Boulons traversants dans les profilés creux : dimensionnez-les comme des axes, et non comme des boulons

Un benchmark dans IDEA StatiCa Connection montre la conséquence : le même boulon M16 8.8 satisfait la vérification de boulon standard, mais échoue lorsqu'il est modélisé comme un axe. Voici pourquoi, et comment dimensionner correctement les boulons traversants.

IDEA StatiCa Connection peut modéliser et analyser presque toute géométrie d'assemblage. Certains assemblages sont toutefois non standard : les vérifications générales de boulons fournies par les normes de calcul implémentées ne décrivent pas fidèlement leur comportement. Un exemple typique est un profilé creux, généralement un RHS ou un SHS, assemblé par des boulons traversants. Il s'agit de longs boulons ou de tiges filetées qui traversent les deux parois du profilé, la tête et l'écrou s'appuyant sur les faces extérieures.

Les boulons traversants constituent une alternative aux boulons aveugles, aux Hollo-Bolts, aux boulons à perçage par fluage et aux autres éléments de fixation spéciaux posables d'un seul côté. Ils sont faciles à approvisionner : une tige filetée, des écrous et des rondelles suffisent. Leur mécanique diffère toutefois de celle d'un assemblage boulonné conventionnel sur trois points.

Fig. 1 Assemblages sur la paroi d'un HSS : boulons dans une seule paroi (à gauche) et boulons traversants passant à travers les deux parois (à droite). Source : J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

Points clés

• Un boulon traversant sans manchon doit être modélisé comme un axe dans le modèle, plutôt que d'être classé comme un boulon.
• Les boulons non précontraints avec un manchon interne ajusté peuvent être modélisés comme des boulons standard si le manchon empêche la flexion.
• Si le manchon n'adhère pas aux boulons et qu'un jeu est prévu, modélisez les boulons comme des axes.
• Il est important de noter que les boulons précontraints travaillant par frottement sont interdits pour ce type d'assemblage dans IDEA StatiCa Connection.

Trois différences entre un boulon traversant et un boulon

1. Le boulon ne peut pas être précontraint dans un profilé creux non renforcé

Le serrage du boulon repousse les deux parois vers l'intérieur par une charge ponctuelle. Les faces flexibles du profilé creux se déforment au lieu d'être serrées. Les boulons traversants sont donc limités aux assemblages travaillant en pression diamétrale avec des boulons serrés au contact. Même la pose avec serrage au contact, soit environ 10 % de la précontrainte minimale selon le Tableau J3.1 de l'AISC 360-16, doit être réalisée avec précaution sur les profilés à parois minces afin de ne pas aplatir les parois. En raison du vide à l'intérieur de l'élément, le serrage au contact ne permet pas non plus de mettre toutes les pièces assemblées en contact ferme.

Fig. 2 Distorsion potentielle de la paroi du HSS lorsque les boulons traversants sont entièrement précontraints. Source : J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. Le boulon se comporte comme un axe, et non comme un boulon

Les pièces assemblées ne sont pas serrées et peuvent ne pas être en contact. La tige est donc sollicitée en cisaillement et en flexion, et la seule vérification standard au cisaillement du boulon ne reflète pas son comportement. Le boulon traversant doit être dimensionné comme un axe, avec les vérifications suivantes :

• cisaillement,
• flexion,
• interaction cisaillement–flexion.

3. La résistance à la pression diamétrale des plaques assemblées est réduite

La tête et l'écrou s'appuient uniquement sur l'extérieur de la paroi du profilé creux, et non sur ses faces extérieure et intérieure comme dans un assemblage boulonné conventionnel. L'épaisseur serrée n'est pas empêchée de se dilater, de sorte que les plaques ne sont pas confinées autour du trou et peuvent subir un écrasement local. La résistance à la pression diamétrale est celle d'un axe, et non celle d'un boulon. Cela s'applique à la fois à la paroi du profilé creux et à la plaque assemblée.

