Comment les fabricants de métaux peuvent gérer la distorsion lors de la flexion du profil

Les étudiants qui étudient à l'Illinois Institute of Technology profitent du calme. Un tube elliptique, composé de nombreux éléments incurvés, étouffe le bruit des trains qui passent. Image : AISC

Chaque fois que Ken Pecho se promène sur le campus de son alma mater, l'Illinois Institute of Technology (IIT) près du centre-ville, il lève les yeux. Lorsqu'un train CTA navigue sur le rail, il apprécie le calme. Bien sûr, le train n'est pas silencieux, mais il est beaucoup plus silencieux qu'il ne le serait autrement grâce à un tube elliptique agissant comme une sorte de silencieux, formé chez l'employeur de Pecho, Chicago Metal Rolled Products (CMRP), une cintreuse-rouleau qui forme des plaques, des cornières, des tubes, des profilés et des poutres structurelles depuis plus de 100 ans. Entourant les voies du CTA, cette structure elliptique, composée de nombreux éléments incurvés, atténue le bruit des trains qui passent, au grand soulagement des étudiants de l'IIT qui étudient dans un bâtiment à quelques mètres de là.

Pecho a rappelé cette histoire lors d'une présentation à la NASCC Steel Conference 2019, tenue à St Louis et organisée par l'American Institute of Steel Construction (AISC). Lors d'une présentation à la conférence, il a tenu ce qui était alors une nouvelle publication de l'AISC, "Design Guide 33: Curved Member Design".

"Cela devrait vraiment être considéré comme la bible des membres courbes", a-t-il déclaré. "Si vous fabriquez des métaux courbes dans votre emploi du temps quotidien, c'est quelque chose que vous devriez avoir dans votre bibliothèque."

Le guide de conception plonge profondément dans le sujet de présentation de Pecho, un sujet qui est devenu de plus en plus important pour les opérations de cintrage-rouleau qui ont connu ces dernières années une augmentation significative de la demande de profils courbes, y compris des tubes ronds, elliptiques, carrés et rectangulaires ; profils ouverts ; et poutres structurelles. Le discours de Pecho couvrait la distorsion.

"La préoccupation n ° 1 que nous voyons avec les métaux incurvés est la distorsion", a-t-il déclaré. "Mais nous ne pouvons pas éliminer complètement la distorsion. Ce n'est tout simplement pas possible. Alors, maintenant, la question devient, comment concevons-nous pour la flexion ? Que pouvons-nous faire pour aider à la réussite d'un élément incurvé ?"

Les projets les plus réussis, y compris ce tube elliptique incurvé entourant les voies ferrées du CTA, ont été conçus en tenant compte de la distorsion. Pecho a rappelé un travail dans lequel un tube incurvé rectangulaire était joint à un tube rectangulaire droit, une situation où les problèmes de distorsion seraient facilement apparents, en particulier compte tenu du rayon étroit du tube incurvé.

La forme du tube rectangulaire ne se déplacerait que légèrement, de sorte que la forme déformée de la pièce ne serait pas perceptible. Mais ce n'était pas le cas pour le soudeur qui devait assembler les pièces courbes et droites. La solution impliquait un compromis : l'atelier a plié le profil, mais a ensuite laissé plusieurs pieds d'une section droite non pliée près de l'extrémité du tube. Le fabricant a ensuite coupé ce tube à quelques pouces d'avance sur la courbe, juste assez d'espace pour que les effets de distorsion dans la section de la courbe se dissipent, ramenant le diamètre du tube à sa dimension nominale.

Heureusement, dans cette situation, la connexion - cachée derrière un mur - n'était pas cosmétiquement critique. Si tel était le cas, les concepteurs auraient peut-être dû reconsidérer le type ou la conception de la connexion. Encore une fois, à elle seule, la distorsion de la pièce incurvée n'était pas perceptible. Mais joint à un membre droit, les effets de distorsion étaient apparents. De tels défauts cosmétiques pourraient ne pas avoir d'importance. Quoi qu'il en soit, reconnaître et planifier cette distorsion à l'avant, avant que tout métal ne soit plié, peut avoir un sens.

