25 mars 2011 CALCUL DES SOUDURES EN FATIGUEEN FATIGUE

25 mars 2011

CALCUL DES SOUDURES
EN FATIGUE

Vincent BLANCHOT
[email protected]

V BLANCHOT

Calcul des soudures en fatigue

SOMMAIRE

¾ Généralités sur le calcul en fatigue
¾ Application au cas des soudures
¾ Réalisation

2

V BLANCHOT

Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Phénomène de fatigue 1
2
Constat :

Concerne près de la moitié des avaries survenues en service sur des
pièces ou structures mécaniques.

Processus d’endommagement :

1- Le chargement cyclique des zones critiques où se concentrent les 3
contraintes en est à l'origine. 4
2- Dans ces zones, l'endommagement progressif du matériau se
manifeste par l'apparition de microfissures, apparition plus ou moins
rapide selon la nature du matériau et l'importance du chargement
appliqué.
3- Après cette période d'amorçage, l'une des fissures ou plusieurs
d'entre elles vont se propager dans toute l'épaisseur de la pièce.
4- La section résistante diminue jusqu’à rupture brutale.

Identification du phénomène de fatigue :

Ruptures en service sous des chargements cycliques (effort, couple, contrainte) dont les

niveaux sont bien inférieurs aux caractéristiques mécaniques du matériau (Re, Rm). 3

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Phénomène de fatigue

Arbre rompu en fatigue

4

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Exemples célèbres Le Comet de Haviland

Le « De Havilland Comet » est connu pour avoir 5
été le premier avion commercial propulsé par
des turboréacteurs dans les années 50. V BLANCHOT
Il est resté tristement célèbre à la suite d'une
série d'accidents en plein vol qui a mis en
évidence le phénomène de fatigue des
structures dans l'aéronautique.
En raison de son plafond de croisière élevé et
de sa cabine pressurisée, le fuselage était
soumis à des efforts cycliques, particulièrement
propices à la propagation des fissures.

Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Exemples célèbres Aloha Airlines Boeing 737

28 avril 1958 :
Perte d’une partie du toit à 7300 m d’altitude
Causes de l’accident :

• Défaillance du joint collé
• Fatigue « multisite » aux rivets
• Corrosion

Fatigue « multisite » aux rivets

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Phénomène de fatigue

Problématique :

COMMENT REPRÉSENTER LA RÉSISTANCE À LA FATIGUE DES MATÉRIAUX ?

Pour la conception de pièces soumises à un chargement de fatigue, l'ingénieur doit
disposer des caractéristiques mécaniques adéquates du matériau utilisé, de la même
façon qu'il lui faut connaître la limite d'élasticité (Re ou Rp0,2%) ou la résistance à la
rupture Rm pour un calcul de résistance à un chargement statique.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Courbe de Wöhler et limite d'endurance

Pour un chargement unique (uniaxial) en traction, flexion ou torsion, le critère de base
est la courbe de Wöhler.

Pour une contrainte moyenne ou statique Sm donnée, cette courbe traduit l'évolution
des nombres de cycles à rupture N en fonction de l'amplitude de la contrainte
appliquée Sa.

Sa 8
Sm
V BLANCHOT
Evolution d'un chargement de fatigue d'amplitude constante - Définition de Sm et So

Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Courbe de Wöhler et limite d'endurance

Sa
Sm = 0

N
Représentation de la courbe de Whöler moyenne de la limite de fatigue et de la limite d'endurance

9

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Courbe de Wöhler et limite d'endurance

Limite de fatigue : amplitude en dessous de laquelle il n’y a pas d'amorçage de fissure
conduisant à une rupture.

La limite en fatigue théorique pour laquelle on obtient une durée de vie infinie n'est pas
utilisée en pratique. Généralement, on utilise la limite d'endurance déterminée pour une
certaine durée de vie (N cycles) notée SD (N).
N représentant la durée de vie pour laquelle la contrainte admissible est déterminée.

