................ 89 Figure 6.2 : Schématisation de la perte d'épaisseur lors du glissement par aplanissement des aspérités ................................................................................. 91 Figure 6.3 : Échantillon #54 après l'essai de glissement ....................................... 96 Figure 6.4 : Calcul de la rigidité de l'assemblage antiglissement par plan de cisaillement............................................................................................................ 98 Figure 6.5 : Enfoncement de la rondelle sous la tête d'un boulon F3125 grade A325 ............................................................................................................................ 103 Figure 6.6 : Enfoncement de la rondelle sous la tête d'un boulon Huck Ultra-Twist ............................................................................................................................ 104 Figure 6.7 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-A325 et R-A325 ........ 108 Figure 6.8 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-TC et R-TC ............... 109 Figure 6.9 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-AOS et R-AOS .......... 109 Figure 6.10 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-HUT et R-HUT ........ 110 Figure 6.11 : Charge de précontrainte en haute température en fonction du nombre de cycles ............................................................................................................. 111. xiii.

(14) Figure 6.12 : Charge de précontrainte en basse température en fonction du nombre de cycles ............................................................................................................. 112 Figure 6.13 : Diminution de la charge de précontrainte en haute température par cycle .................................................................................................................... 112 Figure 6.14 : Schématisation du taux #3 ............................................................. 115 Figure 6.15 : Courbe de tendance de la diminution de la charge de précontrainte en fonction du nombre de cycles de température..................................................... 120 Figure A1 : Image d'un essai de cisaillement sur un boulon Huck Ultra-Twist (Stokes, 1996) ................................................................................................................... 136 Figure C1 : Certificat de conformité de la composition chimique de l'aluminium d'alliage 6063-T6 ................................................................................................. 141 Figure D1 : Certificat de conformité de la composition chimique de l'acier métallisé de nuance 350WT ............................................................................................... 142 Figure D2 : Certificat de conformité de la composition chimique de l'acier galvanisé de nuance 350WT ............................................................................................... 143 Figure E1 : Certificat de conformité pour la métallisation, page 1 ....................... 144 Figure E2 : Certificat de conformité pour la métallisation, page 2 ....................... 145 Figure E3 : Certificat de conformité pour la galvanisation ................................... 147 Figure H1 : Essais de glissement à court terme, série 6,65G.............................. 154 Figure H2 : Essais de glissement à court terme, série 8,89G.............................. 155 Figure H3 : Essais de glissement à court terme, série 12,7G.............................. 155 Figure H4 : Essais de glissement à court terme, série 6,35M ............................. 156 Figure H5 : Essais de glissement à court terme, série 8,89M ............................. 156 Figure H6 : Essais de glissement à court terme, série 12,7M ............................. 157 Figure I1 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-A325 et R-A325 .......... 163 Figure I2 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-TC et R-TC ................. 163 Figure I3 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-AOS et R-AOS ............ 164 Figure I4 : Précontrainte en fonction du temps, séries S-HUT et R-HUT ............ 164 Figure I5 : Température en fonction du temps lors du scénario de température effectué sur les échantillons 33, 34, 35 et 36 ...................................................... 168. xiv.

(15) Figure J1 : Extrait de la brochure technique du boulon Lindapter Hollo-Bolt (Lindapter International, 2012) ............................................................................................. 169 Figure K1 : Esquisse préliminaire d'une extrusion d'attache (projet R786.1) ...... 170 Figure L1 : Micrographie amplifiée 20 fois de la surface de contrôle................... 172 Figure L2 : Micrographie amplifiée 100 fois de la surface de contrôle................. 172 Figure L3 : Micrographie amplifiée 500 fois de la surface de contrôle................. 173 Figure L4 : Micrographie amplifiée 20 fois de l’analyse chimique de la surface de contrôle ............................................................................................................... 174 Figure L5 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 1 de la surface de contrôle........................................................................................................... 174 Figure L6 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 2 de la surface de contrôle........................................................................................................... 175 Figure L7 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 3 de la surface de contrôle........................................................................................................... 175 Figure L8 : Micrographie amplifiée 25 fois de la surface glissée ......................... 176 Figure L9 : Micrographie amplifiée 100 fois de la surface glissée ....................... 177 Figure L10 : Micrographie amplifiée 500 fois de la surface glissée ..................... 177 Figure L11 : Micrographie amplifiée 100 fois de l’analyse chimique de la surface glissée ................................................................................................................. 178 Figure L12 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 1 de la surface glissée ................................................................................................................. 179 Figure L13 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 2 de la surface glissée ................................................................................................................. 179 Figure L14 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 3 de la surface glissée ................................................................................................................. 180 Figure L15 : Spectrométrie de fluorescence des rayons X de la zone 4 de la surface glissée ................................................................................................................. 180. xv.

