La résistance au cisaillement d'un boulon est la force latérale maximale qu'un boulon peut supporter avant de se rompre le long de sa section transversale.
Un calcul incorrect de la résistance au cisaillement des boulons peut entraîner une défaillance de la fixation. Cela entraîne des dommages et même des accidents dangereux.
Cet article décrit la définition de la résistance au cisaillement des boulons, les méthodes de calcul et la sélection du grade de boulon pour la charge particulière dans une jonction.
Qu'est-ce que la résistance au cisaillement des boulons ?
Une force exercée sur le boulon reliant deux pièces qui tend à les faire glisser les unes par rapport aux autres est vécue comme un cisaillement.
En cisaillement, la charge est appliquée perpendiculairement à l'axe du boulon, contrairement à la traction, où la charge est appliquée parallèlement à l'axe du boulon.
Pour la plupart des boulons, il n'y a pas de résistance au cisaillement spécifiée. La résistance au cisaillement d'un boulon est calculée à partir de la la résistance à la traction du boulon en utilisant un rapport bien connu.
En utilisant l'équation bien acceptée, conformément aux spécifications AISC et Eurocode 3, le rapport du cisaillement à la résistance à la traction minimale est fixé à environ 60 %.
Résistance au cisaillement vs résistance à la traction : Différences clés
Ces deux types de résistances mesurent différentes méthodes de défaillance.
La résistance à la traction mesure la résistance à la rupture d'un boulon sous contrainte de traction axiale. Pendant ce temps, la résistance au cisaillement mesure la résistance à la déformation par cisaillement de la tige du boulon.
Les deux valeurs sont importantes, mais dans différentes configurations de joint. Une bride boulonnée sous pression interne soumet les boulons à la traction.
Une jonction à recouvrement ou un support boulonné à une poutre soumet les boulons au cisaillement. De nombreux assemblages réels combinent les deux, c'est pourquoi les ingénieurs utilisent des formules d'interaction lorsque des charges combinées s'appliquent.
À des fins d'approvisionnement, le tableau de la résistance à la traction des boulons est la référence principale. La capacité de cisaillement est ensuite dérivée de cette valeur plutôt que spécifiée indépendamment sur la plupart des fiches techniques de boulons.
Résistance au cisaillement des boulons par grade
Le tableau ci-dessous montre la résistance à la traction minimale, la résistance au cisaillement dérivée et les applications typiques pour les boulons métriques et impériaux courants grades de boulons. Les valeurs de cisaillement sont calculées à 60 % de la résistance à la traction minimale.
| Grade | Standard | Traction min. (MPa) | Cisaillement dérivé (MPa) | Utilisation typique |
|---|---|---|---|---|
| 4.8 | ISO 898-1 | 420 | 252 | Structure légère, assemblage général |
| 8.8 | ISO 898-1 | 800 | 480 | Acier de construction, machines |
| 10.9 | ISO 898-1 | 1040 | 624 | Automobile, machines lourdes |
| 12.9 | ISO 898-1 | 1220 | 732 | Assemblages de haute précision, à forte charge |
| CM2 | SAE J429 | 827 | 496 | Industriel général, impérial |
| Nuance 10 | SAE J429 | 1034 | 620 | Structurel, transmission, haute contrainte |
| A325 | ASTM F3125 | 827 | 496 | Connexions en acier de construction |
| A490 | ASTM F3125 | 1034 | 620 | Structure lourde, ponts |
Ce tableau de résistance des boulons couvre les grades les plus fréquemment utilisés dans les applications industrielles et structurelles.
Pour un tableau de résistance à la traction des boulons plus détaillé couvrant toutes les tailles et sous-grades, reportez-vous à la norme ISO 898-1 pour les grades métriques et à la norme ASTM F3125 pour les grades structurels impériaux.
Comment calculer la résistance au cisaillement des boulons
La formule de base pour la capacité de cisaillement simple d'un boulon est :
Capacité de cisaillement = 0,6 x Fub x As
Où Fub est la résistance à la traction minimale en MPa, et As est la surface de contrainte du boulon en millimètres carrés.
