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Matériaux de construction

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Raphaël Bodet

L’acier dans la construction

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2 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

1. Introduction

2. Le fer pur

3. Comment durcir le fer ?4. Les aciers

5. Importance du dosage en carbone

6. Procédé d’élaboration de la fonte, le fer et l’acier

7. Propriétés physiques et mécaniques des aciers8. Importance de ces propriétés dans le génie civil

9. Codification des aciers en fonction de leur utilisation en BTP

10. Exemples de produits en acier

11. L’inox – quelques définitions

12. Propriétés physiques et mécaniques de l’inox

13. Désignation normalisée de l’inox

14. Exemples d’ouvrages en inox

Sommaire

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3 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Le fer est l'un des métaux les plus abondants de lacroûte terrestre.

On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux

autres éléments, sous forme de minerai.Au commencement était le fer...

Puis vint la fonte...

Au XVème siècle, apparition des premiers hauts fourneaux de4 à 6 mètres de haut pour fabriquer la fonte utilisée danstoutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets,

tuyaux).

On produisait aussi du fer pur grâce à l'affinage à chaud dela fonte, sous air soufflé, ce qui provoquait la combustion ducarbone contenu dans la fonte,

..Et enfin l'acier En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français,établirent la définition exacte du trio fer-fonte-acier et le rôle ducarbone* dans l'élaboration et les caractéristiques de ces troismatériaux.

* teneur en carbone < 0,10 % dans le fer, entre 0,10 et 2 % dans l'acier et entre

2,5 et 6 % dans la fonte.

Introduction

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4 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Le fer pur (Tfusion = 1538°C) existe à l'état solide sous deux formes cristallines

• cubique centrée cc (fer α et δ)

La structure cristalline du fer est :

• T < 912°C, phase cubique centrée : fer α ou ferrite basse T• A 912°C fer α fer γ • De 912 °C à 1394°C, phase cubique à faces centrées : phase γ ou austénite• A 1394°C fer γ fer δ

• De 1394°C jusqu’à la fusion, phase cubique centrée : phase δ ou ferrite haute T

atome de ferstructure cc structure cfc

Le fer pur

• cubique à face centrée cfc (fer γ )

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5 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Propriétés physiques

Le fer pur est mou (ductile)

Caractéristiques Température °C

Valeur

Propriétés physiquesMasse volumique ...............................Module d'élasticité longitudinal(module d'Young) E............................Module de Coulomb G........................

Coefficient de dilatation ......................Coefficient de dilatation moyen ...........

Capacité thermique massique...............Capacité thermique massiquemoyenne

Conductivité thermique .......................

Conductivité thermique moyenne .........Résistivité ..........................................Résistivité moyenne ...........................

20

2020

200 à 100

20

0 à 100

20

0 à 10020

0 à 100

7 870 kg/m3

211 400 N/mm2

81 600 N/mm2

11,2.10

-

6 K

-1

12,3.10-6 K-1

444 J. kg-1 K

-1

456 J. kg-1 K

-1

73,3 W.m-1.K

-1

78,2 W.m

-1

.K'

7

10,1 µΩ. . cm10,3 µΩ. . cm

Propriétés du fer pur

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6 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Propriétés mécaniques

Le fer pur n’est pas mécaniquement performant

Caractéristiques Tempé rature°C

Valeur

Propriétés mécaniquesC % = 0,02 à 0,04; Mn % = 0,02 à 0,03; N % inconnu

- 100Limite d'élasticité R e ........................... 20

200400

- 100Résistance à la traction R m .............. 20

200400

- 100Allongement à la rupture A ................ 20

20040020

Limite d'endurance à 107 cycles.. 200400

367 N/mm2

168 N mm2

165 N/mm2

98 N/mm2

480 N/mm2

310 N/mm2

400 N/mm2 280 N/mm

2

25%42%26%16%

+/- 185 N/mm2

+/- 178 N/mm2

+/- 178 N/mm

2

Propriétés du fer pur

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7 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Pour augmenter les performances mécaniques du fer au voisinage de latempérature ambiante, il faut diminuer ses possibilités de déformationplastique

Les déformations dépendent de la mobilité des dislocations

Créer des obstacles sur le parcours de ces dernières

• d'autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe

• des atomes étrangers introduits en solution solide

• des précipités

• des joints de grain

Comment durcir le fer ?

