Un boulon desserré ne crée pas un assemblage faible, mais un autre assemblage

Le document est une spécification de construction métallique pour bâtiments et ponts. Il s’agit de la RCSC Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts du 11 juin 2020, 118 pages disponibles gratuitement en entier. Elle ne dit rien des véhicules et ses chiffres ne sont appliqués ici à aucun d’eux. Elle est citée parce qu’elle fait ce que presque aucun autre document gratuit ne fait : définir côte à côte les deux types d’assemblage cisaillé dans un même glossaire.

Nous ne diagnostiquons pas non plus le châssis de la photo, que nous n’avons pas vu directement, et ne nommons aucun véhicule.

Deux définitions dans un même glossaire

Les voici dans les termes de la spécification.

Mêmes boulons, mêmes trous, mêmes plaques. Seul change le chemin de charge. Dans un cas, l’effort traverse l’assemblage par friction entre deux surfaces serrées et le boulon ne le ressent jamais en cisaillement. Dans l’autre, les plaques glissent jusqu’au contact métal contre métal ; la tige transmet l’effort à travers le jeu et la paroi du trou le transmet à la plaque.

La grandeur décisive est également définie. Le coefficient moyen de glissement est “the ratio of the frictional shear load at the faying surface to the total normal force when slip occurs”. Effort de cisaillement par friction divisé par effort normal. Sans effort normal, aucun effort de friction.

L’équation le dit plus franchement que toute phrase

L’article 5.4 donne la résistance nominale au glissement par boulon. Lire les termes suffit.

• µ, coefficient moyen de glissement lié à l’état de surface
• D_u, 1,13 pour les bâtiments et 1,00 pour les ponts
• h_f, facteur de fourrure, 1,0 ou 0,85
• T_m, précontrainte minimale du boulon
• n_s, nombre de plans de glissement
• k_sc, réduction lorsque les mêmes boulons portent aussi une traction appliquée

Tous sont multipliés. L’énoncé suivant est notre lecture de l’arithmétique, pas une phrase de la norme, mais le calcul est sans ambiguïté : la résistance au glissement est directement proportionnelle à la précontrainte. Divisez la précontrainte par deux, la résistance l’est aussi. Ramenez-la à zéro, il ne reste rien.

Un assemblage non serré n’est donc pas une version légèrement moins bonne d’un assemblage serré. Il a changé de catégorie. Les critères de l’autre définition s’appliquent désormais, sans que personne les ait choisis.

La distance parcourue avant que le boulon touche le trou

Le commentaire de l’article 4.1 répond par un nombre à la question posée par la photo.

Quel est ce jeu ? Le tableau 3.1 donne les dimensions nominales des trous ; les jeux ci-dessous résultent de notre soustraction.

Le jeu standard est de 1/16 in de 1/2 à 7/8 in, puis double à 1/8 in pour 1 in et reste ainsi. Ce doublement en une ligne est notre observation ; la norme imprime seulement les diamètres.

Pour un boulon de 3/4 in dans un trou standard : jeu de 1/16 in. Le glissement maximal théorique, deux fois cette valeur, est de 1/8 in, environ 3,2 mm. Le glissement observé, environ la moitié du jeu, est de 1/32 in, près de 0,8 mm. Dans un trou surdimensionné, le jeu triple et le maximum théorique atteint 3/8 in, environ 9,5 mm.

Quelques millimètres séparent un assemblage qui tient d’un assemblage où la tige porte contre la paroi. Le commentaire ajoute que cela se produit souvent avant toute charge : “Acceptable inaccuracies in the location of holes within a pattern of bolts usually cause one or more bolts to be in bearing in the initial, unloaded condition.”

La surface travaille davantage que la classe du boulon

L’autre terme à examiner est µ, qui n’est pas une propriété de la fixation. La spécification donne deux valeurs.

• Classe A, µ = 0,30. Surfaces d’acier non peintes à calamine propre, surfaces revêtues classe A sur acier décapé, ou galvanisées à chaud
• Classe B, µ = 0,50. Surfaces d’acier non peintes décapées ou surfaces revêtues classe B sur acier décapé

La classe B vaut cinq tiers de la classe A, selon notre division : décaper les surfaces apporte environ deux tiers de résistance au glissement en plus par rapport à la calamine. Le boulon n’a pas changé. La galvanisation à chaud figure en classe A, pas B.

C’est la deuxième fois en une semaine que la surface en contact s’avère déterminante plutôt que la quincaillerie qui la traverse. L’autre cas était une norme de liaison équipotentielle qui interdit les rondelles éventail, car le courant traverse les surfaces préparées et la fixation ne fait que maintenir la pression. Même géométrie, deux fonctions ; dans les deux cas, le boulon fournit l’effort de serrage sans faire lui-même le travail.

