L’INTERACTION DES FORCES DANS UN ASSEMBLAGE BOULONNÉ

Il est naturellement souhaitable que les assemblages filetés soient fiables et ne risquent pas de se desserrer spontanément. Pour garantir un haut niveau de fiabilité, il est essentiel de bien comprendre les forces présentes dans un assemblage boulonné, car chaque élément de l’assemblage influence le résultat final.

Figure 1	Figure 2

En termes simples, il existe deux types possibles de charges statiques dans un assemblage boulonné :

Sans force de serrage – la force est transmise entre les plaques par des contraintes de pression et des efforts de cisaillement dans le corps du boulon ou dans le filetage. Les plaques à assembler se déplacent l’une par rapport à l’autre jusqu’à ce que les alésages prennent appui contre le corps du boulon ou contre le filetage. Dans ce cas, les boulons sont sollicités au cisaillement par une charge transversale ; voir figure 1.
Avec une force de serrage élevée – la force de serrage empêche le déplacement relatif des pièces serrées. La force est transmise par frottement et les boulons sont sollicités en traction par une charge axiale ; voir figure 2. Pour les assemblages en acier inoxydable, consultez notre guide sur la prévention du grippage des fixations en acier inoxydable.

En règle générale, tout déplacement relatif des pièces à assembler est indésirable.

Une force de serrage suffisante doit donc être appliquée dans l’assemblage boulonné. Cette force correspond à la précharge obtenue après le serrage de l’écrou ou du boulon.

La précharge pouvant être appliquée en toute sécurité dépend notamment de la classe de résistance et de la charge d’épreuve du boulon. La résistance d’un boulon est déterminée par son traitement thermique — en savoir plus sur le traitement thermique des fixations.

Lorsque les forces exercées sur la structure changent régulièrement de direction ou ne sont pas constantes, l’assemblage est soumis à une charge dynamique. Comme expliqué ci-dessous, une charge dynamique peut provoquer le desserrage des assemblages boulonnés ou la rupture des boulons.

Pour qu’un assemblage remplisse correctement sa fonction, notamment sous charge dynamique, la force de serrage doit être maintenue.

ÉLASTICITÉ D’UN ASSEMBLAGE FILETÉ

Lors de la conception et de la réalisation d’un assemblage fileté, il est très important de comprendre les points suivants :

Les boulons et les pièces assemblées fonctionnent comme un ensemble élastique. Les éléments serrés sont comprimés de manière élastique, tandis que le boulon s’allonge lors du montage. Si le boulon s’allonge davantage sous l’effet d’une charge extérieure, les pièces serrées se détendent élastiquement.
La force de traction dans le boulon est égale à la force de compression exercée sur les éléments serrés, comme illustré à la figure 3.

Figure 3

Équilibre des forces dans un assemblage boulonné — schéma montrant que la force de traction dans le boulon est égale à la force de compression exercée sur les éléments serrés

L’interaction entre les forces et les déformations est représentée dans un triangle force-déformation, comme dans le graphique A ci-dessous. La ligne 1 du graphique montre la déformation subie par un boulon sous l’effet d’une force de traction. La ligne 2 représente l’ensemble des pièces serrées, qui se déforme sous l’effet de la force de compression générée par le boulon.

Triangle force-déformation (graphique A) — montrant la courbe d’allongement du boulon et la courbe de compression des éléments serrés à la force de serrage Fm

fsm = allongement du boulon dû à la force de serrage Fm

fpm = compression des éléments serrés due à la force de serrage Fm

Le graphique ci-dessus montre qu’à une force de serrage Fm, l’allongement du boulon est égal à fsm et que la compression des pièces serrées est égale à fpm. Les matériaux et les conceptions du boulon et des pièces serrées étant différents, fsm et fpm ne sont généralement pas égaux.

Une charge extérieure Fa est ensuite appliquée à l’assemblage boulonné ; voir figure 4.

Figure 4

Charge axiale extérieure Fa appliquée à un assemblage boulonné — montrant comment la force extérieure agit sur l’assemblage préchargé

Pour représenter cette force de traction extérieure Fa dans le graphique A, elle doit être intégrée entre les deux caractéristiques de déformation. Si le boulon s’allonge sous l’effet de la force extérieure, les pièces serrées se détendent de la même valeur ; voir graphique B.