Les essais pour la

détermination de la limite

d'endurance ou pour le tracé

de la courbe de Wöhler

probabilisée sont

normalisés.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Diagramme d'endurance

¾ Attention
La courbe de Wöhler et la limite d'endurance sont déterminées pour une contrainte
moyenne Sm.
¾ Constat :
Si Sm augmente, SD (N) diminue.
¾ Outil :
Les diagrammes d'endurance de Haigh ou de Goodmann rendent compte de l’évolution
de SD (N) en fonction de Sm.
Pour qu'il n'y ait pas de fatigue, le point représentatif du chargement (Sa, Sm) doit se
trouver à l'intérieur de la zone hachurée.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Diagramme d'endurance

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Diagramme d'endurance

Dans le cas d'un chargement multiaxial, les diagrammes de Haigh ou de Goodmann
ne permettent plus de représenter correctement le comportement du matériau.

On doit alors faire appel à un critère de fatigue multiaxial dont les limites,
déterminées par des essais simples (essai de torsion alternée, essai de traction
alternée ou répétée) permettront de situer l'état de contrainte complexe du matériau
par rapport à son comportement maximal admissible.

Ainsi le critère de Dang Van, une fois connu pour le matériau, permet de comparer
tous les chargements complexes supportés par la pièce à la courbe limite du
critère.

Diagramme de Vang Dan 13

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

Outre la contrainte moyenne Sm prise en compte par les diagrammes d'endurance,
les facteurs qui influencent la résistance à la fatigue sont nombreux :

• Concentration de contraintes,
• Etat de surface,
• Effet d’échelle,
• Contraintes résiduelles,
• Corrosion,
• Température,
• Fréquence,
•…

Les plus importants sont la concentration de contrainte, l'état de surface, l'effet
d'échelle, les contraintes résiduelles.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ Concentration de contrainte

Facteur d'influence le plus important pour la résistance à la fatigue d'une pièce.

A l'emplacement d'un accident de géométrie (gorge, rainure, etc.), la contrainte
locale augmente par rapport à la contrainte nominale : on est en présence d'une
concentration de contrainte.
L'importance de cette augmentation locale de contrainte est quantifiée par le facteur
Kt = Smax / Snominale. Ce facteur peut être calculé par des abaques.

En fatigue, l'influence de la concentration de contraintes dépend de ce facteur Kt
mais aussi de la nature du matériau : plus il est ductile, plus il s'adaptera par des
microplasticités cycliques à la sollicitation. Le pic de contrainte smax sera alors
« écrêté », de sorte qu'on définit un facteur effectif de concentration de contrainte
en fatigue

limite d'endurance d'une éprouvette non entaillée
Kf =

limite d'endurance d'une éprouvette entaillée

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ Concentration de contrainte
• Pour la plupart des matériaux utilisés en mécanique Kf < Kt,
• Pour les matériaux durs et résistants (Rm > 1 800 MPa), on considère que Kf = Kt.

Définition des facteurs Kt (augmentation locale de contrainte) 16
et Kf (facteur effectif de concentration de contrainte en fatigue)
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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ État de surface

L'état de surface d'une pièce mécanique conditionne sa résistance à la fatigue.
Plus cet état sera grossier, plus la limite d'endurance sera abaissée d'un facteur Ks
du fait de la présence des défauts superficiels.
Ce phénomène est d'autant plus sensible que le matériau est plus résistant. Sur une
pièce soumise à un chargement de fatigue, on devra soigner d'autant plus l'état de
surface final que le matériau qui la constitue présente de hautes caractéristiques
mécaniques.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ Effet d'échelle

L'effet d'échelle se traduit en fatigue par le fait qu'à contrainte superficielle égale,
une pièce de plus grande dimension présentera une plus faible durée de vie. Cela
tient à deux facteurs : effet de gradient et effet statistique.
Pour les pièces travaillant en flexion, en torsion ou en traction avec présence
d'entaille, l'évolution de la contrainte sous la surface influence la résistance à la
fatigue : plus une pièce est de faible dimension, plus le gradient est élevé et plus la
résistance à la fatigue sera grande.
Par ailleurs, plus une pièce est de grande dimension, plus on a statistiquement de
chance de trouver un défaut qui conduira à l'amorçage d'une fissure de fatigue.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ Contraintes résiduelles

Les contraintes résiduelles qui résultent de la fabrication (moulage, soudage,
estampage) restent présentes dans la pièce mécanique en l'absence de tout effort
extérieur.