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8 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Le principal facteur de durcissement du fer est la précipitation decarbures dans l'acier (carbures de Cr, Si, Mn, Ni …)

Par formation de précipités

Durcissement liée à

l’ajout de composés↓

Effet de l’ajout de composés sur

les caractéristiques mécaniques

Comment durcir le fer ?

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9 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

1. Le carbone

Dans un acier, le carbone est en quantité telle qu'à haute

température, lors de l'achèvement de la solidification (à latempérature du solidus), cet élément est dissous (en solutionsolide avec le fer) et n’est donc pas du tout précipité sous formede carbure ou de graphite)

2. Les autres ajouts

Nickel (Ni)• Abaisse la température de transformation• Augmente l’élasticité (diminue la fragilité)• Augmente la résistance à la corrosion

Par ajout d’éléments en solution solide

Comment durcir le fer ?

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10 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

2. Les autres ajouts (suite)

Chrome (Cr)

• Augmente la résistance à la traction

• Augmente la dureté

• Augmente la résistance à l’usure

• Augmente la résistance à la corrosion

Manganèse (Mn)

• Même action que Ni mais rend plus fragile

Nickel-Chrome

• Améliore les caractéristiques mécaniques

Nickel-Chrome-Molybdène

• L’ajout de molybdène (Mo) permet de diminuer la fragilité de l’acier

Comment durcir le fer ?

Par ajout d’éléments en solution solide

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11 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Un acier est un alliage de fer et de carbone (+ autres élémentsmineurs) auquel on donne, par traitement mécanique outhermique, des propriétés variées (malléabilité, résistance....).

La limite de la teneur en carbone séparant l’acier de la fonteest de l’ordre de 2 %.

Définition

Les aciers

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12 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Données économiques

19 France 11,3 9,4 + 20%

Les aciers

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13 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Sites de production d’acier en France

Les aciers

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14 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Phase d’un alliage Fe-C :

−−−− αααα : ferrite basse T (cc) C ≤ 0,02 %−−−− δδδδ : ferrite haute T (cc) C ≤ 0,09 %

−−−− γγγγ : austénite (cfc) C ≤ 1,98 %

−−−− Fe3C (orthorhombique): cémentite C = 6,7 %

La ferrite basse T ( < 912°C, structure cc) etla ferrite haute T sont des solutions solidesde C dans le Fe αL’austénite est une solution solide de C dans

du Fe γ (structure cfc) . Le Fe γ est stableentre 912°C et 1394°C.

La perlite est un composant biphasécontenant de la ferrite et de la cémentite. Laperlite eutectoïde est un alliage à compositiondéfinie (88%masse de ferrite α et 12%masse de

cémentite) dont la T°de transformation est de727°C. Elle contient 0,77% de carbone.

Pour des aciers contenant peu de carbone (<1% en poids), il y a toujours formation decémentite, un composé chimiquement défini(Fe3C).

domaine d'équilibre péritectique

domaine d'équilibre eutectoïde

point péritectique

point eutectoïde

point eutectique

perlite

Diagramme d’équilibre Fer - Carbone

Importance du dosage en carbone

L+S

L

L+S

S

S

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15 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

(a) Microstructure typique d'un acier de construction(hypoeutectoïde) après refroidissement lent (~0,4 %C).Ses constituants sont la ferrite α (50 % masse) et la perlite (50 % masse).

La perlite est formée de lamelles alternées de ferrite

(solution solide de carbone dans du Fea) et de cémentite(composé chimiquement défini Fe3C)

(b) Microstructure typique d'un acier de même compositionque (a) mais obtenu après une trempe appropriée.