(16) Liste des abréviations A325 AASHTO. Boulon ASTM F3125 grade A325 American Association of State Highway and Transportation Officials. ADM. Aluminum Design Manual. AOS. Ajax OneSide. ASTM. American Society for Testing Materials. BOM. Blind, Oversize, Mechanically locked. BRIC. Bulletin de rendement des infrastructures canadiennes. CCS. Carbon capture and storage. CEN. Comité Européen de Normalisation. CSA. Canadian Standards Association. EC-5. Eurocode 5. EC-9. Eurocode 9. HUT. Huck Ultra-Twist. LVDT. Linear Variable Differential Transformer. MESI. Ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation. MPa. Mega Pascal (MN/m2). MTMDET. Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports. MTQ. Ministère des Transports du Québec. RCSC. Research Council on Structural Connections. SM. Spray Metallized. SQDA. Stratégie québécoise de développement de l’aluminium. SSPC-SP# TC. Society for Protective Coatings - Surface Preparation standard numéro # Tension Control pour désigner le boulon ASTM F3125 grade F1852. ULCOS. Ultra-Low Carbon dioxide Steel making. YS. Yield Strength. xvi.

(17) Liste des symboles a. Rayon du trou de boulon. Ab. Aire nominale de la tige d’un boulon en acier haute performance. cs. Coefficient de tenue. F. Force. F. Tel que fabriqué. Fp,C. Charge de précontrainte (EC-9). Fs,Rd. Résistance au glissement (EC-9). Fu. Résistance ultime de la nuance d’acier haute performance du boulon. H. Écroui. hSC. Coefficient de trou de boulon (ADM). Kh. Coefficient de trou de boulon (AASHTO). ks. Coefficient de frottement. m. Nombre de plans de cisaillement. n. Nombre de plans de glissement (EC-9). n. Nombre de boulons. O. Recuit. P. Projection du boulon. pb. Contrainte sous la tête du boulon et sous l’écrou. pr. Contrainte en un point à l’interface. Pu. Charge de précontrainte. r. Position en relation avec le centre du trou. Ra. Rugosité moyenne. Rt. Rugosité totale, soit la somme du pic maximal et du creux maximal observés sur la surface analysée. t. Épaisseur de la plaque latérale. tc. Moitié de l’épaisseur totale de l’assemblage. T. Traité thermiquement. Vs. Résistance au glissement d’un assemblage boulonné. xvii.

(18) W. Mis en solution. γMs. Facteur de sécurité (EC-9). δ. Déformation. ∆T°. Variation de température. µ. Coefficient de frottement (EC-9). σ. Contrainte. φy. Coefficient de tenue. xviii.

(19) Liste des unités ”. Pouce. °. Degré. °C. Degré Celcius. GPa. Giga Pascals. h. Heure. kg. Kilogramme. kips. Kilo pounds. kN. Kilo Newtons. ksi. Kilo pounds per square inch. m. Mètre. mils. Millième de pouce. mm. Millimètre. mV. Milli Volt. MPa. Mega Pascals. N. Newton. Pa. Pascal. W. Watt (joule par seconde). µm. Micron. xix.

(20) À Louise, Patrice, Catherine, Jade, Rachel et Cécile. xx.

(21) Remerciements Mon parcours à la maîtrise m’a permis de côtoyer de nombreuses personnes formidables qui m’ont aidé à rendre ces deux dernières années inoubliables. J’aimerais tout d’abord remercier Charles-Darwin Annan, mon directeur de recherche, avec qui j’ai régulièrement pu discuter de sujets autant techniques que personnels. Il a été très conciliant tout au long de mon parcours et m’a donné de nombreuses opportunités d’apprendre. Je remercie mon codirecteur Mario Fafard pour sa disponibilité, ses conseils et son esprit critique. Je remercie également Dominic Fortin, l’ingénieur responsable de mon projet au Ministère des Transports, pour son esprit critique et pour ses conseils. Il a aussi été d’une aide phénoménale pour la rédaction. J’aimerais aussi remercier Hugues Ferland, René Malo, Pierre-André Tremblay, Alain Melançon, Denis Jobin et André Ferland, qui m’ont grandement aidé lors de mes essais en laboratoire. Je remercie le MTMDET pour le financement de ce projet. Je remercie également le soutien du Centre de recherche pour l’aluminium – REGAL. Je remercie mes amis Julien Leclerc, Victor Desjardins, Mathieu Fiset, Catherine StGelais, Samuel Petitclerc, Martin Cormier et plusieurs autres pour leur aide, leurs conseils et leur soutien moral. J’aimerais aussi remercier tous mes amis que j’ai appris à connaître durant mes deux belles années passées à la maîtrise.. xxi.