Elles vont se superposer au chargement de fatigue et donc modifier la contrainte
moyenne.

On peut tenir compte de ces contraintes dans un calcul en utilisant les
diagrammes d'endurance vus précédemment.

Mais attention, ces contraintes résiduelles peuvent diminuer sous l'effet du
chargement de fatigue, relaxation qui peut d'ailleurs être modélisée par le calcul.
C'est bien sûr l'état stabilisé de ces contraintes qu'il faudra utiliser dans le calcul
en fatigue.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Facteurs influençant la résistance à la fatigue

¾ Corrosion, température, fréquence

Des facteurs liés à l'environnement comme la corrosion ou la température
influencent négativement la résistance à la fatigue.
La limite d'endurance a également tendance à s'élever lorsque la fréquence des
contraintes de chargement augmente, mais cet effet reste très limité.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Synthèse, démarche de conception

La conception d'une pièce mécanique soumise à la fatigue dépend en premier lieu
du choix du matériau et doit surtout tenir compte des modes successifs de mise en
œuvre de ce matériau pour aboutir à la pièce.
Par ailleurs, d'autres paramètres extérieurs au matériau conditionnent fortement la
résistance à la fatigue.
Il faut cependant retenir que le facteur primordial à prendre en compte lors de la
conception est le phénomène de concentration de contrainte.
Avant tout choix de matériau, le concepteur devra faire en sorte d'éviter les
changements de géométrie brutaux conduisant à des concentrations de contrainte
trop élevées.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Synthèse, démarche de conception

Schéma général de conception d'une pièce devant tenir en fatigue 22

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Généralités sur la fatigue

9 Synthèse, démarche de conception

Les domaines industriels tels que l’industrie des transports (automobile,
ferroviaire, aéronautique) ou les domaines de l’énergie, des travaux publics et de
la mécanique sont les plus concernés et différentes approches de
dimensionnement à la fatigue existent.
On retiendra qu’un calcul à la fatigue précis devient donc vite complexe et délicat.

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Calcul des soudures en fatigue

SOMMAIRE

¾ Généralités sur le calcul en fatigue
¾ Application au cas des soudures
¾ Réalisation

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Principales formes de fissuration

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Principales formes de fissuration

3 possibilités de fissuration
pour une même soudure !

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Facteurs à prendre en compte

L’endommagement en fatigue des assemblages soudés met en jeu de nombreux facteurs

● Géométrie/fabrication :

— forme des éléments au niveau de la liaison soudée (effet géométrique) ;

● Sollicitations : — forme des cordons de soudure (effet local) ;
— étendue de contraintes : — imperfections d’accostage et déformations de soudage
∆σ = σmax − σmin, (dénivellation et désorientation) ;
ou étendue de déformations : — défauts de surface (caniveaux, stries de meulage et de coupage,
∆ε = εmax − εmin indentations de mise en forme) ;
— rapport de charge : — effet d’épaisseur.

Rσ = σmin / σmax,

ou Rε = εmin / εmax

— variabilité ou non des étendues de contraintes (spectre et

séquence d’application des cycles) ;

— variabilité des directions principales de contraintes au

cours du cycle. ● Milieu (gaz, liquide, pulvérulent) :

— corrosion,

— température,

— fragilisation par l’hydrogène. ● Matériau/fabrication :

— grosseur du grain, état inclusionnaire (morphologie et

orientation) ;

— contraintes résiduelles (mise en forme, soudage). 27

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Spécificité du calcul en fatigue des pièces soudées

¾ Contraintes résiduelles

Pièce mécanique : elle est le siège de contraintes résiduelles superficielles uniformes et
généralement favorables suite à un traitement approprié (thermique ou thermochimique).

Pièce soudée : à l’état brut de soudage et en surface elle est soumise à des champs de
contraintes résiduelles très souvent en tension, dont le niveau est voisin de la limite
d’élasticité du matériau de base et orientées orthogonalement vis-à-vis de l’accident
générateur du dommage. Ces contraintes résiduelles doivent être prises en compte dans le
calcul de la contrainte moyenne (Sm).

