Introduction
Dans les structures en bois, l'utilisation de vis pour relier les différents éléments est devenue une pratique exemplaire. Les charges appliquées sur ces vis peuvent être décomposées en une force de traction le long de l'axe de la vis ou en une force de cisaillement perpendiculaire à l'axe de la vis. Cet article de blog se concentrera sur la résistance des vis pour la composante de la charge qui provoque une force de cisaillement sur la vis. Les différentes approches du code, EN 1995 : 2004, les documents ETA des fournisseurs de vis et les approches du code AS 1720.1:2010 seront également abordées dans cet article de blog.
Vous voulez en savoir plus sur la résistance axiale des vis ? Consultez notre article de blog ici
Types de vis
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 1 Vis à tige lisse et vis autotaraudeuses selon la norme 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.
Méthodes de conception des assemblages vissés soumis à une charge latérale
Approche EN 1995:2004 : Le modèle de rendement européen
Dans l'Eurocode, la capacité de charge caractéristique des fixations métalliques de type goujon chargées latéralement est calculée sur la base des formules de Johanson. Ces fixations de type cheville comprennent les vis, les boulons, les clous, les chevilles et les agrafes. Les modes de défaillance impliquent une rupture par encastrement de l'élément en bois ou une rupture par cisaillement de la fixation. La résistance au retrait affecte également la capacité de charge latérale des fixations. Dans l'Eurocode, la capacité de charge latérale finale est la somme de la partie de l'équation de Johanson et de l'effet de corde qui est la résistance au retrait.
Pour les fixations en cisaillement simple, il existe six modes de défaillance. Les trois premiers impliquent la rupture de l'encastrement du bois sous l'effet de la charge latérale appliquée. Les modes de défaillance A et B impliquent la défaillance de l'encastrement de l'élément de tête et de l'élément de pointe respectivement. Le mode de défaillance C implique la défaillance de l'encastrement des deux éléments de bois. Dans les modes de défaillance D et E, la rupture par cisaillement de la vis se produit dans l'élément de bois côté tête et côté pointe en même temps que la défaillance de l'encastrement. Dans le dernier mode de défaillance, F, il y a rupture par cisaillement de la vis et rupture par encastrement dans les deux éléments. Dans les calculs du modèle de rendement européen, les six modes de défaillance susmentionnés seront calculés et le mode de défaillance donnant une valeur de capacité caractéristique minimale sera celui qui prévaudra.
Référence : EN 1995:2004 Clause 8.2.2 (1)
Figure 2 Diagrammes EYM pour les connexions bois-bois
Avec
Où ?
FV, RK est la capacité de charge caractéristique par plan de cisaillement et par fixation
ti est l'épaisseur du bois ou de la planche ou la profondeur de pénétration, avec i soit 1 ou 2
fh,i,k est la résistance caractéristique à l'encastrement dans l'élément de bois i
d est le diamètre de l'élément de fixation
My,RK est le moment limite d'élasticité caractéristique de la fixation
est le rapport entre la résistance à l'encastrement des éléments
Fax,RK est la capacité caractéristique de retrait axial de l'élément de fixation
Pour les modes de défaillance autres que A et B, la fixation subit une légère déformation. Pour ces modes de défaillance impliquant un déplacement de la fixation, une composante de force parallèle à l'axe de la fixation se développe. Cette force a un effet de serrage sur les deux éléments, ce qui augmente la capacité de charge latérale de l'assemblage. Cet effet est considéré dans les équations du modèle européen de résistance comme un effet de corde.
Pour les vis, l'effet de corde correspond à un quart de la résistance au retrait axial des vis. Cet effet de corde est toutefois limité à un maximum égal à la partie de Johanson de l'équation. Pour les différentes fixations de type goujon, différents pourcentages de la partie de Johanson sont considérés comme la contribution de l'effet de corde.
Effet de corde pour les vis= min | EN 1995:2004 Clause 8.2.2 (2) |
Dans les situations impliquant des connexions acier-bois soumises à des charges latérales, cinq modes de défaillance potentiels ont été identifiés. Il s'agit de deux modes de défaillance pour les plaques d'acier minces et de trois pour les plaques plus épaisses. En écho aux scénarios de connexion bois-bois, les modes de défaillance vont de la rupture de l'encastrement dans le bois à la rupture par cisaillement de la fixation, en passant par une combinaison des deux".
Dans la norme EN 1995:2004, l'approche de conception des vis soumises à des charges latérales varie en fonction de leur diamètre. Les vis d'un diamètre inférieur à 6 mm sont traitées comme des clous, l'angle de charge n'influençant pas leur capacité, ce qui implique une capacité de charge indépendante de l'angle. À l'inverse, les vis d'un diamètre supérieur à 6 mm sont conçues comme des boulons. Dans ce cas, l'angle de charge influe sur la formule de capacité.