(22) 1. Introduction 1.1. Problématique L’état des infrastructures routières du Canada est préoccupant. La plupart des 56 000 ponts au Canada ont été construits durant les années 50 et 60 et environ 40 % des quelque 9 320 ponts du Québec étaient considérés structurellement déficients en 2013 (Viami International Inc.; The Technology Strategies Group, 2013). Même si l’état des ponts au Québec s’est amélioré durant les dernières années, alors que l’indice des investissements à réaliser1 est passé de 4,68 en 2013 à 4,34 en 2016 (MTMDET, 2016), la valeur de l’indice est toujours trop haute, car elle représente un besoin d’investissements très important pour maintenir l’état du parc des structures du MTMDET. En effet, le taux annuel de réinvestissement requis pour assurer la pérennité des ponts du Canada est évalué à 1,0 à 1,7 % de la valeur de l’actif. Par contre, le taux de réinvestissement actuel n’est que de 0,8 %, ce qui est insuffisant (BRIC, 2016). En construisant des ponts plus durables et performants, le taux de réinvestissement requis pourrait rejoindre le taux d’investissement actuel, assurant ainsi la pérennité des ponts sur le territoire canadien. Dans cet ordre d’idée, un groupe de recherche a été formé à l’université Laval pour développer un prototype de pont poutres à âmes pleines potentiellement très durable et efficace alliant acier et aluminium. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire est une étape essentielle de ce projet de recherche ambitieux. Les ponts poutres à âmes pleines comptent pour près de 60 % des ponts au Québec en 2005 (MTQ, 2006). Leur durabilité est souvent compromise par une dégradation relativement rapide du platelage, qui est habituellement fabriqué en bois ou en béton. La solution de rechange aux platelages conventionnels proposée est l’utilisation d’un platelage en aluminium. Ce projet cadre dans la stratégie québécoise de développement de l’aluminium (SQDA), qui a été lancée en 2015 par le gouvernement québécois et l’industrie dans le but de soutenir et faire grandir. 1. L’indice des investissements à réaliser fait intervenir la valeur économique des structures.. 1.

(23) l’industrie québécoise de production et de transformation de l’aluminium. Une partie des fonds alloués à l’effort de recherche dans le domaine est consacrée au développement de l’utilisation de l’aluminium dans les ouvrages d’art. Via le Ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation (MESI), le Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports (MTMDET) a donc consacré, pour la période 2015-2018, un budget de 4,6 millions de dollars répartis sur différents projets de recherche et développement qui concernent l’utilisation de l’aluminium dans les ponts. L’un de ces projets, qui fait l’objet de ce mémoire, a pour but de développer et tester des connecteurs en cisaillement devant permettre de mettre en place l’action composite entre un platelage en aluminium extrudé et des poutres en acier. La figure 1.1 montre une schématisation d’une coupe transversale du concept de tablier de pont étudié.. Figure 1.1 : Schématisation de la section d'un pont constitué d'un platelage multicellulaire en aluminium sur poutres d'acier. 2.

