Chapitre 4 LE CALCUL DE STRUCTURES ET LA TENUE EN FATIGUE

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1. Propriétés de l'aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2. Détermination de la contrainte admissible en statique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.1 Cas d'une section plane renforcée de raidisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.2 Cas d'une poutre en flexion soumise à une pression hydrostatique uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3. Transposition de l'acier à l'aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.1 Cas d'une section plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.2 Cas d'une poutre en flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4. La tenue en fatigue des structures en alliage d'aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Les conditions de service des navires à grande vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

6. Généralités sur la fatigue des métaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

7. Les spécificités de la tenue en fatigue de l'aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.1 La limite d'endurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.2 La zone affectée thermiquement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.3 Les contraintes résiduelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.4 Le mode de rupture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627.5 Le seuil de propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

8. Le classement des alliages d’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

9. Limite d'endurance des joints soudés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649.1 Les défauts de soudure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 649.2 Classement des joints soudés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

10. L'influence des dispositions constructives et de la fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810.1 La conception des assemblages soudés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810.2 La conception des assemblages boulonnés et collés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6810.3 La réalisation des joints soudés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

11. Normes et règlements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

C h a p i t r e 4L E C A L C U L D E S T R U C T U R E S E T L A T E N U E E N F AT I G U E

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LES RÈGLES de calcul de larésistance des matériaux

s’appliquent pour les structures enalliage d’aluminium.

Par rapport aux aciers, les proprié-tés spécifiques de l’aluminium, telle module d’élasticité qui est letiers de celui de l’acier, imposentune vérification par rapport au cri-tère de déformation. Pour rattraperle faible niveau du module deYoung, il faut optimiser les iner-ties, avoir un module d’inertie I/vaussi grand que possible.

Contrairement aux aciers, la zoneaffectée thermiquement, de partet d’autre du joint soudé, subit unadoucissement sur les alliagesd’aluminium. Les caractéristiquesmécaniques à prendre en comptesont celles de l’état recuit (O) pour

les alliages à durcissement parécrouissage et de l’état T4 (matu-ration à la température ambiante)pour les alliages à durcissementstructural.

Compte tenu de l’adoucissement,les contraintes résiduelles de sou-dage sont plus faibles sur lesjoints soudés en alliage d’alumi-nium que sur ceux en acier.

La tenue en fatigue dépend essen-tiellement de la conception desassemblages soudés et de la qua-lité de la réalisation des soudures.

En tenant compte des spécificitésde l’aluminium, concernant lescaractéristiques mécaniques etconcernant la résistance à la fati-gue, l’expérience montre qu’il estpossible de réaliser, avec une

structure en alliage d’aluminium,un gain de poids de l’ordre de50 % par rapport à une structureéquivalente en acier.

Le calcul en charge statique desstructures des navires relève desrèglements des sociétés de classi-fication qu’on ne saurait dévelop-per ici (1). Il est fondé sur les prin-cipes de la résistance des maté-riaux, corrigés par des facteursdéduits de l’expérience.

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4 . L E C A L C U L D E S T R U C T U R E S

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(1) Le lecteur est invité à s’y reporter.

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1.PROPRIÉTÉS DE L’ALUMINIUM

Pour tous les alliages d’aluminiumutilisés en construction navale,conformément à l’Eurocode 9 (2),les calculs de structures doiventêtre faits avec les valeurs indi-quées dans le tableau 34 pour lespropriétés de base.

On notera que le module d’élasti-cité est de 70 000 MPa, quel quesoit l’alliage, soit le tiers de celuides aciers, et que le coefficient dedilatation, 23.10-6.°C-1, est le dou-ble de celui de l’acier.

Le faible module d’élasticité de l’a-luminium n’empêche pas du toutde réaliser des structures normale-ment résistantes au flambement.Il suffit pour cela de profiter desfacilités de mise en forme de l’alu-minium, en particulier par extru-sion, et d’optimiser la répartitiondes masses ainsi que l’illustrentles exemples développés au para-graphe 3.2.

2.DÉTERMINATION DE LA CONTRAINTEADMISSIBLE EN STATIQUE

En général, les critères retenuspar la plupart des sociétés de clas-sification sont fondés sur la com-paraison de la contrainte calculéepar rapport à la contrainte tolérée,qui est déduite du calcul fait sui-vant la théorie de la flexion élas-tique des structures [1].

L’échantillonnage minimal d’unestructure est déduit :� de la charge à laquelle la struc-ture est soumise (qui dépend descaractéristiques du navire),� des caractéristiques méca-niques du matériau,� des règles de calcul, éventuelle-ment affectées de coefficients cor-recteurs tirés de l’expérience.

E T L A T E N U E E N FAT I G U E

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PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DE L’ALUMINIUM

Propriété Unité Valeur

Module d’élasticité : E N.mm-2 70 000

Module de cisaillement : G N.mm-2 27 000

Coefficient de Poisson : ν 0,3

Coefficient de dilatation thermique : α 10-6.°C-1 23

Masse unitaire : ρ Kg.m-3 2 700

Tableau 34

(2) Eurocode 9 : Conception etdimensionnement des structures enaluminium - Partie 1-1 - Règles généraleset règles pour le bâtiment. Norme EN,ENV 1999-1-1.

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2.1Cas d’une sectionplane renforcée de raidisseurs

Pour une tôle mince, de grande lon-gueur, subissant une déformationangulaire de faible amplitude, lacontrainte maximale sur une tellestructure (figure 28) est égale à [2] :

[1]

avec :- σmax = contrainte maximaleadmissible,- p = pression hydrostatique,- k = coefficient correcteur,- b = largeur du panneau,- t = épaisseur.

