Introduction
Les bâtiments en bois massif intègrent un large éventail de systèmes de fixation, notamment des vis, des clous, des boulons et des agrafes. Les vis sont de plus en plus appréciées en raison de leurs avantages techniques et architecturaux.
Avec la disponibilité de vis entièrement filetées et plus longues, ces fixations deviennent de plus en plus populaires dans la construction en bois. Le principal avantage des vis est leur capacité de maintien exceptionnelle, qui découle de leur conception filetée. Ces filets augmentent la surface de contact avec le bois, améliorant ainsi l'adhérence générale. Cette adhérence permet aux vis de résister plus efficacement aux forces axiales et aux charges latérales, ce qui en fait une option très fiable dans la construction en bois.
En outre, les vis réduisent le risque de fendillement du bois et peuvent être installées à différents angles par rapport au fil du bois. En cas de réassemblage, leur retrait n'endommage que très peu le bois. Les vis nécessitent également moins d'outillage et de préparation pour leur installation, ce qui les rend encore plus pratiques. D'un point de vue architectural, lorsqu'il est nécessaire de dissimuler des connexions, les vis présentent l'avantage de pouvoir être encastrées dans le bois, ce qui permet de préserver l'intégrité esthétique.
Terminologie de base des vis
Une vis simple se compose des éléments suivants.
Figure 1 Vis typique
Tête d'une vis : elle peut être de plusieurs types en fonction de l'utilisation de la vis. Les vis peuvent avoir des têtes fraisées, des têtes cylindriques, des têtes de rondelles, des têtes hexagonales, etc. Les têtes de rondelles ont des diamètres de tête plus élevés et sont préférables pour le serrage de deux éléments ensemble, tandis que les têtes cylindriques ont un diamètre de tête plus petit et sont préférables si les vis doivent être percées sous la surface d'un élément de bois.
Queue : la queue est la partie lisse et non filetée d'une vis.
Filet : les filets de vis sont parfois formés par filetage de la tige d'origine ou par durcissement après roulage du filet sur la tige.
Le diamètre du filet intérieur est le diamètre de la racine intérieure.
Le diamètre du filetage extérieur est le diamètre du filetage extérieur et est généralement désigné comme le diamètre nominal.
Pointe de la vis : les vis peuvent avoir une pointe variable utilisée pour l'auto-perçage.
Types de vis
En fonction de l'application de la vis à utiliser, les vis peuvent être de plusieurs types.
En fonction de la partie filetée, les vis peuvent être entièrement filetées ou partiellement filetées. Les vis entièrement filetées sont utilisées pour utiliser leur grande capacité d'extraction en raison des longueurs de filets plus importantes et peuvent être utilisées à des fins de renforcement. Les vis à filetage partiel sont principalement utilisées pour serrer deux éléments ensemble. Ces vis peuvent être largement utilisées dans les applications de poteaux et de poutres.
Référence : Guide du concepteur pour l'Eurocode 5 Conception des bâtiments en bois EN 1995-1-1 CL 8.7 et EN 14592
La norme EN 1995:2004 classe les vis en fonction de leur formation : vis autotaraudeuses et vis à tige lisse. Les vis autotaraudeuses sont formées par durcissement après roulage du filet. Dans ces types de vis, le diamètre extérieur est appelé diamètre nominal. Il existe également une deuxième catégorie de vis formées par filetage de la tige d'origine, qui produisent une vis dont le diamètre de la tige lisse est le diamètre nominal. Les calculs de la norme EN 1995:2004 pour les vis à charge axiale sont les mêmes pour les deux types de vis.
Figure 2 Vis à tige lisse et vis autotaraudeuses selon EN 1995:2004
Dans la norme AS 1720.1:2010, les vis et les vis de carrosserie figurent dans deux sections différentes du code. Les vis ont généralement un diamètre plus petit et une plage de longueur plus grande que les vis de carrosserie.