Contexte normatif

AISC 360-22, §J3.11(b) (§J3.10(c) dans l'AISC 360-16). Les boulons qui traversent entièrement un HSS non raidi relèvent de la vérification de la pression diamétrale des axes du §J7 :

Rn = 1,8·Fy·Apb, φ = 0,75, Apb = d·tdesign (J7-1)

Ici, « non raidi » désigne une paroi qui n'est pas confinée par une tête de boulon et un écrou des deux côtés, et qui n'est raidie ni par un remplissage ni par un renfort. Le cisaillement du boulon (Éq. J3-1) et les autres états limites de l'élément assemblé sont vérifiés de la manière habituelle. L'AISC 360-16 ne traitait pas l'arrachement pour les boulons traversants ; dans l'AISC 360-22, la même section couvre l'arrachement du boulon. Pour des boulons rapprochés ou situés près de l'extrémité d'un élément, une approche rationnelle est requise.

EN 1993-1-8. Il n'existe pas de procédure spécifique. Par analogie avec l'AISC, les règles relatives aux axes du Tableau 3.10 sont appliquées :

Fb,Rd = 1,5·t·d·fy/γM0 (pression diamétrale)

MRd = 1,5·Wel·fyp/γM0 (flexion)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (interaction cisaillement–flexion)

Les boulons traversants avec manchon correspondent au cas où le boulon, à l'intérieur du profilé creux, passe dans un tube entretoise dont le diamètre intérieur ajusté est égal à celui des trous de boulons standard. Le tube empêche la distorsion des parois du profilé creux en cas d'effort de traction dans le boulon. Les pièces assemblées sont alors serrées les unes contre les autres comme dans un assemblage boulonné standard, et le boulon peut même être entièrement précontraint (CIDECT Design Guide 9, §5.11 ; Kurobane et al. 2004). En pratique, le tube est généralement soudé dans le profilé comme manchon (Dutta et al. 1998 ; McCormick 2017). L'assemblage se comporte alors davantage comme un assemblage boulonné conventionnel que comme un assemblage à axe (McCormick 2017).

Fig. 3 Renfort par manchon de boulon du HSS au niveau des boulons traversants. Source : M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

Cas de référence

Assemblage boulonné : comportement d'un boulon standard

Le SHS soudé 110×110×10 mm est fabriqué en acier S355 et boulonné à travers le profilé sur une plaque de 8 mm à l'aide d'un boulon standard M16 8.8. Le boulon est modélisé avec le type de boulon « Pression diamétrale – interaction traction/cisaillement », le plan de cisaillement passant dans le filetage. Le modèle est chargé uniquement par un effort axial de 40 kN dans la plaque assemblée. Cet effort sollicite le boulon en cisaillement (V = 40 kN) et provoque un effort tranchant et un moment de torsion dans le SHS.

Fig. 4 Le modèle de référence dans IDEA StatiCa Connection avec le boulon traversant modélisé comme un boulon standard : l'effort de 40 kN dans la plaque, les efforts d'extrémité du SHS et les paramètres de l'élément de fixation (M16 8.8, plan de cisaillement dans le filetage, pression diamétrale – interaction traction/cisaillement).

Vérification du boulon selon l'EN 1993-1-8

L'effort tranchant est presque entièrement repris par le premier plan de cisaillement (40,0 kN). L'effort tranchant résiduel dans le second plan de cisaillement est négligeable (1,56 kN) ; la seconde paroi ne participe donc quasiment pas. Le boulon est vérifié avec un taux de travail en interaction traction–cisaillement de 69,4 %, déterminé par le taux de travail en cisaillement de 66,3 %.

Le rapport ajoute toutefois un avertissement : il existe un jeu entre les plaques assemblées, la flexion dans le boulon n'est pas prise en compte dans le modèle numérique, et les plaques ne sont pas serrées. Les résistances du boulon au cisaillement et des plaques à la pression diamétrale peuvent donc être erronées. C'est le premier signal qui exige votre attention.

Fig. 5 Vérification du boulon selon l'EN 1993-1-8 (M16 8.8) : F_t,Ed = 3,91 kN, F_v,Ed = 40,00/1,56 kN dans les deux plans de cisaillement, F_b,Rd = 116,15 kN, taux de travail de 4,3 % en traction, 66,3 % en cisaillement et 69,4 % en interaction, avec l'avertissement émis pour les assemblages par boulons traversants.