Dans la relation [1], l’épaisseur tde la tôle de la section s’écrit :

[2]

Par rapport à la limite d’élasticitédu métal Rp0,2, l’expression ci-dessus s’exprime d’une manièresimplifiée :

[3]

Suivant les règlements DNV (3),l’épaisseur t peut se calculer d’a-près la relation suivante :

[4]

avec :- σ = contrainte unitaire maximaleadmissible due à la pression latérale- p = pression hydrostatique,- C = coefficient correcteur dépen-dant de la géométrie.- s = espace entre raidisseurs,- t = épaisseur.

2.2Cas d’une poutre en flexion soumise à une pressionhydrostatiqueuniforme

La contrainte maximale se déduitde la formule (figure 29) [3] :

[5]

avec :- σmax = contrainte de flexionmaximale admissible,- M = moment fléchissant,- v = distance par rapport à la fibreneutre,- I = moment d’inertie,- S = I/v = module d’inertie.

Connaissant la contrainte deflexion maximale admissible et lemoment de flexion dû à la chargeentre deux appuis, on a :

[6]

Comme pour l’épaisseur, Sdépend de la limite d’élasticité dumétal :

[7]

D’après le règlement DNV (4), l’é-quation [6] s’écrit :

[8]

avec :

- Z = section du raidisseur,- m = facteur correctif du momentfléchissant,- l = portée,- s = espace entre deux raidis-seurs longitudinaux,- p = pression hydrostatique,- σ = contrainte admissible deflexion.

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PANNEAU EN FLEXION

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

yz

o

do

b

x

t o

do

Figure 28

POUTRE EN FLEXION

M M

ää

ää AN

CT

CC

Figure 29

(3) DNV Rules, Part. 3, Chap. 3, Sec. 5,B201.

(4) DNV Rules, Part. 3, Chap. 3, Sec. 5,C100.

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4. LE CALCUL DE STRUCTURES ET LA TENUE EN FATIGUE

3.TRANSPOSITION DE L’ACIER ÀL’ALUMINIUM

Deux cas sont à considérer : � une section plane avec raidis-seurs,� une poutre en flexion.

3.1Cas d’une section plane

L’exemple choisi est celui d’unesection représentative d’une struc-ture classique tôles et raidisseurs(figure 30) du fond d’un yacht de50 m dont les caractéristiques sontindiquées dans le tableau 35.

La comparaison porte sur trois cas :� tôle et raidisseurs en acier A27S,� tôle en 5083 H116 et raidisseursen profilés 6082 T6,� tôle en Sealium® et raidisseursen Sealium®.

Les contraintes prises en comptesont celles de la pression hydro-statique et de la pression due au« slamming ». Elles ont été éva-luées suivant les règles du DNVréférencées en (4). Leurs niveauxsont indiqués dans le tableau 36.

Les caractéristiques mécaniquesretenues sont celles admises parle DNV (tableau 37).

Les règles de calcul du Règlementdu DNV (5) appliquées à cet élémentde structure aboutissent à l’échan-tillonnage indiqué dans le tableau 38.

Les structures en aluminium per-mettent d’économiser entre 48 et51 % de poids par rapport à l’a-cier, à l’avantage de la structuretôles en Sealium®/profilés enSealium® (tableau 39).

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NIVEAU DE CONTRAINTESParamètres Valeur

Accélération verticale 1,5 g

Distance entre raidisseurs 213,0 mm

Espace entre couples 900 mm

Contrainte sur le panneau 257,7 kN.m-2

Contrainte sur le raidisseur 257,7 kN.m-2

Contrainte sur le couple 160,9 kN.m-2

Tableau 36

PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES DU YACHT

Dimensions Valeur

Longueur totale 50,0 m

Rule Length 40,0 m

Largeur 10,3 m

Tirant d’eau 2,09 m

Espace entre couples 0,9 m

Déplacement 450 t

Vitesse 56 nœuds

Tableau 35

Cas (tableau 38) Tôle Profil extrudé

a 5083 H116 6082 T6

b Sealium® Sealium®

c acier A275 acier A275

DIMENSIONNEMENT D’UN PANNEAU AVEC RAIDISSEURS

Figure 30

(5) DNV Rules for Ships/High speed,Light Craft and Naval Surface Craft,January 2001.

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3.2Cas d’une poutre en flexion

À résistance égale, il faut vérifierla relation :

d’où :

Dans ce cas, la transposition serafaite avec des profilés extrudés enaluminium (ou reconstitués) dontla hauteur est de l’ordre de 30 %supérieure à celle de profilés(reconstitués) en acier (figure 31).

