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Les assemblages

Les assemblages sont classés en deux grandes catégories :

  • assemblages « mécaniques » : boulons, vis, rivets...
  • assemblages « adhérents ou cohésifs » : soudure, collage...

Les assemblages concernent des éléments structurels – poteaux, poutres, diagonales de contreventement, tirants – ou des matériaux de partition ou d'enveloppe. Ils représentent une fraction significative du coût d'une ossature métallique.

Assemblages mécaniques

Les boulons
Les boulons peuvent être utilisés en atelier ou sur le chantier. Ils sont assez couramment mis en œuvre. Un boulon comporte une tête hexagonale, un corps cylindrique fileté qui constitue la vis et un écrou également hexagonal. Les rondelles, freins d'écrou, contre-écrou font partie des accessoires des assemblages. Les jeux dans les trous sont de 1 à 2 mm. Ils travaillent soit en traction, soit au cisaillement. Le serrage d'un boulon ordinaire se fait soit manuellement, soit avec une clé, soit pneumatiquement.
Les boulons à haute résistance (HR) et à serrage contrôlé sont plus efficaces. Le serrage d'un boulon HR crée entre deux pièces une pression qui s'oppose au glissement par frottement. Ce type de boulon est principalement utilisé pour assurer la liaison des composants dans des assemblages soumis à des moments de flexion et des efforts tranchants. Le serrage contrôlé de ce type de boulon se fait par une clé dynamométrique (munie d'un appareil de mesure de l'effort). L'assemblage par boulons HR est plus facile à mettre en œuvre sur un chantier que la soudure. Les boulons font l'objet d'une certification en matière de caractéristiques géométriques et mécaniques

Schéma d'assemblage mécanique par boulon avec écrou.
Structure en profils minces boulonnés. Viaduc espace info à Millau.

Les rivets
Le rivetage a été longtemps le seul procédé d'assemblage utilisable en construction métallique (par exemple pour la tour Eiffel). Développé dès la fin du XVIIIème siècle pour la confection des chaudières, très largement développé à partir de 1850, il est complètement abandonné aujourd’hui pour les assemblages sur les chantiers sauf dans les cas de rénovation de bâtiments anciens ou de ponts.
Un rivet se présente comme un gros clou à une tête. Il doit être préalablement chauffé au rouge, puis posé à chaud. Une fois l'autre tête formée à la masse, au marteau pneumatique ou à la presse hydraulique, le rivet se contracte en se refroidissant ce qui assure ainsi une force de serrage et un assemblage par frottement des deux pièces entre elles. Procédé efficace et très sûr, il exige cependant beaucoup de main d'œuvre.

Exemples d'assemblages : rivet à tête sphérique, rivet à tête fraisée, boulon, XIX siècle.
Pont en fer riveté à Bayonne, 1860.

Assemblages adhérents ou cohésifs

Le soudage
Le soudage consiste à fondre l'acier localement avec ou sans apport de métal (toujours de l'acier) de manière à reconstituer une continuité de la matière aussi parfaite que possible. Le procédé le plus courant en construction métallique est la soudure à l'arc qui utilise la chaleur produite par un arc électrique pour porter l'acier à la température de fusion.
Le soudage est un procédé très efficace mais qui peut exiger un contrôle a posteriori des pièces assemblées (examen visuel, rayons X...). Une partie des soudures est le plus souvent réalisée en atelier, parfois sur des bancs automatisés (par exemple pour les PRS). La plupart des entreprises de construction métallique est aujourd'hui bien équipée en bancs de soudage.
Les positions de soudage peuvent s'effectuer pour des pièces :

  • à plat bout à bout ;
  • à plat superposé ;
  • à plat d'angle.
Différents types de soudures.

Le collage
Encore expérimental, le collage de pièces métalliques ne s'emploie en pratique que pour des pièces d'enveloppe où les contraintes mécaniques à prendre en compte sont faibles (par exemple raccord d'angle pour un bordage). Néanmoins les progrès très importants réalisés ces dernières années dans les colles laissent prévoir un grand développement de ce type d'application.

 Les types de liaison

On distingue plusieurs types de liaison, suivant les éléments reliés :

  • appui au sol d'un poteau ;
  • liaison poteau-poteau ;
  • liaison poteau-poutre ;
  • liaison poutre-poutre ;
  • liaison dans les poutres treillis ;
  • liaison poutre-voile en béton armé ;
  • nœud dans les structures spatiales.