Rappel : la courbe de Wöhler s’obtient pour une contrainte moyenne Sm donnée :

L’état de contrainte et de déformation Sa
dans le cordon est trop dispersif et
complexe à déterminer par le calcul vu le Sm = ?
grand nombre de paramètres intervenant
dans le calcul de la contrainte moyenne.

N
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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Spécificité du calcul en fatigue des pièces soudées

¾ Facteur de forme locale

Pièce mécanique

Assemblages soudés

Les assemblages soudés peuvent, à l’état brut de soudage, être assimilés à des entailles.
On ne considère que la phase de propagation de fissure. Conséquences :

• la nuance de l’acier est négligeable sur la tenue de la structure soudée. Cette dernière ne

joue pas en effet sur la vitesse de propagation d’une fissure.

• on néglige la poly-axialité et la variabilité d’orientation des contraintes sur un cycle 29

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Spécificité du calcul en fatigue des pièces soudées

Pour ces deux raisons (contraintes résiduelles et facteur de forme locale) on
utilisera de préférence les lois de fatigue établies expérimentalement à partir
d’assemblages représentatifs de l’état brut de soudage :

courbes de Wöhler ∆σ = φ(N), appelées également courbes S-N
plutôt que d’utiliser celles s’appuyant sur la contrainte moyenne (celles
évoquées dans la première partie : « Généralités sur le calcul en fatigue »).

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Règles FEM 1.001. ( Fédération Européenne de la Manutention )

Ces abaques tiennent compte de :
• l’effet géométrique du cordon (sa disposition),
• l’effet local du cordon (sa forme),
• imperfections de mise en œuvre.

Par conséquent :
σmax = contrainte nominale au pied du
cordon de l’élément de base assemblé
et sollicité
R = rapport de charge

Remarque : cette méthode de calcul, bien que
encore en vigueur, n’est pas la plus précise et la
plus moderne.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

Les bases modernes du dimensionnement en fatigue des assemblages soudés sont
développées par une recommandation de l’Institut international de la soudure sous la
forme du document IIS/IIW XIII-1965-03/XV-1127-03, 2004.

Cette recommandation IIS intègre, entre autres, la démarche proposée par l’Eurocode

Le document définit au préalable les limitations de son domaine d’application ainsi
que les conditions à satisfaire pour que la vérification soit inutile.

Il propose plusieurs procédures de vérification parmi lesquelles il convient de retenir,
dans le cas des pièces mécaniques soudées, l’une des suivantes :

¾ la méthode de la contrainte nominale σN ;

¾ la méthode de la contrainte géométrique σG ;

¾ les approches locales :
• soit à l’aide de la contrainte locale σL ,
• soit à l’aide de la mécanique de la rupture*.

* non développée dans ce document 32

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ Conditions d’application du document

• les aciers doivent être de nuance telle que fy < 700 MPa et les alliages d’aluminium de
nuance soudable ;
• les structures ne doivent pas être soumises à fatigue oligocyclique ( ∆σ < 1,5 fy environ) ;
• structures non soumises à corrosion, et ne travaillant pas à température élevée ;
• structures d’épaisseurs supérieurs à 5 mm.

Les courbes caractéristiques de résistance à la fatigue sont fondées sur :
• la représentation de Wöhler : ∆σ = σmin – σmax = φ(N) ;
• la présence d’un champ important de contraintes résiduelles de tension au niveau du
cordon de soudure (donc considèrent une valeur élevée de R) ;
• une sollicitation alternée d’amplitude constante ;
• une probabilité de survie de 95 %.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ Courbes de Wöhler (courbes S-N)

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte nominale σN

Méthode qui convient particulièrement bien aux structures géométriquement simples
ou comportant des éléments élancés (barres ou poutres), et sur lesquelles des
assemblages soudés de constitution ou de fixation d’appendice sont réalisés.

Les tableaux, proposés par l’IIS, l’Eurocode ou
encore le CETIM, reproduisent les très nombreux
détails structuraux auxquels il est possible de se
rattacher et renseignent ainsi sur la classe
« Clxx » de l’assemblage soudé vis-à-vis de la
tenue en fatigue.