Ainsi que cela a été développéprécédemment (6), la très bonneaptitude au filage de l’aluminiumpermet de réaliser des profilésaux formes optimisées pour lesapplications marines : figure 32 ettableaux 41 et 42, pp. 61 et 62.58

CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DES MATÉRIAUX

Demi-produit Alliage Métal non soudé Métal soudé

Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) Rp0,2 (MPa) Rm (MPa) Coefficient f1

Tôles 5083 H116 215 305 125 275 0,60Sealium® 220 305 145 290 0,64

Acier A27S 265 400 Inchangé 1,08

Profilés 6082 T6 260 310 115 205 0,48Sealium® 190 310 145 290 0,64 (*)

Acier A27S 265 400 Inchangé 1,08

(*) Le règlement DNV assimile le 5383 H112 au Sealium® (5383 H116). Tableau 37

ÉCHANTILLONNAGE DES STRUCTURES

Assemblage Épaisseur de la tôle (mm) Dimension des raidisseurs Dimension des lisses (en T)

5083 H116/6082 T6 7 120 x 6 bulb flats @ 500 x 8 + 60 x 8 mm213 mm spacing

Sealium®/Sealium® 7 105 x 6 bulb flats @ 460 x 8 + 65 x 8 mm220 mm spacing

Acier A27S/AcierA27S 5 100 x 6 bulb flats @ 460 x 4 + 50 x 6 mm240 mm spacing

Tableau 38

GAIN DE POIDS PAR RAPPORT À L’ACIER

Éléments de structure Acier Tôle 5083/ Tôle Sealium®/(en kg.m-2) profilé en 6082 profilé en Sealium®

Tôle 39,2 18,9 18,9

Raidisseur 36,3 11,9 9,9

Lisse 18,7 13,3 12,6

Total 84,40 44,1 41,4

Gain en % 47,8 51,0

Tableau 39

PROFILÉS ACIER ET ALUMINIUM

ä

ä

ä ä

Profil reconstituéen acier

Profil en alliaged’aluminium

H 1,3

H

Figure 31

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Les calculs montrent que, à défor-mation égale, un profilé en T enSealium® pèse deux fois moins aumètre linéaire que son équivalenten acier laminé à chaud, auxformes géométriques simples(tableau 40).

L’aluminium permet de reconsti-tuer des profilés de grande dimen-sion par soudage automatique desemelles de profilés et de tôles(figure 33). Cette solution très élé-gante présente plusieurs avan-tages : placer les cordons de sou-dure dans les zones les moinssollicitées et faire du sur-mesure.

4.LA TENUE EN FATIGUE DES STRUCTURES EN ALLIAGED’ALUMINIUM

Jusqu’à une époque récente, lafin des années 1980, les problè-mes de fatigue sur les navires enaluminium étaient pratiquementinexistants parce que leur lon-gueur ne dépassait pas 50 m. Lesstructures étaient largementdimensionnées pour supporterles chargements locaux, sansgrand risque de propagation defissures.

Depuis, avec l’allongement de lataille des navires en aluminium, 80m et plus, avec des conditions deservice plus dures « en mer for-mée», avec le transport de véhicu-les (automobiles et surtout cars etcamions), la tenue en fatigue estdevenue une des préoccupationsmajeures des architectes et desarmateurs [4].

Pour ces grands navires, l’expé-rience montre qu’ils peuvent pré-senter, après des durées de ser-vice plus ou moins longues, desfissures de fatigue, situées dansles zones les plus sollicitées, qu’ilfaut réparer.


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COMPARAISON PROFIL EN T EN SEALIUM® ET EN ACIER

Dimensions Acier Profil en T Sealium® Profil en T Rapport Sealium®

P 80X5 T100 X50 à l’acier

Masse (kg.m-1) 4,25 2,20 – 48 %

Hauteur (mm) 80 100 + 25 %

Surface latérale (mm2) 541 830 + 53 %

Moment d’inertie (mm4) 338700 927952 + 274 %

Moment de flexion élastique par rapport à l’axe x – x (mm3) 6910 14193 + 205 %

Produit E x I (*) 71127 64957 – 9 %

(*) Pour compenser l’écart (de 1 à 3) des modules d’élasticité, à déformation égale, l’inertie d’une poutre en aluminium doit être 3 foisplus élevée que celle d’une poutre en acier. Pour une même charge, une même longueur de poutre et des conditions limites identiques, la déformation est proportionnelle à 1/E*I. Tableau 40

PROFILÉ EN T ET PLAT À BOUDIN EN SEALIUM®

Plat à boudin

Profil en T

Figure 32

PROFILÉS RECONSTITUÉSPAR SOUDAGE

BA

C

A : Profilés filésB : Soudure à clinC : Méplat filé ou tôle laminée

(6) cf. chapitre 2. Figure 33

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Compte tenu de l’importance de latenue en fatigue sur la longévitéd’une structure et sur les coûts demaintenance des navires en alumi-nium (ou en acier), cette questiondoit être prise en compte dès laconception du navire et lors de saconstruction [5].

La sensibilité à la fatigue n’est pasun problème spécifique à l’alumi-nium, il concerne tout autant lesaciers et surtout les aciers à hautelimite élastique.

5.LES CONDITIONS DE SERVICE DES NAVIRES À GRANDE VITESSE

Ces bateaux sont soumis à descontraintes cycliques dues essen-tiellement à trois types de charge-ments :� de faible niveau, mais avec ungrand nombre de cycles, ils ontpour origine les vibrations duesaux moteurs, aux lignes d’arbre etaux waterjets,

� de niveau élevé, mais avec peude cycles, ils sont produits lorsdes embarquements et des débar-quements des véhicules (cars,camions, automobiles),� de niveau moyen et de fré-quence moyenne, ils sont dus àl’effet des vagues [6, 7].

Sur les navires à grande vitesse, onconsidère que les chargementsdus aux moteurs, aux arbres et auxwaterjets sont prépondérants parrapport au moment de flexion de lapoutre que constitue le navire [8].

Il en résulte qu’il existe des zonestrès fortement sollicitées sur cesnavires, ainsi que l’illustre lafigure 34.

L’expérience montre que les pro-blèmes de fatigue se localisentgénéralement dans les zones dechangement d’orientation, et aussidans les embrasures de portes, defenêtres, etc.

