Pourquoi les ingénieurs structure se tournent vers les Hollo-Bolts pour l’assemblage des profilés creux métalliques

Introduction

Depuis des décennies, les ingénieurs se heurtent au problème de l’assemblage des profilés creux métalliques d’un seul côté de la structure. Or, il existe désormais de nombreux types de fixations et méthodes d’assemblage pour cet élément de structure de plus en plus plébiscité, afin de remplacer le soudage entre autres. Cet article examine les avantages et les inconvénients de certaines méthodes d’assemblage des profilés creux, par rapport à la solution de Lindapter : le Hollo-Bolt®, un boulon à expansion qui permet l’installation d’un seul côté du profilé creux.

Une fois qu’un concepteur a opté pour les profilés creux du fait de leurs capacités bi-axiales ou du caractère plus esthétique des formes symétriques, la question se pose souvent de la méthode pour y fixer un autre élément de structure. Le soudage ou boulonnage ont souvent été préférés pour ces formes structurelles, étant donné que ces méthodes permettent de supporter des charges plus importantes. Néanmoins, si des restrictions sont imposées pour le soudage ou quand les ingénieurs veulent éviter les coûts élevés de main-d’œuvre allant de pair avec l’emploi de soudeurs qualifiés, les préparatifs, les frais de démantèlement et la nécessité d’une protection incendie pour la zone environnante, ils doivent se tourner vers les solutions d’assemblage mécaniques.

Heureusement, plusieurs organismes réputés publient des guides de conception pour les aider dans le choix de systèmes d’assemblage pour profilés creux dans divers pays, notamment : British Constructional Steelwork Association (BCSA), The Steel Construction Institute (SCI), CIDECT, Southern African Institute of Steel Construction (SAISC), Australian Steel Institute (ASI) et American Institute of Steel Construction (AISC). Ces guides décrivent diverses fixations mécaniques adaptées pour l’assemblage des profilés creux, parmi lesquelles figurent :

Fixations mécaniques communes

Les boulons traversants sont souvent utilisés, mais la flexibilité inhérente des parois des profilés creux empêche généralement l’utilisation de fixations précontraintes, à moins de procéder à des travaux de chaudronnerie supplémentaires ; de ce fait, les raccords sont plutôt conçus pour résister seulement au cisaillement statique. Cela rend aussi plus difficile les assemblages sur des faces opposées d’un élément de profilé creux carré ou rectangulaire, qui demandent beaucoup de temps sur place. Dans bien des cas, il faut souder des raidisseurs à l’intérieur du profilé pour renforcer le support, entraînant ainsi des coûts supplémentaires pour le soudage.

Il est possible d’utiliser des goujons filetés sur les faces des profilés creux, mais cela nécessite d’avoir recours à des matériels lourds et complexes, à savoir un pistolet à souder et tout l’équipement qui va de pair et donc, les mêmes considérations que si les éléments étaient soudés. Cette opération peut être réalisée au préalable dans l’atelier de construction avant le transport sur le chantier. Dans certains cas, l’évidement ou le contre-alésage des trous s’impose pour éviter la formation d’un collier à l’endroit où le goujon rencontre la face du profilé creux. Le produit fini aura l’apparence d’une fixation boulonnée, mais réalisée d’un seul côté du profilé creux.

Les inserts filetés aveugles sont généralement utilisés, mais leur emploi est limité par la quantité de matériau qu’ils peuvent agripper, étant donné qu’ils ne sont pas conçus pour les profilés creux métalliques mais plutôt pour de la tôle. Là encore, un outil est nécessaire pour l’installation, et il faut fournir un effort  s’il s’agit d’une version manuelle.

Les rivets aveugles, s’ils conviennent dans les situations où l’accès est limité, sont généralement proposés uniquement en petits diamètres et pour des charges légères. Ils ne sont pas destinés aux assemblages de structure industriels et, dans la plupart des cas, une alimentation pneumatique / hydraulique est requise pour les outils spécifiques à leurinstallation.

Lindapter – pionnier des boulons à expansion pour charpente métallique

Présentation des boulons à expansion

De nos jours, les boulons à expansion sont des fixations mécaniques comprenant en général un boulon, un manchon expansible et un écrou conique qui, quand le boulon est serré, est poussé à l’intérieur du manchon pour créer un effet de cale et élargir la fixation. Cette technique de « raccord aveugle » peut tout aussi facilement être employée pour l’assemblage sur un autre type de tronçon de structure. Contrairement aux assemblages classiques boulonnés ou soudés, les boulons à expansion s’installent rapidement en insérant simplement le boulon dans un trou pré-percé et en serrant à l’aide d’une clé dynamométrique. La procédure d’installation plus rapide permet de réduire le travail à effectuer sur site, et donc de réduire le coût et les délais du projet de construction.