Un modèle de poutre équivalent du boulon facilite l'interprétation des résultats. Il montre les efforts internes et la distribution des contraintes sur la longueur du boulon, et reproduit le même taux de travail en cisaillement, ce qui constitue un simple contrôle de fiabilité.

Fig. 6 Modèle de poutre équivalent du boulon : V = 40 kN au premier plan de cisaillement, contrainte de cisaillement 4V/3A = 339,6 MPa et taux de travail en cisaillement de 0,66 par rapport à V_Rd = 60,31 kN. Il confirme les efforts internes et le taux de travail indépendamment d'IDEA StatiCa.

Assemblage boulonné : comportement comme un axe

Le même modèle est maintenant construit avec l'élément de fixation « Axe ». L'élément axe reprend l'effort tranchant et le moment de flexion. Il ne transmet pas d'effort axial.

Fig. 7 Le modèle de référence avec le boulon traversant modélisé comme un axe (axe D16 défini par l'utilisateur traversant la plaque et les deux parois du SHS) : l'effort de 40 kN dans la plaque et les efforts d'extrémité du SHS.

Vérification de l'axe selon l'EN 1993-1-8

La flexion de l'axe a l'influence la plus significative sur le comportement : à elle seule, elle entraîne un taux de travail de 90,9 %. La résistance à la pression diamétrale diminue également d'environ 41 % par rapport à l'approche boulon (68,2 kN contre 116,2 kN). La flexion combinée à l'effort tranchant rend la vérification de l'axe non satisfaisante : l'interaction cisaillement–flexion atteint 109,5 %, et l'axe ne vérifie pas. Le moment fléchissant est maximal à l'endroit où l'axe pénètre dans le profilé creux.

Fig. 8 Vérification de l'axe (axe D16 défini par l'utilisateur, f_yp = 640 MPa) : F_v,Ed = 39,99 kN, M_Ed = 0,35 kNm, F_v,Rd = 77,21 kN, F_b,Rd = 68,16 kN, M_Rd = 0,39 kNm ; taux de travail en cisaillement 58,7 %, en flexion 90,9 % et en interaction 109,5 %. La résistance à la flexion est déterminée selon l'EN 1993-1-8, Tableau 3.10.

Résultats du modèle de poutre équivalent (axe)

Le modèle analytique peut être construit selon les règles de l'article de la base de connaissances IDEA StatiCa Steel pins.

Le modèle de poutre analytique concorde étroitement avec le modèle IDEA StatiCa Connection. Dans Connection, la charge est répartie uniformément sur l'épaisseur de la plaque qui sollicite l'axe ; le modèle équivalent utilise à la place un effort ponctuel, ce qui est conservatif. Cela entraîne de légères différences entre les efforts internes et les taux de travail des deux modèles, ce qui fait du modèle de poutre un contrôle utile de fiabilité et de vraisemblance.

Le taux de travail en cisaillement de 58,7 % est déterminé par la vérification de la pression diamétrale de l'axe sur la plaque assemblée, et non par le cisaillement de l'axe lui-même (51,8 %). La flexion (0,93) et l'interaction cisaillement–flexion (1,14) sont légèrement plus élevées dans le modèle de poutre équivalent, en raison de l'effort ponctuel. L'axe se comporte comme prévu.

Fig. 9 Modèle de poutre équivalent du boulon traversant modélisé comme un axe : V = 40 kN au premier plan de cisaillement, M = 0,36 kNm à l'endroit où l'axe pénètre dans la paroi du SHS, taux de travail en flexion 0,93 par rapport à M_Rd = 0,386 kNm, interaction 1,14. Pression diamétrale de l'axe : 0,59 sur la plaque assemblée, 0,52 et 0,05 sur les deux parois du SHS.

Modèle avec manchons internes fabriqués

McCormick (2017) décrit le manchon comme l'un des moyens les plus courants d'améliorer un assemblage par boulon traversant :

« L'une des méthodes les plus courantes pour améliorer les performances des assemblages par boulons traversants consiste à prévoir un manchon (ou tube rond) dans lequel passe le boulon traversant. Le manchon est réalisé en perçant un trou dans le HSS, en y insérant un manchon dont le diamètre intérieur est égal au diamètre d'un trou standard pour le boulon traversant, puis en soudant le manchon en place (Dutta et al. 1998). Le manchon permet la précontrainte du boulon tout en empêchant la distorsion de la paroi du HSS. En conséquence, l'assemblage par boulon traversant se comportera davantage comme un assemblage boulonné que comme un assemblage à axe. » (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

Fig. 10 Élément RHS/SHS fabriqué avec des manchons internes.