(24) L’utilisation d’un platelage en aluminium dans un tablier de pont est présentée dans les sections suivantes selon les points de vue technique, environnementale et économique.. 1.1.1. Aspect technique Le potentiel d’utilisation de l’aluminium dans les ponts au Canada s’est récemment amélioré de façon importante. Le chapitre 17 de la norme S6 de l’organisme CAN/CSA (Canadian Standards Association), portant sur les charpentes d’aluminium à usage dans les ponts, est apparu en 2011 dans la réédition de la norme de 2006. Il fallait préalablement se référer à la norme canadienne de structures d’aluminium CAN/CSA-S157 ou à la norme de conception de ponts américaine de l’AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), tout en prenant le risque que la conception ne soit pas acceptée par le donneur d’ordre. À Saint-Ambroise, au Saguenay, le MTMDET a brisé la glace avec un projet pilote d’un pont à courte portée sans action composite avec des poutres en acier galvanisé et un platelage en aluminium du fabricant américain Alumabridge (Fortin, 2018). Cette première étape a été franchie avec un certain succès, mais il reste néanmoins beaucoup d’innovation à faire et d’expérience à acquérir avant que des ponts de grande ampleur en aluminium voient le jour. L’utilisation d’un platelage en aluminium dans les ponts au lieu d’une dalle en béton ou d’un platelage en bois offre plusieurs avantages techniques sur ces derniers. L’aluminium est très léger et résistant en proportion de son poids. Pour cette raison, les charges mortes peuvent être réduites, laissant la possibilité d’augmenter la surcharge, de diminuer la grosseur des fondations ou d’élargir le pont afin d’accentuer la capacité routière de ce dernier. Par contre, cette grande légèreté devrait augmenter la fréquence de vibration du tablier de pont (Chopra, 2017), ce qui pourrait être inacceptable pour le confort des piétons l’empruntant. La capacité de l’aluminium à être extrudé lui confère un avantage particulier sur les autres matériaux de construction typique, en permettant une meilleure optimisation géométrique des pièces. De plus, le concept de pont présenté peut être installé très 3.

(25) rapidement en comparaison au béton, qui requiert la mise en place de coffrages et une période de cure. Pour obtenir une rigidité et une résistance flexionnelle comparables à celles d’un système mixte composé de poutres en acier et d’une dalle en béton connectée par des connecteurs en cisaillement, qui sont souvent des goujons soudés à la poutre d’acier, il est nécessaire de développer l’action composite entre le platelage en aluminium et les poutres en acier. L’assemblage de deux pièces de métal dans un pont se fait par soudage ou par boulonnage. Les chercheurs de ce projet se sont tournés vers la seconde option avec les assemblages boulonnés antiglissement, car il pourrait y avoir des problèmes de corrosion galvanique si la première option est utilisée (Cicek, 2014). L’acier doit d’ailleurs être revêtu de zinc pour éviter la corrosion galvanique soit par la galvanisation ou la métallisation. Par ailleurs, un assemblage antiglissement est normalement requis en présence de charges cycliques, de vibration, de renversement de contraintes et là où la fatigue des matériaux peut être problématique, ce qui est le cas de l’assemblage entre un platelage en aluminium et une poutre d’acier dans un tablier de pont routier. Aux meilleurs de nos connaissances, la résistance d’assemblages antiglissement composé d’acier galvanisé ou métallisé et d’aluminium dans le but de développer l’action composite dans le type de tablier de pont préalablement présenté n’a jamais été évaluée. Le fait d’avoir une connexion rigide entre le platelage et les poutres pose toutefois problème : les coefficients de dilatation thermique dissemblables des deux matériaux créent des charges thermiques importantes dans la structure. Leclerc (2018) a fait des recherches sur l’effet global des efforts causés par un différentiel de température sur un tel système de pont. L’effet local de la température sur la performance de la connexion en cisaillement est évalué dans ce projet. Il existe d’autres défis techniques, telles les difficultés d’installer les boulons pour connecter un platelage alvéolé à une poutre. La possibilité d’utiliser des boulons aveugles sera donc investiguée. Le platelage d’aluminium comporte certainement plusieurs défis techniques, mais celui-ci a le potentiel d’être concurrentiel avec la solution traditionnelle de la dalle de béton d’un point de vue technique.. 4.

(26) 1.1.2. Aspect environnemental Il est bien connu qu’une grande quantité d’énergie est requise pour produire de l’aluminium. Au Québec, l’aluminium est le plus écologique au monde, puisque l’électricité utilisée pour la production de l’aluminium provient à 100 % de l’hydroélectricité. En conséquence, seulement 2,5 tonnes de CO2 par tonne d’aluminium sont produites, comparativement à 15 tonnes en Chine (Association de l'aluminium du Canada, 2010), où l’électricité provient majoritairement de la combustion du charbon. En comparaison, l’acier produit en moyenne 2 tonnes de CO2 par tonne d’acier (ULCOS, 2013). D’un autre côté, le recyclage de l’aluminium demande moins de 10 % de l’énergie nécessaire pour en produire à partir du minerai, un gros avantage pour l’analyse du cycle de vie. D’ailleurs, la majorité de l’aluminium produit depuis le tout début est toujours en circulation, démontrant la viabilité du recyclage de ce matériau (The Aluminum Association, 2016). La durée de vie est une facette importante du développement durable. Comme tous les alliages de la série 6000, l’alliage d’aluminium d’intérêt pour ce projet, le 6063T6, est très durable, ayant une bonne résistance à la corrosion (Beaulieu, 2013). Afin d’éviter la corrosion galvanique, qui peut survenir lorsque de l’aluminium est mis en contact avec de l’acier, il est nécessaire de galvaniser à chaud ou de métalliser l’acier. Ces deux types de revêtement de zinc, qui offre une protection à la corrosion, seront présentés à la section 2.3. Les extrusions d’aluminium sont étanches, ce qui offre une protection additionnelle aux poutres d’acier en limitant l’apport d’humidité et d’agents corrosifs venant du dessus du tablier de pont. En somme, la durée de vie potentielle du tablier à l’étude est très longue. Il s’agit d’ailleurs de l’un de ses principaux avantages autant d’un point de vue environnemental qu’économique et technique. Finalement, au terme de sa vie utile, puisque le platelage est connecté aux poutres par des boulons, le démontage est propre et beaucoup plus rapide que la démolition d’un platelage en béton par exemple.. 5.

