De la résistance des pièces rivées
Les différentes pièces qui entrent dans la composition, d’une construction métallique sont réunies entre elles par des rivets posés à chaud, et ces rivets doivent être placés au nombre des organes les plus importants et les plus délicats de la construction.
C’est, en effet, le mode de liaison par rivets qui a permis de substituer avantageusement le fer à la fonte dans l’établissement des premiers ouvrages à grandes portées nécessités par la création et par le développement des chemins do fer, et c’est encore aujourd’hui le système le plus simple et le plus économique; mais c’est aussi par la fatigue de la rivure que les détériorations provoquées dans les ponts par les charges réitérées commencent à se manifester; ce sont les assemblages rivés mal exécutés qui constituent les points faibles.
Les premières expériences effectuées pour obtenir des renseignements sur la résistance des pièces rivées paraissent dues à sir William Fairbairn (2).
Depuis cette époque, de nombreux expérimentateurs ont réitéré les essais, mais ils n’ont pas pu obtenir des résultats comparables, parce que chaque expérience était effectuée dans des conditions différentes ; la grande quantité de variables , plus ou moins inconnues, empêchant l’expérimentateur de se placer dans des conditions connues et déterminées.
(1) Travail subventionné parla Société d’ Encouragement.
(2) « Experimental Inquiry inlo the Strength of Wrought-Iron Plates and their Riveted Joints ». Par William Fairbairn. Phil. Trans. Partie II, 1850, p. 677-725.
Une pièce rivée résiste par l'adhérence des tôles et par le cisaillement des rivets.
L’adhérence est la résistance au glissement résultant du frottement des faces des tôles maintenues en contact sous la pression produite par la contraction, après refroidissement, du métal du rivet, posé à chaud.
C’est cette adhérence des tôles rivées qui résiste, d’abord seule, aux efforts, parce que les fûts des .rivets ne sont généralement pas en contact absolu avec la paroi des trous qu’ils remplissent.
Puis, après un premier glissement des tôles, les rivets viennent graduellement s’appuyer sur la paroi des trous et, à la nouvelle résistance à l'adhérence consécutive au glissement initial, vient s’ajouter la résistance au cisaillement des fûts des rivets agissant alors comme des broches.
Sur laquelle de ces deux résistances faut-il compter? « Autrement dit (1) : doit-on calculer un rivetage en se basant sur le frottement des rivets sur les tôles pour assurer la liaison de ces dernières ? Ou bien doit-on le calculer en se basant uniquement sur la résistance au cisaillement? Quelques ingénieurs, s'appuyant sur ce fait d’expérience qu’un rivetage dont les rivets n’ont plus d’adhérence est bien près de sa ruine, proposent d’accepter la première hypothèse. Mais, en général, on fait les calculs en ne tenant compte que du cisaillement. »
En fait ces calculs sont empiriques; on admet que la résistance au cisaillement est les quatre cinquièmes de la résistance à la traction et on applique au résultat du calcul un fort coefficient de sécurité : on fait travailler au cinquième.
Ainsi l’acier actuellement employé dans la construction des ponts a une résistance à la traction de 42 kilogrammes, on admet que la résistance au cisaillement de cet acier est de 32 kilogrammes, et l’on fait travailler le métal à 6 kilogrammes par millimètre carré de section. Or, ce qui importe, c'est de ne pas dépasser la limite d’élasticité du métal et, dans le cisaillement, celle-ci est les quatre dixièmes de la limite d’élasticité du métal essayé à la traction (2).
Si, par exemple, la limite d’élasticité du métal, essayé à la traction, est de 22 kilogrammes, le métal commencera à se déformer par cisaillement sous un effort de 9 kilogrammes environ par millimètre carré, ce qui implique un coefficient de sécurité de deux tiers, beaucoup plus faible qu’on ne le supposait.
Au fond, peu importe le mode de calcul; l’important, en pratique, c’est que les pièces rivées ne travaillent que par adhérence des tôles et jamais par cisail-
(1) J. Pillet, Traité de Stabilité des constructions. Paris, 1895, p. 465.