Manchons dans IDEA StatiCa : boulons non précontraints

Si le manchon soudé est modélisé à l'intérieur du RHS/SHS et que le boulon n'est pas précontraint, le boulon traversant peut être modélisé dans IDEA StatiCa comme un boulon standard, conformément à l'article et aux références ci-dessus. Le manchon doit confiner précisément le boulon pour que le modèle de boulon standard soit valide. Dès qu'il existe un jeu entre le manchon et le boulon, le boulon retrouve un comportement d'axe.

• Même lorsque le manchon est modélisé avec l'opération de fabrication « Élément raidisseur », le rapport affiche toujours l'avertissement indiquant que la flexion dans le boulon n'est pas prise en compte. 
• La vérification de la pression diamétrale est effectuée sur les pièces assemblées

Fig. 11 Assemblage RHS/SHS fabriqué avec un manchon interne et un boulon M16 8.8 non précontraint : vérification de la résistance à la pression diamétrale selon l'EN 1993-1-8 Tableau 3.4 et avertissement concernant le jeu entre les plaques assemblées.

Manchons dans IDEA StatiCa : boulons précontraints travaillant par frottement

IDEA StatiCa Connection n'autorise pas les boulons travaillant par frottement (résistants au glissement) dans ce modèle. L'analyse s'arrête avec le message « Friction type bolts cannot be used if there is a gap between the plates ». Il y a une raison à cela :

• Dans le modèle, la précontrainte n'est pas transférée au manchon. Le boulon est raidi en cisaillement, et les efforts tangentiels du boulon agissent sur le trou en traction et en compression, mais dans la direction axiale le boulon se comporte comme un boulon standard et aucun état précontraint n'est créé. Le manchon n'est pas comprimé par la précontrainte ; l'état de contrainte obtenu serait donc trompeur.

Fig. 12 Assemblage RHS/SHS fabriqué avec un manchon interne et un boulon précontraint (travaillant par frottement) : l'analyse indique que les boulons de type frottement ne peuvent pas être utilisés s'il existe un jeu entre les plaques.

Conclusion

• Un boulon traversant sans manchon est un axe, et non un boulon. Il ne peut pas être précontraint, les pièces assemblées ne sont pas serrées et la tige travaille en cisaillement et en flexion.
• La vérification standard du boulon n'est pas sécuritaire ici. Dans le cas de référence (SHS 110×110×10, plaque de 8 mm, M16 8.8, 40 kN), la vérification du boulon est satisfaite à 69,4 %. La vérification de l'axe échoue à 109,5 % en interaction cisaillement–flexion, la flexion seule atteignant 90,9 %.
• Lisez l'avertissement du rapport. IDEA StatiCa Connection signale le jeu entre les plaques : la flexion dans le boulon n'est pas prise en compte et les résistances du boulon au cisaillement et des plaques à la pression diamétrale peuvent être erronées.
• La résistance à la pression diamétrale diminue d'environ 41 %. La pression diamétrale de l'axe sur la plaque de 8 mm donne 68,2 kN, contre 116,2 kN pour la pression diamétrale du boulon.
• Modélisez-le comme un axe dans IDEA StatiCa Connection et affectez la classe du boulon au matériau de l'axe. L'axe ne reprend aucun effort axial ; vérifiez donc séparément les effets de traction si nécessaire.
• Un manchon soudé rétablit le comportement du boulon. Avec un manchon ajusté, le boulon traversant peut être modélisé comme un boulon standard travaillant en pression diamétrale. Les boulons travaillant par frottement (précontraints) ne peuvent pas être analysés dans IDEA StatiCa Connection lorsqu'il existe un jeu entre les pièces assemblées.

Références

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

Les auteurs de l'article : Lukas Juricek, Pavel Kalab et Martin Vild