Figure 3 Diagrammes EYM pour les connexions acier-bois
Pour une plaque d'acier mince en cisaillement simple :
Pour une plaque d'acier épaisse dans un cisaillement simple :
Dans les équations ci-dessus, les équations de capacité de charge latérale caractéristique prennent en compte le diamètre de la fixation, l'épaisseur de l'élément, la résistance caractéristique de l'encastrement dans tous les modes de défaillance. Dans les modes de défaillance qui impliquent la rupture de la fixation, le moment caractéristique de rupture est également pris en compte. Comme mentionné ci-dessus, la capacité de retrait de la fixation est également prise en compte dans les modes de défaillance qui impliquent une déformation de la fixation.
Les équations ci-dessus sont des équations générales et peuvent être utilisées pour toutes les fixations de type goujon.
La résistance caractéristique à l'enfoncement dépend du type de fixation. Pour les vis dont le diamètre effectif est inférieur à 6 mm, les calculs de résistance à l'enfoncement seront effectués en considérant les vis comme des clous, tandis que pour les vis dont le diamètre est supérieur à 6 mm, les calculs seront effectués en considérant les vis comme des boulons. Le diamètre effectif des vis dépend du type de vis et du rapport entre le diamètre du filet intérieur et le diamètre extérieur de la vis. (Référence EN 1995:2004 clause 8.7.1)
Pour les vis avec | Pour le bois non pré-percé |
EN 1995:2004 Clause 8.3.1.1 |
|
Pour le bois pré-percé | |||
Pour les vis avec | EN 1995:2004 Clause 8.5.1.1 | ||
Où est α l'angle de la charge par rapport au grain |
Comme le montrent les formules ci-dessus pour les vis dont le diamètre effectif est supérieur à 6 mm, l'angle de la charge par rapport au grain doit être pris en compte et un ajustement de l'angle est inclus.
Pour les vis dont le diamètre effectif est inférieur à 6 mm, les résistances à l'enfoncement sont données comme pour les clous et la valeur dépend du type de bois, de la densité du bois, du diamètre et du pré-perçage.
Pour les vis à tige lisse, le diamètre effectif de la vis sera égal au diamètre de la tige de la vis à condition que la tige lisse pénètre dans l'élément latéral de la pointe d'au moins 4d. Pour les vis autotaraudeuses et les vis à tige lisse ne satisfaisant pas à l'exigence ci-dessus, le diamètre effectif de la vis sera égal à 1,1 fois le diamètre du filet intérieur de la vis.
Documents ETA du fournisseur
Les fournisseurs de vis ont modifié les formules de la norme EN 1995:2004 pour les adapter à leurs vis spécifiques. Pour les vis chargées latéralement, les documents ETA des fournisseurs fournissent une formule pour les valeurs caractéristiques de la résistance à l'enfoncement. Les formules du modèle européen d'élasticité sont applicables ici avec une modification de l'effet de corde et de la résistance à l'enfoncement. L'effet de corde, fonction de la capacité de retrait, peut varier d'un fournisseur à l'autre. Comme pour la résistance à l'enfoncement, les capacités de retrait sont également fournies dans les ETA. Les ETA indiquent également le diamètre effectif de leurs vis. Dans la norme EN 1995:2004, le diamètre effectif des vis autotaraudeuses est égal à 1,1 fois le diamètre du pied de vis, alors que dans la plupart des ATE, le diamètre effectif est égal au diamètre du filetage extérieur de la vis.
AS 1720.1:2010 Approche
Dans la norme australienne, les capacités caractéristiques de charge latérale des vis sont lues à partir de données tabulées. Les capacités de conception sont ensuite calculées à partir des capacités caractéristiques en multipliant ces dernières par des facteurs de conception. Pour les vis encastrées dans le sens du grain final, il existe un facteur d'orientation du grain de 0,6. Le nombre de plans de cisaillement est également pris en compte par le facteur de plan de cisaillement K14. Pour tenir compte du type de matériau du côté de la tête, un facteur de fixité de la tête est introduit, K16. Le nombre de vis est également pris en compte par le facteur K17.
Charges latérales inclinées par rapport au grain
Pour les charges faisant un angle avec le sens du fil, selon l'approche habituelle, la résistance d'encastrement de l'élément en bois ainsi que la capacité de cisaillement et de retrait de la fixation doivent être vérifiées par rapport à la charge appliquée.
En outre, en raison de l'angle de la charge, il y aura une composante de la charge appliquée perpendiculaire au sens du fil et qui tend à fendre la pièce de bois. Cette composante de la charge appliquée doit être vérifiée par rapport à la capacité de fendage du bois. Cette question est traitée en détail dans la norme EN 1995:2004.
Figure 5 Fendillement provoqué par la composante perpendiculaire au grain de la charge appliquée.
L'AS 1720.1:2010, pour les vis de carrosserie, contient des tableaux de capacité caractéristique distincts pour les charges parallèles et perpendiculaires au grain. La capacité pour les charges angulaires est déterminée par interpolation entre ces deux tableaux.