Quand le serrage à fond cesse d’être permis

Les assemblages serrés à fond sont permis par défaut. L’article 4.2 énumère ensuite les cas où la précontrainte devient obligatoire, et l’article 4.3 ceux où l’assemblage doit être antiglissement. Deux entrées méritent d’être lues pour toute structure mobile.

• Les assemblages précontraints sont exigés pour les joints soumis à une inversion importante des efforts et à une charge de fatigue sans inversion de direction
• Les assemblages antiglissement sont exigés sous fatigue avec inversion de direction, avec des trous surdimensionnés, avec la plupart des trous oblongs, et lorsque le glissement des surfaces nuirait aux performances de la structure

Le commentaire explique le premier cas : ces assemblages “must be slip-critical joints since slip may result in back and forth movement of the joint and have potential for accelerated fatigue failure”. Mouvement de va-et-vient : non pas un glissement unique jusqu’au matage, mais un assemblage qui atteint la paroi, revient puis la frappe encore.

C’est le mécanisme de la photo et la raison pour laquelle le trou, et non le boulon, a été endommagé. La signification du serrage à fond dans cette spécification est une autre question traitée ailleurs.

Un trou agrandi est un autre trou

Deux autres dispositions ferment la boucle. Le type de trou n’est pas une simple description : les coefficients de résistance varient.

Deux observations, les nôtres : un oblong long coûte trente pour cent de résistance au glissement par rapport à un trou standard. Et les facteurs en contraintes admissibles valent exactement 1,50 divisé par les facteurs de charge : 1,50 ÷ 0,85 = 1,7647, imprimé 1,76, et 1,50 ÷ 0,70 = 2,1429, imprimé 2,14. Deux lignes, deux concordances exactes ; la norme n’énonce pas la relation.

Le commentaire du tableau 3.1 explicite la conséquence : “When the dimensions of bolt holes are such that they exceed these permitted variations, the bolt hole must be treated as the next larger type.” Un trou agrandi n’est pas un trou standard annoté. C’est un trou surdimensionné avec sa réduction ; s’il continue de croître, il devient oblong.

À retenir

• La résistance au glissement est proportionnelle à la précontrainte. Celle-ci est un multiplicateur ; une précontrainte nulle donne donc une résistance nulle, pas réduite
• Un assemblage sans précontrainte est un autre cas de calcul, régi par le cisaillement des boulons et le matage du matériau
• La distance à la paroi est faible. Le maximum théorique vaut deux fois le jeu et l’observation environ la moitié ; pour un boulon de 3/4 in, environ 3,2 mm en théorie et moins d’un millimètre en pratique
• Le jeu standard vaut 1/16 in jusqu’à 7/8 in, puis double à 1/8 in à 1 in
• La surface en contact porte la friction, pas le boulon. Décapée : 0,50 ; calaminée : 0,30 ; galvanisée à chaud : classe inférieure
• La fatigue alternée interdit le simple serrage à fond, car le glissement devient un va-et-vient
• Un trou hors tolérance est reclassé au type supérieur, chaque étape coûtant de la résistance
• Aucun chiffre ne concerne un véhicule. La spécification porte sur la construction métallique et est citée pour son raisonnement

Les boulons de la photo n’ont jamais transmis l’effort comme prévu. C’étaient des axes dans des trous légèrement surdimensionnés, et le cadre était le plus tendre des deux éléments en contact.

Ces catégories n’ont pas toujours existé. La spécification est apparue en 1951 comme une règle permettant de mettre un boulon à la place d’un rivet, avec chaque assemblage précontraint sur acier nu ; la séparation des types est venue trois ans plus tard.

Parfois, l’assemblage doit bouger ; la spécification change alors entièrement : une règle fédérale exige que les boulons soient serrés tout en laissant coulisser les pièces, sans jamais citer de couple.

Cet article ne relève pas d’une seule des six étapes : il en traverse plusieurs ou intervient après l’assemblage. Les décisions qui y conduisent sont présentées dans l’article anglais Specifying a screw.

Questions fréquentes

Pourquoi un boulon non serré endommage-t-il le trou au lieu de porter moins ?

Parce que l’assemblage change de catégorie. Dans la spécification RCSC, la résistance au glissement est le produit du coefficient de glissement, de la précontrainte et d’autres facteurs ; sans précontrainte, elle est nulle. Les plaques glissent jusqu’au contact de la tige avec la paroi, et le chemin de charge devient cisaillement du boulon et matage du matériau.

Jusqu’où un assemblage boulonné peut-il glisser ?