(27) 1.1.3. Aspect économique Le prix d’un tablier de pont composé d’un platelage non conventionnel en aluminium, un matériau relativement cher, qui repose sur des poutres en d’acier galvanisé ou métallisé est, sans surprise, initialement dispendieux. Par contre, le prix total évalué sur le cycle de vie du tablier est allégé par l’entretien minimal requis et par sa potentiellement très longue durée de vie utile. La fréquence d’entraves à la circulation pour effectuer les entretiens est presque nulle, d’autant plus que la vitesse d’installation et de démontage est rapide, se traduisant en de moindres impacts sociétaux. Des gains peuvent même être faits lors de la démolition au terme de la vie utile de l’ouvrage, car l’aluminium du platelage sera recyclé. La lecture du mémoire intitulé Analyse du coût du cycle de vie de ponts à platelage en aluminium, en cours de rédaction par Cassandra Bayan de l’université Laval, est recommandée pour une revue de l’aspect économique des ponts à platelage en aluminium.. 1.2. Caractéristiques de l’assemblage à l’étude Afin de développer l’action composite dans le type de tablier de pont à l’étude, l’assemblage boulonné antiglissement est nécessaire pour connecter les deux composants structuraux métalliques du tablier de pont, à savoir le platelage multicellulaire en aluminium et les poutres en acier. L’étude de ce type d’assemblage permet également de mieux comprendre comment connecter de façon rigide deux parois en acier et en aluminium. Un assemblage antiglissement nécessite deux surfaces rugueuses et une charge de précontrainte perpendiculaire aux surfaces de glissement pour développer une résistance au glissement par friction. Cette précontrainte est développée en serrant de façon contrôlée les boulons, ou connecteurs en cisaillement, servant à assembler les pièces constituant l’assemblage antiglissement (voir le contenu de la loupe de la figure 1.1 pour observer l’assemblage à l’étude).. 6.

(28) 1.3. Objectifs de l’étude L’objectif principal de l’étude est d’évaluer le comportement de la connexion en cisaillement dans un tablier de pont composé d’un platelage d’aluminium sur des poutres en acier. L’atteinte de cet objectif général passe par la réalisation des objectifs spécifiques suivants. A. Identifier différents systèmes de connecteurs permettant de fixer un platelage en aluminium constitué d’extrusions multicellulaires soudées côte à côte sur des poutres en acier, et proposer le meilleur connecteur; B. Caractériser l’interface de l’assemblage antiglissement par l’évaluation du coefficient de frottement à la température ambiante; C. Vérifier que la charge de précontrainte atteinte par chacun des connecteurs en cisaillement identifiés selon leur méthode d’installation satisfait les exigences de la norme S6-14; D. Évaluer la relaxation de la précontrainte dans les connecteurs; E. Comprendre la tenue de l’assemblage en cisaillement subissant des écarts de températures saisonnières, comme stipulé par la norme canadienne S614 (CAN/CSA, 2014) des ponts et par le Manuel de conception des structures du Ministère des Transports, de la Mobilité durable et de l’Électrification des transports (MTMDET, 2018). Les résultats des essais réalisés et les analyses qui en découlent permettent l’atteinte de ces objectifs.. 1.4. Structure du mémoire Le mémoire commence par la présentation de la problématique du projet, qui est divisée selon les aspects technique, environnementale et économique. Les caractéristiques de l’assemblage à l’étude sont présentées, suivies des objectifs et de la structure du mémoire. La revue de la littérature entourant le sujet de ce mémoire est ensuite présentée. Elle commence avec une description de l’aluminium de corroyage, où les propriétés. 7.