Premiers développements du produit par Lindapter

Lindapter était à l’avant-garde des premiers développements de boulons à expansion : l’une des premières fixations de ce type à être commercialisée fut le Lindibolt®, un boulon à expansion fileté lancé par Lindapter en 1948. Le Lindibolt® était étudié pour qu’un goujon fileté dépasse du profilé creux afin de donner un point d’attache aux matériels de levage pendant les opérations de sauvetage maritime ; ayant bénéficié d’un énorme succès, le Lindibolt® est toujours disponible et reste un composant populaire dans le secteur de l’industrie offshore.

Bien que les profilés creux aient été mis au point dans les années 1950, leur utilisation à grande échelle n’a vraiment démarré qu’au milieu des années 1960 ; depuis cette époque, leur popularité n’a cessé de croître et il existe de nombreuses conceptions contemporaines qui exposent les profilés creux des structures métalliques comme élément contribuant à l’esthétique d’un bâtiment. Dans les années 1980, les profilés creux étant devenus disponibles en divers formats et dimensions, les ingénieurs ont dû trouver un système d’assemblage plus polyvalent. C’est ce qui a conduit Lindapter, en 1986, à mettre au point une fixation qui ressemblait beaucoup à l’actuel Hollo-Bolt. Il s’agissait d’un assemblage en deux parties comprenant un cylindre fendu et un cône, ce dernier étant fileté pour recevoir une fixation standard à haute résistance à la traction. Ce système était apprécié mais son installation n’était pas toujours facile ; des erreurs pouvaient être commises à l’insertion du produit dans le trou étroit avec une tolérance de ±0,2 mm. En raison du travail en hauteur et/ou des grandes dimensions des profilés creux carrés ou rectangulaires, il fallait donner des coups de marteau ce qui pouvaient entraîner la flexion de la face supérieure de la membrure et son retour élastique, résultant parfois en une installation incorrecte du produit et/ou un trou endommagé. Pendant l’érection de la structure, le travail en hauteur et/ou avec des sections creuses de grandes dimensions, les coups de marteau requis pouvaient endommager les sections, les perçages et aboutir à une mauvaise installation du produit. L’utilisation de clé à érection pour aligner les perçages des différentes pièces à assembler était limité car le produit pouvait facilement être déplacé.

Hollo-Bolt actuel

Les conceptions actuelles des boulons à expansion Hollo-Bolt® s’appuient sur le savoir-faire acquis par Lindapter sur plusieurs décennies, qui s’est conjugué au contact direct et continu avec des pratiques en évolution sur le chantier. Ces Hollo-Bolts sont étudiés pour répondre aux exigences des entreprises de charpente métallique en termes de simplicité et de rapidité d’installation. Ils sont par ailleurs assez tolérants aux abus sur le chantier, par exemple en ce qui concerne le diamètre des perçages et les erreurs d’alignement, fournissant ainsi aux installateurs un système à la fois robuste et esthétique. Les Hollo-Bolts sont fabriqués en acier au carbone, en alliage d’acier ou en inox et disponibles en plusieurs finitions, ce qui signifie qu’ils conviennent à quasiment n’importe quelle application : version zinguée (JS500) pour l’utilisation standard ; versions galvanisée par immersion à chaud ou Sheraplex là où un produit plus robuste est requis, et version inox pour les environnements les plus rigoureux.

Les Hollo-Bolts sont adaptés pour les assemblages de structures du fait de leur capacité de résistance à la traction et au cisaillement. Par exemple, pour le Hollo-Bolt M20 de Lindapter, les charges utiles maximales d’utilisation est de 35 kN pour l’effort en traction et de 40 kN pour le cisaillement. Les produits sont disponibles en dimensions M8 à M20 et la plage de serrage totale pour l’épaisseur de matériau va de 3 mm, pour le petit diamètre, jusqu’à 86 mm pour le plus grand.