6.GÉNÉRALITÉS SUR LA FATIGUE DES MÉTAUX

La fatigue est un phénomène com-plexe qui concerne la plupart desmétaux usuels, dont les alliagesd’aluminium. Elle se produit quandles structures subissent des varia-tions cycliques de chargements.

L’expérience montre que lesniveaux de contraintes pour les-quels on peut observer des fissu-res (et des ruptures) de fatiguesont généralement très inférieursà la contrainte admissible, calculéeen statique.La tenue en fatigue dépend de plu-sieurs paramètres, relatifs :� aux propriétés des métaux etdes alliages,� au design,� à la réalisation,� aux chargements dont le niveaudépend des conditions de service(itinéraire des navires, fréquenced’embarquement et masse du fretembarqué, etc.).

La très longue expérience de lafatigue sur des structures métal-liques (en acier, en aluminium,etc.) montre que les deux paramè-tres les plus importants sont laconception et la réalisation, dont lesoudage.

Conformément aux codes de cal-cul, seule la configuration du jointsoudé en alliage d’aluminium estprise en compte pour établir lalimite d’endurance (FAT). La naturede l’alliage d’aluminium n’est pasprise en compte (7), même s’il estétabli que ses performances entenue en fatigue sont meilleures,ce qui est le cas pour le Sealium®

(8). Il n’en demeure pas moinsque, en s’en tenant aux règlesobligatoires, ce nouvel alliageapporte un supplément de résis-tance à la fatigue, donc unemeilleure sécurité d’usage.60

ZONES SOLLICITÉES SUR LES NAVIRES À GRANDE VITESSE

➤

➤

➤

➤

➤

➤

➤

1

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43

2

7

1 Moment global de flexion

2 Pression hydrodynamique

3 Moment global de flexion + pression hydrodynamique

4 Vibrations du système de propulsion

5 Aspiration des waterjets

6 Vibrations des waterjets et du gouvernail

7 Concentrations de contraintes locales etcontraintes dynamiques

Figure 34

(7) Cela est vrai pour les aciers.

(8) Cf. chapitre 3, paragraphe 6.2.

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7.LES SPÉCIFICITÉS DE LA TENUE EN FATIGUE DE L’ALUMINIUM

Par rapport à l’acier, les alliagesd’aluminium présentent plusieursdifférences, dont :– la limite d’endurance,– la zone affectée thermiquement,– les contraintes résiduelles,– le mode de rupture,– le seuil de propagation.

7.1La limite d’endurance

Sur éprouvette lisse, l’aluminium aune courbe S/N qui décroît tou-jours (figure 35). Il en résulte quela vérification du calcul en statiquedoit être faite par rapport auniveau de contrainte au-dessousduquel il n’y aura pas de propaga-tion de fissure pour une duréedonnée, fixée habituellement à2.106 alternances [9].

À ce niveau, la limite d’endurance,déterminée sur éprouvette « lisse »,du métal de base, est de 420 MPapour l’acier et de 140 MPa pour l’a-luminium. Sur les assemblagessoudés, le rapport des contraintesadmissibles (FAT) suivant les codesde calcul entre l’acier et les alliagesd’aluminium sont, en fait, au cas parcas, plus proches de 2 (9).

7.2La zone affectéethermiquement

Du fait de l’échauffement provo-qué par le soudage, ses caractéris-tiques mécaniques sont celles del’état recuit (O) pour les alliages àdurcissement par écrouissage etcelles de l’état trempé (T4) pourles alliages à durcissement struc-tural (figure 35) (10).

Sur les aciers, le soudage a uneffet inverse : il y a durcissementde la zone affectée thermique-ment du fait du refroidissementrapide (effet de trempe).

Mais, comme sur les aciers, lesoudage a pour effet d’abaisser leseuil de contraintes admissiblessous chargement variable. Cesseuils (FAT) sont fixés par les nor-mes, les codes de calcul, lessociétés de classification (11).

7.3Les contraintesrésiduelles

Elles sont plus faibles que sur l’a-cier parce que la zone affectéethermiquement est adoucie par lachaleur dégagée lors du soudage.

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➤

➤

➤ ➤

σ

σ

N N

Acier Aluminium

104 105 106 107 108 109103 104 105 106 107 108

COURBES TYPIQUES DE WÖHLER

Figure 35

(9) Par exemple, pour une soudure boutà bout (cas 211 de l’IIW) contrôlée à100 %, la FAT acier est de 125 MPa et laFAT alliage d’aluminium est de 50 MPa,soit 40 % de la FAT acier.

(10) Sur les alliages de moulage, latenue en fatigue du joint soudé est cellede la pièce moulée.

(11) Ces FAT peuvent différer quelquepeu d’un code à l’autre, d’un règlementà l’autre, leur mode de déterminationégalement.

