Effet de l’opération de soudage sur les éléments à renforcer

Modèle de Gauss

Une source Gaussienne surfacique modélisée par Rykaline en 1957 permet d’apparenter la distribution mathématique de l’énergie de soudage aux géométries de plasma observées (Figure II.15). Une façon simple de représenter le flux surfacique est de choisir une densité de flux constante, en ce qui concerne une répartition gaussienne infinie. En pratique, on fixe souvent un rayon limite Ro de la tache calorifique, tel que ce rayon limite définisse un cercle fini d’existence du flux thermique. Ce rayon est conventionnellement fixé de telle sorte que le flux q(Ro) soit égal à 5 % du flux maximal situé au centre de la source (Figure II.15). [Pichot, 2012] Figure II.15 Présentation de différente forme de source de chaleur [Pichot, 2012] II.6.2 Modèle de Goldak Goldak propose pour le soudage à l’arc avec apport de matière (MIG, MAG, TIG), une source volumique en forme de deux ellipsoïdes (Figure II.16). Celle-ci permet de tenir compte de la différence d’apport de chaleur devant et derrière l’électrode. Ce genre de source est décrit par les relations suivantes [Makhlouf, 2008][Attarha et al, 2011]: Qʋ(xs,ys,zs) = 6√3𝑄𝑓𝑖 𝑎𝑏𝑐𝑖¶√¶ 𝑒𝑥𝑝 −(( 𝑥𝑠 𝑐𝑖 ) 2 ( 𝑦𝑠 𝑎 ) 2 ( 𝑧𝑠 𝑏 ) 2 ) 𝑓𝑓 + 𝑓𝑟 = 2 (II.2) Q=UIƞ U est la tension, I l’intensité et 𝜂 le rendement. xs ,ys, zs sont les coordonnées du point considéré dans le repère mobile lié à la source de chaleur. f f et fr paramètres obéissent aux conditions de continuité du flux. Attarha et ces collègues ont montré une étude numérique et expérimentale de la distribution de la température dans deux plaques soudées en basant sur la théorie de double ellipse de Goldak. Pour ces méthodes, il est nécessaire de connaître au préalable les dimensions de la zone fondue pour effectuer une simulation numérique du soudage. On ne peut pas donc prédire les dimensions du bain à l’aide de ce type de modélisation. [Attarha et al, 2011] Chapitre II Effet de l’opération de soudage sur les éléments à renforcer 43 Figure II.16 Double ellipsoïde de Goldak [Morin, 2006] [Pichot, 2012] [Nguyen, 2015] [Salerno et al, 2018].

Précautions à apprendre lors de renforcement d’ouvrages métalliques par soudure

La procédure de soudage à l’arc électrique est apparue comme un moyen commode et économique de renforcer les ouvrages métalliques, car aucun autre procédé ne donne toutes les facilités que présente la soudure. Le renforcement par rivet à titre d’exemple est toujours possible, il présente l’inconvénient de troubler l’état d’équilibre d’un ouvrage. Avec la soudure, on opère sans modifier en rien l’équilibre de l’ouvrage existant, d’où un double avantage technique et économique. [Wilson et al, 2012] On évite ainsi de créer un ensemble hétérogène (soudure, rivet) dans lequel l’étude de la répartition des efforts est difficile deviendrait impossible. A un autre point de vue, on doit s’efforcer de réaliser la symétrie des pièces, une des règles de la construction les fréquentes. II est même souvent possible de corriger dans une certaine mesure au moyen de renforcement, une dissymétrie existante dans le pont primitif. Enfin, l’étude du projet doit tenir compte de certaines règles imposées par l’exécution même des soudures. On évitera soigneusement les accumulations de soudure en certains points et en général toutes dispositions entrainant la superposition d’effets de dilatation et de retrait, création des déformations nuisibles dans les pièces de renfort ainsi que dans l’ossature existante. II est admis aujourd’hui que les soudures au plafond bien exécutées, présentent toutes garanties de résistance, mais au point de vue économique il est préférables de les éviter. Les soudures en bout et de cordons de soudure d’angle devront être étudies avec soin et proportionnes aux épaisseurs des pièces à assembler. [Goelzer, 1936] Pendant le processus de renforcement, le raccordement des éléments par soudage est la technique la plus utilisé. Mais le soudage crée des températures très élevées auxquelles les propriétés du matériau sont grandement affectées avec l’apparition des contraintes résiduelles. La géométrie et le type des plaques, le type de la vitesse de soudage, la vitesse de refroidissement de l’ensemble influent sur l’amplitude et la distribution des contraintes résiduelles [Nagaraja, 1962]. Le soudage multi passes conduit généralement à des contraintes résiduelles (CR) importantes dans la zone affectée thermiquement (ZAT) et la zone fondue (ZF). Ils peuvent atteindre dans certain cas la limite élastique du matériau. [Abderrahmane et al, 2015] Chapitre II Effet de l’opération de soudage sur les éléments à renforcer .