(29) mécaniques, les alliages et les traitements et l’alliage d’aluminium d’intérêt, le 6063T6, sont présentés. La protection contre la corrosion galvanique est ensuite présentée en commençant avec une explication de ce qu’est la corrosion galvanique, suivi de la description des deux procédés utilisés pour protéger l’aluminium de la corrosion galvanique, soit la galvanisation à chaud et la métallisation. La façon dont sont traités les assemblages boulonnés antiglissement dans la norme S6-14, l’Eurocode-9, l’Aluminum Design Manual et l’AASHTO est présentée. Les paramètres qui couvrent les aspects entourant le type d’assemblage à l’étude sont ensuite présentés : le coefficient de frottement, le traitement de surface, la méthode de serrage, le diamètre du boulon, le nombre de plans de cisaillement, le nombre de boulons, la relaxation de la charge de précontrainte, l’effet de la température et la distribution de la charge de précontrainte. La description du programme expérimental, qui est divisé en trois grandes parties, suit. La première partie porte sur l’essai de glissement à court terme, la deuxième sur l’identification des connecteurs en cisaillement et la troisième sur l’essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température. Pour réaliser les essais présentés dans le programme expérimental, il fallait fabriquer les échantillons; le chapitre suivant porte donc sur la préparation des échantillons. Les résultats qui découlent des essais sont ensuite présentés de façon concise. La première section porte sur les résultats de l’essai de glissement à court terme, alors que la seconde porte sur les résultats de l’essai de serrage et du suivi de la charge de précontrainte en fonction du temps et de la température. Suite aux résultats, les analyses sont présentées dans le même ordre que les résultats, suivi d’une analyse globale des résultats. Les conclusions, recommandations et propositions de recherches futures terminent le mémoire. Sont présentés en annexe : les connecteurs en cisaillement aveugles testés, des rapports concernant la fabrication des échantillons, l’instrumentation, les données. 8.

(30) qui ne sont pas présentées dans le chapitre portant sur les résultats et une analyse au microscope électronique à balayage.. 9.

(31) 2. Revue de littérature 2.1. Généralités La revue de littérature de ce chapitre présente au lecteur les connaissances scientifiques entourant le sujet dont traite ce mémoire afin de permettre une appréciation de l’étude réalisée et des résultats qui en découlent.. 2.2. L’aluminium de corroyage 2.2.1. Définition d’un aluminium de corroyage L’aluminium de corroyage est un alliage composé en grande majorité d’aluminium (Techniques de l'Ingénieur, 2005).. 2.2.2. Les propriétés mécaniques et physiques Les propriétés mécaniques de l’aluminium s’apparentent à celles de l’acier, dans le sens que ces deux matériaux métalliques ont une phase élastique et une phase plastique avec écrouissage relativement bien définies par un point de bifurcation. Ce comportement de l’aluminium permet de l’utiliser comme l’acier dans un système de conception aux états limites. Il existe néanmoins plusieurs différences majeures entre l’acier et l’aluminium. Pour commencer, alors que la masse volumique et le module élastique de l’acier sont respectivement de 7 800 kg/m3 et 200 GPa, ces propriétés sont divisées par trois pour l’aluminium : sa masse volumique est 2 700 kg/m3 et son module élastique est 70 GPa, tels que spécifiés par la norme S6-14 à l’article 17.4.3. Le coefficient de dilatation thermique de l’aluminium, d’environ de 12 x 10-6/°C, est le double de celui de l’acier à 24 x 10-6/°C, ce qui peut amener des problèmes de contraintes de source thermique (cf. sous-section 2.5.8). La conductivité thermique de l’aluminium, qui est 185 W/m°C (Beaulieu, 2013), est. 10.

