Essais préalables sur chevilles : calcul de la charge d'essai

Un essai préalable est un essai sur site portant sur 5 chevilles, qui montre si une cheville peut reprendre l'action caractéristique N_Ek (la charge non pondérée) dans un matériau support pour lequel le fabricant ne fournit pas de données. La norme BS 8539:2012+A1:2021 le désigne comme l'approche simplifiée des essais de résistance admissible, à l'annexe B.2.3.1.

Il est utilisé lorsqu'aucune cheville disposant d'une Évaluation Technique Européenne (ETE) pertinente n'est disponible pour le matériau support, ce qui concerne en pratique le plus souvent la maçonnerie, ou lorsque l'état du béton remet en cause les valeurs de l'ETE. La cheville doit tout de même être d'un type approuvé par son fabricant pour cette catégorie de matériau support. Les 5 chevilles sont chargées uniquement jusqu'à la charge d'essai, et non jusqu'à la rupture, de sorte que les essais causent moins de dégâts que des essais à la rupture. Voir quand réaliser des essais sur site.

Les chevilles d'un essai préalable sont posées spécialement pour celui-ci et ne sont jamais utilisées sur le chantier. Posez-les dans un matériau support identique à celui du chantier, à un endroit où d'éventuels dégâts ne nuisent pas à la structure et peuvent être réparés. Tenez-les bien à l'écart des chevilles qui seront utilisées, et jamais à moins de 3 × h_ef en cas de place limitée.

La charge d'essai correspond à l'action caractéristique multipliée par un facteur d'essai, puis divisée par le facteur de réduction α_dist et le facteur de condition Ω :

N_test = N_Ek × ν_test ÷ (α_dist × Ω) (équation B.4 de la BS 8539)

• N_Ek, l'action caractéristique, est la charge appliquée par le calcul à une cheville, sans coefficients de sécurité. Elle est fournie par le prescripteur.
• ν_test, le facteur d'essai, dépend du matériau de la cheville, du matériau support et du caractère de longue ou de courte durée de la charge. Voir le tableau ci-dessous.
• α_dist, le facteur de réduction, tient compte des appuis du pont placés si près de la cheville qu'ils pourraient maintenir le matériau support et majorer le résultat. Il vaut 1,0 lorsque les pieds sont suffisamment écartés. Voir choisir un pont.
• Ω, le facteur de condition, tient compte des différences entre l'essai et l'utilisation réelle, par exemple un essai à sec pour une cheville qui sera exposée à l'humidité. Le prescripteur fixe Ω.

Notre calculateur de charge d'essai effectue ces étapes pour vous.

Les chevilles en nylon ont des coefficients plus élevés en raison du fluage. Maintenu sous charge pendant longtemps, le nylon se déforme lentement : une cheville qui résiste brièvement à la charge d'essai peut donc tout de même céder sous une charge plus faible en service.

Le prescripteur choisit Ω en se demandant en quoi l'utilisation réelle de la cheville différera de l'essai. Chaque réponse donne une valeur :

• Combien de temps la charge s'exercera-t-elle ? Pour les charges de courte durée, comme l'ancrage d'échafaudages ou de travaux en hauteur, Ω = 1,0. Pour une charge de traction permanente, Ω = 0,9.
• La cheville sera-t-elle plus humide ou plus chaude en service que lors de l'essai ? Si elle sera humide en service mais est testée à sec, Ω = 0,8. Si elle sera soumise à des températures supérieures à la plage de température de service normale du fabricant mais est testée à température normale, Ω = 0,8.
• Les chevilles en service pourraient-elles se trouver dans une zone plus faible que les chevilles d'essai ? Sur un mur enduit ou plâtré, où les joints sont cachés ou les chevilles ne peuvent pas être maintenues dans les briques, et où les chevilles d'essai sont posées dans de la brique pleine, Ω = 0,75.
• Le béton sera-t-il fissuré ? Pour une cheville conçue pour le béton tendu, Ω = 0,7.

Lorsque plusieurs conditions s'appliquent, le prescripteur donne un Ω unique pour le cas considéré. Ce guide ne donne aucune règle pour les combiner ; consultez le prescripteur.

αdist dépend de l'écartement des appuis adist et de la profondeur d'ancrage effective hef. adist se mesure à l'axe des appuis ponctuels, ou comme la largeur libre entre appuis continus. Les valeurs Staht, 127 mm pour les ponts standard t25 et t60 et 375 mm et 575 mm pour les ponts plus larges, correspondent à la distance libre entre les pieds dans l'axe du pont (fiches techniques Staht), la base retenue par le tableau des ponts publié par la profession. Cette approche va dans le sens de la sécurité : les pieds d'un pont à quatre pieds se trouvent en réalité plus loin de la cheville, si bien que l'écartement libre donne une charge d'essai légèrement plus élevée, jamais plus faible.