Diagramme force-déformation avec charge extérieure (graphique B) — montrant l’augmentation de la charge du boulon Fsa, la réduction de la force de serrage Fpa et la force de serrage résiduelle Fkr

Effet d’un boulon élastique sur la répartition des forces (graphique C) — montrant qu’une courbe de déformation du boulon plus plate réduit l’augmentation de sa charge sous l’effet d’une force extérieure

Fm = force de serrage initiale dans l’assemblage

Fa = charge axiale extérieure

Fpa = réduction de la force de serrage due à Fa

Fsa = augmentation de la charge du boulon due à Fa

Fkr = force de serrage résiduelle dans l’assemblage

Fs = charge totale exercée sur le boulon

UN BOULON PLUS ÉLASTIQUE RÉDUIT L’AUGMENTATION DE LA CHARGE DU BOULON

D’une part, Fa entraîne une réduction de la force de serrage, désignée par Fpa. D’autre part, elle entraîne une augmentation de la charge exercée sur le boulon, désignée par Fsa.

Il est souhaitable de maintenir l’augmentation de la charge du boulon aussi faible que possible, et pas uniquement pour éviter sa surcharge. Lorsque la charge extérieure est dynamique, le boulon subit les fluctuations de Fsa. Une amplitude élevée de Fsa peut rapidement provoquer une rupture par fatigue. La force de serrage résiduelle Fkr ne doit par ailleurs jamais atteindre zéro. Si cela se produit, l’assemblage s’ouvre et ne peut plus fonctionner correctement.

L’augmentation de la charge du boulon Fsa peut être limitée en utilisant un boulon plus élastique. La courbe de déformation du boulon devient alors moins raide, ce qui permet d’absorber une plus grande partie de la force extérieure par une réduction de la force de serrage ; voir graphique C.

Le même effet peut être obtenu en utilisant des matériaux serrés très rigides. La courbe de déformation des matériaux serrés devient plus raide et la majeure partie de la force extérieure est absorbée par une réduction de la force de serrage ; voir graphique D.

Effet de matériaux serrés rigides sur la répartition des forces (graphique D) — montrant qu’une courbe plus raide des matériaux serrés absorbe la force extérieure par une réduction de la force de serrage

Des matériaux serrés plus rigides réduisent l’augmentation de la charge du boulon.

EN BREF

En particulier sous charge dynamique, il est essentiel de maintenir toute charge supplémentaire exercée sur le boulon à un niveau aussi faible que possible, car une rupture soudaine par fatigue peut se produire.

Lorsqu’une charge extérieure est appliquée, plusieurs solutions permettent de limiter autant que possible la force supplémentaire exercée sur le boulon :

Les éléments de la structure doivent être aussi rigides que possible.
La force de serrage doit être aussi élevée que possible dans les limites de sécurité et rester supérieure à la force extérieure tendant à séparer l’assemblage.
Des boulons plus élastiques peuvent être utilisés. Choisissez un rapport élevé entre la longueur de serrage et le diamètre, d’au moins 5×D, sélectionnez une longueur filetée supérieure lorsque cela est approprié et utilisez, si nécessaire, un boulon à tige réduite. Pour les assemblages soumis à des charges dynamiques, consultez notre guide sur les méthodes de freinage des fixations.

PARAMÈTRES DE CONCEPTION DES ASSEMBLAGES BOULONNÉS

Paramètre de conception	Effet sur la charge du boulon	Effet sur la force de serrage	Recommandation
Boulon plus élastique avec un rapport L/D plus élevé	↓ Réduit la charge supplémentaire du boulon Fsa	↓ Réduction plus importante de la force de serrage Fpa	Utilisez une longueur de serrage d’au moins 5×D.
Matériaux serrés rigides	↓ Réduit la charge supplémentaire du boulon Fsa	↓ Réduction plus importante de la force de serrage Fpa	Utilisez des matériaux rigides tels que l’acier ou la fonte et évitez autant que possible les joints souples.
Précharge Fm plus élevée	Aucune modification de l’amplitude de Fsa pour une rigidité d’assemblage donnée	↑ Force de serrage résiduelle Fkr plus élevée	Lorsque la conception de l’assemblage et la méthode de serrage le permettent, serrez à environ 90 % de la charge d’épreuve du boulon.
Diamètre de tige réduit	↓ Rend le boulon plus élastique	Voir « boulon plus élastique »	Utilisez des boulons spécialement conçus avec une tige réduite. Lorsque cela est approprié, un boulon partiellement fileté tel que DIN 931 peut présenter une partie lisse plus longue qu’un boulon DIN 933.
Longueur filetée supérieure dans la longueur de serrage	↓ Rend le boulon plus élastique	Voir « boulon plus élastique »	Sélectionnez une longueur filetée supérieure lorsque la conception de l’assemblage et les exigences de longueur d’engagement du filetage le permettent.
Joints ou rondelles souples	↑ Augmente les fluctuations de la charge du boulon	↑ Perte de précharge plus importante au fil du temps	Évitez autant que possible les éléments souples. S’ils sont indispensables, envisagez l’utilisation de rondelles ressort et d’une méthode de freinage adaptée.
Charge dynamique ou vibrations	↑ Augmentation du risque de fatigue	↓ Risque de perte totale de la force de serrage	Utilisez une solution de freinage appropriée, telle que des rondelles Nord-Lock à effet de came ou un filetage Spiralock. Consultez notre guide des méthodes de freinage.