Le nouveau guide AISC précise comment les différents niveaux de distorsion affectent la force d'un membre. Pour calculer certains attributs de résistance d'une poutre en I incurvée, par exemple, divisez le delta de non-planéité (différence par rapport à la valeur nominale) que la distorsion crée par l'épaisseur du matériau. Les résultats jusqu'à un certain point ne montrent aucun changement significatif dans la force du membre; mais à mesure que la distorsion augmente au-delà de ce point, le membre s'affaiblit. Une distorsion localisée peut être particulièrement problématique. Tous ces calculs dépendent des exigences de résistance de l'application, bien sûr, et le guide de conception AISC énonce toutes les spécificités.

La plupart des problèmes de distorsion ne proviennent pas de l'intégrité ou de la résistance structurelle. Comme l'a expliqué Pecho, les opérations de cintrage-roulage de qualité ne songeraient jamais à envoyer une section incurvée si affaiblie par la distorsion qu'elle créerait un risque pour la sécurité. Mais des problèmes se posent quand il s'agit de cosmétiques qui sont d'une importance particulière dans l'acier de construction exposé architecturalement (AESS) et les travaux similaires, ainsi que les exigences de connexion.

FIGURE 2 Cet assemblage montre l'effet du retrait sur les éléments en acier. Le tube rectangulaire sur la gauche était incurvé à un rayon serré et, par conséquent, a subi un léger rétrécissement de la section transversale des tubes dans le plan de flexion. Le rétrécissement n'est pas perceptible à l'œil nu, jusqu'à ce qu'il soit accouplé à une section droite.

Un tube incurvé s'accouplant à un tube droit n'aura pas le même profil de bord (voir Figure 2). Cela peut ou non être un gros problème, selon la méthode de connexion et les exigences esthétiques. Mais si le concepteur veut une soudure circonférentielle avec une pénétration complète du joint, l'ajustement des éléments est vraiment important. Parfois, les fabricants utilisent des vérins hydrauliques sur le diamètre intérieur pour l'ouvrir légèrement afin qu'il puisse s'accoupler avec un tube droit. C'est faisable mais long, coûteux et peut-être totalement inutile si le travail a été conçu en pensant à la distorsion.

La structure en treillis d'une pièce métallique a ce qu'on appelle des plans de glissement qui interagissent lors de la formation. "Lorsqu'il est soumis à un rendement constant", a expliqué Pecho, "le métal a tendance à prendre des caractéristiques presque fluides."

Lorsqu'un tube, une poutre ou une section ouverte se plie, la compression s'appuie sur le rayon intérieur et la tension s'accumule sur l'extérieur. Si elles ne sont pas contrôlées, en particulier sur les pièces à parois minces, ces forces créent des distorsions localisées telles que des plis ou des flambages sur le rayon intérieur, un amincissement et un rétrécissement des parois sur le rayon extérieur, ainsi qu'une distorsion et une ovalisation de la forme globale du profil.

Un tube carré peut se transformer en trapèze, avec une croissance excessive sur la dimension du rayon intérieur accompagnée d'un rétrécissement sur le rayon extérieur et sur le profil en coupe dans le plan de flexion. Les tubes rectangulaires, laissés sans support pendant le cintrage, peuvent devenir concaves, en particulier sur la paroi intérieure du rayon. L'âme et les semelles des poutres structurelles peuvent onduler.