Jusqu'à h_ef = 150 mm. Si adist est au moins égal à 3 × hef, αdist = 1,0. Si adist est inférieur à 3 × hef mais supérieur à 1,5 × hef, αdist = 0,4 + adist ÷ (5 × hef) (équation B.12 de la BS 8539). La BS 8539 plafonne aussi l'écartement requis à 450 mm, mais jusqu'à hef = 150 mm, 3 × hef ne dépasse jamais 450 mm, donc ce plafond ne change pas le résultat. Si adist est inférieur ou égal à 1,5 × hef, le pont est trop étroit pour cette méthode : utilisez-en un plus large. Dans le béton, un essai préalable exige aussi que l'appui le plus proche soit à plus de 1,0 × hef de la cheville, comme le vérifie l'exemple B.

Au-delà de 150 mm. L'équation B.12 ne s'applique pas. Dans le béton, maintenez l'appui le plus proche à au moins 1,5 × hef de la cheville, soit un adist d'au moins 3 × hef. Dans la maçonnerie, les règles relatives aux briques et blocs s'appliquent. L'EOTA TR 053 n'exige aucune réduction dans les murs à plusieurs parois en petites briques pleines, comme les briques pleines en terre cuite, à condition que les appuis soient écartés de plus de 1,5 × hef et laissent la place à la rupture de se former. Voir choisir un pont.

hef est la profondeur jusqu'au point le plus bas où la cheville prend appui dans le matériau support. Pour les chevilles en nylon, prenez hef égal à 50 % de la profondeur d'ancrage nominale.

Une cheville chimique dans une brique pleine supporte une charge de traction permanente. Le prescripteur indique NEk = 0,9 kN, hef = 60 mm et un Ω unique de 0,9 pour la charge permanente. ν_test pour une cheville non nylon dans la maçonnerie sous charge de longue durée vaut 4.

Avec le pont standard Staht t25 (écartement des appuis a_dist = 127 mm, distance libre entre les pieds dans l'axe du pont (fiche technique Staht)) :

• 3 × hef = 180 mm, soit plus de 127 mm, donc αdist s'applique. 127 mm est supérieur à 1,5 × h_ef (90 mm), donc l'équation B.12 est valable.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 60) = 0,4 + 0,423 = 0,823.
• N_test = 0,9 × 4 ÷ (0,823 × 0,9) = 3,6 ÷ 0,741 = 4,86 kN.

Avec le Staht Bridge 375-25 (a_dist = 375 mm) :

• 375 mm est supérieur à 3 × hef (180 mm), donc αdist = 1,0.
• N_test = 3,6 ÷ (1,0 × 0,9) = 4,00 kN.

Le pont plus large supprime la réduction : les chevilles sont essayées à 4,00 kN au lieu de 4,86 kN. Dans la maçonnerie de briques, posez les pieds du pont sur les briques voisines de celle qui porte la cheville. Voir essais en maçonnerie.

Des chevilles destinées à des travaux d'accès en hauteur sont posées dans un béton ancien dont l'état est incertain ; le prescripteur demande donc des essais préalables. NEk = 3,0 kN, hef = 50 mm, charge de courte durée, donc Ω = 1,0. ν_test pour une cheville non nylon dans le béton sous charge de courte durée vaut 2.

• Avec le pont standard Staht t60, adist = 127 mm, distance libre entre les pieds dans l'axe du pont (fiche technique Staht), inférieure à 3 × hef (150 mm) et supérieure à 1,5 × h_ef (75 mm), donc l'équation B.12 s'applique.
• L'appui le plus proche, à 63,5 mm, est à plus de 1,0 × h_ef (50 mm), comme l'exigent les essais préalables dans le béton lors de la mise en charge jusqu'à la charge d'essai.
• α_dist = 0,4 + 127 ÷ (5 × 50) = 0,4 + 0,508 = 0,908.
• N_test = 3,0 × 2 ÷ (0,908 × 1,0) = 6,0 ÷ 0,908 = 6,61 kN.

Des chevilles en nylon doivent fixer une palissade de chantier provisoire sur un béton ancien dont l'état est incertain ; le prescripteur demande donc des essais préalables. NEk = 0,4 kN, charge de courte durée, donc Ω = 1,0. L'ancrage nominal est de 70 mm, donc hef = 35 mm. ν_test pour le nylon sous charge de courte durée vaut 3,5.

• Avec le pont standard Staht t25, adist = 127 mm, distance libre entre les pieds dans l'axe du pont (fiche technique Staht), supérieure à 3 × hef (105 mm), donc α_dist = 1,0.
• L'appui le plus proche, à 63,5 mm, est à plus de 1,0 × h_ef (35 mm).
• N_test = 0,4 × 3,5 ÷ (1,0 × 1,0) = 1,40 kN.