(32) largement supérieure à celle de l’acier, qui est de 44 à 52 W/m°C2. La limite élastique et la résistance ultime de l’aluminium varient considérablement selon les alliages et les traitements thermiques, mais, globalement, ce matériau est moins résistant que l’acier. La noblesse de l’aluminium et de l’acier est significativement différente, ce qui pourrait poser un problème de corrosion, présenté à la sous-section 2.3.1. L’aluminium est un matériau très résilient, et ce, même à basse température (Beaulieu, 2003). D’ailleurs, étant un matériau cubique à faces centrées, l’aluminium a généralement une très grande résistance à la fissuration à toutes les gammes de température (Kaufman, 2001). Cette dernière propriété de l’aluminium lui confère un avantage indéniable pour les applications structurales dans les ponts en contexte climatique québécois. Pour finir, l’aluminium a une grande capacité de déformation, lui permettant d’emmagasiner beaucoup d’énergie lors d’un impact (Beaulieu, 2013).. 2.2.3. Les alliages et traitements L’aluminium à l’état pur a des propriétés mécaniques trop faibles pour pouvoir être utilisé dans une application du génie civil, c’est pourquoi d’autres éléments sont ajoutés à l’aluminium pour améliorer ses propriétés mécaniques, sa dureté, sa résistance à la corrosion et sa facilité à être fabriqué (Beaulieu, 2013). Chaque alliage de corroyage est identifié par quatre (4) chiffres, le premier étant celui de la série. Il existe neuf (9) séries d’alliages de corroyage d’aluminium. Chacune d’elle est caractérisée par un ou deux ingrédients principaux secondaires à l’aluminium, tel que montré au tableau 2.1, tiré du livre de Beaulieu (2013).. 2. MatWeb. Consulté le 26 février 2018. Steels, General Properties. Récupéré sur MatWeb:. [http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?bassnum=MS0001].. 11.

(33) Tableau 2.1 : Désignation des alliages de corroyage (Beaulieu, 2013) Série. Principaux éléments. 1XXX 99 % d’aluminium (minimum) 2XXX Cuivre 3XXX Manganèse 4XXX Silicium 5XXX Magnésium 6XXX Magnésium et silicium 7XXX Zinc 8XXX Autres éléments 9XXX Série non utilisée. Le deuxième chiffre indique, s’il est différent de zéro (0), que l’alliage a une variation significative dans sa composition comparativement à celle de la série. Pour finir, les deux derniers chiffres servent uniquement à différencier deux types d’alliages de composition chimique relativement similaire. Les propriétés mécaniques de l’aluminium peuvent être améliorées de façon importante en lui faisant subir un traitement mécanique, chimique ou thermique. Cinq (5) dénominations de type de traitement existent (Beaulieu, 2013) : •. F : Tel que fabriqué ;. •. O : Recuit ;. •. H : Écroui ;. •. W : Mis en solution ;. •. T : Traité thermiquement.. Il existe quatre (4) types de traitement d’écrouissage, mais ceux-ci ne sont pas présentés dans ce mémoire. Le traitement d’intérêt de ce projet est le traitement thermique, et une dizaine de traitements principaux différents existent (The Aluminum Association, 2005). Les descriptions suivantes proviennent du livret de M. Beaulieu (2013) :. 12.

(34) •. T1 : Refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température et vieilli naturellement (maturé) jusqu’à un état substantiellement stable ;. •. T2 : Refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température, travaillé à froid et vieilli naturellement jusqu’à un état substantiellement stable ;. •. T3 : Mis en solution, travaillé à froid et vieilli naturellement à un état relativement stable ;. •. T4 : Mis en solution et vieilli naturellement à un état relativement stable ;. •. T5 : Refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température et vieilli artificiellement (revenu) ;. •. T6 : Mis en solution et vieilli artificiellement ;. •. T7 : Mis en solution et stabilisé (sur-revenu) ;. •. T8 : Mis en solution, travaillé à froid et vieilli artificiellement ;. •. T9 : Mis en solution, vieilli artificiellement et travaillé à froid ;. •. T10 : Refroidi rapidement à la suite d’un procédé de formage à haute température, travaillé à froid et vieilli artificiellement.. À noter qu’il existe une multitude de traitements spéciaux qui ne sont pas présentés dans cette liste. Pour en apprendre plus sur les traitements des alliages d’aluminium, il est suggéré de poursuivre la lecture avec le livre Calcul des charpentes d’aluminium (Beaulieu, 2003). Une des séries d’alliages les plus utilisées en applications structurales est la série 6000. Des sept alliages spécifiés dans la norme S6-14, quatre des sept proviennent de cette série. Les alliages spécifiés sont : 5052, 5083, 5086, 6005A, 6061, 6063 et 6082. L’alliage d’aluminium utilisé dans ce mémoire est le 6063, avec le traitement thermique T6, qui permet d’atteindre des propriétés mécaniques intéressantes pour les applications structurales. L’alliage d’aluminium 6063-T6 est présenté à la prochaine sous-section.. 13.

