L'INTERACTION DES FORCES DANS UN ASSEMBLAGE BOULONÉ
Naturellement, il est souhaitable que les assemblages filetés soient fiables et sans risque de se desserrer par eux-mêmes. Pour un haut degré de fiabilité, il est extrêmement important de comprendre les forces présentes d'un assemblage boulonné car chaque élément de la liaison influence le résultat final.
| Figure 1 | Figure 2 |
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En termes simples, il existe deux types possibles de charges statiques dans un assemblage par boulon:
- Sans force de serrage - la force est transmise entre les plaques en déplaçant les forces et les forces de cisaillement dans le corps du boulon ou du filetage. Les plaques à raccorder se déplacent l'une par rapport à l'autre jusqu'à ce que les alésages s'appuient sur le corps du boulon ou contre le filetage. Dans ce cas, les boulons sont chargés lors du cisaillement (chargement transversal); voir la figure 1.
- Avec une force de serrage élevée, cette force de serrage empêche le déplacement des pièces serrées. La force est transmise par friction et les boulons sont chargés lors de l'extension (charge axiale); voir figure 2.
Typiquement, le frottement mutuel des pièces à connecter est indésirable.
Une force de serrage suffisante doit donc être appliquée à l'assemblage boulonné. Cette force est la précontrainte obtenue après le serrage de l'écrou ou du boulon.
Si les forces exercées sur la structure changent régulièrement de direction ou ne sont pas constantes, il existe une charge dynamique. Ci-dessous, il est montré qu'une charge dynamique peut être l'une des raisons pour lesquelles les assemblages de boulons se desserrent, ou même que les boulons se cassent.
Pour qu'un assemblage puisse remplir sa fonction, en particulier pour une charge dynamique, le couple de serrage doit être maintenu.
RÉSILIENCE ÉLASTIQUE D'UN ASSEMBLAGE FILETÉ
Lors de la conception et de la réalisation d'un assemblage fileté, il est très important de comprendre les points suivants:
- Les boulons et les pièces assemblées fonctionnent comme une partie élastique. Les éléments serrés sont comprimés élastiquement, tandis que le boulon s'étire pendant l'assemblage. Si le boulon s'étire davantage en raison d'une charge externe, les pièces se desserrent.
- La force de traction dans les boulons est égale à la force de pression exercée sur les éléments serrés, illustrée dans la figure 3.
Figure 3
L'interaction des forces et de la déformation est présentée dans un triangle appelé force / déformation, comme le montre le graphique A ci-dessous. La ligne 1 du graphique montre la déformation subie par un boulon en raison de la force de traction. La ligne 2 se rapporte à la partie serrée qui se déforme sous l'influence de la force de pression due au boulon.
fsm = allongement du boulon dû à la force de serrage Fm
fpm = compression des éléments serrés due à la force de serrage Fm
D'après le graphique ci-dessus, il est évident qu'avec une force de serrage Fm, l'allongement du boulon est égal à fsm, et que la compression des pièces serrées est fpm. Parce que les matériaux utilisés pour les boulons et les pièces serrées sont différents, tout comme la conception, fsm et fpm ne sont généralement pas égaux.
Une charge externe Fa est appliquée à cet assemblage de boulon; voir la figure 4.
Figure 4
Pour tracer cette force de traction externe Fa sur le graphique A, elle doit alors être ajustée entre les deux caractéristiques de déformation. Si le boulon s'étire en raison de la force externe, le matériau serré revient alors tout autant; voir graphique B.
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Fm = force de serrage d'origine dans la connexion
Fa = charge axiale externe
Fpa = réduction de la force de serrage due à Fa
Fsa = augmentation de la charge de boulon due à Fa
Fkr = force de serrage résiduelle dans la connexion
Fs = charge totale sur le boulon
UN BOULON PLUS ÉLASTIQUE CAUSE UNE AUGMENTATION PLUS FAIBLE DE LA CHARGE DU BOULON.
D'une part, Fa entraîne une réduction de la force de serrage (Fpa) et, d'autre part, il en résulte une augmentation de la charge sur le boulon (Fsa).
Il est souhaitable que l'augmentation de la contrainte soit aussi faible que possible, mais pas seulement pour éviter que le boulon ne soit surchargé. Cette préférence est due au fait que si la charge externe est dynamique, le boulon ne détecte que les fluctuations de Fsa. Une forte amplitude de cette force Fsa peut rapidement provoquer des ruptures dues à la fatigue. De plus, la force de serrage résiduelle Fkr ne doit jamais être nulle. Si cela se produit, la connexion s'effondre.
L'augmentation de la charge du boulon Fsa peut être limitée autant que possible en utilisant un boulon très élastique. En conséquence, la courbe de déformation du boulon est moins raide, car la force externe est beaucoup plus absorbée par une réduction de la force de serrage; voir graphique C.
Le même effet est obtenu en utilisant des matériaux à serrés très rigides: de ce fait, la courbe de déformation des matériaux serrés augmente fortement et la force externe est presque complètement absorbée par une réduction de la force de serrage; voir graphique D.
Des matériaux serrés plus rigides entraînent une augmentation plus faible de la charge du boulon.
EN BREF
En particulier avec une charge dynamique, il est extrêmement important de garder toute charge supplémentaire sur le boulon aussi faible que possible, car une rupture soudaine peut se produire en raison de la fatigue.
Avec une charge externe, il existe plusieurs manières de limiter autant que possible la force supplémentaire sur le boulon:
- Les éléments structurels doivent être rigides au maximum.
- La force de serrage doit être aussi grande que possible et certainement supérieure à la charge externe.
- Des boulons élastiques peuvent être utilisés, auquel cas (1) un rapport longueur / diamètre de serrage élevé (≥ 5xD) doit être choisi, (2) une longueur de filetage supérieure doit être choisie et, si nécessaire (3) diamètre de la tige (boulons à tige réduite) doit être utilisé.