Une connexion d’une structure en acier est l’élément qui transmet les efforts d’un élément à un autre, et la qualité de cette transmission détermine si l’ossature tient debout ou vacille. Les connexions sont classées selon deux critères indépendants, souvent confondus bien qu’ils répondent à des questions différentes. Le premier critère est la méthode d’assemblage : ce qui maintient physiquement les éléments ensemble, à savoir les boulons, les soudures ou les rivets. Le second est le comportement structural : la capacité de la connexion à limiter la rotation, ce qui détermine si elle ne transmet que des efforts de cisaillement, des moments fléchissants complets ou des charges axiales. Une connexion peut être boulonnée ou soudée tout en étant soit une connexion simple, soit une connexion en moment ; ainsi, le choix du matériel seul ne suffit pas à déterminer le comportement de la connexion.
Cet article traite de ces types de connexions et de la logique à suivre pour choisir entre eux. Il ne détaille pas les spécifications des procédures de soudage, ni la conception normative clause par clause, ni la manière dont les boulons d’ancrage sont scellés dans le béton sur site.
Ce que doit assurer une connexion d’une structure en acier
Toute connexion en acier transmet une combinaison de trois types d’efforts entre les éléments : le cisaillement, le moment fléchissant et la charge axiale. La nature de ces efforts que la connexion doit transférer est définie dans le modèle structural, avant même que l’on choisisse un boulon ou que l’on allume un arc électrique. Si cette intention est mal comprise, le détail suivra inévitablement, aussi soignée que soit la fabrication.
L’erreur courante consiste à considérer « boulonné versus soudé » et « articulé versus rigide » comme un même choix. Il s’agit en réalité de deux axes distincts. Le boulonnage et la soudure décrivent la manière dont l’acier est fixé ; les connexions simples, en moment et les contreventements décrivent le comportement de la connexion sous charge. On peut souder une connexion destinée à pivoter librement, et on peut boulonner une connexion devant transmettre un moment complet. Par exemple, dans un bâtiment à ossature portique, les corniches et le sommet sont conçus comme des connexions en moment, tandis que les pattes de pannes et de fermes restent simples. Cette distinction demeure, que l’atelier boulonne ces joints ou les soude. Ainsi, la première question à chaque nœud n’est pas « boulonner ou souder », mais « que doit résister cette connexion ? ».
Types de raccordement en acier selon la méthode d’assemblage
Selon la méthode d’assemblage, les raccordements en acier se répartissent en trois catégories : boulonnés, soudés et rivetés. Les deux premières couvrent presque toute la construction neuve ; la troisième est principalement un héritage.
Raccordements boulonnés
Les raccordements boulonnés fixent les éléments à l’aide de boulons haute résistance et constituent le principal moyen d’assemblage sur chantier, car les équipes peuvent les réaliser rapidement et les contrôler visuellement ainsi qu’au couple de serrage. Les qualités courantes de haute résistance sont 8.8 et 10.9 selon la désignation européenne, ou A325 et A490 dans la pratique nord-américaine. Les joints boulonnés se comportent selon l’un des deux modes suivants. Un joint de type porteur laisse la tige du boulon appuyer contre le bord du trou, ce qui constitue la solution économique par défaut. Un joint à glissement critique, ou de type friction, est précontraint afin que les tôles serrées supportent la charge par frottement avant tout glissement ; c’est ce que l’on spécifie lorsque les efforts s’inversent ou que la fatigue est un facteur déterminant. Quelle que soit la configuration, la qualité du joint ne dépasse jamais celle de la tension installée ; aussi, la précontrainte est vérifiée soit par le tour de l’écrou, soit par des rondelles indicatrices de tension directe, plutôt que par une estimation.
Raccordements soudés
Les raccordements soudés fusionnent les éléments grâce au métal d’apport et peuvent atteindre près de la résistance complète de la section assemblée. Deux types de soudure couvrent la plupart des applications. Les soudures d’angle s’exécutent le long du bord des tôles chevauchées ou jointes en T. Les soudures en V (bout à bout) comblent un espace préparé et, lorsqu’elles sont à pleine pénétration, transmettent la totalité de la force de l’élément. Le soudage est privilégié en atelier, où l’ouvrage peut être positionné à plat, maîtrisé et inspecté. Le soudage sur chantier doit faire face à la position, aux conditions météorologiques et à l’accès ; il est donc réservé aux joints qui en ont réellement besoin. Les soudures critiques font l’objet d’un contrôle approfondi, au-delà de l’inspection visuelle, par ultrasons ou radiographie, et le soudage de l’acier structural est lui-même régulé par la norme AWS D1.1 dans la pratique nord-américaine. La plupart des fabricants procèdent donc au soudage en atelier et au boulonnage sur chantier, car la soudure en atelier est réalisée sous contrôle, tandis que la soudure sur chantier dépend des conditions offertes par le site.
