Le point zéro de la méthode de précontrainte la plus fiable est le plein effort d’un monteur de charpente

Le document compte cent dix-huit pages, est daté du 11 juin 2020, est publié par le Research Council on Structural Connections et est disponible gratuitement dans son intégralité. Il remplace l’édition 2014. Il régit les assemblages de charpente métallique aux États-Unis ; ce n’est pas une norme internationale et il ne couvre pas les vis à métaux ordinaires, si bien que rien ici ne doit être transposé à un autre type d’assemblage.

Ce qui le rend intéressant au-delà de son domaine, c’est la fréquence avec laquelle il dit ouvertement ce qu’il ne sait pas, et cette page porte surtout sur ces passages.

La définition modifiée puis rétablie

La section 8.1 énumère quatre exigences pour un assemblage serré snug-tight, et aucune n’est un nombre. Des trous alignés de sorte que les boulons s’insèrent sans endommager indûment les filets. Des boulons dans tous les trous, les rondelles positionnées, les écrous vissés. Le compactage de l’assemblage, progressant méthodiquement depuis la partie la plus rigide de l’assemblage. Et l’assemblage amené à l’état snug-tight avec une longueur d’engagement du filetage suffisante.

Le commentaire ajoute la version pratique, c’est-à-dire la même liste de gestes humains plus un : l’utilisation d’une clé dynamométrique électrique jusqu’à ce qu’elle commence à ralentir. Et un avertissement : plus d’un passage sur l’ensemble des boulons peut être nécessaire.

Vient ensuite le paragraphe qui explique tout.

Le comité a donc bien tenté de resserrer le libellé. Cela a tenu cinq ans. Le problème est que l’état snug-tight n’est pas seulement un état à contrôler, c’est l’origine d’une mesure, et une définition suffisante pour l’une de ces tâches ne l’était pas pour l’autre. Tourner d’un demi-tour à partir d’un départ ambigu donne une précontrainte ambiguë. Le libellé qui a survécu est volontairement vague sur le couple et précis sur l’état physique : les plats en contact ferme, et une quantité définie d’effort humain appliquée.

Le même commentaire dit franchement ce que le contact ferme ne signifie pas. Dans un matériau épais ou présentant de grosses bavures, « il peut être impossible d’obtenir le contact des surfaces de frottement à l’emplacement de tous les trous … Cela n’est généralement pas préjudiciable au comportement de l’assemblage. » (traduction) Des jeux peuvent subsister, et le document le dit au lieu de laisser le chantier le découvrir.

Le tableau des rotations est une grille en sixièmes

Le tableau 8.1 donne la rotation d’écrou requise à partir de l’état snug-tight. Trois plages de longueur de boulon, trois descriptions du parallélisme des faces extérieures.

Lu comme une grille, c’est une seule règle ; c’est notre propre observation, pas celle de la norme. On part d’un tiers de tour. On ajoute un sixième pour chaque plage de longueur vers le bas, et un sixième pour chaque degré d’inclinaison vers la droite. Chaque case du tableau est à un sixième de ses voisines dans les deux directions.

Lisez maintenant la note a. La tolérance sur toutes les rotations requises est de plus 60 degrés, soit un sixième de tour, et moins zéro.

Le dépassement admis vaut donc exactement une case du tableau. Tourner d’une case de trop reste dans la tolérance. Tourner d’une case de moins en sort, sans aucune marge. Tout le dispositif repose sur une unité unique, généreux dans un sens et intransigeant dans l’autre, ce qui est la bonne forme pour une méthode dont le mode de défaillance est une précontrainte insuffisante.

Deux autres notes comptent. La rotation de l’écrou s’entend par rapport au boulon, quel que soit l’élément tourné ; peu importe donc que l’on tienne la tête ou l’écrou. Et le tableau ne s’applique qu’aux assemblages dont toute la matière serrée est de l’acier. Mettez autre chose dans l’empilage et le tableau ne s’applique plus.