Soudure et l’aspect physico-mécanique

Analyse des contraintes résiduelles dues au soudage selon la Méthode de Rebrov

La représentation analytique des contraintes au niveau de la soudure présent une grande complexité, peu de travaux de recherche et auteurs ont confronté ce domaine. Les travaux de Rebrov élaborés en 1988, où il présente en réalité la base de la majorité des travaux de recherche vis-à-vis de la réhabilitation des ouvrages métalliques au moyen de soudage. Il a entamé les techniques de renforcement de tous types d’éléments en construction métallique, avec les divers modes de réalisation (sous charge ou non, avec ou sans démontage …etc.). Il s’intéresse également aux calculs de la résistance des matériaux particulièrement les inerties des sections renforcées en plus les états de contraintes et de déformation. Il ne néglige pas l’effet de l’opération de soudage, en estimant analytiquement l’état de déformation et contrainte résiduel en cas de soudure bien évidemment. Dans ce qui suit, on détaillera une méthode associée aux formules relatives au renforcement par soudage.

Usages technologiques spéciaux de la soudure pendant le renforcement

L’influence de divers facteurs (contrainte et déformation créées, distribution …) au cours de la soudure sur la résistance et la stabilité des éléments renfoncés peut être très significative, particulièrement pendant le renforcement sous chargement. Cette influence est causée non seulement par la superposition des contraintes dues à la soudure avec celles dues au chargement extérieur. Mais également dans le cas général, par augmentation des efforts dans les sections de l’élément en raison de l’augmentation de sa flexion et changement de rigidité (Sections avec des zones thermoplastiques et des déformations plastiques résiduelles). Parmi les techniques de renforcement on peut accepter cette technique présentée dans la figure II.17 et on constate qu’après l’opération de soudage, des flèches temporaires et résiduelles de soudure de signe contraire apparaissent. En conséquence, la technologie de renforcement sous charge doit prévoir des mesures pour la diminution de la flèche due à la soudure et de leur contrôle. Une des méthodes efficaces pour diminuer les déformations des éléments dues au assemblage soudée est la diminution de toute la longueur de soudures, qui peut être effectuée par l’application des soudures discontinues. [NF P 22-470], [Kouider et al, 2019] Les soudures, qui assemblent les éléments de renforcement sur l’élément principal à l’exception des sections d’extrémité, travaillent au cisaillement. Elles sont faiblement chargées, elles jouent essentiellement le rôle d’assemblage et leurs dimensions sont souvent dictées par des considérations de conception. Les soudures d’extrémité dans un certain nombre de cas assurent la transmission des forces longitudinales sur les éléments du renforcement ; donc les longueurs et les épaisseurs des soudures d’extrémité sont fréquemment plus grandes que dans les soudures intermédiaires. [Kouider et al, 2019] L’ordre d’application des soudures sur la longueur de la poutre peut avoir un effet essentiel sur son comportement. Particulièrement une grande influence de la façon de souder (la vitesse, l’ordre d’exécution des sections des soudures, les intervalles de temps entre la soudure des sections etc.…) sur les flèches provisoires, qui apparaissent. Comme le montre les études expérimentales, une augmentation de la vitesse de soudure sans interruptions, mène vers un échauffement inégal intensif des sections. Ceci peut causer une  augmentation significative des flèches provisoires et même à mener à une perte de stabilité des éléments comprimés. Afin de diminuer l’effet des contraintes résiduelles dues à l’influence thermique lors de la liaison des éléments entre eux, selon les conditions et la façon de renforcer. On emploie pratiquent différents ordres de soudage : au passage d’une extrémité à l’autre de l’élément, de l’extrémité de l’élément vers le milieu, ce qu’on appelle soudure dispersée par des sections, avec ou sans interruptions. Les flèches dues à la soudure des éléments renforcés augmentent avec la croissance de leur flexibilité, accompagnée par une diminution de la rigidité des sections. Ces circonstances doivent être considérées avec le développement de la technologie de renforcement, c’est pour cela que les soudures sont normalisées (une longueur de 20-30 millimètres avec un pas ou bien un espacement entre les cordons de 300-500 millimètres). Ce qui assure que le fonctionnement de l’élément renforcé apporte à une forte diminution des flèches due à la soudure en absorbant les forces de cisaillement. Comme le montre les calculs et les études expérimentales, lors de la liaison des éléments par des soudures continues, la capacité portante diminue et en ne peut pas garantir le travail de l’élément renforcé dans le temps. [Kouider et al, 2019] Le schéma particulier de renforcement exige que chacun des éléments de renforcement doit lier l’élément principal par au moins deux cordons de soudure. Pour la diminution des déformations parasites (supplémentaires) dans l’élément renforcé, il faudrait employer une technologie de renforcement qui assure la symétrie du champ de la température. Pour cela il faut exécuter les deux cordons en même temps (la soudure « parallèle » ou soudures 1 et 1’, 2 et 2 ‘ sur la figure II.17) ou, plus réellement, par des soudures séquentielles avec de petites sections.