Recommandations : prendre soin de respecter
l’orientation de l’effort par rapport à la direction
du cordon et de situer la région d’initiation de
l’endommagement.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte nominale σN
Contrainte alternée nominale

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte nominale σN

Les courbes de fatigue qui se rapportent à la classe Clxx, tiennent compte des divers
paramètres que sont :

• l’effet géométrique des éléments ;
• la forme locale du cordon (pied de cordon et discontinuité de racine) ;
• les imperfections de fabrication (dans certaines limites du niveau de qualité) ;
• le procédé de soudage (dans certains cas) ;
• les contraintes résiduelles.

Le calcul de la contrainte nominale doit être fait sans introduire un effet géométrique
autre que celui pris en compte dans la classe de détail (Clxx) considérée.
Selon la complexité de la structure le calcul se fera :
• soit analytiquement à l’aide de la théorie des poutres par exemple ;
• soit numériquement à l’aide des éléments finis (modèle simple poutres ou coques).

Dans ce dernier cas, il convient de ne pas procéder à un maillage trop fin dans la région
étudiée afin de prémunir les résultats d’une contrainte qui serait susceptible de
correspondre à la contrainte géométrique.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG
Cette méthode est applicable aux structures soudées pour lesquelles l’effet géométrique
provenant de la disposition des éléments n’est pas répertorié dans les tableaux des classes
de détail.
Détermination de la contrainte géométrique (σG) : - expérimentalement (extensométrie…) ;

- par calcul numérique.
Exemple :

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG
Méthode expérimentale : positionnement des jauges de contrainte

2 cas

Pas de sollicitation de flexion Sollicitation de flexion présente
(contraintes de membrane) (contraintes de peau)

Puis extrapolation pour obtenir la contrainte géométrique au point chaud 41

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG

Le calcul éléments finis à l’aide d’un modèle coques est Eléments
bien adapté à la détermination de σG . coques

Classes de détail à utiliser : Eléments coques
¾ pied de cordon meulé : classe 112 ou poutres
¾ pied de cordon brut de soudage : classe 100

La vérification de la résistance en fatigue s’effectue ensuite à l’aide d’une courbe de
référence S-N qui représente finalement le recalage entre σL et σG et qui correspond à une
classe d’un détail (Clxx) n’introduisant aucun effet géométrique (σG = σN) mais que l’effet
local de l’accident endommageant, accompagné des imperfections de fabrication et des
contraintes résiduelles.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG
Le calcul éléments finis : précautions et recommandations

Les contraintes principales maximales doivent être calculées.
Généralement, la contrainte géométrique est calculée à partir d'un joint soudé « idéalisé » ,
sans défaut, parfaitement aligné. Par conséquent, d'éventuels désalignements doivent être
pris en compte dans les données de résistance en fatigue.
Le maillage FEM doit être suffisamment fin dans la zone critique (point chaud) de manière à
déterminer la contrainte et le gradient de contrainte à des points identiques aux points
d'extrapolation qui sont utilisés pour les mesures de déformation des jauges.
Pour l'analyse FEM, il est recommandé que le responsable du calcul ait une expérience
suffisante dans ce domaine.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte géométrique σG

Le calcul éléments finis : précautions et recommandations

a) Quand on utilise des éléments de type coque mince, la structure est modélisée par la
surface milieu des plaques ou des parois des tubes.
b) La raideur de l'intersection des soudures doit être prise en compte, par exemple en
modélisant les soudures avec des éléments coque inclinés.
c) La dimension du premier élément adjacent au pied du cordon de soudure et qui est
perpendiculaire à la soudure, doit être choisie de tel façon qu'on obtienne des résultats aux
points d'extrapolation conformes à la définition.
d) Le modèle FEM doit être capable de représenter la variation de la contrainte le long du
pied du cordon de soudure.
e) Le ratio entre la plus grande et la plus petite dimension d'un élément ne doit pas
dépasser 3.
f) La transition entre la taille des éléments doit être progressive.
g) Les contraintes sont calculées à la surface de la plaque ou coque.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ méthode de la contrainte locale σL

Dans l’état actuel, cette méthode ne s’applique qu’aux structures en acier.

