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RÉSUMÉ
Une structure est composée de détails constructifs : elle peut être défaillante lorsqu’au moins un des détails constructifs atteint un des états limites ultimes.
Parmi ces états limites, figure l’état limite de fatigue. Ce dernier traduit la fissuration progressive, due à des charges répétées en un très grand nombre de cycles dans le temps. Passé un certain seuil de fissuration, il risque de se produire un phénomène de rupture.
Le fait de recourir à différentes parties de l’Eurocode 1 pour les charges de fatigue, et à d'autres parties de l’Eurocode 3 pour la vérification proprement dite, rend assez complexe la compréhension de la démarche de vérification. Le but de cet article est donc de regrouper toutes les informations sur ce sujet.
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Mladen LUKIĆ : Président du TC6 « Fatigue et rupture » de la CECM – Animateur du WG9 « EN 1993-1-9 » du CEN/TC250/SC3 - Directeur de projets recherche CTICM (Saint-Aubin, France)
INTRODUCTION
L’amorçage d’une fissure se produit nécessairement à partir d’un défaut. Dans le cas d’un détail d’apparence lisse, la fissure peut prendre naissance à partir de défauts microscopiques à l’échelle du grain, ou de défauts de bord dus à l’oxycoupage, au perçage, etc.
Dans le cas des détails constructifs avec des soudures, c’est plutôt à partir d’un défaut dans un cordon de soudure qu’une fissure peut s’amorcer (inclusion solide ou gazeuse, retassure, crique, etc.). Ces défauts, combinés aux entailles causées par le changement plus ou moins brusque de la géométrie dû au cordon de soudure, sont plus importants que ceux dans les pièces sans soudures.
La vérification à la fatigue, qui sert à se prémunir de toute fissuration, peut se révéler déterminante dans le cas des ponts, des chemins de roulement, des structures très élancées exposées au vent, ou des structures hydrauliques. Elle est inutile pour les bâtiments courants soumis à des actions comme le vent ou la neige, considérées comme quasi statiques.
Pour effectuer une vérification à la fatigue, la référence est généralement faite à la norme NF EN 1993-1-9, « Calcul des structures en acier – Partie 1-9 : Fatigue ». Mais d’autres Eurocodes donnent quelques renseignements supplémentaires concernant cette vérification pour des structures pouvant être susceptibles à la fatigue, comme par exemple les ponts, les pylônes, les mâts, les cheminées ou les chemins de roulement.
Le calcul de la propagation de fissures est abordé, mais sans grande précision, dans la NF EN 1993-1-10, ou plutôt dans son document de référence.
Le fait de devoir avoir recours à différentes parties de l’Eurocode 1 pour les charges de fatigue, et à différentes parties de l’Eurocode 3 pour la vérification proprement dite, rend assez complexe la compréhension de la démarche de vérification. C’est pourquoi il est souhaitable de regrouper toutes les informations sur ce sujet dans un seul et même document.
C’est donc l’objet de cet article qui représente ainsi un condensé des principes de vérification à la fatigue des structures susceptibles à ce phénomène.
le terme « état limite de fatigue » n’est pas officialisé dans les Eurocodes. En revanche, d’autres documents peuvent s’y référer.
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MOTS-CLÉS
acier fatigue construction métallique fissuration normes mécanique de la rupture endommagement de surface Eurocodes
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- Version archivée 1 de mai 2018 par Mladen LUKIĆ
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12. Glossaire
La désignation numérique attribuée à un détail constructif particulier pour une direction donnée de contraintes afin d’indiquer la courbe de résistance à la fatigue à appliquer pour évaluer sa résistance (ce nombre correspond à la résistance de référence à la fatigue
en MPa)
Chargement de fatigue
Ensemble de paramètres d’action basés sur des événements-charges représentatifs et décrits par les positions des charges, leur magnitude, leur phasage et leur fréquence relative d’occurrence
Chargement de fatigue équivalent d’amplitude constante
Chargement simplifié d’amplitude constante donnant le même endommagement que les événements-charges réels d’amplitude variable
Contrainte géométrique, contrainte au point chaud
La contrainte principale maximale dans le métal de base, au pied du cordon de soudure, avec prise en compte des effets de concentration de contrainte dus à la géométrie d’ensemble du détail constructif, sans considérer les effets de concentration locale de contraintes.
