Essai d’aptitude à l’emploi des boulons HR

Cet article décrit l’essai d’aptitude à l’emploi auxquels sont soumis les boulons précontraints couramment utilisés en construction métallique. Il en présente les intérêts principaux et fait le lien avec la norme d’exécution et le calcul suivant les Eurocodes. Il fait suite à un article similaire sur les boulons non précontraints.

Les boulons précontraints en construction métallique

Généralités

Les boulons utilisés en construction métalliques sont traditionnellement séparés en deux catégories : les boulons non précontraints, également appelés « boulons ordinaires », et les boulons précontraints. Cette séparation implique des différences en termes de calcul, de produits utilisés, de mise en œuvre ainsi que de contrôle pour ces éléments. Certains de ces sujets ont déjà fait l’objet d’articles Métalétech pour ce qui concerne les boulons précontraints :

• Résistance au glissement de calcul [1]
• Données géométriques des produits [2]
• Procédure de serrage [3], couples appliqués [4] et contrôle du serrage [5]

Le lecteur intéressé pourra également se reporter au chapitre consacré aux moyens d’assemblages du guide de conception [6].

Les produits utilisés

Les boulons précontraints sont mis en œuvre en introduisant une forte tension initiale au moment du serrage. Par réaction, cette « pré-tension » génèrent des contraintes de compression au sein des plats serrés. En association avec un coefficient de frottement maitrisé à l’interface entre les plats, la précontrainte ainsi créée permet de résister au glissement :

• Jusqu’à l’état limite ultime (Catégorie C selon l’Eurocode 3 partie 1-8 [7]), le plus courant en France ;
• Jusqu’à l’état limite de service (Catégorie B selon l’Eurocode 3 partie 1-8 [7]), le boulon étant ensuite vérifié comme un boulon non précontraint à l’ELU.

Lorsqu’on conçoit un tel assemblage, on utilise généralement des boulons HR conformes à la NF EN 14399 [8]. Un tel boulon est physiquement identifié « HR » (pour Haute résistance / High resistance) sur la tête de vis et sur l’écrou, et il dispose du marquage CE pour un usage dans la construction. Le signe CE ainsi que les informations obligatoires associées sont sur l’étiquette [9] et non sur les composants.

Note       D’autres boulons aptes à la précontrainte sont définis dans la NF EN 14399 : les boulons HV et les boulons HRC notamment.

La précontrainte des boulons n’a pas d’effet notable sur la résistance ultime de l’assemblage lorsque la sollicitation est orientée dans l’axe de la vis (traction extérieure appliquée, soit la Catégorie E selon l’Eurocode 3 partie 1-8 [7]). La précontrainte améliore toutefois largement la résistance en fatigue du boulon et augmente également la rigidité d’un tel assemblage, ce qui est pris en compte dans la révision de l’Eurocode 3 [10], [11].

L’essai d’aptitude à l’emploi pour les boulons HR

Intérêt de l’essai

Pour les boulons précontraints, l’essai d’aptitude à l’emploi vise plusieurs objectifs. En premier lieu, cet essai permet de déterminer les paramètres de mise en précontrainte du boulon. Pour les boulons HR de classe K2, il s’agit de caractériser précisément la relation entre le couple appliqué sur l’écrou et la tension induite dans le corps de la vis.

Note       Les boulons aptes à la précontrainte peuvent être livrés avec plusieurs niveaux de précision dans la caractérisation de la relation couple – tension, synthétisés dans trois classes : K0, K1 et K2 [11]. La classe K2 est la seule qui permet une mise en œuvre par la méthode du couple conformément à la NF EN 1090-2 [13].

L’essai permet également de valider la ductilité et la résistance de l’association de la vis et de l’écrou.

Principe de l’essai

La partie 2 de la NF EN 14399 [8] décrit les modalités de l’essai d’aptitude à l’emploi. Il s’agit d’un essai de mise en précontrainte par rotation de l’écrou conduit au minimum jusqu’à dépassement des critères de ductilité. Ce serrage se fait sur une cellule permettant la mesure de l’effort de compression induit par le serrage, et donc d’en déduire la tension introduite dans le boulon.

Lors d’un serrage par la méthode du couple, la relation entre le couple appliqué et la tension induite dépend largement du coefficient de frottement entre les filets de la vis et ceux de l’écrou et également de celui à l’interface entre l’écrou et la surface sur laquelle il repose. C’est pourquoi le boulon soumis à l’essai est composé d’une vis, d’un écrou et d’au moins la rondelle sous l’écrou.

Lorsque l’effort de traction dans le boulon atteint l’effort de précontrainte nominal (F_p,C = 0,7 A_s f_ub), le couple appliqué sur l’écrou M_pi est noté. Cela permet de définir la relation couple – tension pour ce boulon de diamètre nominal d à l’aide de l’expression :

Il est exigé que l’effort maximal atteint durant l’essai, noté F_bi,max, soit au moins égal à 90% du produit de la section de la partie filetée A_s par la résistance ultime minimale de l’acier R_m,min.

Note       R_m,min est défini dans la NF EN ISO 898-1 [14] et est égal ou légèrement supérieur à la résistance ultime nominale notée f_ub dans l’Eurocode 3 partie 1-8 [7].

Lorsque la rotation appliquée à l’écrou dépasse les critères de ductilité applicables (dépendant du type boulon et de l’épaisseur serrée), l’essai peut être stoppé.