Lorsque les 5 chevilles tiennent la charge d'essai, l'action caractéristique peut être retenue comme résistance admissible dans ce matériau support : NR,all = NEk (équation B.5 de la BS 8539). La cheville peut alors être utilisée à cette charge.

Si une cheville n'atteint pas la charge d'essai, c'est le prescripteur qui décide de la suite, et deux questions tranchent. L'ouvrage peut-il simplement recevoir davantage de chevilles, par exemple en les rapprochant ? Et la cheville a-t-elle cédé près de la charge d'essai, par exemple au-dessus de 0,8 × N_test ?

• Oui aux deux : conservez la cheville et utilisez-en davantage, avec une résistance admissible plus faible calculée comme ci-dessous.
• Non à l'une ou l'autre : modifiez la prescription (diamètre plus grand, ancrage plus profond ou autre type de cheville) et réalisez une nouvelle série d'essais préalables.

Calcul de la résistance admissible réduite :

1. Menez les 5 chevilles d'essai jusqu'à la rupture, lentement, en notant pour chacune la charge au premier déplacement. Pour ménager la structure, vous pouvez vous arrêter à environ 1,0 mm de déplacement et retenir cette charge comme charge de rupture.
2. À partir de la charge de rupture moyenne Nu,ave : NR,all = Nu,ave × αdist × Ω ÷ ν_ave (équation B.6).
3. À partir de la charge de rupture la plus faible Nu,low : NR,all = Nu,low × αdist × Ω ÷ ν_low (équation B.7).
4. Retenez la plus faible des deux, plafonnée à la charge moyenne au premier déplacement N_1st,m.
5. Augmentez le nombre de chevilles : n' = n0 × NEk ÷ NR,all (équation B.8), où n0 est le nombre initialement prévu. Arrondissez à l'entier supérieur.

Dans l'exemple A avec le pont t25, la charge d'essai était de 4,86 kN. Une cheville cède à 4,2 kN, soit au-dessus de 0,8 × 4,86 = 3,89 kN, et l'ouvrage peut recevoir davantage de chevilles. Les 5 sont chargées jusqu'à la rupture : 4,2, 5,6, 6,1, 5,3 et 6,4 kN. La charge moyenne au premier déplacement est de 2,3 kN.

• Nu,ave = 27,6 ÷ 5 = 5,52 kN, et Nu,low = 4,2 kN.
• α_dist × Ω = 0,823 × 0,9 = 0,741.
• À partir de la moyenne : 5,52 × 0,741 ÷ 5 = 0,818 kN.
• À partir de la plus faible : 4,2 × 0,741 ÷ 4 = 0,778 kN.
• NR,all = 0,778 kN, la valeur la plus faible. Elle est inférieure à N1st,m (2,3 kN), elle est donc retenue.
• L'ouvrage prévoyait 24 chevilles : n' = 24 × 0,9 ÷ 0,778 = 27,8, il faut donc 28 chevilles.

La BS 8539 propose trois autres méthodes, toutes fondées sur des essais jusqu'à la rupture.

• Sans ETE, approche statistique (Annexe B.2.3.2) : 5 à 15 chevilles sont chargées jusqu'à la rupture. NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × Ω, où NRu,m est la charge de rupture moyenne, v le coefficient de variation (30 % au maximum) et K un facteur statistique : 3,40 pour 5 essais, 2,57 pour 10 et 2,33 pour 15. NR,all = NRk1 ÷ ν, sans dépasser N_1st,m. Le prescripteur choisit ν, par exemple 3 à 4 pour les charges statiques, ou 5 pour les chevilles en nylon.
• Cheville sous ETE dans une maçonnerie hors du domaine de l'ETE, 5 à 15 essais (Annexe B.2.2.1) : NRk1 = αdist × NRu,m × (1 − K × v) × β, avec β donné par l'ETE (1 s'il n'est pas indiqué), sans dépasser la résistance caractéristique de l'ETE. Ici, β remplace Ω. Ensuite NR,all = NRk1 ÷ γM ÷ γF, avec γM donné par l'ETE et γF égal à 1,35 pour les actions permanentes, 1,5 pour les actions variables ou 1,4 lorsqu'elles sont inconnues ou combinées, sans dépasser N1st,m.
• Cheville sous ETE, 15 essais ou plus (Annexe B.2.2) : la méthode d'essai sur site du Document d'évaluation européen (DEE) applicable et de son rapport technique EOTA.

Plus le nombre de chevilles essayées jusqu'à la rupture est élevé, plus la résistance admissible a de chances d'être élevée, mais les essais jusqu'à la rupture causent davantage de dégâts.