Si vous avez travaillé dans le secteur des métiers ou de l'ingénierie pendant un certain temps, vous vous êtes probablement rendu compte de la quantité de détails qui entrent dans chacun des aspects de ce que la plupart des gens considèrent comme un simple système ou une simple structure. En particulier dans le cas d'objets lourds suspendus au-dessus de la tête des gens (tous les toits, bien sûr) ou de systèmes susceptibles d'exploser, il existe une profondeur de détail visible uniquement par les connaisseurs qui sépare notre réalité sûre (et banale) de celle où les catastrophes dramatiques sont courantes. Dans l'environnement bâti, une grande partie de ces détails réside dans les écrous et les boulons qui maintiennent les éléments des systèmes mécaniques et structurels ensemble.
Alors que la plupart des gens s'imaginent que la commande d'un boulon particulier ne nécessite que la spécification d'une taille, la réalité est beaucoup plus compliquée et inclut la résistance, la durée de vie en fatigue, la protection contre la corrosion, la taille et la forme de la tête, la fraction de la tige qui est filetée, et bien d'autres choses encore. Les écrous présentent également une grande variété de paramètres, dont beaucoup sont fixés par le choix du boulon. N'importe quel boulon peut être inséré dans un trou à condition que le diamètre et le pas de vis correspondent, mais les systèmes bien conçus tiennent compte d'un grand nombre de détails lors de la spécification de ces fixations.
L'une des principales façons dont les ingénieurs classent les boulons consiste à différencier les boulons de structure des boulons mécaniques. Les boulons de structure sont conçus pour supporter les charges et les contraintes au sein d'une structure, afin d'en assurer la stabilité et la sécurité. Ils sont principalement utilisés dans les projets de construction, notamment dans les charpentes métalliques et les infrastructures. Les boulons mécaniques sont utilisés pour assembler ou réparer des machines et des équipements. Ils existent en différentes tailles, qualités et matériaux. Les boulons de cette catégorie sont beaucoup plus couramment disponibles pour les consommateurs et généralement moins chers que les boulons de construction.
Ces boulons se caractérisent par leur grande résistance, qui leur permet de maintenir l'intégrité de la structure sous des charges dynamiques et dans des conditions environnementales variables. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) définit des normes strictes pour les boulons de construction[1] afin de garantir qu'ils répondent aux exigences des applications structurelles, qu'ils sont assemblés et testés correctement pour répondre aux attentes en matière de conception, et même qu'ils sont stockés conformément au protocole.
Bien qu'il existe plusieurs types de boulons de construction, les boulons ASTM A325 et A490 sont les plus couramment utilisés dans les applications structurelles. Bien que les boulons A490 soient plus résistants que les boulons A325, la plupart des projets font appel aux boulons A325 : comprendre pourquoi constitue une bonne introduction à la subtilité d'une conception soignée. Ces deux boulons ont une tête hexagonale lourde qui offre une plus grande surface d'appui pour répartir la charge de serrage sur les éléments structurels de l'assemblage. Le filetage de ces deux boulons s'arrête bien avant la tête, de sorte que le boulon présente une tige solide de plein diamètre dans le plan de cisaillement de l'assemblage. La partie filetée de la tige étant plus faible que la partie non filetée, le fait de s'assurer que la partie non filetée est située dans le plan de cisaillement de l'assemblage permet d'obtenir une connexion plus solide.
Les boulons utilisés pour les assemblages structuraux nécessitent presque toujours un écrou (plutôt qu'un trou fileté borgne) pour compléter l'assemblage, et le type d'écrou découle souvent du choix du boulon.
Les boulons A325 sont couramment utilisés dans les projets de construction de ponts et d'autoroutes. Ils peuvent être fabriqués en acier à moyenne teneur en carbone de type 1, et les boulons de ce matériau peuvent être galvanisés pour ralentir considérablement la corrosion. Les boulons A325 peuvent également être fabriqués à partir d'un acier de type 3 soumis aux intempéries, dans lequel les éléments alliés "passent" lorsqu'ils sont exposés à l'air humide. Ce processus de passivation crée une couche d'oxyde imperméable solide et bien liée sur le boulon qui empêche toute corrosion ultérieure. Les boulons A325 ont une résistance à la traction minimale de 120 ksi pour les diamètres inférieurs à un pouce (105 ksi pour les diamètres supérieurs à un pouce).