Applications des vis à charge axiale
Les approches de la conception des vis peuvent être différentes en fonction du code de conception choisi, du type de charge à laquelle elles résistent et du type de système de connexion dans lequel elles se trouvent. Les vis à charge axiale peuvent être largement utilisées pour relier deux éléments ou pour renforcer un élément unique.
Connexion de deux membres
Lors de l'assemblage de deux éléments, les vis peuvent être chargées en retrait tout en transférant une charge axiale d'un élément à l'autre. Un exemple de vis chargée en retrait lorsqu'elle est utilisée pour relier deux éléments peut être vu dans une construction typique de poteaux et de poutres.
Figure 3 Vis à charge axiale utilisées pour relier deux éléments
Renforcement des membres
Les vis à charge axiale sont principalement utilisées pour fixer deux éléments entre eux, mais elles peuvent également être utilisées dans des assemblages d'un seul élément à des fins de renforcement. C'est le cas, par exemple, des renforts de pénétration de poutre et des renforts d'encoche. Lorsque des vis sont utilisées dans ces types d'assemblages, elles servent généralement à résister aux forces de tension perpendiculaires au fil du bois qui provoqueraient l'éclatement de l'élément en bois. L'approche de conception pour ces types d'assemblages peut s'apparenter à des assemblages à deux éléments, en prenant l'épaisseur de l'élément au-dessus de la ligne de fissure comme élément un et le reste de l'épaisseur en dessous de la ligne de fissure comme élément deux, en fonction de l'emplacement de la tête de la vis.
Figure 4 Vis chargée axialement et utilisée comme renfort
Introduction aux approches de la conception des vis à charge axiale
EN 1995:2004 prend en compte la résistance au retrait, l'arrachement de la tête et la capacité de traction d'une vis pour déterminer la résistance des vis à charge axiale. Lorsqu'elles sont soumises à une charge axiale, les vis peuvent être retirées de l'un ou l'autre des éléments en raison de la force appliquée, ce qui est pris en compte dans la résistance au retrait des vis. Il est également possible que la tête de la vis soit tirée à travers l'élément de bois côté tête, ce qui est pris en compte dans la résistance à l'arrachement de la tête. Un autre mécanisme de défaillance des vis soumises à des charges axiales est la rupture par traction, qui se produit lorsque la force appliquée est supérieure à la capacité de traction de la vis.
Sur EN 1995:2004 les calculs de résistance au retrait sont basés sur des formules qui tiennent compte de différents facteurs. Les capacités de retrait prennent généralement en compte l'angle entre le sens du fil et l'axe de la vis, la densité caractéristique du bois, le paramètre de retrait de la vis, le diamètre de la vis et la longueur du filetage à l'intérieur de l'élément considéré, également appelée longueur effective de la vis. La traction de la tête prend en compte le diamètre de la tête de la vis et un paramètre de traction de la tête de la vis. Les vis dont le diamètre de la tête est plus grand et celles qui ont une tête à rondelle ont une capacité de passage de la tête plus élevée. Toutefois, pour certains types de vis, la capacité de traction de la tête peut ne pas être déterminante et seules la capacité de traction et la capacité de retrait seront prises en compte pour déterminer la résistance des assemblages vissés. De même, dans les assemblages fixant des éléments en acier à du bois, l'acier sera l'élément côté tête et la capacité de traction de la tête ne sera pas applicable ici car la tête de la vis ne percera pas une plaque d'acier.
Référence : EN 1995:2004 CL 8.7.2.
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Caractéristique Capacité de retrait |
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Caractéristique Capacité d'extraction |
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Capacité de traction caractéristique |
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LA NORME AS 1720.1:2010 a une approche différente en ce qui concerne la résistance des vis aux charges axiales. Pour concevoir les vis, la norme AS 1720.1:2010 utilise une valeur de retrait caractéristique tabulée pour une longueur effective de vis donnée dans un tableau. On peut lire directement la capacité caractéristique d'une seule vis ayant le type de bois qui est représenté par le groupe de joints et le diamètre de la tige de la vis. Cette capacité est ensuite multipliée par la longueur effective de la vis et par différents facteurs de modification pour obtenir la capacité de conception. La capacité de traction des vis est également prise en compte dans la capacité de conception finale. Pour les vis de carrosserie, en plus des deux facteurs ci-dessus, l'écrasement sous la tête des vis de carrosserie est également pris en compte.