Elle consiste à déterminer la contrainte locale σL s’exerçant sur l’accident local de forme
généré par le cordon de soudure au niveau du pied de cordon ou de la racine).
Le contour à considérer est « standard » :
• rayon de congé rc = 1 mm (pied de cordon ou racine) ;
• angle de raccordement β = 150° (soudure bout à bout) ou β = 135° (cordon d’angle).

La contrainte locale peut être déterminée :
• par calculs analytiques, à l’aide de formules définissant le kT au point considéré ;
• par calculs numériques, à l’aide de la méthode des éléments finis ;
• expérimentalement, par mesures photoélasticimétriques.

La vérification de la résistance en fatigue s’effectue alors à l’aide d’une courbe de référence
S-N unique qui représente le recalage afin de tenir compte des imperfections locales et des
contraintes résiduelles au niveau de l’accident endommageant.

La courbe proposée actuellement est celle d’une classe de détail Cl 225.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ facteurs correctifs

• Le rapport de charge (R) :

Les structures sur lesquelles les contraintes résiduelles sont négligeables
(structures relaxées par exemple) et fonctionnant hors sollicitations secondaires
(thermique ou mécanique) peuvent bénéficier d’un relèvement de la classe par un
coefficient Φ(R) pouvant atteindre la valeur :

Φ(R) = 1,6

• L’effet de l’épaisseur (e) :

L’effet est à considérer dans le cas d’endommagement en pied de cordon sur
éléments épais ; le coefficient de réduction Φ(e) proposé pour les pièces
d’épaisseur supérieure à 25 mm en acier comme en alliage d’aluminium est donné
par la relation :

Φ(e) = (25/e)0,25

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ facteurs correctifs

• La température (T) :

L’effet défavorable de la température peut être considéré au travers d’un coefficient
de réduction Φ(T) donné de façon conservative dans le cas de l’acier entre 100 et 600
°C, par la relation :

Φ(T) = 1,12 − 0,001 2T

• L’effet d’un défaut d’alignement (δ) :

La dénivellation ainsi que le désalignement angulaire de joints bout à bout ou en
croix sont générateurs d’une flexion secondaire se traduisant par une amplification
des étendues de contraintes observables en peau sur le site d’initiation du
dommage (pied de cordon ou racine).
Dans le cas d’une dénivellation pure, les courbes S-N relatives aux joints considérés
sont établies en tenant compte d’un défaut n’excédant pas 10 % de l’épaisseur.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ facteurs correctifs

• Les parachèvements et la protection des surfaces :

Certains traitements superficiels de parachèvement des joints soudés sont à
présent pris en compte de façon quantitative dans les procédures de
dimensionnement en fatigue des structures à l’aide de la méthode de la contrainte
nominale ou de la contrainte géométrique.

Ces traitements, qui se limitent en principe aux pieds de cordons sont les suivants :
ƒ meulage localisé ;
ƒ refusion TIG ;
ƒ martelage, grenaillage.

L’amélioration de la tenue en fatigue des pieds de cordons s’avère incompatible
avec la présence d’une discontinuité naturelle subsistante en racine qui ne peut en
bénéficier. Par conséquent cela conduit en principe à n’admettre ces traitements
que sur des joints soudés à pleine pénétration.

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Calcul des soudures en fatigue ¾ Règles de calcul

9 Recommandation de l’Institut International de Soudure

¾ vérification finale
• Chargement sous amplitude fixe

Notons ∆σS l’étendue de contrainte calculée avec la valeur caractéristique de l’action,
et ∆σR la valeur caractéristique de résistance donnée par la courbe S-N.

Le critère de fatigue sera satisfait si :

∆σS γF = ∆σR ⁄ γM
Dans la relation précédente, γF et γM représentent des coefficients partiels de sécurité
respectivement sur les actions et sur le comportement du matériau en fatigue.

γF dépend de l’incertitude sur la valeur caractéristique de l’action et de la probabilité
d’occurrence de cette dernière.

γM dépend du risque de ruine de l’assemblage.
• Chargement sous amplitude variable

Appliquer la règle des dommages cumulés (non développée ici)

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V BLANCHOT

Calcul des soudures en fatigue

SOMMAIRE

¾ Généralités sur le calcul en fatigue
¾ Application au cas des soudures
¾ Réalisation

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V BLANCHOT