Ces boulons peuvent être fabriqués à partir d'un acier allié à haute teneur en carbone de type 1 ou d'un acier résistant aux intempéries de type 3, mais contrairement à la nuance A325, les boulons A490 ne peuvent pas être galvanisés en raison de la fragilisation par l'hydrogène qui pourrait se produire au cours du processus de galvanisation à chaud ou mécanique. La nuance A490 spécifie une résistance minimale à la traction de 150 ksi, soit 25 % de plus que la spécification A325. Cette résistance élevée s'accompagne d'inconvénients, notamment une plus grande sensibilité à la corrosion sous contrainte et à la fissuration par l'hydrogène. C'est pourquoi de nombreuses structures sont conçues pour utiliser les boulons A325, plus robustes.
Les différences entre ces deux spécifications donnent un aperçu des nombreux facteurs qui interviennent dans le choix d'un boulon de construction et dans la conception d'un assemblage boulonné. Elles illustrent également à quel point les boulons de construction sont spécialisés et pourquoi ils ne sont pas utilisés dans des applications qui n'exigent pas leur résistance et leur processus de fabrication, de stockage et d'installation hautement spécialisé (et plus coûteux).
Dans les structures toile , les boulons de structure sont largement utilisés dans les connexions techniques entre les éléments de charpente. Le recours à ces écrous et boulons hautement spécifiés et certifiés nous assure que nos structures seront sûres pendant toute leur durée de vie.
Les boulons mécaniques, dont la résistance est classée selon les normes SAE (Society of Automotive Engineers), sont sélectionnés en fonction des propriétés mécaniques spécifiques requises pour l'équipement en question, notamment la résistance au cisaillement, la résistance à la traction, la capacité à résister aux vibrations et à la fatigue, la résistance à la corrosion et les performances en cas de températures extrêmes.
La SAE a attribué plusieurs grades différents aux boulons, du grade 2 au grade 8 (le plus solide), bien que les grades 2, 5 et 8 soient les plus courants.
Les boulons conformes à cette classe ont une résistance à la traction comprise entre 60 et 74 ksi et sont généralement utilisés pour des joints non critiques et des applications telles que la maintenance, la fixation de composants non structurels tels que des capots ou des supports, et la fixation générale non technique. Ces boulons constituent une option rentable et peuvent être entièrement ou partiellement filetés dans des longueurs comprises entre ¼" et 4".
Spécifié pour être fabriqué à partir d'un acier à teneur moyenne en carbone et trempé pour une résistance et une durabilité accrues, un boulon de grade 5 présente une résistance à la traction comprise entre 105 ksi et 120 ksi, ce qui le place au même niveau qu'un boulon ASTM A325. Ces deux spécifications présentent de nombreuses similitudes, mais les différences sont les suivantes.
Ces boulons ont la résistance la plus élevée du système de classification SAE, avec une résistance minimale à la traction de 150 ksi. Le grade 8 de la SAE est à peu près comparable à la spécification ASTM A490. Ces boulons sont souvent utilisés pour les liaisons mécaniques à haute capacité dans les engins de terrassement, dans les suspensions automobiles et dans d'autres applications mécaniques où des forces statiques et dynamiques très élevées sont impliquées.
Bien qu'ils aient une résistance similaire, les boulons classés dans le cadre de la norme SAE sont utilisés dans une plus grande variété d'applications que les boulons de construction classés dans la norme ASTM, plus ciblée. Largement utilisés dans des secteurs tels que l'automobile, l'équipement lourd, les pompes, les générateurs et les turbines, les boulons classés SAE sont souvent utilisés dans des trous filetés borgnes et avec des écrous. Les paramètres tels que la longueur du filetage, le matériau et la finition sont plus variables dans les boulons classés SAE, principalement en raison de la large gamme d'applications des équipements mécaniques. Les fixations classées SAE sont utilisées dans nos structures toile lorsque cela s'avère nécessaire, par exemple pour la quincaillerie d'ouverture des portes et les persiennes de ventilation. Il est essentiel que la quincaillerie spécifiée sur les plans de construction soit utilisée pour la construction du bâtiment. Aucune substitution ne peut être effectuée sans l'approbation de l'ingénieur en bâtiment.
[1] Principalement dans la norme ASTM F3125 "Standard Specification for High Strength Structural Bolts, Steel and Alloy Steel, Heat Treated, 120 ksi (830 MPa) and 150 ksi (1040 MPa) Minimum Tensile Strength, Inch and Metric Dimensions".