(2) Cli. Fremont, « Résistance au cisaillement des aciers de construction ». Revue de métallurgie, mai 1906.
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lement des rivets, car, dans ce dernier cas, ceux-ci se cisaillent graduellement et s’usent rapidement.
La cause de cette usure rapide des rivets qui ne résistent que par cisaillement est généralement attribuée à ce que, les rivets ne remplissant pas exactement les trous, il s’ensuit qu’ils ne portent pas tous en même temps sur l’intrados du trou et que, lorsque les tôles supportent un effort, celui-ci, inégalement réparti, déforme alors tel rivet quand le rivet voisin est indemne.
Mais cette hypothèse n’est pas exacte, car s'il en était ainsi, au bout de peu de temps la répartition de l’effort se ferait avec régularité, un tassement résultant des déformations permanentes des premiers rivets qui auraient eu à supporter un excès d’effort.
En réalité ce ne sont pas des efforts statiques que les constructions métalliques ont à supporter, mais des chocs successifs. Ce n'est donc pas un effort statique à équilibrer , comme on l'admet dans les calculs , mais une quantité de travail à absorber et , pour qu'il n'y ait pas détérioration de l'ouvrage d'art , il faut que ce travail soit absorbé élastiquement ; sinon il y a déformation permanente locale (1).
Quand l’ouvrage d’art résiste par adhérence des tôles, celles-ci sont solidaires et peuvent être considérées comme si elles étaient soudées; c’est alors une grande masse de métal qui reçoit le clioc et l’effort maximum instantané qui en résulle est relativement faible par unité de volume, puisqu’il est réparti sur toute la masse de métal en prise.
Quand, au contraire, l’effort est supporté par le rivet agissant comme le ferait une broche, il y a résistance au cisaillement ; la quantité de travail élastique disponible dans ce cisaillement du rivet est extrêmement faible, la résistance vive élastique est insuffisante pour absorber les chocs les plus importants; il y a alors déformation permanente, les tôles se disloquent, prennent du jeu; ce jeu augmente à chaque nouveau choc, les tôles entament de plus en plus les fûts des rivets et, en outre, l’air et l’humidité pénètrent à l’intérieur et oxydent les tôles et les rivets.
Ce sont là des causes de détérioration rapide de l’ouvrage (sans que cependant il y ait à craindre un danger immédiat, la résistance vive des rivets étant généralement très élevée) (2).
Aussi M. Considère a dit, avec juste raison, que l’adhérence est la qualité maitresse des rivets, qu’on n’y accorde généralement pas assez d’importance et
(1) Ch. Fremont, « Mesure de la pression maximum instantanée résultant d’un choc ». Revue de métallurgie , juin 1904.
(2) Ch. Fremont, « Étude expérimentale du rivetage ». Mémoire publié par la « Société d’Encouragement », 1000, p. 123.
qu’il importe do rechercher les valeurs qu elle peut avoir et les influences qui a font varier (1).
Or, un ingénieur des constructions navales, M. Mangin, chargé en 1866 d’exécuter à Paris, dans les ateliers Gouin où se faisait le rivetage mécanique depuis près de dix ans, des essais de résistance de pièces rivées, constata de suite l’impossibilité d’obtenir des résultats constants (2).
« Les rivets mis en place ont des résistances à la rupture et des facultés d’allongement encore plus diverses et il ne devient plus possible d’établir des moyennes. C’est que bien des causes influent sur la qualité du rivet mis en place: la température à laquelle il a été chauffé, celle à laquelle il a été posé, le temps qu’a duré la pose, la manière dont il remplit le trou, etc., etc., il est en quelque sorte impossible d’obtenir que deux rivets, pris dans la meme barre, soient placés exactement dans les mêmes conditions et aient par suite la même tenue. »
Aussitôt constate-t-on les plus grandes divergences dans les résultats des essais communiqués par les divers expérimentateurs.