(35) 2.2.4. Alliage d’aluminium 6063-T6 L’alliage d’aluminium utilisé pour ce projet de recherche est le 6063-T6. Il s’agit donc, étant dans la série 6, d’un alliage ajouté principalement de magnésium et de silicium. Selon la fiche technique produite par Alcoa (2002), les éléments suivants sont présents dans les quantités données au tableau 2.2.. Tableau 2.2 : Composition chimique de l’alliage 6063-T6 (Alcoa, 2002) Ingrédient. Si. Minimum (%) 0,20. Fe. Cu 0. Mn 0. Mg 0 0,45. Cr. Zn 0. Ti 0. Autres Autres total Aluminium 0. 0. 0 Le reste. Maximum (%) 0,60 0,35 0,10 0,10 0,90 0,10 0,10 0,10. 0,05. 0,15 Le reste. Le traitement thermique T6 confère à cet alliage d’aluminium des propriétés mécaniques significativement meilleures que l’état recuit. En effet, alors que l’alliage 6063-O a une limite élastique nominale de 50 MPa et une résistance ultime nominale de 90 MPa, l’alliage 6063-T6 a une limite élastique nominale de 215 MPa et une résistance ultime nominale de 240 MPa (The Aluminum Association, 2015). La limite élastique prescrite par la norme canadienne S6-14 pour cet alliage est de 170 MPa tandis que la résistance ultime prescrite est de 205 MPa (CAN/CSA, 2014). L’AASHTO (2012) lui confère une limite élastique de 172,4 MPa et une résistance ultime de 206,9 MPa. La légère différence peut être attribuable au changement d’unité. De son côté, l’Eurocode lui prescrit une limite élastique de 160 MPa et une résistance ultime de 195 MPa. La figure 2.1 montre trois courbes de la contrainte en fonction de la déformation d’un échantillon cylindrique extrudé de 12,7 mm de diamètre de l’alliage d’aluminium 6063-T6. La courbe « True » montre la contrainte vraie dans l’échantillon alors que la courbe « Nominale » ne tient pas compte du rétrécissement de l’échantillon dû à l’effet de « necking ». La deuxième abscisse, en millième de pouce, est destinée à la courbe avec l’inscription « YS », soit yield strength ou limite élastique. Cette courbe représente la phase élastique et le début de la phase d’écrouissage. Les. 14.

(36) déformations y sont amplifiées dix (10) fois comparativement aux courbes complètes afin de mieux visualiser le point de bifurcation.. Figure 2.1 : Courbe de la contrainte en fonction de la déformation de l’alliage d’aluminium 6063-T6 (Alcoa, 1953). Contrairement à l’acier, la phase d’écrouissage commence immédiatement après la phase élastique sans passer par un plateau plastique.. 2.3. Protection contre la corrosion galvanique 2.3.1. La corrosion galvanique La corrosion peut être un problème lorsque l’acier et l’aluminium sont mis en contact, c’est pourquoi ce phénomène doit être abordé. La théorie présentée dans cette sous-section sur la corrosion galvanique provient majoritairement de l’ouvrage Corrosion Engineering de Cicek (2014). La corrosion galvanique peut survenir lorsque deux métaux de potentiel de corrosion différent peuvent s’échanger des électrons et des ions. L’échange d’électrons se fait facilement entre l’acier et l’aluminium, car ce sont deux matériaux conducteurs, mais 15.

(37) l’échange d’ions n’est pas possible dans un environnement dépourvu d’humidité. Le positionnement de l’assemblage sous le platelage relativement étanche (cf. figure 1.1) offre une protection face aux intempéries; il serait toutefois utopique de supposer une humidité nulle dans l’assemblage. Un courant ionique pourrait donc lier l’acier et l’aluminium pour ainsi former une pile galvanique. L’autre élément requis pour qu’il y ait développement d’une pile galvanique est que les métaux en contact dans un électrolyte aient un potentiel de corrosion différent. Ce potentiel de corrosion peut être défini de plusieurs manières, comme par le potentiel d’électrode selon une électrode standard. Cependant, la méthode la plus fiable pour évaluer la possibilité de développement d’une pile galvanique est celle définie dans un environnement représentatif de l’application pratique étudiée. Des agents déglaçant utilisés sur les routes, comme le sel, devraient se retrouver dans l’électrolyte connectant l’acier et l’aluminium, c’est pourquoi la série galvanique utilisée pour l’évaluation du potentiel de corrosion galvanique est celle dans l’eau de mer à 10°C 3.. 3. Cette série n’est pas nécessairement la plus représentative de l’application pratique.. 16.