PLATS À BOUDIN EN SEALIUM® (*)Type H Tw H1 Tw1 Bf R S Poids C I Sxx Haut Sxx Bas

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm2) kg.m-1 (mm) (mm4) (mm3) (mm3)

P50 50 3 9 4,5 10 4 218 0,58 21,25 57 085 2 687 1 985

P60 60 3,3 9,6 4,8 12 4 284 0,76 24,86 107 947 4 342 3 072

P70 70 3,5 10 5 14,5 4 360 0,96 27,95 186 636 6 677 4 439

P80 80 3,7 10,4 8,2 16,6 4 436 1,16 31,34 296 312 9 455 6 089

P90 100 4,2 11,4 5,7 21 4 620 1,65 38,30 659 291 17 215 10 685

P100 120 4,6 12,2 6,1 26 4 833 2,21 44,47 1 271 697 28 600 16 836

P140 140 5,1 13,2 6,6 30,5 4,8 1 106 2,94 50,31 2 267 810 45 078 25 285

P170 170 5,8 14,6 7,3 37,5 5,8 1 580 4,20 58,99 4 717 199 79 966 42 493

(*) Voir figure 32. Tableau 41

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7.4Le mode de rupture

Il est toujours ductile. Contraire-ment aux aciers, l’aluminium nesubit pas de rupture fragile, parexemple dans le joint soudé (sousl’effet de contraintes résiduelles),aux basses températures, etc.

7.5Le seuil de propagation

Il existe un seuil de la valeur ∆K àpartir duquel une fissure com-mence à se propager (phase II dela figure 36). Pour une contraintelimite admise de 50 Mpa (FAT 50),la taille limite du défaut débou-chant d’une soudure est de0,5 mm. On admet qu’une sou-dure bien faite ne comporte pasde défauts atteignant cette taille.

Ce seuil est relativement élevé surles alliages d’aluminium, beau-coup plus que sur les aciers, tou-tes choses étant égales parailleurs : masse de l’élément destructure soumis à un chargementet niveau de celui-ci (figure 37).

62

R = 0,8

VITESSE DE PROPAGATION DES FISSURES

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

10-10

10-11

0,5 1 2 3 4 5.0 50

∆K (MPa:m )

0,5 5,0 50

∆K (MPa:m )

da/dN (m/cycle) da/dN (m/cycle)

Acier (*)

Aluminium (**)

R=0,1

0,67 1,68 4,7

Aluminium (**)Acier (*)

0,881,5

➤➤

➤

➤

0,67

(*) La courbe de l’acier a été corrigée d’un facteur x3 pour tenir compte Figure 37des différences de densité entre aluminium et acier.

(**) Alliages 5000, 6000 et 7000.

Log dadN

Rupture

Seuil defissuration

I II III

Kc

Log ∆K∆Kth

COURBE TYPIQUE DE VITESSE DE PROPAGATION DES FISSURES

Figure 36

Type H Tw H1 Tw1 Bf L R S Poids C I Sxx Haut Sxx Bas(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm2) kg.m-1 (mm) (mm4) (mm3) (mm3)

T50 50 3 10 5 30 4,5 4,6 299 0,80 16,74 84 662 5 057 2 546

T60 60 3,5 11 5,5 35 5,1 5,2 402 1,07 19,94 162 062 8 126 4 046

T70 70 4 12 6 40 6,1 6 536 1,42 22,69 287 200 12 657 6 071

T80 80 4,5 13 6,5 45 6,2 6,2 650 1,73 26,55 459 564 17 310 8 598

T100 100 5 14 7 50 6,4 6,4 830 2,20 34,62 927 952 26 805 14 193

T120 120 5,5 15 7,5 5 7,7 7,8 1 091 2,90 41,01 1 735 149 42 315 21 965

T140 140 6 16 8 60 8,7 8,8 1 367 3,64 47,89 2 942 592 61 442 31 947

T170 170 6,5 17 8,5 65 10,3 10,4 1 777 4,73 58,05 5 598 542 96 440 50 010

PROFILÉS EN T EN SEALIUM® (*)

(*) Voir figure 32. Tableau 42

63

Alc

an M

arin

e


63

8.LE CLASSEMENT DES ALLIAGESD’ALUMINIUM

Comme pour les aciers, il n’y apas de relation entre la résistanceà la fatigue des alliages d’alumi-nium et leurs caractéristiquesmécaniques : charge de ruptureet limite d’élasticité.

Ainsi que l’illustre la figure 38,les essais montrent que leslimites d’endurance sont dumême ordre de grandeur quandles sollicitations atteignent 106

alternances.

Tout cela concourt à confirmerl’expérience, à savoir que la tenueen fatigue dépend de l’assem-blage – dont la configuration dujoint soudé – et non de l’alliage debase (ni de son état métallur-gique). Cela est vrai pour les allia-ges des familles 5000 et 6000. Ilen est de même pour les aciers(figure 39).

Le comportement en fatigue desmétaux et plus particulièrementdes assemblages soudés ne peutêtre mesuré et apprécié que pardes essais et par l’expérience [10].

La nature des demi-produits(tôles, profilés, matricés, etc.)d’un même alliage et leur formen’ont pas d’influence sur la résis-tance à la fatigue [11].

Par contre, l’état de surface estun paramètre important : les rayu-res en surface, les marquesincrustées au « fer » peuventconstituer des amorces de propa-gation de fissures (figure 40). Il enest de même des irrégularitéslaissées sur les bords par lesoutils de découpe. En laissant desbords de découpe nets, le sciageest plus favorable à la résistanceà la fatigue que la découpe auplasma.

INFLUENCE DE LA NATURE DE L’ALLIAGE

5456 H321

5154 H34

6061 T6

3003 F

400

300

200

100

010 102 103 104 105 106 107 108

➤

➤

σ (MPa)

N➤

➤

LIMITE D’ENDURANCE À 5.108 CYCLES

MPa250

200

150

100

50

0100 300 500 700 MPa

Lim

ited’

endu

ranc

e

Rm

0,50,3

Alliages à durcissementstructural

Alliages à durcissementpar écrouage

Acier

INFLUENCE DES DÉFAUTS DE SURFACE

➤

➤

Fissures

Aspérités

Figure 38

Figure 39

Figure 40

64

Alc

an M

arin

e

64

9.LIMITED’ENDURANCE DES JOINTS SOUDÉS

L’expérience montre que la plupartdes fissures de fatigue partent ducordon de soudure : au début, à lafin ou sur la surface (à l’endroit des« rides » superficielles) de celui-ci. La zone affectée thermique-ment peut aussi être le point dedépart des fissures de fatigue.

