Conception des raccords vissés aux États-Unis

La conception des assemblages vissés en bois constitue un aspect essentiel de la construction moderne en bois, où les vis sont de plus en plus utilisées pour leur efficacité, leur rapidité de mise en œuvre et leurs performances structurelles. Avec l’adoption croissante du bois massif et des produits en bois préfabriqués, les ingénieurs et les constructeurs s’appuient sur les assemblages vissés pour transférer les charges et garantir l’intégrité structurelle. Cependant, la conception de ces assemblages nécessite de prendre soigneusement en compte des facteurs tels que le type de vis, la profondeur d'ancrage, l'espacement et l'orientation des charges, tous régis par la National Design Specification (NDS) for Wood Construction. Cet article de blog explorera les principes clés et les meilleures pratiques pour la conception d'assemblages vissés en bois aux États-Unis, y compris le choix des vis, les calculs de capacité et les détails de mise en œuvre pour une performance optimale.

Choisir le bon type de vis

Le choix de la vis à bois appropriée est une décision cruciale pour garantir l'intégrité structurelle et la durabilité d'un assemblage en bois. Face à la multitude de types de vis, de diamètres, de longueurs et de revêtements disponibles, les ingénieurs et les constructeurs doivent examiner attentivement des facteurs tels que l'essence de bois utilisée, la géométrie de l'assemblage, l'orientation des charges et l'exposition aux conditions environnementales.

Les principaux éléments à prendre en compte pour choisir la vis appropriée sont le type d'assemblage (bois-bois ou acier-bois) et le type de charge (latérale ou d'arrachement). Les vis partiellement filetées conviennent mieux aux assemblages bois-bois et acier-bois soumis à des charges latérales, tandis que les vis entièrement filetées sont adaptées aux assemblages bois-bois nécessitant des capacités axiales plus élevées. Les vis entièrement filetées sont également utilisées pour renforcer les poutres en bois soumises à des contraintes de compression et de traction perpendiculaires au fil du bois (encoches et trous dans les poutres, traction radiale dans les poutres courbes). Le type de tête joue également un rôle important dans les assemblages bois-bois réalisés avec des vis partiellement filetées lorsqu'une capacité axiale plus élevée est requise ; les vis à tête à bride (type rondelle) et à tête hexagonale offrent les capacités de résistance à l'arrachement les plus élevées.

TYPES DE TÊTES

Un autre élément essentiel à prendre en compte est le type de bois utilisé pour l'assemblage. Toutes les vis ne sont pas adaptées au bois dur, et l'utilisation de ce dernier nécessite également un pré-perçage.

Afin de garantir la longévité requise du bâtiment sans avoir à recourir à des travaux de rénovation coûteux, il convient de prévoir une protection anticorrosion adéquate pour les vis.

Faible protection (utilisation de base en intérieur/en milieu sec)

• Phosphate noir/oxyde :très faible résistance, réservé aux projets d'intérieur où l'humidité ne pose pas de problème.
• Zingué (par galvanisation) : revêtement fin, adapté au bois en intérieur, mais s'écaille facilement à l'extérieur, exposant ainsi l'acier à la rouille.

Protection modérée (usage général en extérieur / économique)

• Galvanisation à chaud (HDG) : couche de zinc plus épaisse, protection sacrificielle pour l'acier ; convient à une utilisation générale en extérieur, mais peut présenter des défaillances si le revêtement est rayé ou en présence de bois traité agressif.
• Revêtements céramiques/polymères (par exemple, C3, C4, C5) : revêtements de pointe offrant une meilleure résistance à l'humidité et aux produits chimiques, souvent supérieure à celle du galvanisé à chaud (HDG) pour le bois traité.

Haute protection (bois traité / environnements difficiles)

• Acier inoxydable A2 (AISI 304) : excellent compromis pour la plupart des utilisations en extérieur, comme les abris de jardin et le mobilier de jardin ; résiste aux bois acides.
• Acier inoxydable A4 (AISI 316) : de qualité marine , idéal pour les zones côtières, les abords de piscine ou les bois traités très résistants (T5) fortement exposés au sel et aux polluants.

