Soudure ou boulon : coût, résistance et contrôle comparés sur un même assemblage

Demandez à un projeteur s'il faut souder ou boulonner un assemblage et vous obtenez en général une réponse de culture d'atelier : ce fabricant soude tout, cet monteur boulonne tout. Les deux peuvent avoir raison, car la réponse honnête n'est pas une comparaison mais trois, et elles s'accordent rarement. L'une demande quel assemblage reprend le plus de charge. L'une demande lequel coûte moins cher à réaliser. L'une demande lequel coûte plus cher à prouver sain. Une soudure peut gagner la première, perdre la deuxième et changer la troisième selon l'endroit où le travail se fait.

La manière la plus nette de voir les trois d'un coup est d'arrêter de discuter en général et de dimensionner le même assemblage des deux façons. C'est donc ce que nous faisons ici : une platine, une réaction pondérée, vérifiée une fois avec un groupe de boulons et une fois avec une soudure d'angle selon l'AISC 360, la demande étant tirée d'une analyse CalcSteel réelle plutôt que supposée. Ensuite nous alignons les deux sur la résistance, sur le coût et sur le contrôle, et nous laissons les nombres dire où chacune a sa place.

La demande n'est pas inventée. Une poutre sur appuis simples de 8 m de portée reprend une charge uniforme pondérée de 50 kN/m, et le moteur CalcSteel renvoie une réaction d'appui de 200 kN, exactement le wL/2 de la forme fermée. Cette réaction est le cisaillement que l'assemblage d'extrémité doit transmettre à l'appui, donc V_u = 200 kN est le nombre que les deux organes doivent battre.

L'élément d'assemblage est le même dans les deux dimensionnements : une platine de 10 mm, 200 mm de haut, en acier A36 (F_y = 250 MPa, F_u = 400 MPa). Dans la version boulonnée la platine est percée et boulonnée à l'appui ; dans la version soudée la même platine y est soudée par un cordon d'angle le long de ses deux bords verticaux. Garder la platine identique est ce qui rend la comparaison équitable : seul l'organe d'assemblage change.

Prenez des boulons M20 A325 (Groupe A) en cisaillement simple, avec le filet dans le plan de cisaillement, l'hypothèse courante et sécuritaire. Le tableau J3.2 de l'AISC 360 donne une contrainte nominale de cisaillement F_nv = 372 MPa (54 ksi), et l'aire du boulon est A_b = πd²/4 = 314 mm². Le cisaillement nominal par boulon est F_nvA_b, et avec le facteur de résistance φ = 0,75 la résistance de calcul est φR_n = 87,7 kN par boulon.

En divisant la demande par ce palier, 200 / 87,7 = 2,3, il nous faut donc 3 boulons, ce qui donne une résistance de groupe au cisaillement de 3 × 87,7 = 263 kN, soit un taux de travail de 76 pour cent. Le cisaillement des boulons gouverne l'organe ici : le plafond de pression diamétrale et de déchirement de la platine est de 144 kN par boulon, bien au-dessus des 87,7 kN, donc les boulons cèdent avant les trous. Ces vérifications de la platine restent à faire, et elles sont traitées dans le guide de pression diamétrale et déchirement ; elles sont une propriété de la platine, pas du choix de boulonner.

Soudons maintenant la même platine à l'appui par un cordon d'angle le long de chacun de ses deux bords verticaux, soit une longueur totale de soudure L_w = 400 mm. Avec des électrodes E70XX (F_EXX = 483 MPa, 70 ksi) et la réaction parallèle à l'axe du cordon, la résistance de calcul par unité de longueur est φ(0,60 F_EXX)(0,707 w), où w est la gorge. Résolvez pour la demande et l'assemblage n'a besoin que d'une gorge de 3,2 mm.

Voici le piège que les tableaux cachent : vous ne pouvez pas l'utiliser. Le tableau J2.4 de l'AISC 360 impose un cordon minimal de 5 mm pour une platine de 10 mm, dicté par la vitesse de refroidissement, pas par la demande, donc c'est le plancher de la norme qui gouverne. Un cordon d'angle de 5 mm sur 400 mm fournit 307 kN, un taux de travail de 65 pour cent, et vous obtenez cette résistance gratuitement. La gorge maximale sur un bord de 10 mm serait de 8 mm, et le métal de base (rupture au cisaillement de la platine le long des cordons, 720 kN) ne gouverne jamais. Voyez le guide de résistance des soudures d'angle pour la majoration de résistance directionnelle quand la charge traverse le cordon au lieu de le suivre.