Il y a deux causes principales :

� les concentrations de contrain-tes. Le cordon de soudure est lesiège de contraintes dues à sonmode de refroidissement [12]. Aucours de la solidification du bainliquide, du fait de la diminution devolume, il y a formation de petitscratères en surface (figure 41).� les défauts (ou imperfections)qui sont formés lors de l’exécutionde la soudure. Ils sont le siège deconcentrations de contraintes (fi-gure 42).

9.1Les défauts de soudure

Un cordon de soudure peut présen-ter plusieurs types de défauts (13) :de forme (défaut d’alignement, etc.)ou de constitution dû à l’exécutionde la soudure (inclusions, porosités,etc.), figure 43.

Par principe, tout défaut concourtà abaisser la résistance à la fati-gue dans la mesure où il estdébouchant à la surface libre etoù sa taille (2a) dépasse la limiteà partir de laquelle une fissure defatigue peut se propager(figure 36, p. 62).

Le calcul montre que, pour unecontrainte de 50 MPa, la tailleminimale du défaut à partir delaquelle il y a propagation des fis-sures est de 0,5 mm. Sur les

joints soudés correctement exé-cutés, la dimension des défautshabituels (porosités, criques deretrait, etc.) varie de 0,01 à0,40 mm (12 et 13), soit un peumoins que la taille critique (14).

CRATÈRES SUR CORDON DE SOUDURE

Cratère

➤

CONCENTRATIONS DE CONTRAINTES SUR DÉFAUT DE SOUDURE

➤

➤

a

➤

➤

b

➤

➤

➤

➤

c

➤

➤

➤

➤

f

➤

➤

e

➤

➤

d

Pied de cordon : a, b, c, d

Pied de cordon + manque de pénétration : e, f

Figure 42

Figure 41

(12) Cf. chapitre 6.

(13) La cause de certains d’entre eux estindiquée au chapitre 6, paragraphe 11.

(14) La tenue en fatigue d’unassemblage soudé dépend de la vitessede propagation des fissures (suivant leslois de la mécanique de rupture).

65

Alc

an M

arin

e

Il en résulte que tous les types dedéfauts répertoriés n’ont pas lamême influence sur la tenue enfatigue.

Parmi les défauts de soudure, lemanque de pénétration (défaut 5de la figure 43) est celui qui péna-lise le plus la tenue en fatigue, cequi explique que la tenue en fati-gue des soudures d’angle estinférieure aux soudures bout àbout, toutes choses étant égalespar ailleurs.

L’angle de raccordement α du cor-don de soudure avec la structureest également un paramètreimportant de la tenue en fatigue,pour deux raisons :� géométrique, le changement dedirection que marque l’angle α,� structurelle, due au collage derive éventuel débordant du cordonde soudure (figure 44).

La résistance à la fatigue est d’au-tant plus élevée que l’angle α estobtus. Elle est à son maximumquand le cordon est arasé : α = 180 °C (figures 45 et 46).


65

Défauts interne� Fissures� Porosités� Inclusions diverses� Manque de fusion� Manque de pénétration

Défauts superficiels Forme du cordon Projections (ou perles)� Défaut d’alignement

❸ ❹❺

❶

�

❷

❶

❼

❼

❺

DÉFAUTS TYPIQUES DES JOINTS SOUDÉS

COLLAGE DE RIVE

➤ ➤

Collage de rive

120

80

40

0100° 120° 140° 160° 180°

angle α

MPa

➤➤α

Lim

ited’

endu

ranc

e

INFLUENCE DE L’ANGLE DE RACCORDEMENT DU CORDON DE SOUDURE

250

200

150

100

50

0103 104 105 106 107 108

N

Soudure bout à bout sur 5XXX

Métal de base

Cordon arasé

Cordon tel quel

MPa

Lim

ited’

endu

ranc

e

INFLUENCE DE L’ARASAGE DU CORDON DE SOUDURE

Figure 44

Figure 46

Figure 45

Figure 43

66

Alc

anM

arin

e

9.2Classement des jointssoudés

Les limites d’endurance (FAT), indi-quées dans les codes et règle-ments ont été établies à partird’essais normalisés sur des éprou-vettes tirées dans des assembla-ges et du retour d’expérience destructures en service [14].

L’Eurocode 9 prévoit des limitesd’endurance (FAT de 25 à 62 MPa)en fonction de la taille des défauts(figure 47) (défaut d’alignement,caniveau, absence de pénétrationà la racine, porosité, fissure, etc.),et l’étendue des contrôles cor-respondant au niveau de FAT visé.

L’influence de la taille de quatredéfauts sur les limites d’endurance(FAT) est indiquée dans le tableau 43.

Les codes de construction et lesrèglements s’en tiennent à laseule configuration du joint soudépour définir la limite d’endurance(FAT) acceptable (figures 48 à 50).