Raccordements rivetés
Les raccordements rivetés concernent principalement les structures anciennes, et les nouveaux bâtiments en acier n’y ont pratiquement jamais recours. Autrefois, les rivets chauds assuraient la fonction aujourd’hui assurée par les boulons haute résistance, mais ils ont été largement remplacés parce que le boulonnage est plus rapide, plus silencieux et plus facile à contrôler. On rencontre aujourd’hui des rivets surtout lors de l’évaluation ou de la rénovation de constructions patrimoniales en acier, où il importe davantage de reproduire le comportement original du joint que le choix même de la fixation.
Types de raccordement en acier selon le comportement structural
Le comportement structural répartit les raccordements d’une autre manière : un joint est dit simple, à moment ou de contreventement selon l’ampleur de sa restriction des éléments, indépendamment du fait qu’il soit boulonné ou soudé. C’est cet axe qui détermine la capacité globale de la structure à résister aux charges ; il est donc utile d’analyser un joint en fonction de son comportement avant d’examiner ses éléments de fixation.
Un raccordement simple transmet les efforts de cisaillement et autorise la rotation des éléments connectés ; il supporte ainsi les charges verticales sans maintenir l’angle entre les éléments. Les plaques d’extrémité, les plaques d’extrémité flexibles et les équerres assises sont typiques ; ils conviennent aux ossatures contreventées où les contreventements ou les murs de cisaillement prennent les charges latérales. Un raccordement à moment transmet non seulement les efforts de cisaillement mais aussi les moments fléchissants, tout en maintenant l’angle entre les éléments fixe. Cette rigidité permet à une ossature de résister au balancement uniquement grâce à l’action de la structure, comme au niveau des pignons d’une charpente portique. Les joints à moment nécessitent davantage de matériaux et de fabrication ; ils sont donc spécifiés là où ils sont indispensables, et non par défaut. Un raccordement de contreventement supporte les efforts axiaux de traction ou de compression le long de la ligne de contreventement et repose généralement sur une plaque de gousset à l’extrémité du contreventement. La disposition de ces contreventements dans une travée fait l’objet de le contreventement des ossatures en acier. Ces deux axes sont directement liés : si une travée ne comporte pas de contreventement, ses joints poutre-colonne doivent être des raccordements à moment, faute de quoi la structure se comporterait comme un mécanisme. Ainsi, le choix entre contreventement et raccordement à moment influence directement la conception des joints.
Les codes de calcul formalisent ce principe. Par exemple, l’Eurocode 3 (EN 1993-1-8) classe les joints selon leur rigidité et leur résistance, et considère un joint comme étant nominativement articulé lorsque sa résistance au moment est faible comparée à celle d’un joint pleinement résistant.
Position des raccordements dans une ossature en acier
La plupart des ossatures en acier utilisent les mêmes emplacements de raccordement, et chacun d’eux correspond à des Composants de charpente pour bâtiments métalliques dans un chemin de charge continu. C’est la désignation des éléments qui rend un plan structurel lisible.
- Poutre-colonne : le joint courant où une poutre s’encastre dans une colonne, détaillé comme simple ou à moment selon la configuration du cadre.
- Poutre-poutre : des poutres secondaires s’encastrent dans des poutres principales, généralement avec des joints de cisaillement simples.
- Column splices: where one column length joins the next in taller frames, made with bolted cover plates or end plates.
- Embase de colonne : une plaque d’embase soudée au pied de la colonne et fixée au béton par des boulons d’ancrage. La plaque d’embase répartit la charge de la colonne sur le béton, tandis que les boulons d’ancrage résistent aux efforts de soulèvement et de cisaillement. Il s’agit du transfert entre l’acier et le fondation d’un bâtiment métalliqueet le fait que l’embase soit détaillée comme articulée ou encastrée modifie la quantité de moment transmise à la fondation.