Protection optimale (conditions extrêmes / environnement marin / produits chimiques)

• Acier inoxydable HCR :offre la meilleure résistance aux conditions extrêmes, telles que les piscines couvertes ou les environnements industriels fortement pollués.

Détermination de la capacité de connexion

Aux États-Unis, la norme National Design Specification (NDS) pour la construction en bois constitue le cadre de référence pour la conception des assemblages vissés, en fournissant des indications sur le calcul des capacités de résistance à l'arrachement, au cisaillement et à l'arrachement de la tête. De plus, de nombreux produits de vissage modernes sont évalués et répertoriés dans les rapports d'évaluation de l'ICC-ES (ICC-ESR), qui fournissent des valeurs de conception spécifiques et des exigences d'installation pour les vis de marque.

La plupart des vis spécifiques utilisées aujourd'hui dans la construction en bois sont des vis autotaraudeuses. Les dispositions et les valeurs de calcul prévues dans la norme NDS s'appliquent aux vis à bois conformes à la norme ANSI/ASME B18.2.1 et aux vis à bois conformes à la norme ANSI/ASME B18.6.1.

Pour les vis autotaraudeuses dont les dimensions sont similaires à celles prévues dans les normes ANSI/ASME B18.2.1 (vis à bois) ou ANSI/ASME B18.6.1 (vis à bois), la forme générale des équations de limite d'élasticité devrait s'appliquer pour déterminer les valeurs de calcul latérales. En conséquence, les valeurs de calcul indiquées dans les tableaux s'appliqueraient également à condition que les dimensions des vis autotaraudeuses soient égales ou supérieures à celles de la norme ASME B18.2.1 ou ANSI/ASME B18.6.1 et que la limite d'élasticité en flexion soit égale ou supérieure à la limite d'élasticité en flexion supposée dans les notes de bas de page du tableau. Pour pouvoir utiliser les dispositions de conception latérale du NDS, il faut supposer que la fabrication et l'assemblage des assemblages à l'aide de vis autotaraudeuses permettent le développement de la résistance d'appui totale du bois sous la vis à bois ou permettent la déformation élastique de la vis à bois (c'est-à-dire que l'installation n'endommage pas l'élément en bois ou l'assemblage).

La capacité latérale des vis peut être calculée à l'aide des calculs relatifs au mode de rupture par fluage présentés dans le tableau 12.3.1A

• Mode de défaillance_Im (palier dans l'élément principal) :

• Mode de défaillance_Is (roulement dans la traverse) :

• Mode de défaillance II (rotation de la fixation sans flexion) :

• Mode de défaillance_IIIm (formation d'une articulation plastique au niveau de la fixation dans l'élément principal) :

• Mode de défaillance_III (formation d'une articulation plastique au niveau de la fixation dans la traverse latérale) :

• Mode de défaillance IV (formation d'une articulation plastique au niveau de la fixation dans les deux éléments) :

La norme NDS fournit des formules permettant de calculer la résistance à l'arrachement de la partie filetée de la fixation et la résistance à l'arrachement de la tête. La résistance à la traction de l'assemblage correspond à la plus petite de ces deux valeurs.

Capacité de résistance à l'arrachement des tire-fonds :

Capacité de résistance à l'arrachement des vis à bois :

Capacité de traction à l'avant :

Les ingénieurs qui utilisent les équations de la NDS pour calculer la résistance à l'arrachement et la résistance à l'arrachement par la tête doivent savoir que ces formules ne reflètent pas avec précision la capacité axiale des vis autotaraudeuses, mais doivent plutôt être considérées comme une estimation ou un point de référence. Les vis à bois et les vis à tête hexagonale, telles que définies dans la NDS, nécessitent des avant-trous, contrairement aux vis autotaraudeuses. Il existe également des différences au niveau de la géométrie du filetage, du diamètre de pied et de la dureté entre les vis autotaraudeuses et les vis à bois ou les tire-fonds.