Alignez les deux dimensionnements et la surprise est le peu qui les sépare : 263 kN pour la version boulonnée, 307 kN pour la version soudée, toutes deux franchissant la demande de 200 kN avec marge. Sur cet assemblage ordinaire, la résistance n'est pas le discriminant. L'un ou l'autre organe fonctionne, et choisir sur la seule résistance reviendrait à choisir sur du bruit.

La résistance commence à décider aux extrêmes. Quand la demande grimpe et que la platine est épaisse, une soudure reste compacte là où un groupe de boulons demanderait de nombreuses rangées et une platine plus longue, donc la soudure gagne sur la géométrie. Quand le matériau est mince, revêtu ou difficile à atteindre avec une électrode, les boulons gagnent. Mais pour le large milieu des assemblages au cisaillement courants, les deux tombent au même endroit, ce qui est exactement pourquoi la vraie décision se déplace vers les deux colonnes suivantes.

Les deux organes ne construisent pas la résistance de la même façon. Les boulons viennent par paliers discrets : 87,7 kN, 87,7 × 2, 87,7 × 3, et ainsi de suite. Vous ne pouvez pas acheter 2,3 boulons, donc vous arrondissez à 3 et vous dépassez la demande. Les soudures sont une molette continue : la gorge et la longueur s'échangent en douceur, donc en principe vous ajustez la soudure à la charge.

En pratique la soudure a son propre plancher. La gorge de 3,2 mm que la demande réclame est en dessous du cordon minimal de 5 mm, donc la molette est bloquée à son extrémité basse et l'assemblage est surdimensionné par la norme, pas par vous. La leçon vaut dans les deux sens : sur un assemblage faiblement chargé le cordon minimal rend la soudure bon marché et résistante par défaut, tandis qu'un assemblage fortement chargé récompense la variation continue de la soudure, puisqu'une gorge plus grande ou une file plus longue ajoute de la résistance sans ajouter un seul trou ni boulon.

Il est tentant de croire que choisir un organe d'assemblage règle l'assemblage. Non. La pression diamétrale, le déchirement, le cisaillement de bloc et la rupture de la section nette sont des états limites de la platine, et la platine est commune aux deux dimensionnements. Boulonnez la platine et vous vérifiez toujours la pression diamétrale à chaque trou et le cisaillement de bloc à travers le groupe de boulons. Soudez la platine et les trous disparaissent, mais la plastification au cisaillement de la section brute et la rupture au cisaillement de la platine, ainsi que la résistance du métal de base à la ligne de fusion, sont toujours sur la liste.

Ainsi passer des boulons aux soudures déplace le maillon le plus faible, il ne supprime pas la chaîne. Les vérifications de détail vivent dans leurs propres guides : pression diamétrale et déchirement des boulons, cisaillement de bloc et section nette contre section brute, et effet de levier quand l'assemblage reprend de la traction plutôt que du cisaillement pur. Le point pour cette comparaison est seulement que les vérifications de l'élément sont un coût partagé, payé quel que soit l'organe choisi.

Le coût, et non la résistance, est ce qui décide habituellement, et ce n'est pas un nombre unique : il s'inverse selon l'endroit où le travail se fait. En atelier une soudure est bon marché : la pièce est bridée à plat, le procédé peut être semi ou entièrement automatisé, et il n'y a pas de gabarit de perçage à coordonner entre deux pièces. Au chantier l'équilibre s'inverse. Un boulon se pose à la clé en quelques minutes, par une équipe qui n'a besoin ni de certification de soudage, ni de source d'énergie, ni de gaz de protection, ni de préparation des bords, ni de tente contre le vent et la pluie.

C'est la vieille règle des fabricants avec une raison derrière : souder en atelier, boulonner au chantier. Le soudage au chantier est le coin cher de la matrice, et il est cher avant même le premier contrôle, à cause de l'accès, de la position, des intempéries et de la main d'oeuvre certifiée qu'il exige. Côté matière l'écart est plus faible et pointe dans l'autre sens : les boulons ajoutent de la quincaillerie que vous achetez à la boîte, les soudures ajoutent des consommables et de l'énergie, donc par assemblage la quincaillerie de l'organe est rarement ce qui fait pencher la décision. C'est la main d'oeuvre et l'endroit.

La troisième comparaison est celle que les estimations oublient. Un boulon au serrage simple, qui est tout ce dont un assemblage au cisaillement typique a besoin, est vérifié par un contrôle visuel : les plis sont en contact ferme et l'écrou est en place. Un boulon précontraint ou résistant au glissement demande une méthode de pose vérifiée, tour d'écrou, rondelles indicatrices de tension directe, boulons à rupture contrôlée ou clé étalonnée, selon la spécification RCSC et le chapitre N de l'AISC 360. Dans les deux cas la preuve est en surface, peu coûteuse à voir et à répéter.