Appui au sol d'un poteau
Pied de poteau articulé

La mise en œuvre la plus courante consiste à souder une platine à l'extrémité du poteau. Elle est traversée par deux tiges d'ancrage et repose sur l'élément de fondation en béton. Même si la liaison semble rigide, elle fonctionne en fait comme une articulation.
Il est quelquefois nécessaire de souder sous la platine un tronçon de profilé appelé « bêche » pour transmettre l'effort horizontal au massif de fondation.

Pied de poteau articulé.

Pied de poteau encastré

La platine soudée à l'extrémité du poteau est traversée par quatre tiges ancrées dans le béton. Afin que les contraintes soient admissibles et les déformations faibles pour un encastrement, il est nécessaire de choisir des platines épaisses ou des platines minces mais raidies.

Pied de poteau encastré.

Liaison poteau-poteau
Les joints de montage permettent de réaliser le raccordement de différentes parties d'un même poteau (par soudure, par éclisses ou par platines). Il peut y avoir continuité et modification des formes en même temps.

Trois types de liaisons poteau-poteau : 1. Soudage bout à bout des tronçons 2. Liaison par éclisses boulonnées 3. Liaison par platines d'extrémités soudées

Liaison poteau-poutreAssemblages par appui simple
Ce type de liaison est par exemple mis en œuvre à un joint de dilatation. La poutre prend appui sur le poteau, mais elle conserve un mouvement libre horizontal.

Assemblage articulé

L'attache d'une poutre sur un poteau est considérée comme articulée quand la flexibilité des cornières de liaison autorise de faibles rotations. La poutre est assemblée au poteau au niveau de son âme. De cette manière, les semelles supérieures et inférieures de la poutre sont libérées et ne transmettent pas d'effort couplé de traction et de compression, et par conséquent pas de flexion.

Assemblages articulés par cornières boulonnées (élévation et coupe).

Assemblage par encastrement

Dans le cas de continuité de poutres ou de poteaux, la liaison est complètement rigide. L'encastrement poteau-poutre peut se faire par soudure directe. On renforce ainsi la fixation. Sinon on utilise une platine et on boulonne les pièces, au niveau des semelles en particulier.
Aux angles des portiques, les poutres sont considérées comme encastrées sur le poteau. L'assemblage reconstitue la continuité du portique.

Liaison poutre-poutre

La liaison peut être articulée ou encastrée. L'articulation au faîtage de deux demi-portiques est un cas fréquent dans les halles à rez-de-chaussée. Dans le cas des nœuds rigides de portique, la liaison de la poutre au poteau peut s'effectuer en retrait de l'intersection des lignes d'épures géométriques pour des raisons techniques ou architecturales.

Traverses de portique articulées, avec axe libre dans deux coquilles cylindriques soudées.

Liaison dans les poutres treillis

Les assemblages peuvent être soudés ou boulonnés. Il existe de nombreuses possibilités avec les profils du commerce. Les assemblages entre tubes se font par soudage : en «  gueule de loup » pour les poutres en tubes ronds, à coupes planes quand les membrures sont hexagonales ou carrées.

Liaison d'une poutre métallique avec une paroi en béton

L'attache de la poutre peut s'effectuer de trois manières différentes : par des corbeaux en béton formant une console ; par l'engagement des abouts des poutres dans des logements réservés dans le béton avec des dispositifs d'ap¬pui ; par des platines noyées dans le béton sur lesquelles sont fixés les abouts de poutre par âme de liaison ou corbeaux pré-soudés en atelier.

Appui simple de poutre sur un mur ou un voile en béton armé.

Nœuds dans les structures spatiales

Dans les structures spatiales, les sections les plus adaptées au travail de traction et à celui de la compression sont les profils creux ronds.

Assemblages sur des sphères

Les profils creux ronds concourent au centre de la sphère et sont soudés. Ils peuvent aussi être vissés et boulonnés dans la sphère creuse (ex. nœud Méro).

Nœud Méro

Assemblages par aplatissement de tubes et goussets soudés

Un des procédés consiste à souder sur les membrures des goussets en tôle dans les directions des barres dont les extrémités sont aplaties de manière à permettre l'attache par soudure ou boulonnage.

Assemblage de tubes par goussets aplatis.

Les nœuds à coquilles

Le système Stéphane Duchâteau est formé de coquilles en acier moulé enserrant plusieurs tubes. Les joints sont soudés.

Système de nœud tridimensionnel Stéphane Duchâteau

ConstruirAcier est une association loi 1901 dont l'objectif est de promouvoir l'architecture et la construction métallique. Représentant l'ensemble de la filière acier, elle a vocation à faire connaître les atouts de l'utilisation des aciers auprès des architectes, bureaux d'études, ingénieurs, enseignants, étudiants et dans les ouvrages de construction de bâtiments et de travaux publics.