Compte tenu des différences mentionnées entre les vis autotaraudeuses et les vis à bois ou les vis de fixation, il est beaucoup plus précis d'utiliser les capacités de retrait et de déchirure testées, telles qu'elles sont indiquées dans le document ICC-ESR correspondant. L'utilisation de valeurs testées précises garantira une fixation plus sûre, car, contrairement à la déformation plastique de la fixation, le retrait et la déchirure de celle-ci constituent des ruptures fragiles susceptibles de provoquer un effondrement soudain.

Que l'on utilise la norme NDS ou la méthode ESR pour déterminer la résistance de la fixation, ces valeurs doivent être multipliées par tous les coefficients de correction indiqués dans le tableau 11.3.1 de la norme NDS

Il faut à tout prix éviter les ruptures fragiles ; c'est pourquoi, pour les assemblages vissés soumis à des charges latérales, outre la détermination des modes de rupture par déformation plastique, il est essentiel de vérifier si les éléments en bois eux-mêmes sont susceptibles de subir une rupture fragile. Pour ce faire, on effectue les calculs présentés à l'annexe E du NDS

Les ruptures fragiles à vérifier sont les suivantes :

Capacité de tension de la section du filet :

Capacité d'arrachement des rangées :

Capacité de déchirement du groupe :

Tous les calculs mentionnés précédemment (modes de rupture par déformation plastique des fixations selon la norme NDS, résistances testées par l'ICC-ESR, arrachement et passage de la tête selon la norme NDS et l'ICC-ESR, ruptures fragiles des éléments en bois) sont effectués lors de la conception d'assemblages vissés à l'aide du module « Screw » de Spectoolbox.

Détails de la connexion

Une fois que l'on a choisi la vis appropriée et déterminé le nombre de fixations nécessaires pour un assemblage donné, l'étape suivante consiste à définir les détails de mise en œuvre. Afin de garantir la sécurité de l'assemblage, il convient d'indiquer les espacements ainsi que les distances par rapport aux bords et aux extrémités qui doivent être supérieurs aux minima autorisés. Tant le NDS que les rapports d'évaluation de l'ICC-ES relatifs aux fixations prescrivent des espacements minimaux ainsi que des distances minimales par rapport aux bords et aux extrémités.

Si la norme NDS a été utilisée pour déterminer la résistance de la fixation, il convient alors de respecter les espacements et distances minimaux indiqués dans cette norme. Si les résistances testées figurant dans l'ICC-ESR ont été utilisées pour déterminer la résistance de la fixation, il convient alors de respecter les espacements et distances minimaux indiqués dans l'ICC-ESR.

La norme NDS précise les distances d'extrémité dans le tableau 12.5.1A, l'espacement des éléments de fixation dans une rangée dans le tableau 12.5.1B, les distances par rapport aux bords dans le tableau 12.5.1C, l'espacement entre les rangées d'éléments de fixation dans le tableau 12.5.1D et la distance maximale des éléments de fixation les plus extérieurs dans les éléments en lamellé-collé dans le tableau 12.5.1F

Une particularité des espacements définis par la norme NDS réside dans le fait que celle-ci considère comme une « rangée » de fixations l'ensemble des fixations parallèles à la direction de la force. Cela complique la prise en compte de toutes les exigences d'espacement lorsqu'un assemblage est soumis à des charges latérales dans deux directions.

C'est pourquoi de nombreux ingénieurs trouvent plus simple d'utiliser les espacements minimaux et les distances par rapport aux extrémités et aux bords indiqués dans les ESR correspondants. Ces distances et espacements sont indiqués parallèlement ou perpendiculairement au sens du fil pour les charges parallèles au fil, perpendiculaires au fil et axiales.

Que l'on se réfère aux exigences NDS ou ESR, il est impératif de respecter les exigences en matière d'espacement et de distances minimales afin d'éviter une rupture prématurée et fragile de la connexion.

Les ingénieurs qui utilisent le module « Screw » de Spectoolbox auront la possibilité de choisir s'ils souhaitent utiliser les valeurs de résistance NDS ou ESR ; en fonction de leur choix, les exigences appropriées en matière d'espacement et de distance seront appliquées.