Le cintreuse de profilés expérimentée reconnaît la nature presque fluide du matériau lors du cintrage. Dans un sens, la compression et la tension forcent le métal lorsqu'il est soumis à un rendement constant à "s'écouler" de certaines manières et dans certaines zones non contraintes. Considérez la flexion d'un tube rectangulaire. Si les forces de tension tirant contre le mur extérieur génèrent un étirement excessif, ce mur peut rétrécir, ce qui à son tour affecte la façon dont le métal « coule » ou se déplace ailleurs. La croissance et le retrait du métal empruntent le chemin de moindre résistance. Et dans une situation non supportée, en raison des forces antagonistes de compression et de tension, ce chemin peut être vers l'axe neutre de l'élément et souvent décalé vers l'intérieur du coude; par conséquent, le mur extérieur peut également devenir concave. Ces forces de tension, combinées à la compression sur le rayon intérieur, font augmenter la dimension de la paroi intérieure. Laissé sans endroit où aller, le métal sur le mur intérieur se déforme et, encore une fois, devient concave (voir la figure 3).

Comme l'a expliqué Pecho, le tube rectangulaire n'est qu'une des nombreuses formes que les cintreuses de profilés doivent "lire" lors de la configuration et de l'utilisation d'une machine. Ils doivent prédire quelles zones de la pièce vont grossir, lesquelles vont rétrécir, et configurer la machine, les outils et la procédure pour s'adapter à chacun. Encore une fois, le but n'est pas d'éliminer la distorsion. Au lieu de cela, les opérateurs visent à contrôler la façon dont les forces de tension et de compression agissent sur une pièce, grâce à la sélection et aux mouvements de la machine et de l'outillage tout au long de l'opération de pliage, pour contrôler où se produisent la croissance et le retrait. Tout est fait d'une manière qui n'affecte pas l'intention de conception et les exigences de résistance du produit fini.

Les cintreuses-rouleaux forment des profils soit avec un cintrage à chaud, soit avec un cintrage à froid. Le cintrage à chaud comprend le cintrage par induction, qui applique une bande étroite de chaleur à un profil lorsqu'un bras de cintrage pivote pour créer (généralement) un cintrage à rayon très serré.

Le cintrage à froid, comme son nom l'indique, plie la pièce à froid. À l'occasion, le cintrage à froid de grands profilés se produit dans une machine d'étirage rotative. Autrefois principalement utilisées uniquement par les fabricants de tubes qui se concentraient sur des travaux de relativement petit diamètre, certaines grandes machines d'étirage rotatives peuvent plier des pièces de 10, 15, voire 17 pouces de diamètre. CMRP, par exemple, dispose d'une machine d'étirage rotative pour tubes et tuyaux jusqu'à 10 po de diamètre. Cela dit, ces machines nécessitent un outillage étendu, y compris des matrices d'essuyage (qui atténuent les plis sur le rayon intérieur), des matrices de pliage et parfois des mandrins internes, qui ne sont pas bon marché.

La cintreuse à trois rouleaux est le cheval de bataille de l'industrie. La machine a trois rouleaux entraînés hydrauliquement dans une configuration triangulaire. Dans une configuration horizontale typique, vue du dessus, le matériau est alimenté entre les deux rouleaux supérieurs et le rouleau inférieur unique jusqu'à ce que l'extrémité du matériau touche le rouleau le plus éloigné. La distance entre le milieu du rouleau éloigné et le milieu du rouleau inférieur est appelée la longueur de préhension (voir Figure 4), qui fournit un effet de levier pour induire la force nécessaire pour créer le moment de flexion. Plus la longueur de la poignée est grande, plus vous avez de levier. L'inconvénient : dans la plupart des cas, le matériau à l'intérieur de cette longueur de préhension doit être mis au rebut, raison pour laquelle la plupart des cintreuses-rouleaux demandent un matériau un peu plus long que ce qui est nécessaire.

Un diamètre de 20 pouces. le tube peut nécessiter un 4 pieds. longueur de préhension à chaque extrémité, cependant, comme l'a expliqué Pecho, les longueurs de préhension dépendent d'une myriade de facteurs, notamment le type de machine, la configuration et l'outillage. Mais d'une manière générale, plus le diamètre de la pièce est petit, moins la longueur de préhension requise est importante. Les considérations de configuration changent également avec l'orientation de la pièce, c'est-à-dire qu'elle soit pliée sur son axe fort le plus long, de manière difficile, ou le long de son axe faible plus court, de manière facile.