Une soudure est une autre facture. Chaque soudure reçoit un contrôle visuel certifié selon l'AWS D1.1, et au-delà la catégorie de demande appelle des contrôles non destructifs : magnétoscopie ou ressuage pour les défauts de surface, ultrasons ou radiographie pour les soudures bout à bout à pleine pénétration. Cela signifie un contrôleur qualifié, plus de temps, une sensibilité aux intempéries et à l'accès, et des défauts qui peuvent se cacher à l'intérieur du métal où seuls les contrôles non destructifs les trouvent. L'assemblage le moins cher à souder en atelier peut devenir celui qui est le plus cher à prouver, et ce coût est réel même s'il n'apparaît jamais sur le plan de montage.

Mettez les trois colonnes ensemble et une règle de travail en sort. Optez pour les boulons quand :

• le travail est au chantier et la vitesse de montage compte ;
• l'assemblage peut être démonté plus tard (ouvrages provisoires, montage par phases, extension future) ;
• le travail à chaud est un danger, près d'une galvanisation, de revêtements ou de contenus inflammables ;
• le matériau est mince ou revêtu et vous voulez éviter distorsion et perforation.

Optez pour les soudures quand :

• le travail est en atelier, où le soudage est le moins cher et le mieux maîtrisé ;
• l'assemblage doit être compact ou rigide, un assemblage de continuité, un raidisseur, un élément reconstitué sans place pour un groupe de boulons ;
• l'accès au boulon est mauvais ou une apparence propre et sans trou est recherchée.

Deux nuances priment sur la règle. Sous fatigue, les soudures introduisent des concentrations de contraintes et exigent un détail soigné, tandis qu'un boulon résistant au glissement correctement précontraint peut être le choix plus tranquille. Et ne partagez jamais un chemin de charge entre boulons et soudures : ils ont des rigidités très différentes, donc ils n'attirent pas la charge en proportion de leur résistance, et l'un arrive le premier. Laissez chaque élément entièrement boulonné ou entièrement soudé.

Le côté boulon de la comparaison cache une deuxième décision : quelle précontrainte appliquer. Serrage simple et résistant au glissement ne sont pas le même boulon, et la précontrainte cible fixe à la fois la force de serrage et la méthode de pose qu'un contrôleur vérifiera plus tard. Utilisez le calculateur ci-dessous pour voir comment la classe et le diamètre du boulon pilotent la précontrainte et le couple de serrage, puis reportez cela sur la colonne du contrôle ci-dessus : plus l'assemblage compte sur la précontrainte, plus la pose doit être prouvée.

L'assemblage traité est en AISC 360, mais la comparaison est indépendante de la norme, seule la notation change. Dans l'EN 1993-1-8 un boulon en cisaillement est F_v,Rd = α_v f_ub A / γ_M2, la même idée de F_nvA_b avec la sécurité portée par un facteur partiel au lieu de φ. Une soudure d'angle utilise la méthode directionnelle ou la méthode simplifiée, avec une résistance de calcul au cisaillement f_vw,d = f_u / (√3 β_w γ_M2), et le facteur de corrélation β_w joue le rôle de l'appariement de l'électrode.

L'ABNT NBR 8800 suit le même format de type LRFD que l'AISC, avec des facteurs de résistance sur le cisaillement des boulons et sur le métal de soudure. Le résultat est que la décision à trois colonnes, résistance, coût, contrôle, est identique d'une norme à l'autre ; ce qui change entre elles est le facteur exact et le tableau du cordon minimal, pas la logique de quand souder et quand boulonner.

• Dimensionner la soudure d'après la demande en oubliant le plancher. La charge réclamait 3,2 mm, mais le cordon minimal de 5 mm gouverne. Spécifier la gorge plus petite est une violation de la norme, pas une optimisation.
• Partager un chemin de charge entre boulons et soudures. Leurs rigidités diffèrent, donc ils ne se partagent pas la charge par la résistance ; le chemin le plus rigide est surchargé le premier. Faites chaque élément entièrement boulonné ou entièrement soudé.
• Confondre serrage simple et précontraint. Précontraindre chaque boulon gaspille de l'argent sur des assemblages qui n'ont besoin que d'un serrage simple ; laisser un assemblage résistant au glissement ou en fatigue au serrage simple est dangereux. Adaptez la classe à la demande.
• Souder au chantier de l'acier revêtu ou galvanisé sans préparation. Le zinc et la peinture créent porosité et fumées ; la soudure qui passait sur platine nue peut échouer sur une platine revêtue.
• Contrôler la mauvaise chose. Commander des ultrasons sur une soudure d'angle, ou sauter la vérification de précontrainte sur un assemblage résistant au glissement, dépense le budget de contrôle là où il n'achète pas de sécurité.