Ainsi, dans des expériences effectuées au Creusot(3), la résistance au glissement de tôles réunies par un rivet en fer posé à la main, a été de 22k=,20 par millimètre carré de la section du rivet (troisième série d’expériences, p. 165) et de 3iks,07 pour un rivet en fer posé à la machine (7e série d’expériences).
Dans des expériences analogues (4), M. Dupuy, inspecteur général des ponts et chaussées, a trouvé pour la résistance au glissement de tôles réunies par un rivet en fer, 4 kilogrammes par millimètre carré de section, quand le rivet est posé à la main, et 5 kilogrammes quand il est posé à la machine.
Enfin, si l'on remarque que certains rivets sont desserrés même avant tout service, on conclura que nous sommes fort peu renseignés sur la résistance à l’adhérence des pièces rivées et sur les conditions à remplir pour obtenir le maximum d’adhérence.
M. Considère (p. 127) observe judicieusement « que ce sont surtout les moyens d’augmenter l’adhérence qu’il faut rechercher et que les nombreuses expériences, poursuivies à l’unique point de vue de la résistance, ne présentent qu’un bien faible intérêt pratique et ne peuvent conduire qu’à des conclusions erronées, si on les étudie isolément ».
Et il ajoute (p. 130) : « L’adhérence et la résistance des rivets variant consi-
(1) Considère, « Mémoire sur l’emploi du fer et de l’acier dans les constructions. » « Annales des Ponts et Chaussées », janvier 1886, p. 103.
(2) « Mémorial du Génie Maritime », 1868, 3e livraison, p. 179.
(3) H. Lebasteur, Les Métaux à l’Exposition universelle de '1878, p. 166.
(4) M. Dupuy, « Mémoire sur la résistance des rivets. » — « Annales des Ponts et Chaussées », 1896.
dérablement avec l’état des surfaces en contact, la température et la pression d’écrasage et la qualité du fer employé, on ne peut sortir de la confusion qu’en tenant compte de ces quatre éléments. C’est parce qu’on ne les a jamais observés tous et que le plus souvent on n’en a noté aucun, que nous avons cru devoir nous abstenir de faire une mention plus étendue de très nombreux essais publiés sur cette matière. »
Parmi les quatre éléments indiqués par M. Considère, comme ayant une influence sur la résistance à l’adhérence, deux peuvent être mesurés ou, en pratique industrielle, estimés avec une approximation plus ou moins suffisante, ce sont: 1° la température du rivet au moment de l’écrasement, et 2° la pression maximum à la fin de cet écrasement.
Les deux autres variables n’ont pas été définies d’une manière suffisante ; ainsi pour la troisième: Y état des surfaces en contact , M. Considère, probablement inlluencé par la remarque deFairbairn et d’autres observateurs américains, au sujet de bavures laissées au bord des trous poinçonnés dans les tôles, n'a effectué ses expériences que dans le but do comparer l’adhérence des tôles à trous poinçonnés avec l’adhérence des tôles dont les trous ont été forés ou alésés (p. 107). Or, en principe, dans la pratique tous les trous poinçonnés sont alésés pour enlever le métal écroui à la périphérie du trou; après cet alésage, il ne reste donc plus la bavure qui a paru préoccuper M. Considère et les cahiers des charges des constructions métalliques exigent que cette bavure soit enlevée quand il n’y a pas d’alésage.
Actuellement la présence d’une bavure de poinçonnage ne résulte que d’une malfaçon ; c’est donc un fait accidentel qu’il est inutile de prendre en considération dans la résistance à l’adhérence des tôles rivées.
Mais il reste à étudier l’influence de l’état des surfaces des tôles en contact, au point de vue du degré plus ou moins parfait de polissage, ou bien du degré de leur rugosité et au point de vue de la perfection de leur dressage permettant un contact absolu des surfaces en rapport, avant tout effort de rapprochement par le rivet ; ces deux nouveaux éléments, qui paraissent avoir échappé à l’observation de M. Considère, ayant une très grande importance, comme nous le verrons plus loin.