Le tableau s’arrête à douze diamètres parce que la recherche s’y arrête

Il n’y a pas de quatrième ligne. La note c indique que, lorsque la longueur du boulon dépasse douze diamètres, la rotation requise doit être déterminée par des essais réels dans un dispositif adapté de mesure de la tension des boulons. Le commentaire dit pourquoi, sans fioritures.

Le tableau ne s’arrête pas parce que les boulons longs sont rares ou parce que le comité a manqué de place. Il s’arrête là où s’arrêtent les preuves, et il fournit à la place une procédure : essayer trois échantillons de chaque combinaison de lot de boulons et de lot d’écrous destinée à l’ouvrage, dans un dispositif de mesure de tension, et établir soi-même la rotation.

Le même commentaire défend la méthode sans détour, et c’est la phrase à citer à quiconque pense que la clé dynamométrique est l’instrument le plus scientifique.

Un pilotage par la déformation qui atteint le domaine inélastique. On compte les tours précisément parce que le boulon est amené au-delà de sa limite d’élasticité de manière contrôlée, et l’allongement est une grandeur que l’on peut piloter par la rotation. Le couple ne l’est pas, car il se dépense surtout en frottement. Cet argument apparaît sur ce site par l’autre bout, et c’est le même argument.

Le test de réutilisation qui se fait à la main

La section 2.11 est nouvelle dans l’édition 2020 : sortie du commentaire et développée. Elle tient en trois phrases.

• Les boulons à tête hexagonale renforcée Group 120 sans revêtement peuvent être réutilisés, dans les assemblages serrés snug-tight sans l’accord de l’Engineer of Record, et dans les assemblages précontraints et résistant au glissement avec son accord
• Les boulons galvanisés ou revêtus de tout Group ou grade, les ensembles à bout cannelé galvanisés ou revêtus de tout Group ou grade, et les boulons à tête hexagonale renforcée Group 150 ne doivent pas être réutilisés
• Un resserrage ne doit pas être considéré comme une réutilisation

Le commentaire donne ensuite, en un paragraphe, la raison et un test de chantier. La pose précontrainte implique l’allongement inélastique de la partie filetée comprise entre l’écrou et la fin du filetage. Un boulon Grade A325 sans revêtement a assez de ductilité pour en supporter plus d’une. Le Grade A490 en a assez pour une et n’est pas suffisamment ductile de façon constante pour en subir une autre. La galvanisation réduit la capacité de rotation de l’écrou, d’où l’exclusion des boulons revêtus.

Un test à la main, imprimé dans une spécification, pour une propriété qui exigerait sinon un dispositif de mesure de tension. Il fonctionne parce que le défaut recherché est un allongement permanent du filetage, et qu’un filetage allongé force. Rien d’autre dans ce document n’est aussi simple à appliquer.

Où les rondelles sont réellement exigées

La section 6 commence par lever une idée reçue. Les rondelles ne sont pas exigées dans les assemblages serrés snug-tight, et elles ne sont pas exigées non plus dans les assemblages précontraints ou résistant au glissement. Suivent les exceptions, et ce sont elles qui sont intéressantes, car elles sont liées à la méthode et non à la charge.

• Une inclinaison supérieure à 1:20 sur une face extérieure appelle une rondelle biaise pour compenser le défaut de parallélisme
• Un trou oblong dans un plat extérieur appelle une rondelle assez grande pour couvrir entièrement le trou
• La méthode de la clé étalonnée exige une rondelle sous l’écrou
• La méthode des boulons à rupture de queue (twist-off) en exige une sous l’écrou, comme partie de l’ensemble
• La méthode combinée en exige une sous l’écrou
• La méthode des rondelles indicatrices de tension directe, lorsque l’indicateur se trouve sous l’élément tourné, exige une rondelle entre l’élément tourné et l’indicateur

Trois de ces six cas existent parce qu’une méthode a besoin d’une surface de frottement maîtrisée contre laquelle tourner. La rondelle ne protège pas l’acier. Elle fait partie de l’instrument.

Pourquoi le lire hors de la charpente métallique

Très peu de choses se transposent. Les grades sont américains, les types d’assemblage relèvent de la charpente, et le tableau des rotations est explicitement limité aux empilages entièrement en acier. Rien sur cette page ne doit être appliqué à un boulon métrique dans une machine.