Recherche et développement

Lindapter a continué à développer la gamme Hollo-Bolt® pour répondre aux diverses exigences des ingénieurs structure et des architectes. Par exemple, il existe maintenant une variante à tête encastrée (Flush Fit) qui ne dépasse pas de la surface du profilé métallique. Les récentes optimisations de performance pour les assemblages de structures primaires incluent un mécanisme qui est comprimé à l’installation et exerce une haute force de serrage, pour obtenir un système d’assemblage plus sécurisé.

Installation du Hollo-Bolt

L’installation du Hollo-Bolt est relativement facile et n’exige que des outils à main standards. L’acier est pré-percé avec des trous surdimensionnés conformément à nos prescriptions, pour laisser  assez de place pour le passage du manchon et de l’écrou conique, mais il convient de positionner soigneusement les trous pour permettre au produit de s’ouvrir dans le profilé creux ; on ne peut donc pas les placer trop proches les uns des autres ni à proximité d’un rebord.

L’acier peut être préparé intégralement dans l’atelier de construction et transféré sur le chantier, où il est possible d’apprécier entièrement les avantages de la rapidité d’installation. Il importe de noter que les faces des éléments à assembler doivent être mises en contact avant l’installation du Hollo-Bolt®. Pour compléter l’opération, l’installateur doit tenir le collier du Hollo-Bolt® avec une clé pour empêcher le corps du boulon de tourner et serrer le boulon central au couple que nous recommandons à l’aide d’une clé dynamométrique étalonnée.

Conception avec des Hollo-Bolts et homologations

Les Hollo-Bolts utilisés pour les assemblages de structures métalliques sont des produits haute technicité et il convient de se reporter au catalogue ou aux fiches techniques de Lindapter afin de vérifier les capacités de chaque modèle. Il appartient aux concepteurs de vérifier les propriétés du profilé creux à partir des charges appliquées qui s’exercent dessus.

L’ouvrage « Green Book – simple joints to Eurocode 3 » (Attaches simples selon l’Eurocode 3), et d’autres guides de conception publiés par des autorités de premier plan, donnent les informations et la méthodologie pour l’emploi de Hollo-Bolts dans les assemblages pour structure métallique ainsi que les calculs des résistances en traction et au cisaillement.

Les Hollo-Bolts ont été certifiés par divers organismes de certification indépendants dont le TÜV en Europe et ont reçu l’homologation du marquage CE signifiant que les essais du Hollo-Bolt sont réalisés sous la direction d’un organisme de certification indépendant, et leurs résultats sont utilisés pour calculer les résistances caractéristiques. Ces résistances sont utilisées pour la conception d’un assemblage selon l’Eurocode 3.

Outre ces homologations européennes, le Hollo-Bolt® est homologué par l’ICC-ES (International Code Council Evaluation Service), principal organisme d’homologation en Amérique du Nord, pour la résistance à la charge du vent et pour l’utilisation dans toutes les catégories de conception sismique A à F, en conformité avec les codes de construction internationaux et de Los Angeles.

Récapitulatif

Comme nous l’avons montré dans cet article, de nombreuses options sont disponibles pour l’assemblage avec des profilés creux ; le concepteur ou l’ingénieur devra donc choisir avec soin la méthode d’assemblage la mieux adaptée à son application spécifique. L’adoption relativement récente des profilés creux comme matériau de construction et leurs utilisations croissantes pour les ossatures ont conduit au développement de fixations innovantes telles que le Hollo-Bolt® de Lindapter, qui remplacent véritablement des méthodes classiques telles que le boulonnage traversant ou le soudage. Par ailleurs, la tendance croissante des promoteurs et entreprises de construction à favoriser la construction de structures dans des délais incroyablement courts a également contribué à un essor de la demande de Hollo-Bolts dans le cas d’assemblages pour structure métallique, puisque c’est bien la rapidité d’installation qui constitue l’atout fondamental du Hollo-Bolt®.

Face à une situation dans laquelle le projet de construction doit être réalisé dans des délais extrêmement courts, ou si des restrictions sont imposées concernant le soudage, un concepteur devra rechercher des méthodes alternatives d’assemblage. Les Hollo-Bolts pour charpente métallique sont la solution idéale pour les assemblages de structures sur profilés creux. Du fait qu’ils sont capables de supporter des charges bien supérieures par rapport aux autres fixations réalisées d’un seul côté, comme les rivets, et qu’on peut les installer sur place à l’aide d’outils à main standards, contrairement aux goujons filetés, les Hollo-Bolts constituent une solution qui vaut sérieusement la peine d’être examinée.