Les capacités caractéristiques sont calculées pour une seule vis dans les deux codes, puis multipliées par le nombre effectif de vis dans la norme EN 1995:2004 et directement par le nombre de vis dans l'AS 1720.1:2010.
Outre les approches de conception susmentionnées, certaines questions spécifiques doivent faire l'objet d'une attention particulière.
Vis à charge axiale inclinée
Les vis inclinées peuvent également être utilisées dans différents types de connexions. L'utilisation de vis inclinées peut parfois être préférable. Elles peuvent être plus appropriées dans certains types de détails d'assemblage où l'utilisation de vis non inclinées n'est pas pratique en raison de la géométrie de l'assemblage. Les vis inclinées peuvent également réduire le risque de fendillement, en particulier si les vis doivent être insérées dans le sens du grain final.
Figure 5 Détail d'une connexion de poutre à poutre où les vis inclinées sont préférables
Dans de telles situations, la charge appliquée n'est généralement pas parallèle à l'axe de la vis. Les résistances au retrait calculées sont le long de l'axe de la vis et il est nécessaire de calculer la composante de cette résistance le long d'une direction parallèle à la charge appliquée. La composante de cette résistance est ensuite comparée à la charge appliquée pour calculer la capacité axiale des vis.
Selon la norme EN 1995:2004la capacité des vis chargées latéralement est calculée à l'aide des équations du modèle européen d'élasticité, également appelées équations de Johanson. LA NORME EN 1995:2004 limite l'utilisation de ces équations aux vis fixées perpendiculairement au sens du grain. Pour les vis inclinées soumises à une charge latérale, la composante de la résistance axiale est prise en compte pour calculer la capacité de charge latérale des vis.
Dans le code AS 1720.1:2010 l'utilisation de vis inclinées n'est pas prise en compte. comptabilisée.
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Vis à charge axiale dans les assemblages acier-bois
Les vis à charge axiale peuvent également être utilisées pour fixer des plaques d'acier sur des éléments en bois. Sur EN 1995:2004, ta résistance d'une vis à charge axiale dans les assemblages acier-bois sera la valeur régissant le retrait et la rupture par traction de la vis. L'arrachement de la tête de la vis ne sera pas pris en compte ici car l'arrachement de la tête de la vis à travers la plaque d'acier ne se produira pas.
Approches du grain final et du grain latéral
En ce qui concerne l'utilisation de vis fixées dans le bois de bout, les recommandations générales déconseillent de fixer des vis dans le bois de bout, car cela pourrait entraîner un fendillement de la pièce de bois. L'approche de la conception des vis fixées dans le bois de bout varie selon les normes suivantes EN 1995:2004 et le code australien. LA NORME EN 1995:2004 limite l'utilisation de vis insérées directement dans le sens du fil du bois. L'angle minimal autorisé entre l'axe de la vis et le sens du grain est de 300 dans la norme EN 1995:2004. Dans la norme AS 1720.1:2010il est possible d'utiliser des vis directement insérées dans le grain final, parallèlement à la direction du grain, en utilisant un facteur d'orientation du grain k13 qui est égal à 0,6. Pour concevoir des vis directement insérées parallèlement au sens du grain selon la norme EN 1995:2004 on peut choisir de concevoir sur la base de l'ETA du fournisseur de vis.
