Le calcul du nombre de boulons requis pour un joint est une étape cruciale dans divers projets de construction et d'ingénierie. En tant que fournisseur de boulons de confiance, je comprends l'importance de faire ce calcul correctement pour garantir l'intégrité structurelle et la sécurité du joint. Dans cet article de blog, je vais vous guider tout au long du processus de calcul du nombre de boulons nécessaires pour un assemblage, en couvrant les facteurs et considérations clés tout au long du processus.
Comprendre les bases des joints boulonnés
Avant de se lancer dans les calculs, il est essentiel d'avoir une compréhension de base des assemblages boulonnés. Un joint boulonné se compose de deux ou plusieurs composants maintenus ensemble par des boulons et des écrous. Les boulons sont serrés pour créer une force de serrage qui résiste aux charges externes et empêche les composants de se séparer. L'efficacité d'un assemblage boulonné dépend de plusieurs facteurs, notamment du type et de la taille des boulons, des propriétés matérielles des composants, ainsi que de l'ampleur et de la direction des charges appliquées.
Facteurs affectant le nombre de boulons
Plusieurs facteurs influencent le nombre de boulons requis pour un joint. Examinons de plus près chacun de ces facteurs :
Exigences de charge
Le premier et le plus critique facteur est la charge que le joint doit supporter. Cela inclut les charges statiques et dynamiques. Les charges statiques sont des forces constantes agissant sur le joint, comme le poids de la structure ou la pression exercée par les fluides. Les charges dynamiques, quant à elles, sont des forces variables, telles que des vibrations, des chocs ou des charges cycliques. L'ampleur et la direction des charges déterminent les forces de cisaillement et de traction auxquelles les boulons doivent résister.
Taille et résistance des boulons
La taille et la résistance des boulons jouent un rôle important dans la détermination du nombre de boulons requis. Les boulons plus gros ont généralement des capacités de charge plus élevées que les boulons plus petits. La résistance d'un boulon est déterminée par son matériau et sa qualité. Par exemple, les boulons à haute résistance en acier allié peuvent résister à des charges plus importantes que les boulons en acier au carbone standard. Lors de la sélection des boulons, il est important de choisir une taille et une qualité capables de supporter les charges attendues.
Propriétés matérielles des composants
Les propriétés matérielles des composants à assembler affectent également la conception de l'assemblage boulonné. Différents matériaux ont des résistances, des rigidités et des coefficients de dilatation thermique différents. Par exemple, si les composants sont constitués d’un matériau fragile, ils peuvent nécessiter davantage de boulons pour répartir la charge uniformément et éviter les fissures. De plus, la finition de surface des composants peut avoir un impact sur la force de serrage et les performances globales du joint.
Type de joint et configuration
Le type et la configuration du joint peuvent influencer le nombre de boulons. Il existe plusieurs types de joints boulonnés, notamment les joints à recouvrement, les joints bout à bout et les joints en T. Chaque type a ses propres caractéristiques de répartition de charge. Par exemple, un joint à recouvrement peut nécessiter plus de boulons pour éviter une rupture par cisaillement qu'un joint bout à bout. L'espacement et la disposition des boulons affectent également les performances du joint. Un espacement approprié des boulons garantit que la charge est répartie uniformément entre les boulons.
Calcul du nombre de boulons
Maintenant que nous avons couvert les facteurs clés, passons en revue les étapes permettant de calculer le nombre de boulons requis pour un assemblage :
Étape 1 : Déterminer les charges appliquées
La première étape consiste à déterminer avec précision l’ampleur et la direction des charges appliquées. Cela peut impliquer d'effectuer une analyse structurelle à l'aide d'un logiciel d'ingénierie ou de se référer aux normes et codes de l'industrie. Par exemple, dans un projet de construction de pont, les charges peuvent inclure le poids du tablier du pont, les charges de circulation et les charges de vent.
Étape 2 : Calculer les forces de cisaillement et de traction par boulon
Une fois les charges appliquées connues, l’étape suivante consiste à calculer les forces de cisaillement et de traction auxquelles chaque boulon doit résister. Cela se fait en divisant les charges totales de cisaillement et de traction par le nombre de boulons (initialement supposé ou basé sur l'expérience). La force de cisaillement par boulon ($F_s$) et la force de traction par boulon ($F_t$) peuvent être calculées à l'aide des formules suivantes :
$F_s=\frac{V}{n}$
$F_t=\frac{P}{n}$
où $V$ est la charge de cisaillement totale, $P$ est la charge de traction totale et $n$ est le nombre de boulons.
Étape 3 : Déterminer les résistances admissibles au cisaillement et à la traction des boulons
Les résistances admissibles au cisaillement et à la traction des boulons sont déterminées en fonction du matériau du boulon, de sa qualité et des normes de conception pertinentes. Ces valeurs peuvent être trouvées dans les manuels d'ingénierie ou dans les catalogues des fabricants de boulons. Par exemple, pour une qualité particulière de boulon en acier, la résistance au cisaillement admissible ($S_s$) et la résistance à la traction admissible ($S_t$) sont des valeurs spécifiées.
Étape 4 : Vérifiez la capacité de cisaillement et de traction des boulons
Pour assurer la sécurité du joint, les forces de cisaillement et de traction par boulon doivent être inférieures ou égales aux résistances de cisaillement et de traction admissibles des boulons. C'est-à-dire:
$F_s\leq S_s$
$F_t\leq S_t$
Si ces conditions ne sont pas remplies, le nombre de boulons doit être augmenté et les calculs répétés jusqu'à ce que les conditions soient satisfaites.
Étape 5 : Tenir compte d'autres facteurs
En plus des exigences de résistance au cisaillement et à la traction, d'autres facteurs tels que l'espacement des boulons, la distance entre les bords et la précharge des boulons doivent être pris en compte. L'espacement des boulons doit être dans la plage recommandée pour éviter toute contrainte excessive sur les composants et pour assurer une bonne répartition de la charge. La distance au bord est la distance entre le centre du trou de boulon et le bord du composant, et elle doit être suffisante pour éviter une déchirure du bord. Le préchargement des boulons aide à maintenir la force de serrage et à améliorer les performances du joint sous des charges dynamiques.
Exemple de calcul
Prenons un exemple simple d'assemblage à recouvrement. Supposons que nous ayons un joint à recouvrement soumis à une charge de cisaillement totale de 10 000 N. Nous choisissons des boulons M12 avec une résistance au cisaillement admissible de 100 MPa.
La surface de la section transversale d'un boulon M12, $A_s=\frac{\pi}{4}d^2$, où $d = 12$ mm ou $0,012$ m. Donc, $A_s=\frac{\pi}{4}(0,012)^2= 1,13\times10^{-4}$ $m^2$
La capacité de cisaillement d'un seul boulon M12, $F_{s - single}=S_s\times A_s=100\times10^6\times1.13\times10^{-4}=11300$ N
Le nombre de boulons, $n=\frac{V}{F_{s - single}}=\frac{10000}{11300}\approx0.88$. Cependant, nous ne pouvons pas avoir une fraction de boulon, nous arrondirons donc généralement à au moins 2 boulons. Dans un scénario réel, nous prendrions également en compte d'autres facteurs tels que la répartition de la charge, les facteurs de sécurité et le type d'application.
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Références
- Budynas, RG et Nisbett, JK (2011). Conception de génie mécanique de Shigley. McGraw-Colline.
- Manuel standard de Marks pour les ingénieurs en mécanique. (2007). McGraw-Colline.
- Manuel de conception des structures en acier. (Diverses éditions). Institut américain de la construction en acier.