Exemple
Un boulon M16 Grade 10.9 a une surface de contrainte de 157 mm² et une résistance à la traction minimale de 1 040 MPa.
Capacité de cisaillement = 0,6 x 1 040 x 157 = 97 968 N, soit environ 98 kN par boulon.
Ce chiffre représente la capacité théorique de cisaillement simple d'un boulon avant l'application de tout facteur de sécurité.
En conception structurelle, l'Eurocode 3 applique un facteur de sécurité partiel de 1,25. Cela réduit la résistance au cisaillement de conception à environ 78 kN pour ce boulon en pratique.
Pour les boulons impériaux, la même formule s'applique en utilisant la résistance à la traction en livres par pouce carré (psi) et la zone de contrainte en pouces carrés.
Un boulon de 1/2 pouce de grade 8 avec une zone de contrainte de 0,1419 po² et une résistance à la traction de 150 000 psi donne une capacité de cisaillement simple d'environ 0,6 x 150 000 x 0,1419 = 12 771 lbf. C'est environ 12,8 kips.
Cisaillement simple vs cisaillement double
Le nombre de plans de cisaillement dans une connexion modifie considérablement la capacité effective de chaque boulon.
Cisaillement simple
Dans une connexion à cisaillement simple, le boulon traverse un plan de cisaillement. Une simple connexion à recouvrement où deux plaques se chevauchent et sont reliées par des boulons est une configuration typique de cisaillement simple. Chaque boulon résiste à la charge appliquée complète sur une section transversale.
Cisaillement double
Dans une connexion à double cisaillement, le boulon traverse trois plaques : un élément intérieur et deux éléments extérieurs.
Cela crée deux plans de cisaillement, et le boulon résiste à la charge sur deux sections transversales simultanément. Cela double effectivement la capacité de cisaillement du boulon pour le même diamètre et le même grade de boulon.
Les connexions à plaque d'assemblage, les articulations à goupille et certaines connexions poutre-colonne utilisent des configurations à double cisaillement pour réduire le nombre de boulons ou permettre des fixations de plus petit diamètre. Lors du calcul de la capacité pour le double cisaillement, multipliez la valeur du cisaillement simple par deux.
Comment sélectionner le bon grade de boulon pour les charges de cisaillement
- Ce boulon de moyeu de roue de grade 10.9 est fabriqué en acier à haute résistance 40Cr ou 35CrMo, avec une finition à l'oxyde noir pour une excellente résistance à la corrosion et une grande robustesse.
La sélection d'un grade commence par le calcul de la charge de cisaillement de conception par boulon, puis par sa correspondance avec un grade qui offre une capacité adéquate avec le facteur de sécurité requis appliqué.
Quelques directives pratiques aident à affiner la sélection :
Pour les connexions générales en acier de construction selon l'AISC, les boulons A325 ou A490 sont la norme. L'A490 convient aux connexions à charge plus élevée où l'A325 nécessiterait plus de boulons.
Pour les applications structurelles métriques selon l'Eurocode 3, le grade 8.8 couvre la plupart des connexions standard. Le grade 10.9 est utilisé lorsque la géométrie de la connexion limite le nombre ou le diamètre des boulons.
Pour automobile et machines de précision, les boulons à haute résistance de grade 10.9 ou 12.9 gèrent les environnements soumis à des vibrations intenses. C'est là que des grades inférieurs nécessiteraient un contrôle de couple plus serré ou des dispositifs de blocage pour éviter le desserrage.
La matière compte au-delà du numéro de grade. Les boulons à haute résistance en acier inoxydable duplex ou en acier allié sont spécifiés là où résistance à la corrosion et la capacité de cisaillement doivent tous deux être satisfaits. C'est particulièrement dans les applications marines, chimiques et énergétiques.
CNXD fournit des boulons à haute résistance de grade 8.8 à 12.9 en acier au carbone, en acier allié et en alliages spéciaux. Cela dispose d'une documentation de qualité IATF 16949 et d'une traçabilité complète des matériaux.
Des tailles personnalisées et des formes de filetage non standard sont également disponibles. Contactez CNXD pour demander des échantillons pour l'évaluation des applications de support de charge.