FIGURE 3 Dans cet exemple extrême, une croissance et un retrait incontrôlés ont entraîné une concavité notable sur les murs intérieurs et extérieurs.

Les opérateurs visent à plier la pièce en aussi peu de passes que possible. Pour cela, ils choisissent l'une des deux approches : flexion asymétrique ou symétrique. Une flexion symétrique se produit lorsque l'opérateur utilise les trois rouleaux pour induire une force de flexion lorsqu'il fait passer la pièce vers l'avant et vers l'arrière à travers la configuration pyramidale à trois rouleaux. Idéalement, la flexion asymétrique se produit en un seul passage car l'opérateur s'appuie sur le rouleau supérieur et inférieur unique (d'où le terme "asymétrique") pour induire la force de flexion. Les opérateurs peuvent avoir besoin de travailler le matériau à travers un autre passage, surtout s'ils travaillent avec un travail inhabituel ou difficile ; mais s'ils le font, la flexion est généralement extrêmement légère.

Le pliage symétrique prend plus de temps, mais comme l'a expliqué Pecho, il s'agit d'un processus beaucoup plus "sûr", souvent effectué par des opérateurs moins expérimentés. Pourtant, les opérateurs ne peuvent pas effectuer trop de passes ou ils risquent de surcharger le matériau. Tout cet écrouissage modifie la façon dont le matériau se contracte et grossit et laisse souvent la pièce avec des niveaux inacceptables de distorsion de section.

Pour les profilés tubulaires, la flexion symétrique limite également le type de support interne que les opérateurs peuvent insérer dans la pièce. Ils peuvent toujours emballer du sable dans l'ID, l'une des techniques les plus anciennes encore utilisées pour atténuer la distorsion. Ou ils peuvent s'appuyer sur d'autres méthodes créatives. Pecho a décrit plusieurs cas dans lesquels des opérateurs ont plié un tube rectangulaire haut et mince à un rayon très serré en insérant plusieurs tubes de plus petit diamètre à l'intérieur. Bien sûr, ces tubes internes ne peuvent pas être retirés après pliage ; ils sont coincés à l'intérieur pour toujours. Tant que l'augmentation de poids est acceptable, elle ne devrait pas affecter négativement les exigences de conception de la pièce.

Les mandrins ne peuvent pas être utilisés lors d'un deuxième passage, de peur qu'ils ne se logent pour toujours à l'intérieur de la pièce, ce qui est une raison (autre que l'augmentation de la productivité) pour laquelle les opérateurs expérimentés effectuent un pliage asymétrique. Semblables aux mandrins utilisés dans le cintrage par étirage rotatif, ils sont utilisés dans le cintrage de profil à trois rouleaux pour soutenir l'ID de la pièce lorsque le moment de flexion est appliqué, minimisant les fossettes, les bosses, la concavité ou d'autres signes de distorsion incontrôlée.

Le risque de distorsion incontrôlée augmente chaque fois que le rayon change. Ceci, bien sûr, inclut le moment initial où un rayon est induit pour la première fois. La pression initiale de l'outillage induit des forces localisées, en particulier dans les flexions asymétriques ou dans d'autres configurations où l'opérateur doit plier un profil en aussi peu de passes que possible pour éviter le surmenage et la rupture pure et simple du matériau.

Une longueur de préhension insuffisante peut aggraver le problème. "Si nous avons une longueur de préhension insuffisante, vous verrez une bosse à l'endroit où le rouleau inférieur a initialement touché le matériau", a déclaré Pecho. "Mais, si vous fournissez une longueur de préhension suffisante, vous pouvez alors recouper l'élément dans le" bon arc ", au-delà de la bosse, de sorte que la bosse ne sera pas présente dans la pièce finale."