Une idée se transpose, et elle a désormais sa propre page. La même spécification définit côte à côte l’assemblage résistant au glissement et l’assemblage en cisaillement/pression diamétrale, et l’équation de glissement multiplie par la précontrainte, de sorte qu’un boulon sans précontrainte laisse un assemblage sans aucune résistance au glissement, et non un assemblage affaibli. C’est un énoncé sur les cheminements d’effort, pas sur les grades américains, et il vaut partout où deux plats sont serrés ensemble.

Le mot que définit cette spécification n’est pas celui qu’emploie la norme américaine de sécurité au travail lorsqu’elle dit combien de boulons doivent être posés avant qu’une grue lâche un élément. Cette norme exige wrench-tight, ne le définit nulle part et renvoie la définition à l’ingénieur qui a apposé son cachet sur les plans ; c’est un autre document qui arrive près du même endroit par un autre chemin.

Ce qui se transpose, c’est la forme du document. À trois reprises dans les sections ci-dessus, il dit ce qu’une spécification cache d’ordinaire : qu’une définition a été modifiée puis a dû être rétablie, qu’un tableau s’arrête là où s’arrête la recherche, et que le test pratique de l’une de ses règles consiste à voir si un écrou se visse à la main. Une spécification qui dit ces choses ouvertement est plus facile à appliquer correctement qu’une autre à la surface lisse, parce qu’on voit quelles parties relèvent de la mesure et lesquelles de la convention.

Et la phrase par laquelle tout commence reste la meilleure. La méthode de précontrainte la plus fiable qui existe part d’un état défini comme le plein effort d’un monteur de charpente utilisant une clé de monteur ordinaire.

La rondelle porte aussi un type. La spécification exige que le type de ces rondelles, Type 1 ou Type 3, soit celui du boulon, et si personne n’indique le type de boulon, l’un ou l’autre peut être livré.

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

Que signifie exactement snug-tight ?

La spécification RCSC définit l’état snug-tight comme l’état de l’assemblage dans lequel les plats ont été amenés en contact ferme et où chaque ensemble boulonné a au moins le serrage obtenu soit par quelques coups d’une clé à chocs, soit par la résistance d’une clé adaptée sans percussion, soit par le plein effort d’un monteur de charpente utilisant une clé de monteur ordinaire. La définition ne contient aucune valeur de couple.

Pourquoi l’état snug-tight n’est-il pas défini par un couple ?

Parce qu’il est le point de départ de la méthode du tour d’écrou autant qu’un état à contrôler. Le commentaire rappelle que la définition a été temporairement modifiée dans la spécification de 2009 puis ramenée en 2014 au libellé de 2004, car la version de 2009, adaptée au contrôle, s’est révélée inadaptée pour définir un point de départ convenable pour le tour d’écrou.

De combien tourne-t-on l’écrou avec la méthode du tour d’écrou ?

Le tableau 8.1 donne un tiers de tour pour des boulons d’une longueur allant jusqu’à quatre diamètres avec les deux faces perpendiculaires à l’axe, jusqu’à un tour complet pour des boulons de huit à douze diamètres avec les deux faces inclinées. Lu comme une grille, ce qui est notre propre observation, chaque pas dans l’une ou l’autre direction ajoute un sixième de tour.

Quelle est la tolérance sur la rotation ?

Plus 60 degrés, soit un sixième de tour, et moins zéro degré. D’après notre propre comparaison, le dépassement admis vaut donc exactement une case du tableau, tandis qu’il n’existe aucune marge pour une rotation insuffisante.

Pourquoi le tableau du tour d’écrou s’arrête-t-il à douze diamètres ?

Le commentaire l’explique : aucune recherche disponible n’établit la rotation d’écrou requise pour des longueurs de boulon supérieures à douze diamètres. Au-delà, la note c exige de déterminer la rotation par des essais réels dans un dispositif adapté de mesure de la tension des boulons, et le commentaire suggère d’essayer trois échantillons de chaque combinaison de lot de boulons et de lot d’écrous.