Lorsqu'on refroidit un acier dont la teneur en carbone est < 0,77 %, il se forme un mélange degrains de ferrite (C<0,02%) et de perlite (C=0,77%). La figure (a) représente la microstructuretypique d'un acier de construction. Par des traitements thermiques et des trempes appropriés,ce même acier peut présenter une microstructure différente (figure (b).

Carbone < 0,77 %

La martensite est une solution solide sursaturée de C

dans du Fer αLa martensite a une structure en aiguille.Elle est obtenue par un réchauffage à haute températured’un acier austénitique suivi d’un refroidissement rapideappelé trempe*.

Importance du dosage en carbone

*Lors d’un refroidissement « lent » on formera plutôt de la cémentite.

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16 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Le diagramme Fe-C présente une transformation eutectoïde entre les phases γ et(α + Fe3C) à une température de 727°C pour une concentration en carbone de

0,77% (formation de perlite).

Microstructure d'un acier eutectoïde(refroidi lentement)

couches claires = ferrite

couches sombres = cémentite

La perlite Fe-C est formée de ferrite α et de cémentite Fe3C .

Carbone = 0,77 % (perlite)

Importance du dosage en carbone

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17 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Carbone > 0,77 %

Lorsqu'on refroidit un acier dont la teneur en carbone est > 0,77 % C, il seforme d'abord de la cémentite. La germination de cette cémentites'effectue préférentiellement sur les joints de grains de l'austénite. Laperlite apparaît ensuite à la température de transformation eutectoïde(T=727 °C). En raison de la présence d'un réseau de carbures (Fe3C) auxjoints de grains, ces aciers sont généralement fragiles.

zone claire : austénite

zone grise foncée : cémentite

zone grise claire : perlite (= lamellesalternées de ferrite et de cémentite)

Importance du dosage en carbone

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18 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Performances mécaniques des aciers

Effet de la teneuren carbone et de

l’état structuralde l’acier

Importance du dosage en carbone

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19 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur19

Procédé d‘élaboration des aciers

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20 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Des matières premières à l’acier liquide, deux filières d’obtention :

• Préparation du minerai par agglomération

• Fabrication de la fonte dans un hautfourneau

• Elaboration de l'acier dans une aciérie

Filière Fonte Filière électrique

Procédé d‘élaboration des aciers

Stationd’affinage

Emploi de ferraille commematière première(emballages jetés,bâtiments, machines et

véhicules démontés…)

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21 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

La filière Fonte

Le coke est un combustible obtenu par distillation

(gazéification des composants indésirables) de la houilledans le four de la cokerie.

• Cokerie

Le coke est du carbone presque pur doté d’une structureporeuse et résistante à l’écrasement.En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte lachaleur nécessaire à la fusion du minerai et les gaznécessaires à sa réduction.

Usines d'agglomération

Procédé d‘élaboration des aciers

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22 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

• Fabrication de la fonte dans un haut-fourneau

La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une

masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange àbase de fer, appelé "fonte".

Les résidus formés par la gangue fondue (laitiers) sont exploités pard'autres industries : construction de routes, cimenterie,...

Minerai et coke solides sontenfournés par le haut. L'airchaud (1200 °C) insufflé à labase provoque lacombustion du coke(carbone presque pur).L'oxyde de carbone ainsiformé va "réduire" lesoxydes de fer, c'est-à-direleur prendre leur oxygène et,de ce fait, isoler le fer.

La filière Fonte

Procédé d‘élaboration des aciers

Coke

+Minerai

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23 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

• Convertisseur àl’oxygène

On récupère les résidus (laitier d'aciérie).

On obtient de l'acier liquide "sauvage", qui est versé dans une poche. Ilest appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait.

On y convertit la fonte enacier.

La fonte en fusion estversée sur un lit deferraille.On brûle les éléments

indésirables (carbone etrésidus) contenus dansla fonte en insufflant del'oxygène pur.