Enfin, la dernière variable indiquée par M. Considère : la qualité du fer employé, n’est pas autrement précisée; il nous parle bien (p. 125) de la limite d'élasticité du fer, mais n’entre pas dans d’autres détails, évidemment pour cette raison, qu’à l’époque de ses expériences, l’acier était très peu employé pour l’usage des rivets (p. 138).
En outre de ces quatre éléments qu’il nous indique comme devant avoir une influence prépondérante sur la résistance à l’adhérence, M. Considère signale encore (p. 131) Y influence de la longueur du rivet et conclut enfin que
la supériorité de la rivure mécanique augmente avec l’épaisseur des pièces à assembler.
M. C. Bach, l’éminent professeur de construction de machines à l’École technique supérieure du royaume de Wurtemberg, a publié, en 1892-1894-1895, les résultats de ses expériences sur l’adhérence des tôles rivées; il en a donné le résumé dans un livre : « Eléments de machines », traduit en français par M. Desmarest. M. Bach ne signale pas de nouveaux éléments ayant une influence sur la résistance à l’adhérence.
Doses expériences il conclut que: .
1° (p. 145). La plus basse température de rivetage (rouge cerise) donne une résistance au glissement un peu supérieure à celle de la température plus élevée (rouge vif), en moyenne 1 199 kilogrammes au lieu de 1115 kilogrammes par centimètre carré. Et, contrairement à cette première conclusion, si la longueur de la tige augmente sensiblement, du simple au double par exemple, la température du rivetage la plus élevée donne, au contraire, cette fois, une résistance au glissement bien supérieure (en moyenne 1 769 kilogrammes contre 1 305 kilogrammes par centimètre carré).
2° (p. 146). Pour de grandes longueurs de rivets on trouve une plus grande résistance au glissement.
M. Bach explique cette augmentation de résistance comme étant une conséquence de la compression plus énergique des plaques par les rivets plus longs qui se contractent davantage en se refroidissant, sans paraître remarquer que la limite élastique du métal reste la même quelle que soit la longueur du rivet ; le fait est vrai, mais l’explication n’est pas la bonne, comme nous le verrons.
3° (p. 149). Que le rivetage à la machine présente fréquemment une résistance au glissement très notablement inférieure à celle des assemblages rivés à la main.
En somme, les trois variables indiquées par M. Bach sont les mêmes que celles qui ont été antérieurement exposées par divers expérimentateurs, notamment par M. Considère, mais il est intéressant de constater que les résultats des expériences de M. Bach sont presque généralement en contradiction avec ce qu’on admet.
M. Dupuy a publié en 1895, dans les Annales des Ponts et Chaussées (1er semestre), un mémoire sur la résistance des rivets.
A la suite de nombreuses expériences effectuées dans le laboratoire des Ponts et Chaussées, M. Dupuy a conclu, relativement à la résistance à l’adhérence, de la façon suivante: Paragraphe 14: La résistance au glissement des tôles rivées est d’autant plus grande que la limite d’élasticité du métal constituant les rivets est plus grande.
Paragraphe 15 : La limite de la résistance au glissement est extrêmement
variable ; les causes de cette variation paraissent très nombreuses et dépendent:
De la nature et de la qualité du métal constituant les rivets ;
De la température à laquelle est posé le rivet;
De la température à la fin de la pose ;
Du mode de rivetage;
De la manière dont l’opération est conduite.
Ce sont là de vagues hypothèses.
Enfin, M. Sclirœder van der Kolk a publié (1) les résultats de nombreux essais effectués sur des pièces rivées au moins par quatre rivets. Pour ce distingué praticien, le point essentiel consiste dans la détermination de la valeur et de la durée de la pression.
PROCÉDÉS EMPLOYÉS PAR DIVERS EXPÉRIMENTATEURS POUR MESURER LA RÉSISTANCE