- Connexions de contreventement : des membrures de contreventement rejoignent le cadre au niveau des plaques de gousset, dimensionnées pour supporter la charge axiale.
Choisir entre les connexions boulonnées et soudées
Le choix entre les connexions boulonnées et soudées est principalement une question de l’endroit où l’ouvrage est réalisé et des sollicitations que doit supporter le joint. Ces deux méthodes ne sont pas tant des concurrentes que des outils adaptés à des contextes différents, et la plupart des bâtiments recourent aux deux.
| Facteur | Boulonné | Soudé |
|---|---|---|
| Meilleur réglage | Montage sur le terrain | Fabrication en atelier |
| Vitesse sur site | Rapide, immédiat | Plus lent ; mise en place, soudure et inspection |
| Inspection | Contrôle visuel plus contrôle du couple ou de la tension | Visual plus NDT sur les soudures critiques |
| Inversion de charge et fatigue | Les boulons à frottement critique résistent bien | Bon si détaillé pour la fatigue ; les pieds de cordon peuvent se fissurer |
| Removability | Demountable | Permanent |
| Typique pour la maison | Poutre-colonne, épissures, contreventements sur chantier | Sections assemblées, semelles de fondation, joints de moment à pleine résistance |
Pour la plupart des bâtiments en acier, la solution pratique combine les deux : souder les éléments de connexion lourds en atelier, puis boulonner les pièces assemblées sur le chantier. À l’échelle du bâtiment, ce même compromis se traduit par le choix entre bâtiments en acier soudés ou boulonnés.
Le coût est la raison pour laquelle ce choix est déterminant. Les connexions ajoutent très peu de masse d’acier mais une part importante de main-d’œuvre. Dans un cadre multi-étages contreventé typique, les connexions peuvent représenter moins de 5 % de la masse d’acier de la structure tout en comptant pour 30 % ou plus de son coût. La fabrication des connexions peut à elle seule représenter 30 à 50 % du coût total de la fabrication, selon les recommandations de l’industrie sidérurgique britannique publiées sur SteelConstruction.info. Standardiser et simplifier les détails des connexions réduit donc le prix d’une ossature métallique davantage que la réduction des sections des éléments, raison pour laquelle les solutions boulonnées répétitives sont privilégiées aux soudures ponctuelles réalisées sur le chantier.
Où les connexions métalliques échouent et comment elles sont contrôlées
Les connexions tombent en panne selon quelques modes prévisibles, et la plupart sont détectées par des contrôles dont le coût est bien inférieur à celui de la réparation. Chaque mode de défaillance correspond à une vérification adaptée, et le schéma est toujours le même : une variable non confirmée devient un défaut que l’inspection courante aurait identifié.
- Les boulons trop desserrés ou de grade inapproprié perdent la force de serrage sur laquelle repose un joint à glissement critique ; c’est pourquoi la précontrainte installée et le marquage des boulons sont vérifiés plutôt que simplement pris pour acquis.
- Les défauts de soudure, tels que le manque de fusion, la porosité ou des cordons trop peu profonds, réduisent la résistance et favorisent l’apparition de fissures de fatigue ; c’est pourquoi les soudures à pleine pénétration et les soudures critiques font l’objet d’un contrôle par ultrasons ou radiographique, en complément d’une inspection visuelle.
- Fatigue and stress concentration gather at weld toes and re-entrant corners under repeated load, as under crane runways, so those details are designed for fatigue and ground smooth where the spec calls for it.
- La corrosion aux surfaces de contact réduit la section sans qu’on puisse l’observer ; aussi, les assemblages exposés à l’humidité sont étanches, revêtus ou galvanisés, et conçus pour évacuer l’eau. Près du littoral, les surfaces de contact ainsi que toute poche piégeant l’eau constituent les premiers sites où commence la perte de section, bien avant que cela ne se manifeste à la surface.
- Le désalignement et les tolérances imposent un ajustement précis et introduisent des contraintes résiduelles dans l’assemblage ; c’est pourquoi les détails de connexion et leurs tolérances sont vérifiés par rapport aux plans structurels avant l’arrivée de l’acier sur le chantier. La lecture de ces indications est abordée dans la lecture des plans structurels en acier.