Contrainte nominale
Contrainte dans le métal de base ou dans une soudure au voisinage de l’emplacement potentiel d’une fissure, calculée selon la théorie élastique, à l’exclusion de tout effet de concentration de contrainte
Contrainte nominale modifiée
Contrainte nominale multipliée par un coefficient approprié de concentration de contrainte k f permettant de tenir compte d’une discontinuité géométrique qui n’a pas été prise en considération dans la classification d’un détail constructif
Contrainte résiduelle
Un état de contrainte permanent, autoéquilibré, et indépendant de toute action appliquée. Les contraintes résiduelles résultent du laminage, du coupage, du retrait de soudage, du défaut d’ajustement entre pièces, ou de toute séquence de chargement causant une plastification partielle dans la structure
Courbe de résistance à la fatigue
La relation quantitative entre l’étendue des contraintes et le nombre de cycles de contrainte jusqu’à...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Recommandations pour la détermination des classes d’exécution selon la NF EN 1090-2 pour les structures en acier de bâtiment, - Revue Construction Métallique, n° 1-2015, pp. 69-89 (2015).
-
(2) - Recommandations sur le calcul des structures de mâts d’éclairage de grands espaces, - 3e édition, Revue Construction Métallique, n° 1-2015, pp. 91-146 (2015).
-
(3) - ALEGRE (J.M.), CUESTA (I.I.) - Some aspects about crack growth FEM simulation under mixed-mode loading, - International Journal of Fatigue Vol. 32 (2010).
-
(4) - CIDECT - Assemblages soudés de profils creux circulaires et rectangulaires sous chargement en fatigue - (2002).
-
(5) - EYMARD (R.), JACOB (B.) - Un nouveau logiciel : le programme CASTOR pour le Calcul des Actions et Sollicitations du Trafic dans les Ouvrages Routiers, - Bull. liaison Labo. P. et Ch., n° 164, pp. 64-77 (1989).
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Eurocodes structuraux – Bases de calcul des structures, AFNOR - AFNOR NF EN 1990 (P06-100-1) - Mars 2003
-
Exécution des structures en acier et des structures en aluminium – Partie 2 : exigences techniques pour l’exécution des structures en acier, AFNOR - AFNOR NF EN 1090-2+A1 (P22-101-2) - octobre 2011
-
Eurocode 1 « Actions sur les structures » – Partie 1-4 : Actions générales – Actions du vent, AFNOR - AFNOR NF EN 1991-1-4 (P06-114-1) - novembre 2005
-
Eurocode 1 : Actions sur les structures – Partie 2 : Actions sur les ponts, dues au trafic ; AFNOR - AFNOR NF EN 1991-2 (P06-120-1) - mars 2004
-
Eurocode 1 – Actions sur les structures – Partie 2 : actions sur les ponts, dues au trafic – Annexe Nationale à la NF EN 1991-2:2004 – Actions sur les ponts, dues au trafic ; AFNOR - NF EN 1991-2/NA (P06-120-1/NA-1) - mars
-
- AFNOR NF EN 1991-3 (P06-130) - Eurocode 1 – Actions sur les structures – Partie 3 : Actions induites par les appareils de levage et les machines ; AFNOR avril 2007
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ANNEXES
CEREMA – Centre d’études et d’expertise sur les risques, la mobilité et l’aménagement
IFSTTAR – Institut français des sciences et techniques des transports de l’aménagement et des réseaux
IIW – International Institute of Welding
LCPC – Laboratoire central des ponts et chaussées est devenu IFSTTAR.
MEDDTL– Ministère de l’Écologie, du développement durable des transports et du logement
https://www.ecologique-solidaire.gouv.fr
SETRA – Service d’études techniques des routes et autoroutes est devenu CEREMA
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