La filière Fonte

Procédé d‘élaboration des aciers

Fonte

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24 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Fusion de la charge obtenue par

éclatement d'arcs électriques

entre électrodes dans un four

électrique

Procédé d‘élaboration des aciers

La filière électrique

Ferraille

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25 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Acierimparfait

Filièreélectrique

Filièrefonte

Affinage(décarburation) etadditionschimiques

Les opérations ontlieu dans un

récipient sous vide,l'acier étant mis enrotation entrepoche et récipientà l'aide d'un gazneutre (argon).

On insuffle de l'oxygène pouractiver la décarburation etréchauffer le métal.

Ce procédé permet une grandeprécision dans l'ajustement dela composition chimique del'acier ("mise à nuance").

Coulée

en lingot

Coulée

contunue

Station d’affinage

Procédé d‘élaboration des aciers

Deux modes decoulée

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26 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Coulée continue

L'acier liquide est coulé dans une lingotière en cuivre de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué).Le métal commence à former une peau solide dans la lingotière violemment refroidie à l'eau. Tiré vers le bas parun jeu de rouleaux, il achève de se solidifier.A la base de l'installation, on extrait une barre solide, carrée, rectangulaire ou ronde, qui est découpée entronçons de la longueur désirée.Les demi-produits sont réchauffés dans des fours, avant de passer à l'étape suivante (laminage).

Procédé d‘élaboration des aciers

Acierliquide

Four de réchauffage

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27 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Coulée en lingots

L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fontes : les lingotières.

Une fois la solidification terminée, les lingots sont démoulés.

Après un réchauffage à 1200°C, ils sont écrasés dans un gros laminoir pour être

- Brames, ébauches de produits plats (slabbing) ,

- Blooms, futurs produits longs (blooming).

Procédé d‘élaboration des aciers

Four de réchauffage

Acierliquide

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28 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Des demi-produits aux produits sidérurgiques : laminage*

• Laminage des produits plats de la brame à la tôle:

La brame est réchauffée dans un four pour rendre le

métal plus malléable, donc plus facile à étirer et àmettre en forme. L'ébauche est ensuite amincie parécrasements progressifs entre les cylindres dulaminoir.

•Laminage des produits longs

Les blooms ou billettes issues de la coulée en lingots sonttransformés en poutrelles, profilés, rails, barres ou fils.

Certains produits plats subissent ensuite un amincissementcomplémentaire, effectuée par laminage à froid. Ils peuventégalement être revêtus pour protéger le métal contre l'oxydation.

Acier réchauffé

Procédé d‘élaboration des aciers

* Tous les produits ne sont pas mis en forme parlaminage : ils peuvent être forgés, moulés à partir

d'acier liquide ou encore fabriqués à l'aide depoudres d'alliages (métallurgie des poudres)

Le laminages'effectue àchaud

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29 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur29

En construction métallique, les produits sidérurgiques employés sont obtenues par laminage

à chaud. Leurs dimensions et caractéristiques sont normalisées et répertoriées sur catalogues.

Aciers bruts liquides

Demi-produits(blooms, billettes, brames)

Produits finis

Produits longsProduits plats

Les produits sidérurgiques

Les fils,

barres, ronds àbéton

Les rails

Les laminés

marchands

Les profilés

divers et

spéciaux

Les poutrelles

La famille des produits longs regroupe :

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30 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur30

Les produits longs

Les armatures pour béton armé (fils, barres, ronds) et profils creux

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31 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur31

Les produits longs

Les laminés marchands

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32 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur32

Les produits longs

Les profilés divers, produits dérivés et palplanches

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33 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur33

Les produits longs

Les profilés spéciaux

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34 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur34

Les poutrelles

Les produits longs

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35 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur35

Tôles, plaques…

Tôles et larges plats (laminés à chaud, ép. 3 à

20 mm);

Plaques (laminées à chaud, ép. 20 à 400 mm) :

Profils creux (soudure longitudinale),

Profilés « reconstitués par soudure » .

Tôles minces formées à froid (ép. ≤ 3 mm)

Tôles nervurées et profils « minces » (C, Z, ...)

