Plan
1. Introduction
2. Les aciers
3. Les aciers de construction
- Désignation des aciers de construction
- Caractéristiques mécaniques des aciers
principaux
4. Les aciers inoxydables
- Caractéristiques mécaniques des aciers
inoxydables
5. Les principaux produits sidérurgiques
disponibles
- Les produits laminés à chaud : les produits
longs
- Les produits laminés à chaud : les produits
plats
- Les produits formés à froid
- Les produits tubulaires
- Les produits composés
1.
Introduction
Les ouvrages en acier sont réalisés à partir de
produits sidérurgiques plus ou moins élaborés, assemblés entre eux selon
différents procédés.
L’ensemble constitue l’ossature porteuse de la structure.
Pour les bâtiments, cette dernière est complétée par une toiture et une
enveloppe réalisée en métal (acier, inox, aluminium…) ou à partir de matériaux
divers (maçonnerie, bois, verre…)
Ce chapitre présente les aciers et les produits
sidérurgiques disponibles pour réaliser des ouvrages en acier.
2.
Les aciers
Les matériaux disponibles pour réaliser les
ossatures métalliques sont :
- les aciers de construction (des aciers doux
aux aciers à très haute limite d’élasticité)
- les aciers inoxydables.
Les aciers de construction :
La norme NF EN 10027-1 (1992) précise le
système de désignation des aciers ;
La norme NF EN 10025 (2004) décrit les nuances
de base utilisées en construction métallique.
Les aciers inoxydables :
Les aciers inoxydables sont des aciers dont la
teneur minimale en chrome est de 10.5%. Ceci leur confère des propriétés de
résistance à la corrosion élevée.
Elle peut être renforcée par l’addition
d’autres éléments d’alliages comme le nickel ou le molybdène.
3. Les aciers de construction
Conditions requises :
Caractéristiques communes
Désignation des aciers de construction
Les aciers sont désignés par la lettre S suivie
d’un nombre qui correspond à la limite d’élasticité exprimée en MPa et relative
à la gamme d’épaisseur la plus faible. Suivent ensuite un ou deux symboles
représentant respectivement la résilience et le mode d’obtention de l’acier.
Le symbole 1 représente l’énergie de rupture (ou
la résilience) exprimée en Joules pour une température d’essai définie par un
système de lettres et de chiffres.
La résilience est la capacité d'un matériau à
absorber de l'énergie quand il se déforme sous l'effet d'un choc (déformation
rapide). On distingue les matériaux fragiles (céramiques, certains aciers et
plastiques), des matériaux ductiles (beaucoup de métaux et de plastiques).
Essai de résilience (Charpy)
Le mouton-pendule muni à son extrémité d'un
couteau permet de développer une énergie donnée au moment du choc. Cette
énergie est classiquement, dans le cas de la norme européenne, de 300 joules.
L'énergie obtenue (en négligeant les
frottements) est égale à :
K=mg(h-h')
m = masse du mouton-pendule [kg]
g = accélération de pesanteur [m⋅s−2]
h = hauteur du mouton-pendule à sa position de
départ [m]
h' = hauteur du mouton-pendule à sa position
d'arrivée [m]
Effet de la température sur la résilience
Désignation des aciers de construction
Le symbole 2 correspond au mode d’obtention de
l’acier :
N : normalisé ou par laminage
normalisant
M : thermomécanique
Q : trempé et revenu
G : autres caractéristiques
suivies, lorsque nécessaire, par 1 ou 2 digits.
Les aciers livrés à l’état
normalisé (N), sont des aciers qui ont subi un traitement thermique complet de
normalisation, après laminage et retour à la température ambiante.
Les aciers livrés après traitement
thermomécanique (M) sont des aciers qui ont été laminés pour former une
structure de ferrite/perlite fine après durcissement de la ferrite par
précipitation de carbures de niobium et de vanadium. Le laminage
thermomécanique se déroule par refroidissement accéléré avec ou sans revenu.
Les aciers livrés à l’état trempé et revenu (Q)
sont des aciers qui ont subi un cycle complet de trempe et revenu, après
laminage et retour à la température ambiante.