Figure 6 Vis dans le grain de fond
Espacement, distances au bord et à l'extrémité des vis
Outre les contrôles de capacité, la géométrie des vis doit également être respectée. Les deux normes EN 1995:2004 et AS 1720.1:2010 imposent des exigences en matière d'espacement des vis dans le sens du grain et perpendiculairement au sens du grain, de distances aux extrémités et de distances aux bords. Ces exigences géométriques sont basées sur le diamètre nominal des vis dans les normes EN 1995:2004 et sur la base du diamètre de la tige des vis dans la norme AS 1720.1:2010.
Depuis le AS 1720.1 : 2010 ne prend pas en compte les vis inclinées, les exigences minimales de géométrie peuvent être mesurées à partir de la tête de la vis. En revanche, les vis à charge axiale de la norme EN 1995:2004 peuvent être inclinées et les distances d'extrémité et de bord doivent être mesurées à partir du centre de gravité de la vis à l'intérieur d'un élément jusqu'à l'extrémité et le bord du grain respectivement.
Figure 7 Distance d'extrémité des vis à charge axiale selon EN 1995:2004
Le module de vis à charge axiale dans la boîte à outils CLT
Le module des vis à charge axiale de la boîte à outils CLT est un outil avancé spécialement conçu pour optimiser les assemblages par vis dans les bâtiments en bois massif. L'inclusion de vis inclinées, un aspect important de la conception du bois, augmente la polyvalence du calculateur. Les utilisateurs ont la possibilité unique de saisir l'angle d'inclinaison de la vis, à la fois dans le sens du fil et perpendiculairement au sens du fil, ce qui permet de prendre en compte différents scénarios de conception dans les structures en bois massif.
Le module de vis à charge axiale de CLT Toolbox offre une option de conception basée sur les normes suivantes EN 1995:2004 ou AS 1720.1 : 2010 codes de conception. Dans le cadre de EN 1995:2004 l'utilisateur peut également choisir de concevoir sur la base de l'ETA d'un fournisseur de vis. LA NORME EN 1995:2004 autorise l'utilisation de vis inclinées à charge axiale, alors que la norme AS 1720.1:2010 est choisi, seules des vis sans inclinaison peuvent être conçues. Pour des raisons esthétiques, il est parfois nécessaire d'encastrer les têtes de vis à l'intérieur des éléments de bois. Ce module, ainsi que notre module de vis à charge latérale, offre également une option permettant à l'utilisateur d'utiliser une profondeur d'encastrement souhaitée dans laquelle la tête de la vis peut être percée à l'intérieur d'un élément de bois.
Figure 8 Option d'encastrement des vis
En ce qui concerne les contrôles géométriques, l'utilisateur peut saisir l'emplacement de la tête de la vis par rapport aux extrémités et aux bords de l'élément. Notre calculateur calcule alors automatiquement les distances entre les extrémités et les bords du centre de gravité des vis et les compare aux exigences minimales du code selon les deux normes suivantes AS 1720.1:2010 et EN 1995:2004. Certains fournisseurs ont leurs propres exigences en matière de géométrie pour certaines vis spécifiques. Ceci est également inclus dans notre module de charge axiale ainsi que dans tous nos calculateurs de vis.
Conclusion
La conception des connexions est l'un des principaux défis des structures en bois. Parmi les nombreuses possibilités d'assemblage des éléments des bâtiments en bois massif, l'utilisation de vis à filetage partiel et à filetage total est de plus en plus acceptée en raison de leur disponibilité, de leur facilité d'utilisation, de leur valeur esthétique et de leur grande résistance. La résolution du problème de la conception des assemblages vissés serait donc d'une grande aide pour l'industrie du bois de construction.
Le module de conception de vis à charge axiale de la boîte à outils CLT est un outil complet et convivial destiné aux professionnels de la conception de structures en bois. Il allie fonctionnalité et précision, en respectant les normes internationales et en s'adaptant à un large éventail de scénarios de conception dans le domaine en pleine évolution de la construction en bois de masse. Les utilisateurs de ce module peuvent utiliser EN 1995:2004 pour les vis à charge axiale et les vis inclinées à charge latérale et pour la norme AS 1720.1:2010 pour les vis non inclinées.
