Il existe deux types de joints boulonnés utilisés dans l'assemblage des structures métalliques : un joint de tension où la charge appliquée agit pour écarter les couches boulonnées et un joint de cisaillement où la force appliquée est à travers le boulon, agissant pour faire glisser les couches l'une sur l'autre. Pour les deux types de joints, il est essentiel de savoir à quel point il faut serrer la fixation pour atteindre les objectifs de conception de la structure. Il existe plusieurs méthodes pour estimer le degré de serrage, mais la méthode de référence est celle du "tour d'écrou", qui s'avère être la seule méthode pratique et fiable pour s'assurer que l'assemblage boulonné fonctionnera comme prévu.
Dans de nombreux assemblages boulonnés, la charge appliquée à l'assemblage fluctue : dans le cas d'un assemblage par traction, pensez au vent sur un grand lampadaire en acier boulonné à un pilier en béton, et dans le cas d'un assemblage par cisaillement, pensez à l'assemblage qui maintient les ailes d'un avion réagissant aux variations de charge en vol. Ces charges instables provoquent une fluctuation de la contrainte sur le boulon dans l'articulation, ce qui peut entraîner une rupture par fatigue du boulon. Pour plusieurs raisons, la rupture par fatigue est une condition difficile à inclure dans une conception, mais heureusement, la quantité de contraintes fluctuantes sur le boulon (et donc l'environnement de fatigue élevé) peut être réduite de manière significative en "préchargeant" l'articulation. L'assemblage est préchargé lorsque l'écrou est tourné au point que le boulon est littéralement étiré (allongé) et que les couches de matériau à boulonner sont comprimées entre la tête du boulon et l'écrou. La caractéristique contre-intuitive d'un assemblage précontraint est que la charge fluctuante appliquée est équilibrée (ou "absorbée") principalement par la force de compression des couches de matériau dans l'assemblage, plutôt que par le seul boulon. En fait, lorsque la rigidité du matériau des couches est beaucoup plus élevée que celle du matériau du boulon, la contrainte fluctuante sur le boulon peut ne représenter qu'une petite fraction de la contrainte de précharge, ce qui réduit considérablement le risque de rupture par fatigue du boulon. Lorsqu'il n'y a pas de précharge (l'assemblage est lâche), le boulon supporte la totalité de la charge fluctuante de la structure et le risque de défaillance au niveau du boulon est élevé.
La précharge minimale d'un assemblage boulonné est de 75 % de la résistance nominale du boulon. Dans de nombreux cas, la précharge du boulon peut atteindre 90 %, voire être suffisamment élevée pour provoquer une déformation plastique du boulon ! C'est pourquoi il est essentiel que l'assembleur dispose d'une méthode précise pour évaluer la précharge. Étant donné qu'un boulon fileté est un plan incliné enroulé autour d'une tige et qu'un écrou tourné sur le filetage monte sur le plan incliné, c'est une question de géométrie simple que de concevoir les forces sur le boulon et sur les couches de matériau comprimées entre la tête du boulon et l'écrou. C'est pour cette raison que l'observation du degré de rotation de l'écrou une fois que l'assemblage est bien serré est le meilleur moyen de s'assurer que la précharge de l'assemblage est correcte.
La méthode du tour d'écrou pour assurer la précharge du boulon est la suivante :
L'utilisation de la méthode du tour d'écrou pour assembler avec précision un joint avec la précharge appropriée dépend du niveau d'étanchéité que l'assembleur qualifie de "zéro", au-delà duquel l'écrou est tourné de la quantité requise pour atteindre la précharge spécifiée. Le code de la construction définit le niveau d'étanchéité comme suit :
L'état du joint dans lequel les plis ont été mis en contact ferme et chaque assemblage de boulons a au moins l'étanchéité obtenue soit avec quelques impacts d'une clé à chocs, soit avec la résistance d'une clé appropriée sans impact, soit avec l'effort total d'un monteur utilisant une clé à ergots ordinaire.
Cependant, la différence de tension sur le boulon entre les différents "serrages" est une petite fraction de la précharge, de sorte que la variation du serrage d'une personne à l'autre ne devrait pas préoccuper l'assembleur.
Certains pourraient penser qu'une clé dynamométrique serait également un bon moyen de déterminer la précharge, mais ce n'est pas le cas pour plusieurs raisons. Une clé dynamométrique ne mesure que le couple appliqué à la tête du boulon ou à l'écrou, et de nombreux facteurs autres que l'étirement du boulon peuvent influer sur le couple nécessaire pour faire remonter l'écrou sur le plan incliné du filetage du boulon. Le frottement entre les surfaces de glissement de l'écrou et du boulon peut être affecté par le lubrifiant, par tout placage sur le boulon ou l'écrou, par tout grain sur le boulon ou l'écrou, et même une différence de température relative entre les deux peut modifier la quantité de couple nécessaire pour faire avancer l'écrou le long du filetage du boulon. Il est donc évident qu'une clé dynamométrique ne donne pas à l'assembleur une indication très précise de la précharge ou, en d'autres termes, du degré de rotation de l'écrou sur le boulon. En fait, les mesures de la précision de diverses méthodes d'obtention d'une précharge cible montrent que les clés dynamométriques sont les pires - avec une erreur de ± 35 % !
Les clés à chocs sont d'excellents outils pour desserrer un boulon ou un écrou et pour créer une condition de serrage serré lorsqu'elles sont utilisées avec précaution. Cependant, ces outils fournissent une quantité de couple extrêmement variable et, comme une clé dynamométrique, ne donnent pas à l'installateur un retour d'information précis sur la précontrainte de l'assemblage. Ces outils ne constituent pas un moyen acceptable de précontrainte d'un assemblage boulonné.