Diagramme d'équilibre du fer- carbone
Traitement thermique : trempe et revenu
Il existe une relation directe
entre la finesse des grains (d) et la limite d’élasticité d’un matériau (fy0.2),
traduite par la loi empirique de Hall-Petch. Physiquement, les dislocations émises dans un plan vont
s’empiler devant les interfaces difficiles à franchir, telles que les joints
entre grains d’orientations différentes. Et plus le nombre de grains sera important,
plus les dislocations auront du mal à franchir les joints de grains en nombre
supérieur.
f0 Limite d'élasticité
d'un monocristal
k Constante qui
dépend du matériau
d Taille moyenne des
grains
4. Les aciers inoxydables
Il existe de nombreuses nuances. Celles qui
sont les plus couramment utilisées dans le domaine du bâtiment peuvent être
classées en trois grandes familles :
- ferritique au chrome,
- austénitique au chrome-nickel,
- austénitique au chrome-nickel-molybdène.
Les nuances austéno-ferritiques (ou duplex)
deviennent les plus courantes du fait du très bon compromis résistance à la
corrosion/propriétés mécaniques qu’elles présentent.
Leur avantage principal est une excellente
résistance à la corrosion dans la masse,
Mais elles présentent aussi un aspect
esthétique attractif.
5. Les principaux produits sidérurgiques disponibles
Les produits laminés à chaud :
- Les produits longs
- Les produits plats
Les produits formés à froid
Les produits tubulaires
Les produits composés
Les produits laminés à chaud : les
produits longs
Les profilés laminés à chaud comprennent les
poutrelles en I, en H et en U, ainsi que les laminés marchands classés en
profils angulaires (cornières à ailes égales ou inégales, les T et les petits fers
U), en fers plats et en produits pleins (ronds, carrés et hexagones). Tous se
distinguent par des dimensions transversales petites par rapport à leur
longueur.
En général, la section transversale d’une
poutrelle en I s’inscrit dans un rectangle dont la hauteur est de l’ordre de
deux fois sa largeur alors que celle d’un profil en H présente une largeur
pratiquement égale à sa hauteur. Toutefois, pour les profilés de hauteur
supérieure à 300 mm, le terme profil en double T est quelquefois utilisé pour désigner
l’ensemble des produits en I ou en H
Les profilés en I, en H et en U couvrent une
gamme de dimensions assez vaste, leur hauteur variante entre 80 et 1100 mm.
Notations
Axes de référence
xx- axe longitudinal d’une barre
yy- axe de section transversale (en général,
l’axe de forte inertie)
zz- axe de section transversale
uu- axe principal de forte inertie (lorsqu’il
ne coïncide pas avec l’axe y-y)
vv- axe principal de faible inertie (lorsqu’il
ne coïncide pas avec l’axe z-z)
En se limitant aux poutrelles européennes, les
produits disponibles sont les suivants:
• IPE,
IPE-A, IPE-O, IPN;
• HEA,
HEB, HEM, HEA-A, HL, HD, HP;
• UPE, UPN.
Dans ces désignations, la lettre I, H ou U
représente la forme générale du profil :
- E signifie Européen
- N indique un élément qualifié de Normal dont
l’épaisseur des ailes n’est pas constante.
- Les autres lettres A, B, D, L, M, O ou P,
correspondent à des ailes plus ou moins larges ou épaisses (A signifié alléger
et M massif).
Les profiles IPN et UPN ne sont pratiquement
plus utilisés. En effet, les deux faces de leurs ailes ne sont pas parallèles.
Elles présentent une pente de 14% pour l'IPN et de 5 à 8% selon les dimensions
pour les UPN, ce qui provoque des difficultés au niveau des assemblages par
boulonnage.
A: aire de la section transversale
Wpl,y et Wpl,z: modules plastiques selon l’axe
yy et l’axe zz
iy et iz: rayons de giration par rapport aux
axes yy et zz
Chaque type d’élément a des
aptitudes particulières :
Les profilés en I sont ceux qui présentent les
caractéristiques mécaniques les plus grandes autour de l’axe y. Ils sont donc
particulièrement bien adaptés pour résister à des sollicitations de flexion simple sans risque de
déversement.