Espaces, distances aux extrémités et aux bords
En ce qui concerne la disposition des fixations de type goujon, les codes recommandent des exigences différentes. La norme EN 1995:2004 impose une distance distincte pour les fixations soumises à une charge axiale et pour celles soumises à une charge latérale. Pour les fixations soumises à une charge latérale, la norme EN 1995:2004 définit les exigences en matière de distance en fonction de l'angle de charge, du diamètre des fixations et de la densité du bois.
Les distances entre les extrémités et les bords dépendent du fait que l'extrémité/le bord considéré(e) est chargé(e) ou non chargé(e). Les exigences d'espacement sont données pour un cas général.
Figure 5 Distance requise selon la norme EN 1995:2004
De manière similaire à l'approche suivie pour les calculs, les vérifications des exigences géométriques pour les vis chargées latéralement sont effectuées en considérant les vis comme des clous si leur diamètre effectif est inférieur à 6 mm et l'exigence de boulons sera considérée si le diamètre effectif des vis est supérieur à 8 mm.
Les documents ETA des fournisseurs de vis se réfèrent à l'exigence d'espacement et de distance fournie dans la section sur les clous de la norme EN 1995:2004 (EN 1995:2004 clause 8.3.1.2) en tant qu'exigence générale. Pour certaines vis spécifiques et des matériaux spécifiques comme le CLT, ils fournissent cependant leurs propres exigences.
Dans les deux cas, le diamètre nominal de la vis est utilisé pour les calculs.
La norme AS 1720.1:2010 présente des exigences similaires en matière de distance extrémité/bord et d'espacement pour les vis chargées axialement et latéralement. Les exigences ne prennent pas non plus en compte l'angle de chargement. Ces exigences dépendent du diamètre de la tige des vis.
Pour les vis d'entraînement, la norme AS 1720.1:2010 recommande d'utiliser les exigences d'espacement des boulons qui prennent en compte l'angle entre la charge appliquée et le grain. Il existe deux types de considérations générales : lorsque la charge est appliquée parallèlement au grain et lorsqu'elle est appliquée perpendiculairement à la direction du grain. Pour les charges agissant à un angle inférieur à 300 par rapport au grain, les exigences sont les mêmes que pour les charges parallèles au grain. Pour les charges agissant à un angle compris entre 300 et 900 par rapport au grain, les exigences en matière de distance sont les mêmes que pour les charges agissant perpendiculairement au grain.
Figure 7 Exigences géométriques de la norme AS1720:2010 pour les vis d'entraînement
Le module de vis à charge latérale dans la boîte à outils CLT
CLT Toolbox propose deux modules distincts pour les connexions bois-bois et les connexions acier-bois en cisaillement simple. L'utilisateur a également la possibilité de choisir différents types de bois. Nous avons également intégré différents fournisseurs de vis, et l'utilisateur peut soit choisir une vis auprès d'un fournisseur, soit insérer manuellement les propriétés géométriques et matérielles de la vis. Pour les vis saisies manuellement, l'utilisateur a la possibilité de concevoir sur la base de la norme EN1995:2004 ou AS1720:2010. Pour les vis sélectionnées auprès d'un fournisseur, l'utilisateur a la possibilité de concevoir sur la base de la norme EN1995:2004, du document ETA du fournisseur ou de la norme AS1720:2010.
Notre module bois-bois comporte une option pour différents types d'encastrement des vis. Les têtes de vis peuvent être encastrées à l'intérieur de l'élément de bois avec une longueur d'encastrement personnalisée, ou les vis peuvent être encastrées de manière à ce que leur longueur dans les deux éléments connectés soit égale (option centrée sur le plan horizontal de tension perpendiculaire).
Figure 7 Différentes approches de vis chargées latéralement
Les directives de conception de la norme EN 1995:2004, les documents ETA des fournisseurs et la norme AS1720:2010 sont bien respectés dans nos modules avec une fonction éducative de la section d'entrée. La norme EN 1995:2004 utilise le modèle européen d'élasticité (EYM) pour la conception des vis à charge latérale. Les résistances à l'enfoncement de ces formules EYM sont obtenues à partir de la section relative aux clous pour les vis dont le diamètre effectif est inférieur ou égal à 6 mm. Pour les vis de diamètre supérieur, la norme EN 1995:2004 recommande d'utiliser les formules développées pour les boulons. L'effet de corde, qui est un terme des équations EYM, est donné par un quart de la résistance au retrait de la vis. Si l'utilisateur choisit le document ETA du fournisseur pour la conception des vis, les résistances à l'enfoncement et les calculs de l'effet de corde sont tirés des documents ETA du fournisseur et les équations du MEJ peuvent être utilisées ici.
En ce qui concerne la norme AS1720:2010, les capacités caractéristiques sont lues à partir de valeurs tabulées basées sur le diamètre de la tige de la vis et le groupe d'assemblage du bois utilisé.
Les contrôles de géométrie sont également effectués conformément aux recommandations du code dans nos modules.