Le tour d’écrou vaut-il mieux qu’une clé dynamométrique ?

La spécification le dit directement. Son commentaire indique que le tour d’écrou donne des précontraintes plus fiables que celles qu’offrent généralement les méthodes pilotées par le couple, car un pilotage par la déformation qui atteint le domaine inélastique du comportement du boulon est intrinsèquement plus fiable qu’une méthode entièrement dépendante du contrôle du couple.

Un boulon de charpente peut-il être réutilisé ?

Selon la section 2.11, les boulons à tête hexagonale renforcée Group 120 sans revêtement peuvent être réutilisés dans les assemblages serrés snug-tight sans l’accord de l’Engineer of Record, et dans les assemblages précontraints ou résistant au glissement avec son accord. Les boulons galvanisés ou revêtus de tout groupe ou grade et les boulons à tête hexagonale renforcée Group 150 ne doivent pas être réutilisés. Un resserrage n’est pas considéré comme une réutilisation.

Existe-t-il un test rapide pour savoir si un boulon peut être réutilisé ?

Le commentaire en donne un. En règle empirique simple, un boulon Grade A325 sans revêtement peut être réutilisé si l’écrou peut être vissé à la main sur toute la longueur du filetage. La raison : la précontrainte allonge de façon inélastique la partie filetée entre l’écrou et la fin du filetage, et un filetage allongé force.

Les rondelles sont-elles exigées sur les boulons de charpente ?

Pas en général. La section 6 indique que les rondelles ne sont exigées ni dans les assemblages serrés snug-tight, ni dans les assemblages précontraints ou résistant au glissement, puis énumère les exceptions. Une inclinaison supérieure à 1:20 demande une rondelle biaise, un trou oblong dans un plat extérieur une rondelle assez grande pour le couvrir, et les méthodes de la clé étalonnée, des boulons à rupture de queue et combinée en exigent chacune une sous l’écrou, de même que la méthode des indicateurs de tension directe lorsque l’indicateur est sous l’élément tourné.

Références

• Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 juin 2020, Research Council on Structural Connections. Glossaire, sections 2.11, 6, 8.1 et 8.2.1, tableau 8.1
• Page des documents du Research Council on Structural Connections, où la spécification est publiée intégralement et gratuitement

Il s’agit d’un PDF complet et gratuit de 118 pages publié par le Research Council on Structural Connections, et non d’un extrait. Il est daté du 11 juin 2020 et remplace l’édition 2014. C’est une spécification américaine pour les assemblages de charpente métallique. Ce n’est pas une norme internationale, elle ne couvre pas les vis à métaux ordinaires, et rien sur cette page ne doit être appliqué à un autre type d’assemblage ou à des fixations métriques. Les points suivants sont nos propres observations, et non des énoncés de la spécification : que le tableau 8.1 est une grille unique en sixièmes de tour, que chaque pas dans l’une ou l’autre direction ajoute un sixième, et que la tolérance de plus 60 degrés de la note a vaut donc exactement une case du tableau. Le tableau 8.1 a été vérifié sur une image rendue de la page imprimée, car les caractères de fraction ne survivent pas à l’extraction du texte. Rien n’est cité des normes ASTM F3125, F1852, F2280, F3148, F436 ou F959 au-delà des phrases de la spécification RCSC qui les nomment. Le tableau 5.2, qui donne les précontraintes minimales, n’est pas cité, pas plus que la section 7 sur la vérification avant pose ni la section 9 sur le contrôle ; elles n’ont pas été lues en détail. Cette page décrit un document. Ce n’est pas une instruction de pose ou de contrôle. Contrairement à la plupart des articles de cette série, elle ne part pas d’une question de forum : les subreddits consacrés au calcul des structures et à la construction ne comportaient ce mois-ci aucune question adaptée sur les fixations, et le sujet a donc été choisi parmi les lacunes du site, où RCSC, direct tension indicator, load indicating, F959, A325 et F3125 ne donnaient aucun résultat.