Assemblages Boulonnés en Acier : Guide AISC 360

Un assemblage boulonné transmet les efforts entre pièces en acier au moyen de boulons à haute résistance passant à travers des trous alignés. C'est le type d'assemblage le plus courant en construction métallique, car les boulons s'installent rapidement, autorisent des ajustements sur chantier et peuvent être inspectés visuellement.

Tout assemblage boulonné doit être dimensionné pour qu'aucun mode de ruine unique — cisaillement du boulon, pression diamétrale, arrachement, cisaillement de bloc ou rupture de la section nette — ne soit dépassé sous charges pondérées. Le chapitre J de l'AISC 360-22 fournit les équations d'états limites, et le rôle de l'ingénieur est d'identifier le mode déterminant. Le fait que l'assemblage doive reprendre un moment ou seulement un effort tranchant reconfigure toute la disposition des boulons — voir assemblages de moment vs de cisaillement.

Les assemblages boulonnés se répartissent en deux catégories :

• De type pression diamétrale : les boulons transmettent la charge par cisaillement direct et pression contre la plaque. Le glissement est admis. C'est le choix par défaut pour la plupart des assemblages.
• Résistant au glissement : les boulons sont précontraints pour serrer les pièces entre elles, et la charge est transmise par frottement. Requis lorsque le glissement provoquerait un désalignement, des problèmes de fatigue, ou lorsque des trous surdimensionnés/oblongs sont utilisés.

Les boulons de structure sont des fixations à haute résistance, et non de simples boulons de mécanique. Les deux classes principales sont :

ASTM A325 (équivalent : ISO 8.8, ASTM F3125 Gr F1852)

• Résistance ultime à la traction : F_ut = 830 MPa (120 ksi)
• Résistance nominale au cisaillement (filets exclus) : F_nv = 457 MPa
• Résistance nominale à la traction : F_nt = 620 MPa
• Disponible en diamètres M16 à M36
• Le boulon le plus courant dans la pratique structurale américaine

ASTM A490 (équivalent : ISO 10.9, ASTM F3125 Gr F2280)

• Résistance ultime à la traction : F_ut = 1040 MPa (150 ksi)
• Résistance nominale au cisaillement (filets exclus) : F_nv = 579 MPa
• Résistance nominale à la traction : F_nt = 780 MPa
• Utilisé lorsque les boulons A325 sont insuffisants ou qu'un nombre réduit de boulons est souhaité
• Non autorisé pour les assemblages galvanisés (risque de fragilisation par l'hydrogène)

Le suffixe -N signifie que les filets sont dans le plan de cisaillement (réduit la capacité au cisaillement à 80 % de la valeur -X). Spécifiez toujours -N sauf si vous pouvez garantir que les filets sont exclus du plan de cisaillement, ce qui est difficile en pratique.

> Astuce CalcSteel : l'éditeur d'assemblages sélectionne automatiquement la classe et le diamètre du boulon en fonction des efforts sollicitants, et vérifie chaque mode de ruine en une seule passe.

Le cisaillement du boulon est généralement la première vérification. La résistance de calcul au cisaillement par boulon est :

φR_n = φ × F_nv × A_b

Où :

• φ = 0,75 (LRFD) ou Ω = 2,00 (ASD)
• F_nv = contrainte nominale de cisaillement (dépend de la classe et de l'état des filets)
• A_b = aire nominale du boulon = π d² / 4

Exemple résolu — 3 boulons M20 A325-N en simple cisaillement

• d = 20 mm → A_b = π(20)²/4 = 314,2 mm²
• F_nv = 457 MPa (A325, filets dans le plan de cisaillement → utiliser F_nv directement selon le tableau AISC J3.2)
• Par boulon : φR_n = 0,75 × 457 × 314,2 × 10⁻³ = 107,7 kN
• Pour 3 boulons : φR_n_total = 3 × 107,7 = 323 kN

Si la charge pondérée P_u ≤ 323 kN, les boulons sont vérifiés au cisaillement.

En double cisaillement (boulons traversant trois pièces), la capacité double car chaque boulon présente deux plans de cisaillement.

L'état des filets est déterminant

A325-N (filets inclus) : F_nv = 457 MPa A325-X (filets exclus) : F_nv = 579 MPa

L'état -X donne 27 % de capacité en plus, mais vous devez installer le boulon de sorte que la longueur filetée ne s'étende pas dans le plan de cisaillement. Cela n'est atteint de manière fiable qu'avec un détail soigné et une sélection appropriée de la longueur du boulon.

Même si les boulons sont assez résistants, la plaque autour des trous peut rompre par déformation en pression diamétrale ou par arrachement entre le trou et la rive.

Résistance à la pression diamétrale (AISC J3.10)

φR_n = φ × 2,4 × d × t × F_u

Où d = diamètre du boulon, t = épaisseur de la plaque, F_u = résistance ultime de la plaque.