Par contre, dans le cas de
sollicitations de compression, le risque de flambement est moindre avec les profilés en H qui présentent de meilleures
propriétés mécaniques autour de l’axe faible.
Lorsque les sollicitations sont
combinées ou lorsqu’une instabilité de déversement est susceptible de se
produire, il convient de choisir un profilé réalisant le meilleur compromis
entre les différentes caractéristiques.
Les profilés formés à chaud
comportent des variations d’épaisseur importantes dans leur section
transversale, leur refroidissement n’est pas uniforme. Ils sont donc le siège
de contraintes résiduelles de plus ou moins grande intensité.
Les produits laminés à chaud : les
produits plats
Les produits plats laminés à chaud sont classés
en 3 catégories : les larges plats, les tôles et les bandes.
Les larges plats sont de largeurs comprises
entre 150 et 1250mm pour des épaisseurs supérieures à 4mm.
Les tôles, d’épaisseurs comprises entre 1.5 et
21mm pour des largeurs de 600 à
2134mm, sont séparées en tôles fortes
(épaisseur_3mm) et en tôles
minces (épaisseur<3mm).
Les bandes sont divisées en larges bandes
(largeurs_600mm), en
feuillards
(largeurs<600mm) et en larges bandes
refendues (largeurs de laminage _ 600
mm mais largeurs de livraison < 600mm).
Pour tous ces produits, différentes longueurs
sont disponibles. Il est également possible d’obtenir des tôles d’épaisseur
variable selon la longueur pour réaliser des poutres à inertie variable,
reconstituées par soudage, sans avoir recours à des ajouts de semelles
supplémentaires
Les produits formés à froid
Ces produits sont issus de tôles de plus ou
moins forte épaisseur (inférieure à 3mm en général) pour lesquelles le formage
est réalisé par pliages successifs à froid.
Il est ainsi possible d’obtenir par ce procédé
des cornières, des profils en C, en Oméga, en Sigma ou en Zed
Ces produits formés à partir de tôles de faible
épaisseur présentent souvent un risque d’instabilité locale qui limite leur
capacité portante.
La mise en forme étant réalisée par profilage à
froid, ces différents produits sont le siège de contraintes résiduelles plus ou
moins importantes selon les rayons de pliage et l’épaisseur de la tôle mère.
Les bardages et les bacs aciers utilisés pour
réaliser l’enveloppe des bâtiments font également partie des produits formés à
froid. La tôle mère peut être galvanisée ou prélaquée avant profilage pour
éviter un traitement ultérieur de protection des surfaces.
Les produits tubulaires
Les produits tubulaires peuvent être formés à
froid ou à chaud. Leur forme générale est celle d’un cylindre de génératrice
circulaire, elliptique, carrée ou rectangulaire.
Selon leur mode de fabrication, ils sont soudés
ou non
Les dimensions vont de 20 à 500 mm pour les
diamètres extérieurs des tubes circulaires, de 20×20 à 400×400 pour les tubes
carrés et de 40×20 à 500×300 pour les tubes rectangulaires.
Pour les éléments formés à chaud, les
épaisseurs vont de 2 à 40 mm pour les tubes circulaires et de 2 à 25 mm pour
les produits de forme rectangulaire. Pour ceux qui sont formés à froid, elles
sont comprises entre 1.2 et 12.5mm.
En comparaison des profils ouverts en I ou en
H, les produits tubulaires résistent mieux aux phénomènes d’instabilité, mais
ils sont plus difficiles à assembler.
Les produits composés
On trouve des éléments composés très variés :
poutres reconstituées soudées (PRS),
- poutres en treillis, poutres cellulaires,
etc.
Un grand nombre de possibilités existent dans
les combinaisons :
- simple ajout de plats de renforcement ;
- création de sections composées spécifiques ;
- poutres alvéolaires obtenues par découpage
dans l'âme de profilés laminés et réassemblage pour former des ouvertures
circulaires, hexagonales …
Le processus de fabrication d'une poutrelle
Angelina est illustré sur la figure suivante
Les deux éléments assemblés ne sont pas
nécessairement issus de la même section transversale ce qui autorise la
création de poutres dissymétriques.