Lien entre l’essai d’aptitude à l’emploi et la norme d’exécution

La moyenne des k_i obtenus pour les différents boulons testés d’un même lot homogène (c’est-à-dire composé d’un seul lot de fabrication de vis, d’écrou et de rondelles) est notée k_m et est directement notée sur l’étiquette d’accompagnement des boulons. Ce paramètre est utilisé pour déterminer les couples à appliquer en première phase de serrage, à la fin du serrage, et pour le contrôle.

Note       Pour un lot donné, le nombre de boulons soumis à un essai d’aptitude à l’emploi est définit dans la NF EN 14399-1 [8] dans le cas courant, ou dans le référentiel NF 070 [15] pour les boulons disposant de la marque NF.

L’effort de précontrainte nominal utilisé par la norme d’exécution correspond à la valeur prise en compte dans le calcul conformément à l’Eurocode (voir ci-dessous) et également au point de mesure utilisé pour établir les paramètres de mise en précontrainte.

Lien entre l’essai d’aptitude à l’emploi et le calcul suivant les Eurocodes

Dans l’application de l’Eurocode 3 partie 1-8 [7], il est supposé que les boulons précontraints utilisés sont conformes à la NF EN 14399 [8]. L’effort de précontrainte nominal visé par l’Eurocode correspond au point de mesure utilisé pour établir les paramètres de mise en précontrainte. La résistance de ce boulon en traction correspond à la valeur minimale exigée pour l’effort atteint pendant l’essai (à ceci près que f_ub et R_m,min ne sont pas strictement identiques, mais cette légère différence place du côté de la sécurité).

En dehors du contexte de la construction métallique, la maitrise de la mise en précontrainte par la méthode du couple implique de connaitre les coefficients de frottement en jeu au moment du serrage (entre les filets, et entre l’écrou et la surface sur laquelle il s’appuie). En règle générale, il est seulement possible d’estimer une fourchette plausible pour ce coefficient de frottement, en fonction notamment du type de lubrification utilisé. Les paramètres de mise en précontrainte dépendent essentiellement de cette fourchette de coefficient de frottement, du niveau de tension initiale visé et de la précision de l’outil de serrage. Une telle démarche est notamment décrite dans la NF E25-030 [16].

Comme pour les boulons non précontraints, le contexte particulier de la construction métallique en Europe facilite le travail du constructeur et limite ses responsabilités concernant l’utilisation des boulons précontraints.

Références

[1] Rodier A. (2022). Résistance au glissement des boulons HR. Article Métalétech.

[2] Rodier A. (2022). Géométrie des boulons HR. Article Métalétech.

[3] PrécoCM : Préconisation pour la pose des boulons de Construction Métallique sur chantier – Fiche G : Serrage des boulons précontraints HR. Cetim, Septembre 2019, diffusée sur Métalétech en février 2020.

[4] Rodier A. (2022). Couples de serrages des boulons HR. Article Métalétech.

[5] PrécoCM : Préconisation pour la pose des boulons de Construction Métallique sur chantier – Fiche J : Contôle du serrage des boulons HR (méthode du couple). Cetim, Septembre 2019, diffusée sur Métalétech en février 2020.

[6] Rodier A. (2022). Conception des bâtiments simples à ossature en acier. CTICM, ISBN : 978-2-902720-50-7.

[7] NF EN 1993-1-8 (2005). Eurocode 3 – Calcul des structures en acier. Partie 1-8 : Calcul des assemblages. AFNOR. Décembre 2005.

[8] NF EN 14399 (2015). Boulonnerie de construction métallique à haute résistance apte à la précontrainte (toutes parties). AFNOR. Mai 2015 – Mai 2018.

[9] PrécoCM : Préconisation pour la pose des boulons de Construction Métallique sur chantier – Fiche B : Etiquettes. Cetim, Septembre 2019, diffusée sur Métalétech en février 2020.

[10] EN 1993-1-8 (2024). Eurocode 3 – Calcul des structures en acier. Partie 1-8 : Assemblages. CEN. Novembre 2024, Eurocode de 2^e génération (version prépubliée).

[11] EN 1993-1-9 (2025). Eurocode 3 – Calcul des structures en acier. Partie 1-9 : Fatigue. CEN. Mars 2025, Eurocode de 2^e génération (version prépubliée).

[12] PrécoCM : Préconisation pour la pose des boulons de Construction Métallique sur chantier – Fiche E : Notions fondamentales. Cetim, Septembre 2019, diffusée sur Métalétech en février 2020.

[13] NF EN 1090-2+A1 (2024). Exécution des structures en acier – Partie 2 : Exigences techniques pour les structures en acier. AFNOR, mai 2024.

[14] NF EN ISO 898-1 (2013). Caractéristiques mécaniques des éléments de fixation en acier au carbone et en acier allié – Partie 1 : vis, goujons et tiges filetées de classes de qualité spécifiées – Filetages à pas gros et filetages à pas fin. AFNOR, janvier 2013.

[15] Référentiel de certification NF – Partie 2 : Les règles de certification NF. Certification NF 070 – Boulonnerie de construction métallique. AFNOR Certification, 20/02/2023, révision 11.

[16] NF E25-030 (2014). Fixations – Assemblages vissés à filetage métrique ISO – Partie 1 : règles de conception pour les assemblages précontraints (toutes parties). AFNOR, août 2014.

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Anthony Rodier, chef du service formation, CTICM