Une contrainte supplémentaire peut se produire à nouveau dans les pièces à rayons composés, en particulier si le rayon "diminue" séquentiellement vers des rayons de plus en plus serrés. "Lors de chaque pas en arrière, vous verrez généralement des différences dans la forme du profil", a déclaré Pecho. "Les différences peuvent être négligeables. Tout dépend de la forme souhaitée, des rayons et de l'épaisseur de paroi."

L'objectif est de rendre négligeables tous ces "changements de forme" et autres effets de distorsion. Les efforts initiaux se produisent idéalement dans la phase de conception, y compris le choix du rayon (ou des rayons) pour un élément, ses dimensions et son type de forme, et surtout son épaisseur de paroi. Chaque travail est unique, mais d'une manière générale, un matériau plus épais, que ce soit pour des profils ouverts ou tubulaires, aide à atténuer les effets néfastes de la distorsion.

Le choix des matériaux compte aussi. Les opérateurs ont plus d'expérience avec le matériel commun. Si un opérateur expérimenté reçoit un matériau en acier résistant à l'abrasion plus dur et plus résistant tel que l'AR 500, il sait généralement comment ce matériau se forme, ce qui signifie qu'il a de meilleures chances de courber l'élément à la forme souhaitée en un seul passage avec une distorsion préjudiciable minimale.

La façon dont les profilés sont produits est également importante, en particulier avec les tubes rectangulaires et carrés. Comme l'a expliqué Pecho, certains tubes sont formés directement à partir d'une bobine, puis dans un rectangle ; d'autres sont façonnés en une forme ronde puis travaillés en une forme rectangulaire ou carrée.

FIGURE 4 La longueur de prise est la distance entre le rouleau supérieur le plus éloigné et le rouleau inférieur. Plus la longueur de la poignée est longue, plus la machine a de levier pour induire un virage. Le pliage symétrique se produit en envoyant la pièce d'avant en arrière en plusieurs passes. En flexion asymétrique, le rouleau supérieur le plus éloigné (en haut à gauche sur cette image) et le rouleau inférieur sont utilisés pour induire la flexion, souvent en un seul passage.

Ce travail supplémentaire fait une différence qui peut affecter la façon dont les opérateurs de cintrage de profilés configurent leurs machines. Dans certains cas, l'écrouissage supplémentaire qui provient de certaines techniques de production de tubes (comme la formation d'un rond puis d'un rectangle, au lieu de directement dans un rectangle) induit en fait une contrainte de travail à froid dans les parois latérales du tube. Que cela aide ou entrave une opération de pliage dépend de l'application. Dans certains cas, l'écrouissage aide à atténuer les effets de distorsion lors d'un virage à rayon serré, facilitant parfois un peu un virage en un seul passage. D'autre part, une paroi plus rigide peut également augmenter les risques de surmenage du matériau, en fonction du nombre de passages effectués par un opérateur et de la gravité du pli.

Que les opérateurs plient des profils ouverts ou fermés, le choix de l'outil est essentiel. Les outils doivent s'adapter au profil sans être trop serrés pour affecter négativement le retrait et la croissance de la pièce. Un outil trop serré peut provoquer une distorsion localisée et, au pire, creuser la surface du matériau.

Lorsque les opérateurs doivent plier un profil ouvert comme une cornière ou une poutre, ils disposent de moins d'outils d'atténuation de la distorsion. Au-delà du choix et de l'ajustement des outils, les cintreuses-rouleuses doivent choisir une machine correctement dimensionnée, une machine avec un tonnage de formage suffisant et des longueurs de préhension adéquates - suffisamment pour fournir l'effet de levier nécessaire pour réduire la distorsion, mais pas si longtemps qu'elles nécessiteront une section droite sacrificielle excessivement longue. De nombreuses cintreuses à trois rouleaux modernes ont également des unités de traction qui supportent les semelles de poutre pour atténuer la déformation (voir Figure 5).