Pour un boulon M20, plaque de 10 mm (F_u = 400 MPa) : φR_n = 0,75 × 2,4 × 20 × 10 × 400 × 10⁻³ = 144 kN par boulon

Résistance à l'arrachement (AISC J3.10)

φR_n = φ × 1,2 × L_c × t × F_u

Où L_c = distance libre entre le bord du trou et la rive la plus proche ou le trou adjacent.

Pour le boulon d'extrémité avec une distance de rive = 30 mm et un diamètre de trou = 22 mm : L_c = 30 − 22/2 = 30 − 11 = 19 mm φR_n = 0,75 × 1,2 × 19 × 10 × 400 × 10⁻³ = 68,4 kN

Pour les boulons intérieurs avec un entraxe = 60 mm : L_c = 60 − 22 = 38 mm φR_n = 0,75 × 1,2 × 38 × 10 × 400 × 10⁻³ = 136,8 kN

La capacité totale de l'assemblage est la somme de la valeur déterminante (le minimum entre pression diamétrale et arrachement) à chaque boulon.

Total = 68,4 + 136,8 + 136,8 = 342 kN

Remarquez que la capacité à l'arrachement du boulon d'extrémité (68,4 kN) est bien inférieure à celle des boulons intérieurs (136,8 kN). Porter la distance de rive à 40 mm ferait passer l'arrachement du boulon d'extrémité à 87 kN — une amélioration de 27 % sans matériau supplémentaire.

Le cisaillement de bloc survient lorsqu'un bloc de matière s'arrache de la plaque assemblée le long d'une combinaison de plans de cisaillement et de traction. Il est critique pour les poutres grugées, les goussets et les assemblages courts.

L'équation de l'AISC (J4.3) est :

φR_n = φ × (0,6 × F_u × A_nv + U_bs × F_u × A_nt) ≤ φ × (0,6 × F_y × A_gv + U_bs × F_u × A_nt)

Où :

• A_nv = aire nette le long du/des plan(s) de cisaillement
• A_nt = aire nette le long du plan de traction
• A_gv = aire brute le long du/des plan(s) de cisaillement
• U_bs = 1,0 pour une traction uniforme, 0,5 pour une traction non uniforme
• φ = 0,75

Vérification du cisaillement de bloc pour notre exemple

3 boulons sur une seule ligne verticale, plaque de 10 mm, distance de rive 30 mm, entraxe 60 mm :

Plan de cisaillement (le long de la ligne de boulons) :

• Longueur brute : 30 + 2 × 60 = 150 mm
• A_gv = 150 × 10 = 1500 mm²
• Déduction nette : 2,5 trous × 22 × 10 = 550 mm² (2 entiers + 1 demi)
• A_nv = 1500 − 550 = 950 mm²

Plan de traction (perpendiculaire, au boulon supérieur) :

• Longueur brute : 30 mm (de la rive au centre du boulon)
• A_nt = (30 − 22/2) × 10 = 190 mm²

φR_n = 0,75 × (0,6 × 400 × 950 + 1,0 × 400 × 190) × 10⁻³ = 0,75 × (228000 + 76000) × 10⁻³ = 0,75 × 304 = 228 kN

C'est inférieur au cisaillement du boulon (323 kN) et inférieur à l'arrachement (342 kN), donc le cisaillement de bloc est déterminant pour cet assemblage. La solution : augmenter la distance de rive, ou élargir la disposition des boulons vers un arrangement à deux lignes.

La section J3.8 de l'AISC 360-22 exige des assemblages résistants au glissement dans des situations précises :

1. Trous surdimensionnés ou oblongs — Le glissement vers la pression diamétrale provoquerait un désalignement
2. Assemblages soumis à la fatigue — Un glissement répété provoque du fretting et l'amorçage de fissures aux trous de boulons
3. Assemblages avec cisaillement et traction combinés sur les boulons — Là où le glissement pourrait entraîner une ruine progressive
4. Assemblages parasismiques — Selon l'AISC 341, certains assemblages parasismiques doivent être résistants au glissement

Calcul de la résistance au glissement

φR_n = φ × μ × D_u × h_f × T_b × n_s

Où :

• φ = 1,0 (pour la vérification aux charges de service) ou 0,85 (pour la vérification au niveau de résistance)
• μ = coefficient de glissement moyen : 0,30 (Classe A, calamine propre non peinte) ou 0,50 (Classe B, décapé par grenaillage)
• D_u = 1,13 (rapport entre la précontrainte moyenne installée et le minimum spécifié)
• h_f = facteur de fourrure (1,0 sans fourrure)
• T_b = précontrainte minimale du boulon (selon le tableau AISC J3.1)
• n_s = nombre de plans de glissement

Pour un boulon M20 A325, surface de Classe A, un seul plan de glissement :

• T_b = 142 kN (tableau J3.1)
• φR_n = 1,0 × 0,30 × 1,13 × 1,0 × 142 × 1 = 48,1 kN par boulon

À comparer au cisaillement de type pression diamétrale : 107,7 kN. La capacité résistante au glissement est inférieure de moitié ! C'est pourquoi les assemblages résistants au glissement exigent davantage de boulons. Mais ils empêchent le glissement qui cause les dommages de fatigue.