66

LIMITE D’ENDURANCE (FAT) SUIVANT EUROCODE 9

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ää

ä

ä

ä

ä

ääh

z

zaa

θ

θ ä

ää

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä ä

θθ

h

θ

h

h

ts

a) a et z sont des distances minimales

b)

c)

ä

ä

tä

ä

t ä

ä

ä

ä

t

h

h

sä

ä

ä

ä

ä

ä

s

ää

t ä ä

ä

ä

t

ä

ää

ä

ää

ä

ä

Longueur de fixation

h1

h2

h1

h

LhL

d)

ä

ä

Figure 47

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä

ä ä

LIMITE D’ENDURANCE (FAT) SOUDURES BOUT À BOUT (recommandations de IIW, Group XIII - XV, 1996)

Cas 211 : Soudure bout à bout, en X ou en V, arasée, 100 % CND (*) . . . . . 50

Cas 212 : Soudure bout à bout, réalisée à plat en atelier, angle de raccordement ≤ 30°, CND (*) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Cas 213 : Soudure bout à bout, angle de raccordement ≤ 50°, CND (*) . . . .32

Cas 215 : Soudure bout à bout, angle de raccordement > 50°ou soudure bout à bout avec latte support permanente . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Cas 223 : Soudure bout à bout, CND (*), avec réduction d'épaisseur et de largeurGradient 1:5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Gradient 1:3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Gradient 1:2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

(*) Contrôle non destructif. Figure 48

67

Alc

anM

arin

e


ä

ä

ää

Cas 313 : Soudure bout à bout, sans début et arrêt de cordon, CND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Avec début et arrêt de cordon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Cas 324 : Soudure d'angle longitudi-nale en chenille (sur la base d'unecontrainte normale σ dans la semelleet d'une contrainte de cisaillement τdans l'âme en fin de cordon)

LIMITE D’ENDURANCE (FAT) SOUDURES LONGITUDINALES(recommandations de IIW, Group XIII - XV, 1996)

Figure 49

LIMITE D’ENDURANCE (FAT) SOUDURES EN CROIX(recommandations de IIW, Group XIII - XV, 1996)

ä

ä ä

ä

ä

etä

ä ä

ä

ä

et

ä

ä

ä ä

ä

ä

et

ä

a

ä

ä

ä

ä

Cas 411 : Soudure en X ou en T, raboutage en K, pénétration totale, sans arrachement lamellaire, défaut d'alignement e < 0,15, angles de raccordementmeulés, fissure dans l'angle de raccordement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Cas 412 : Soudure en X ou en T, raboutage en K, pénétration totale, sans arrachement lamellaire, défaut d'alignement e < 0,15, fissure dans l'angle de raccordement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Cas 413 : Soudure en X ou en T, soudure d'angle, ou raboutage en K àpénétration partielle, fissure dans l'angle de raccordement . . . . . . . . . . . . . .22

Cas 414 : Soudure en X ou en T, soudure d'angle, ou raboutage en K à pénétration partielle (y compris les soudures à raccordement meulé), fissure au pied de la soudure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Figure 50

τ/σ = 0 . . . . . . . . . . . . . . . 32τ/σ = 0,0 – 0,2 . . . . . . . . . 28τ/σ = 0,0 – 0,3 . . . . . . . . . 25τ/σ = 0,0 – 0,4 . . . . . . . . . 22τ/σ = 0,0 – 0,5 . . . . . . . . . 20τ/σ = 0,0 – 0,6 . . . . . . . . . 18τ/σ = 0,0 – 0,7 . . . . . . . . . 16τ/σ = > 0,7 . . . . . . . . . . . . 14

NIVEAU D’ACCEPTATION DES SOUDURES INDUSTRIELLES (*)

Défaut Soudure Sens Figures Taille FAT 25 FAT 31 FAT 39 FAT 49 FAT 62soudure (*) du défaut

Angle du cordon tous types Trans a, b θ ≥ 120° 150° 165° 175° - Long a, b θ ≥ 90° 90° 90° 90° 175°

Surépaisseur excessive du cordon bout à bout Trans b h ≤ 5 4 2 0,5 - Long b h ≤ 6 5 4 3 0,5

Défaut d’alignement bout à bout Trans d h ≤ D + 0,1 t D + 0,05 t D + 0,05 t D + 0,05 t -

Manque de pénétration à la racine bout à bout Trans c h ≤ - - - - -Long c h ≤ D + 0,1 t D + 0,1 t D + 0,05 t D + 0,05 t -

D = dimension spécifiée sur les plans – (*) Extrait du tableau D.2 de l’Eurocode 9. Tableau 43

ä

68

Alc

an M

arin

e

INFLUENCE DES ASSEMBLAGES SOUDÉS SUR LA TENUE EN FATIGUE [16, 17]

Disposition correcte évitant le croi-sement des soudures (qui a poureffet de détruire en grande partie lasoudure du dessous).

Passage d’un renfort sur la tôle dubordé

À gauche, faute de pouvoir accédersous le profilé, le cordon de soudurene peut être contourné, d’où risquede fissure.

À droite, la réalisation est correcte,les cordons de soudure ne sont pascroisés, la tôle du couple est soudéesur le côté plat du profilé de la lisse.

Passage d’une lisse dans un couple

Le cordon de soudure doit êtrecontourné à l’extrémité du goussetpour éviter une amorce de fissure.

Gousset de varangue sur le fond

ObservationsExemple de structure

10.L’INFLUENCE DES DISPOSITIONSCONSTRUCTIVES ETDE LA FABRICATION

La tenue en fatigue des navires enalliage d’aluminium dépend :� des dispositions constructivesdéfinies par le bureau d’études,� de la réalisation des joints sou-dés sur chantier.