Le commentaire de l’article 4.1 donne un maximum théorique égal à deux fois le jeu et une observation en laboratoire et sur site d’environ la moitié du jeu. Pour un boulon de 3/4 in dans un trou standard, le jeu est de 1/16 in : environ 3,2 mm en théorie et moins d’un millimètre observé.

Quel est le jeu d’un trou standard ?

Selon notre soustraction du tableau 3.1, 1/16 in pour les boulons de 1/2 à 7/8 in, puis 1/8 in à partir de 1 in. Les trous surdimensionnés donnent 1/8 in à 1/2 in, 3/16 in de 5/8 à 7/8 in, 1/4 in à 1 in et 5/16 in au-delà.

Qu’est-ce qu’un assemblage antiglissement ?

La spécification le définit comme un assemblage transmettant du cisaillement, seul ou avec traction, dont les boulons fournissent une précontrainte — effort de serrage sur les surfaces — et dont les surfaces préparées donnent une résistance calculable au glissement. L’assemblage par cisaillement et matage est au contraire calculé sur la résistance des boulons et des matériaux assemblés.

La finition de surface change-t-elle la capacité ?

Pour le glissement, oui, fortement. Le coefficient moyen est 0,30 pour la classe A, qui comprend la calamine propre et la galvanisation à chaud, et 0,50 pour la classe B, acier non peint décapé ou revêtement classe B. Selon notre division, B vaut cinq tiers de A, sans changer le boulon.

Quand la spécification impose-t-elle la précontrainte ?

L’article 4.2 l’impose lorsque le code applicable l’exige, sous inversion importante des efforts, fatigue sans inversion, pour les ensembles du groupe 120 sous fatigue en traction, et les groupes 144 ou 150 sous traction ou combinaison cisaillement-traction.

Pourquoi la fatigue alternée exige-t-elle un assemblage antiglissement ?

Le commentaire dit que le glissement peut provoquer un va-et-vient et accélérer la rupture par fatigue. Un glissement unique met le boulon contre le trou ; une charge inversée le ramène puis le renvoie.

Que se passe-t-il si le trou est trop grand ?

Le commentaire du tableau 3.1 exige de le traiter comme le type immédiatement supérieur. Ce n’est pas administratif : le coefficient de résistance au glissement passe de 1,00 pour un trou standard à 0,85 pour un trou surdimensionné et 0,70 pour un oblong long.

Cela s’applique-t-il à une voiture ou à une machine ?

Pas directement, et cette page ne le prétend pas. La spécification RCSC couvre les assemblages structuraux de bâtiments et de ponts. Elle est citée parce qu’elle distingue très clairement assemblage par friction et par matage, et qu’elle est entièrement gratuite.

Références

• RCSC, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 June 2020. Document complet, 118 pages, gratuit. Glossaire, tableau 3.1, articles 4.1 à 4.3 et 5.4
• r/Justrolledintotheshop, où la photo de boulons de bras de suspension non serrés et de leurs dégâts a suscité la question

La spécification RCSC a été lue en entier ; les 118 pages sont téléchargeables gratuitement. C’est une spécification de construction métallique pour bâtiments et ponts. Elle ne s’applique ni aux véhicules ni aux machines, et aucun chiffre de cette page ne doit leur être transposé. Elle est citée pour sa séparation des deux assemblages cisaillés, pas pour ses chiffres. Nous ne diagnostiquons pas le châssis de la photo, que nous n’avons pas vu, et ne nommons ni marque ni modèle. Les éléments suivants sont nos calculs ou lectures, pas des énoncés de la spécification : la proportionnalité de la résistance à la précontrainte et sa nullité sans elle, issue de l’équation 5.6 ; le rapport de cinq tiers entre classes B et A ; les jeux calculés par soustraction à partir du tableau 3.1 et leur doublement de 1/16 à 1/8 in à un pouce ; les distances de glissement pour 3/4 in ; et l’égalité exacte des facteurs de contraintes admissibles à 1,50 divisé par les facteurs de charge. L’équation 5.6, ses coefficients et le tableau 3.1 ont été vérifiés sur des images rendues des pages imprimées, pas sur du texte extrait. Les précontraintes minimales du tableau 5.2 ne sont pas reproduites, car elles sont inutiles ici et particulièrement susceptibles d’être sorties de leur contexte. La relation usuelle entre précontrainte et section résistante n’est pas donnée non plus : sa vérification demanderait des pas et une formule absents du document. AISC 360, EN 1090 et ASTM F3125 n’ont pas été lus. Nous avons lu le message du forum, pas ses réponses. Le serrage à fond et la méthode du tour d’écrou sont traités sur une page antérieure.