Conclusion
La conception d’une connexion métallique suit un ordre précis : d’abord le comportement, puis la méthode, enfin la vérification. Il convient d’abord de déterminer les fonctions requises de l’assemblage, car c’est le modèle structural, et non le matériel, qui indique si un nœud doit uniquement résister au cisaillement ou s’il doit également transmettre des moments et maintenir la géométrie de la charpente. Ensuite, on choisit la méthode d’assemblage, en l’adaptant à la manière dont l’ouvrage est réalisé : soudage en atelier pour les éléments assemblés et de pleine résistance, boulonnage sur site pour la rapidité et la démontabilité. Enfin, on procède à la vérification, en adaptant les contrôles de tension des boulons ou les essais non destructifs des soudures à la charge supportée par l’assemblage.
Les trois mêmes exigences sous-tendent la façon dont vous concevez un bâtiment en acier, où le schéma de connexion est défini dès la phase de charpente, plutôt que postérieurement. Chez KAFA, les lignes H-beam, section caisson et pannes sont découpées, percées et soudées sur place, avec des éléments de connexion tels que plaques de fondation, plaques d’extrémité et goussets, ce qui laisse principalement au chantier le travail de boulonnage. Il suffit de bien définir, à chaque nœud, l’équilibre entre moment et cisaillement ; le reste, depuis la qualité des boulons jusqu’au type de soudure et à l’ancrage des plaques de fondation, découle naturellement de cette décision.
FAQ
Quels sont les trois principaux types de connexions des structures en acier ?
Selon la méthode d’assemblage, les trois types sont les connexions boulonnées, soudées et rivetées, bien que le rivetage soit aujourd’hui principalement réservé aux structures plus anciennes. Les bâtiments en acier modernes reposent sur des joints boulonnés et soudés, et un même bâtiment utilise souvent les deux : les éléments sont souvent soudés en atelier, puis assemblés par boulons sur le chantier.
Quelle est la différence entre une connexion simple et une connexion à moment ?
Une connexion simple transmet les efforts de cisaillement et permet aux éléments de pivoter, tandis qu’une connexion à moment transmet également les moments de flexion et maintient l’angle entre les éléments fixe. Les connexions simples conviennent aux ossatures contreventées, où le contreventement ou les murs résistent aux charges latérales, alors que les connexions à moment sont utilisées lorsque l’ossature elle-même doit résister au balancement, par exemple au niveau des corniches et du sommet d’une charpente portique.
Les connexions boulonnées ou soudées sont-elles plus résistantes ?
Aucune n’est intrinsèquement plus résistante, car un joint boulonné correctement conçu et un joint soudé correctement conçu développent chacun la résistance requise par l’élément. Les véritables différences résident dans le lieu de réalisation : la soudure est privilégiée en atelier, tandis que le boulonnage l’est sur le chantier, ainsi que dans les modalités de contrôle et dans le comportement sous fatigue.
Comment une colonne en acier est-elle reliée à sa fondation ?
Une colonne en acier rejoint sa fondation par une plaque de base fixée au béton à l’aide de boulons d’ancrage. La plaque de base répartit la charge de la colonne sur le béton, tandis que les boulons d’ancrage résistent aux efforts de soulèvement et de cisaillement ; en outre, la manière dont la base est conçue — comme articulée ou encastree — influence la quantité de moment qu’elle transmet à la semelle.
Une même connexion peut-elle utiliser à la fois des boulons et des soudures ?
Yes, hybrid connections combine welds and bolts, typically welded in the shop and bolted on site. A common example is a beam with a shop-welded end plate that is then field-bolted to the column. The aim is to keep the load path clear, so that one method governs each force the joint carries.
Pour aller plus loin
- Société américaine de soudage (AWS D1.1 Code de soudage des structures, acier): l’autorité américaine régissant le soudage de l’acier structural, qui sous-tend les connexions soudées décrites ci-dessus.
- SteelConstruction.info: Simple connections (BCSA / SCI): guide de l’industrie sidérurgique britannique sur les types de connexions, la classification simple versus moment, ainsi que la répartition des coûts liés aux connexions.
- Eurocodes: EN 1993 (Eurocode 3, design of steel structures): portail JRC de la Commission européenne relatif au code régissant la conception et la classification des joints en acier (EN 1993-1-8).