10.1La conception desassemblages soudés

C’est un paramètre très impor-tant. Tout en restant dans deslimites de coût acceptable, lesbureaux d’études doivent propo-ser des structures dans lesquel-

les les concentrations decontrainte sont les plus faiblespossibles. La méthode des« points chauds » permet d’iden-tifier les zones sensibles [15].

L’influence des dispositions cons-tructives de quelques exemplesd’assemblages soudés est indi-quée dans le tableau 44.

10.2La conception des assemblagesboulonnés et collés

La configuration des assemblagesboulonnés ou collés doit être étu-diée pour une bonne tenue en fati-gue (figures 51 et 52, p. 70). Enparticulier, il faut que le diamètredes vis soit proportionnel auxdimensions de l’assemblage.

10.3La réalisation des joints soudés

L‘expérience montre que la tenueen fatigue des structures soudéesen alliage d’aluminium est plussensible aux défauts de soudureque celle des structures soudéesen acier [18].

C’est la raison pour laquelle laconstruction navale, en particulier,et la chaudronnerie aluminium, engénéral, requièrent :� de meilleures compétencespour l’exécution des soudures quela chaudronnerie acier,� un contrôle plus serré dessoudures, au moins cellessituées dans les zones les plussollicitées par des variations dechargement.

69

Alc

an M

arin

e

Fissures

➤

Fissures

➤

➤ ➤

➤ ➤


À gauche, l’entaille sur le profiléprovoque une concentration decontrainte qui sera éliminée par lemontage de droite.

Raccordement d’une lisse et d’unbarreau sur la tôle de bordé

Le changement de directioninduit des contraintes de flexionet de torsion.

L’ajout d’un tympan qui forme uncaisson évite ces contraintes.

Raccordement de deux profilés

À gauche, l’arrêt du raidisseur enpleine tôle induit des contraintes,avec risque d’arrachement parflexion.

À droite, le renfort ajouré pouréviter un croisement de soudurerépartit les efforts de flexion.

Raidisseurs sur tôle

À gauche, avec un profil dechaque côté de la cloison, il yaura un mauvais alignement etdes contraintes.

À droite, le profil passe au traversde la cloison qui est accrochéesur le profil.

Traversée de cloison

Il faut laisser suffisammentd’espace pour que la torcheaccède partout et puissecontourner le barreau transversalsur la lisse.

Raccordement de deux profils, par exemple lisse et barreau

Montage trop serré, la torche nepeut atteindre les faces internesdes renforts longitudinaux.

Platelage de pont, croisementd’un barreau et du renfort

ObservationsExemple de structure

Tableau 44

➤

➤

➤

➤

➤

➤

➤

➤ ➤

Fissures

➤

➤

➤

➤

70

Alc

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e

ASSEMBLAGES BOULONNÉS SOUMIS À CISAILLEMENT [13]

➤

➤

➤

➤

➤

➤

Fissure Prévoir la plusgrande distance possible

Les boulons placés trop près de la semelle induisent des contraintes en flexion dans celle-ci (a). La disposition en (b) réduit les contraintes sur la liaison avec la semelle.

a b

➤

➤ ➤

➤

c d

De petites fixations dans de grands éléments favorisent les ruptures en fatigue dans les zones de boulonnage (c).

Le diamètre des boulons doit être proportionnel à la dimension des pièces assemblées (d).

ASSEMBLAGES COLLÉS [13]

➤

➤ ➤

➤

➤

➤ ➤

➤

Une plus grande surface de recouvrement améliore la tenue en fatigue du joint collé.

➤

➤

➤

➤ ➤

➤

➤

Fissure dans l'adhésif

Sur des joints soumis à des efforts importants de clivage et de pelage, le collage assisté par boulonnageou par rivetage réduit les risques de rupture par fatigue.

➤➤

➤

➤

➤

➤

➤

Contrainte élevée de pelage

Un renfort épais a pour effet d'induire une contrainte élevée à son extrémité tandis que des renfortsminces et progressifs réduisent les contraintes d'extrémité, et donc améliorent la tenue en fatigue.

Figure 51

Figure 52

71

Alc

an M

arin

e


11.NORMES ET RÈGLEMENTS

Eurocode 9 : Conception et dimen-sionnement des structures en alumi-nium, partie I, Règles générales etrègles pour le bâtiment, Norme EN,ENV 1999-1-1, mai 1998.

Eurocode 9 : Calcul des structures enaluminium, partie II, Structures sensi-bles à la fatigue, Norme EN, ENV1999-2, mai 1998.

ECCS, 1992, Institut de la Soudure,Recommandations pour le calcul enfatigue de structures en alliages d’alu-minium.

British Standard BS 8118, Structuraluse of aluminium, Part 1, Code ofpractice for design, 1991.

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TALAT, EAA, Lecture 2403 : AppliedFracture Mechanics, prepared byDIMITRIS KOSTEAS,Technische UniversitätMünchen, 1994, 49 pages.

TALAT, EAA, lecture 2405. Fatigueand Fracture in aluminium structures,prepared by DIMITRIS KOSTEAS,Technische Universität München, 1994,40 pages

TALAT, EAA, lecture 2406. Fatigueand Fracture in Aluminium Structures,prepared by Dimitris Kosteas,Technische Universität München,1999, 5 pages.

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CHARPENTE D'UN MONOCOQUE

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Chapitre 4 LE CALCUL DE STRUCTURES ET LA TENUE EN FATIGUE