Comportement des assemblages par brides circulaires boulonnées

par Maël Couchaux

Thèse de doctorat en Mécanique des structures

Sous la direction de Mohammed Hjiaj.

Soutenue en 2010

à Rennes, INSA .


  • Résumé

    Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur le comportement élastique et élasto-plastique des assemblages par brides circulaires boulonnées utilisés dans la construction métallique. L’objectif de ce travail est de fournir des méthodes pratiques permettant d’évaluer la résistance statique et les concentrations de contrainte au droit des détails de fatigue de ce type d’assemblage. Afin de couvrir au mieux la gamme d’assemblages par brides circulaires utilisés dans la construction, trois configurations ont été analysées : les tronçons en L soumis à un effort normal de traction, les assemblages par brides circulaires soumis à un effort normal de traction et les assemblages soumis à un moment fléchissant. Ces trois types d’assemblages sont étudiés expérimentalement, numériquement et théoriquement respectivement dans les chapitres II, III et IV. Le contact entre brides adjacentes a été analysé avec précision en se référant à un modèle poutre développé dans le chapitre ITout d’abord, une campagne d’essais a été effectuée pour chaque configuration d’assemblage afin d’étudier leur comportement dans les domaines élastique et élasto-plastique. Une attention particulière est accordée à l’analyse de l’influence du serrage des boulons et des défauts de planéité sur le comportement élastique, et notamment sur les étendues de contraintes au pied du cordon de soudure et dans les boulons tendus nécessaires à tout calcul de la résistance à la fatigue. Chaque essai est conduit jusqu’à la ruine afin de bien évaluer la résistance statique de l’assemblage. Un modèle numérique, basé sur le code de calcul par éléments finis ANSYS, utilisant des éléments volumiques et de contact a été développé pour chacun des trois types d’assemblage. Les résultats des analyses numériques ont été confrontés aux résultats des essais. Une fois ce modèle numérique validé, il a servi à des études paramétriques afin de compléter les résultats expérimentaux obtenus, et de mettre en avant certains traits de comportement qui n’ont pas pu être observés lors des essais, par exemple l’évolution des zones de contact. Des modèles analytiques sont proposés pour rendre compte du comportement de ces assemblages dans le domaine élastique afin d’évaluer, d’une part les étendues de contraintes au droit des détails de fatigue, et d’autre part la rigidité des assemblages. De plus, dans le but d’évaluer la résistance statique de ces assemblages, des modèles analytiques sont également proposés en se fondant sur l’analyse limite. Les effets du contact entre brides adjacentes sont toujours pris en compte. Des méthodes pratiques de calcul sont ensuite déduites de ces modèles analytiques. Enfin les résultats obtenus à partir de ces méthodes sont comparés à ceux des essais et des études paramétriques.

  • Titre traduit

    Behaviour of bolted circular flange connections


  • Résumé

    This thesis deals with the elastic and elasto-plastic behaviour of bolted circular flange joints used in steel structures. The aim of the work is to provide practical design methods for determining the static resistance of such flange joints as well as the stress concentration factors for the parts which are fatigue sensitive which are the tube wall at the weld toe and the bolts. In order to be able to cover the range of joint sizes that one finds in construction, three joint configurations were studied: L stubs under an axial load in the stem, flange joints with an axial applied to the connected tube and flange joints submitted to bending moments. The experimental, numerical and theoretical studies carried out on the three joint configurations are the subjects of chapters II, III and IV of the thesis. In chapter I the phenomena of surface contact between the adjacent flanges is clarified by a specially developed beam model whose validity is supported by the results from a finite element model including contact elements. To begin with a programme of tests was carried out for each of the joint configurations so as to obtain knowledge of their elastic and elasto-plastic behaviours and the results obtained are presented and discussed. Particular attention was paid to the study of the influence of bolt preloading and of out-of-plane imperfections of the flange surfaces on the elastic behaviour, in particular in relation to the tube wall stresses ranges at the weld toe and to the loading in the bolts which is essential information required for determining the fatigue life of those components. Since each specimen was loaded to failure, an experimental evaluation of the joint’s static resistance finally obtained. Using the ANSYS code, finite element models with brick elements and contact elements were developed for each of the joints configurations. The results from the finite element analyses were compared favourably with the test results both from the present testing but also from available published work. Thus validated, the finite element models were used to carry out parametric studies with the purpose of not only supplementing the experimental results but also to bring more light on certain aspects of the joint behaviour which could not be examined in sufficient detail during the test programme, such as the evolution of the contact zone with loading. Theoretical models were developed to describe the joint configuration behaviour in the elastic range, both for providing the stress concentration factors for the fatigue sensitive components and for estimating the joint stiffness. In order to determine the static resistances of flange joints, under axial load or under moment, theoretical limit state models are derived. The predictions of the joint behaviour and resistance models provide satisfactory results when compared to results both experimental and by finite element analyses. In all of the latter models the influence of contact is taken into account. Finally, based on the latter theoretical models, practical methods for determining design values of resistances of flange joints, under axial load, moment or a combination of moment and axial load, are proposed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. 430 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. (144 réf.). Index

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  • Bibliothèque : Institut National des Sciences Appliquées. Bibliothèque.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : MAG 08478
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