QUESTIONS FRÉQUENTES SUR LES FORCES DANS LES ASSEMBLAGES BOULONNÉS

Qu’est-ce que la précharge dans un assemblage boulonné ?

La précharge, désignée par Fm, est la force de serrage initiale créée lorsqu’un boulon est serré. Elle comprime les pièces serrées et allonge le boulon, formant ainsi un système élastique capable de résister aux charges extérieures. Sans précharge suffisante, les forces extérieures agissent plus directement sur le boulon, ce qui augmente le risque de rupture par fatigue. Une précharge insuffisante ou perdue est associée à environ 80 % des ruptures de boulons en service.

Pourquoi les assemblages boulonnés se desserrent-ils sous l’effet des vibrations ?

Les vibrations peuvent provoquer des microglissements entre les surfaces serrées, réduisant progressivement la force de serrage ou la précharge. À mesure que la force de serrage résiduelle Fkr diminue, une part plus importante de chaque cycle de charge est directement transférée au boulon sous forme de contrainte fluctuante. Lorsque Fkr atteint zéro, l’assemblage peut s’ouvrir. Les dispositifs de freinage, tels que les rondelles Nord-Lock à effet de came ou les filetages Spiralock, contribuent à maintenir la précharge sous charge dynamique. Consultez notre guide des méthodes de freinage des fixations.

Comment l’élasticité du boulon influence-t-elle sa durée de vie en fatigue ?

Un boulon plus élastique peut être obtenu grâce à un rapport longueur de serrage/diamètre d’au moins 5×D, à une partie filetée plus longue dans la longueur de serrage ou à une tige réduite. Dans le diagramme force-déformation, une courbe de boulon plus plate signifie qu’une plus faible part de la force extérieure Fa se traduit par une augmentation de la charge du boulon Fsa. Les fluctuations de Fsa contribuant à la fatigue, leur réduction peut prolonger la durée de vie en fatigue du boulon.

Qu’est-ce que le rapport entre la longueur de serrage et le diamètre du boulon, et pourquoi est-il important ?

Le rapport entre la longueur de serrage et le diamètre du boulon, également appelé rapport L/D, correspond à l’épaisseur totale des matériaux serrés divisée par le diamètre nominal du boulon. Un rapport d’au moins 5:1 est recommandé, car il rend le boulon suffisamment élastique pour absorber les charges extérieures sans fluctuations excessives de contrainte. Les boulons courts présentant un faible rapport L/D sont relativement rigides et transmettent une plus grande partie des charges dynamiques directement au boulon.

Comment choisir entre un assemblage boulonné sollicité au cisaillement et un assemblage sollicité en traction ?

Dans les assemblages sollicités au cisaillement par une charge transversale, la force est transmise par l’appui du corps du boulon ou du filetage contre l’alésage. Cela peut nécessiter des boulons ajustés, des trous à tolérance serrée ou des trous alésés. Dans les assemblages sollicités en traction par une charge axiale, la force de serrage crée un frottement qui empêche le déplacement des plaques. Les assemblages fortement préchargés en traction sont généralement plus prévisibles, plus faciles à dimensionner en fatigue et compatibles avec des trous de passage standard. Pour les environnements corrosifs, consultez notre guide des fixations en acier inoxydable.

Dernière mise à jour : 12 juillet 2026

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Écrous pour assemblages boulonnés à haute résistance — sélectionnez un écrou présentant une classe de résistance et une spécification de filetage compatibles.
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Rechercher des boulons à tige réduite — une tige réduite peut augmenter l’élasticité du boulon et réduire les fluctuations de sa charge.
Rondelles ressort et rondelles Belleville — adaptées aux applications nécessitant une compensation élastique contrôlée.

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