ANALYSE FIABILISTE D’ASSEMBLAGESCOUVRE-JOINT EN ACIER INOXYDABLE

Résumé

Les aciers inoxydables sont amenés à jouer un rôle de plus enplus important dans le domaine de la construction. Ils présententen effet de nombreux points forts, parmi lesquels une grandeductilité et un grand potentiel d’écrouissage permettant unedissipation significative d’énergie sous chargements cycliques,sous chocs, ainsi qu’une redistribution importante d’efforts avantrupture. Ce type d’acier présente, comme autres avantages, uneexcellente résistance à la corrosion et une meilleure résistance aufeu par rapport à l’acier au carbone utilisé en structures. Toutesces caractéristiques en font un matériau particulièrementintéressant pour des applications en zones d’assemblage, quipeuvent bénéficier de sa grande capacité de déformation et derésistance sous des niveaux élevés de contraintes. Des étudesrécentes sur le comportement mécanique d’éléments de structureen acier ont permis d’apporter des éléments de comparaison avecles exigences de l’EN 1993-1-4 qui constitue une extension desrègles établies pour les structures en acier au carbone afin deprendre en compte les particularités apportées par l’acierinoxydable. Une étude a été menée au LaMI sur des assemblagesboulonnés, en acier inoxydable, de type couvre-joint qui sont lesplus courants. Les résultats issus de cette étude ont permisd’évaluer la validité des expressions analytiques de calcul de lacapacité résistante de ces assemblages en considérant les modesde ruine complexes associés à la déformation en pressiondiamétrale. En effet, une vérification de résistance soussollicitations ELU peut ne pas suffire à limiter les déformationssous sollicitations ELS. Cette approche est en effet implicitementadmise pour l’acier au carbone dont le faible rapport entre leslimites ultime et élastique est généralement compris entre 1,1 et1,5. Or, ce rapport peut dépasser 2 pour les aciers inoxydablesausténitiques alors que le rapport des sollicitations entre ELU etELS est compris entre 1,35 et 1,5. Cette étude expérimentale estcomplétée par un modèle éléments finis non linéaire, développésous Cast3m, en vu de représenter de façon réaliste lecomportement de ces assemblages. Ce modèle prend en comptela zone de contact entre la partie filetée du boulon et les trous desplats assemblés. La géométrie de l’assemblage a été choisie en vude favoriser un mode de ruine de type pression diamétrale. La loiforce-déplacement, qui illustre le comportement global del’assemblage, intègre les différentes sources de déformationprésentes (sections brute et nette, pression diamétrale etcisaillement du boulon). Les résultats obtenus sont validés parcomparaison avec les données expérimentales sur troisassemblages de différentes dimensions. Cette étude numérique apermis de distinguer les paramètres les plus influents sur lecomportement des assemblages étudiés qui sont la loiconstitutive du matériau, l’épaisseur et la longueur du plat, lapince longitudinale et la largeur de l’assemblage. Cependant,cette approche déterministe ne permet pas de tenir compte de lavariabilité des caractéristiques géométriques et matérielles de cesassemblages. Ainsi, une approche fiabiliste est proposée pourévaluer les dispositions de l’Eurocode 3, en vu de donner auxformules de vérification des assemblages en acier inoxydable lemême niveau de fiabilité que pour l’acier au carbone. Cette étudecontribuerait à enrichir les méthodes de calcul disponibles pourl’acier inoxydable qui présentent un certain conservatisme auniveau des applications structure à cause du manque de donnéeset de retour d’expérience dans le domaine. La méthodologieadoptée pour l’étude fiabiliste s’appuie sur une mise à jour et unparamétrage du modèle éléments finis pour générer des résultatsintégrant les variabilités paramétriques. La mise en place du pland’expérience des résultats numériques permet de construire unebase de données de lois de comportement de l’assemblage, enfonction des paramètres géométriques et matériels les plusinfluents. De cette base, un méta modèle basé sur les techniquesde Surfaces de Réponses Quadratiques (SRQ) est construit avecune erreur de calage maintenue inférieure à 5%. Sur le plandéterministe, cette SRQ est comparée aux formules analytiquesproposées dans l’Eurocode 3, montrant leur conservatisme dansle cas de l’acier inoxydable. L’analyse fiabiliste est menée sur laSRQ afin d’éviter des temps de calcul excessifs. Cette analyse estbasée sur la prise en compte des incertitudes liées aux dimensionsgéométriques (tolérances de fabrication), aux paramètres de la loide comportement de l’acier inoxydable et aux charges appliquéesà l’assemblage. Deux critères de défaillance ont été considérés :capacité résistante de l’assemblage et déformation excessive souspression diamétrale du plat assemblé. Pour l’objectif de fiabilitéprescrit par les Eurocodes, les règles de dimensionnement sontconfrontées aux résultats de l’analyse fiabiliste, en vue de lavalidation de l’approche de dimensionnement des assemblagesen acier inoxydable. Le niveau de conservatisme de l’EC3 estestimé, pour ces assemblages, à travers la comparaison descoefficients partiels de sécurité. La définition de la résistance enpression diamétrale est discutée à partir des résultats fiabilistesconsidérant le ratio élevé entre la limite ultime et la limiteélastique.