Les surfaces de Classe B (décapées par grenaillage) donnent μ = 0,50, ce qui porte la capacité au glissement à 80,2 kN — bien plus proche de la capacité en pression diamétrale. Le coût de la préparation de surface est rentabilisé par un nombre réduit de boulons.

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La disposition des boulons suit des règles AISC précises (J3.3-J3.5) et des principes pratiques :

Entraxe minimal

• De centre à centre : 2⅔d (préféré 3d). Pour M20 : minimum 53 mm, préféré 60 mm
• Un entraxe plus serré rend la pression diamétrale et l'arrachement critiques

Distance de rive minimale

• Trous normaux : dépend de la taille du boulon et du type de bord (cisaillé vs laminé). Pour M20 : 26 mm minimum (tableau J3.4)
• Préféré : 1,5d à 2d (30-40 mm pour M20)

Entraxe et distance de rive maximaux

• Entraxe maximal : min(24t, 305 mm) pour les pièces peintes, min(14t, 178 mm) pour les non peintes
• Distance de rive maximale : 12t ≤ 150 mm
• Ces limites empêchent l'entrée d'humidité et assurent le partage des charges

Règles pratiques de disposition

1. Utilisez des trusquinages standard — Les trusquinages d'aile des profilés en W sont tabulés dans le Manuel AISC (tableau 1-7A). Utiliser des trusquinages standard signifie des cornières d'assemblage standard et moins d'erreurs de fabrication.
2. Deux rangées verticales valent mieux qu'une — Double la capacité au cisaillement de bloc et réduit l'excentricité
3. Décalez les boulons en quinconce lorsque c'est possible — Les dispositions en quinconce améliorent l'efficacité de la section nette
4. Gardez un nombre de boulons maîtrisable — Plus de 6-8 boulons sur une ligne provoque une répartition inégale des charges. Regroupez sur deux lignes ou plus.
5. Adaptez l'épaisseur de la plaque à la taille du boulon — Règle empirique : épaisseur de plaque ≥ diamètre du boulon pour une pression diamétrale efficace. Des plaques trop minces gaspillent la capacité du boulon.

La même discipline de disposition se retrouve dans le dimensionnement des platines de pied de poteau, où des groupes de tiges d'ancrage remplacent les boulons traversants mais où la logique d'entraxe et de distance de rive est identique.

Le dimensionnement manuel d'un assemblage boulonné exige de vérifier cinq modes de ruine ou plus à chaque emplacement de boulon, pour chaque combinaison de charges. CalcSteel automatise cela :

Ce que le moteur d'assemblages vérifie

1. Cisaillement du boulon — Simple ou double cisaillement, filets inclus ou exclus, par groupe de boulons
2. Pression diamétrale et arrachement — À chaque boulon, en tenant compte des distances de rive et d'entraxe réelles
3. Cisaillement de bloc — Tous les chemins de ruine possibles, y compris les schémas en L et en U
4. Rupture de la section nette — En tenant compte des trous en quinconce via la règle s²/4g
5. Cisaillement et traction combinés — L'équation d'interaction elliptique de l'AISC
6. Résistance au glissement — Lorsque l'assemblage est signalé comme résistant au glissement

Comment fonctionne l'optimiseur

Étant donné les efforts sollicitants à un nœud, le moteur d'assemblages :

• Sélectionne la classe et le diamètre du boulon (à partir de M16 A325-N)
• Essaie des dispositions de boulons (une ligne, deux lignes, en quinconce) avec des trusquinages standard
• Vérifie tous les modes de ruine pour la combinaison la plus légère
• Rapporte le mode déterminant et le taux d'utilisation

Le résultat est un assemblage entièrement conforme au code que vous pouvez vérifier par rapport au calcul manuel présenté ci-dessus. Chaque valeur intermédiaire — distance libre, aire nette, coefficient de glissement — est visible dans le rapport de détail de l'assemblage.

Quand intervenir

L'optimiseur traite bien les cas standard, mais certaines situations exigent un jugement d'ingénieur :

• Assemblages avec excentricité (groupes de boulons chargés hors centre)
• Assemblages de moment avec groupes de boulons en traction et en compression
• Assemblages aux grugeages de poutre où plusieurs modes de ruine interagissent
• Assemblages mixtes avec boulons et soudures, où la gorge de soudure doit être dimensionnée selon la résistance des soudures d'angle

Dans ces cas, remplacez le dimensionnement automatique et vérifiez chaque état limite manuellement à l'aide de la sortie détaillée.