Lorsque les opérateurs travaillent avec des sections tubulaires, ils peuvent choisir d'utiliser un mandrin, et s'ils le font, l'ajustement de ce mandrin peut être critique. Lorsqu'un rouleau-plieur reçoit du matériau, l'opérateur mesure généralement le diamètre intérieur et le diamètre extérieur pour s'assurer qu'ils se situent dans la plage de tolérance de l'usine, puis choisit ou commande un mandrin adapté.

Les tolérances de fraisage ajoutent également des complications. Si un mandrin est usiné pour s'adapter à l'extrémité inférieure de la tolérance d'un tube, mais que le matériau reçu se situe à l'extrémité supérieure de la tolérance, le mandrin peut ne pas fournir un support suffisant. À l'inverse, un mandrin trop serré peut inhiber la croissance et le retrait du matériau, ce qui peut entraîner une distorsion localisée. Si les tolérances sont particulièrement critiques, les fabricants d'outils de mandrin demandent plusieurs pieds de matériau pour s'assurer que le mandrin est conçu pour s'adapter.

Le guide de conception de l'AISC spécifie les tolérances standard pour l'acier courbé, telles que calculées par la membrure intérieure et l'élévation intérieure ou ordonnée médiane (voir la figure 6). Si un membre mesure 10 pieds de long ou moins, les tolérances standard autorisent +/-0,125 pouce sur la montée en ordonnée médiane. "Mais plus le membre est long, plus l'écart est autorisé sur cette hausse moyenne", a déclaré Pecho. Quoi qu'il en soit, les tolérances peuvent changer en fonction de divers facteurs, qui sont tous énoncés dans le guide AISC.

Cependant, le guide AISC ne fournit pas de normes pour les tolérances de distorsion. Comme l'a expliqué Pecho, les tolérances de distorsion varient d'un atelier à l'autre et même d'un travail à l'autre. En règle générale, de nombreuses cintreuses-rouleuses de premier ordre visent à maintenir une tolérance (par rapport à la dimension nominale) de 5 % de croissance et de 5 % de retrait dans les tubes carrés et rectangulaires et les formes ouvertes, ainsi qu'une ovalisation de 5 % avec les formes rondes (voir Figure 7). Au fur et à mesure que les tailles de tubes deviennent grandes, en particulier avec les tubes "jumbo", ce chiffre de tolérance pour le rétrécissement, la croissance et l'ovalisation peut être compris entre 7 % et 10 % et toujours être considéré comme acceptable lors des calculs de résistance réduite.

Ces chiffres sont les tolérances de distorsion maximales admissibles qu'un rouleau cintreuse vante, bien qu'un travail typique puisse être formé avec une tolérance beaucoup plus serrée. "Nous constatons que les tolérances de distorsion des sections structurelles creuses carrées et rectangulaires incurvées se situent normalement entre 1 % et 2 %", a déclaré Pecho. Il a ajouté que si vous regardez attentivement, vous pouvez voir la distorsion, comme une légère concavité sur le mur intérieur du rayon. "Mais c'est toujours une pièce structurellement solide."

Quoi qu'il en soit, l'intégrité structurelle est la véritable mesure de l'aptitude au service d'un élément incurvé, c'est pourquoi le guide de conception AISC approfondit les détails avec des équations montrant comment une certaine quantité de distorsion affecte la résistance de la pièce. Une fois la résistance vérifiée, la seule préoccupation restante concerne les exigences d'aménagement.

Comme tant d'autres dans la fabrication de métaux, les rouleurs-plieurs et les fabricants peuvent "faire fonctionner" dans certains cas, mais le processus implique plus de temps et d'argent. Pourquoi se donner tant de mal si une paroi latérale plus épaisse suffit ? Parfois, les économies réalisées sur les coûts globaux du projet (temps de formage, potentiel de retard, etc.) dépassent de loin le coût d'un matériau plus facile à plier et à paroi plus épaisse, même avec des prix des matériaux exorbitants. Considérer la distorsion des éléments incurvés dès le départ - avec une communication ouverte entre le concepteur, le fabricant et le cintreuse - peut éviter de nombreux maux de tête inutiles.