La famille des produits plats regroupe :

Les produits plats

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36 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur36

Les principales utilisations finales des aciers d’usage général

Les produits sidérurgiques

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37 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Acier dans les fondationspoutrelles H, tubes acier remplis ou non de béton,de ronds lissés ou à haute adhérence, de treillissoudés, de palplanches : ces produits permettent derépondre à la nature très variable du terrain et auxsollicitations de charge.

Acier dans la structure principale• produits sidérurgiques : laminés, profilés de forme

en H, I, U, L... ; produits plats, tôles, larges plats,feuillards;

• produits de première transformation : profils creux,ronds, carrés, rectangulaires, hexagonaux,profilés pliés en tôle mince, profilés à froidproposant de nombreuses formes, poutrellesreconstituées soudées (PRS), poutrelles ajourées

ou pleines;• produits forgés ou moulés: d'utilisation moins

courante que les produits ci-dessus, ces piècesmassives apportent des réponses aux problèmesd'appuis, de nœuds de structure...

Les aciers dans la construction

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38 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Acier dans le second œuvre- planchers en bacs en acier

avantages : pose rapide, permet d'accéder auxétages en limitant les échafaudages et lesétayages), connexion des bacs à la structure

porteuse par soudure, goujons, ou cornières,bonne résistance au feu, permet de suspendrecanalisations, câblerie, sous-plafonds, cloisons...

- éléments de couverture

profilés à froid en acier galvanisé pré laqué ou

non, en acier inoxydable revêtu ou non d'unalliage étain-plomb

panneaux-sandwichs isolants composés d'uneâme en mousse isolante de haute densitéinjectée entre deux plaques en tôle d'acier

avantages : diversité des formes et desdimensions, qualité des revêtements, variété descouleurs, manutention et stockage faciles,nombre de joints de recouvrement réduit tout enassurant une bonne étanchéité ainsi qu'unebonne résistance aux intempéries

Les aciers dans la construction

P ié é é i h i d l’ i

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39 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Acier dans le second œuvre- bardage simple ou double avec isolant

en tôle d'acier galvanisée prélaquée ou enacier inoxydable, notamment pour lesfaçades industrielles, bâtiments de bureaux,

équipements sportifs, logementsavantages : préfabrication en usine depanneaux complets: ossature, habillage,isolation, ouvertures, étanchéité, mursrideaux associant légèreté, rigidité etétanchéité.

- équipements intérieurs

plafonds, sous-plafonds, cloisons,menuiseries, huisseries, fermetures, garde-corps, habillages des cages d'escalier,mobilier, décorations...

avantages : raccourcissement des délais,coûts économiques compétitifs, grâce enparticulier à la diminution du coût desprestations et des installations lourdes surchantier.

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

P iété é i t h i d l’ i

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40 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur40

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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41 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur41

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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42 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur42

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

Caractéristiques mécaniques

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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43 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur43

Description de l’essai de traction sur une

éprouvette d’acier

La propriété mécanique la plus souvent mise en avant pour l'acier est sarésistance à la traction.

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Résistance à la traction

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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44 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Lorsque l'acier est soumis à un effort de traction, il passe par trois états successifs :

le domaine élastique, le domaine plastique et enfin la rupture.

Allongement en mm

F(N)

Zone dedéformationélastique

Zone de déformation plastique

Point de ruptureF

Fe Charge limite élastique

e

rF

Fr : Charge limite à la rupture

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Résultats de l’essai de traction

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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45 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur45

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Résistance à la compression

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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46 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur46

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Résistance au cisaillement

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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47 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur47

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Résistance à la fatigue

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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48 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur48

Propriétés mécaniques et physiques de l acier

Dureté et résistance aux chocs

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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49 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur49

p q p y q

Fluage

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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p q p y q

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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52 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur52

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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53 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur53

Propriétés mécaniques et physiques de l’acier

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54 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur54

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Classification des aciers

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56 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

• Les aciers alliés sont ceuxpour lesquels la teneurminimale imposée de chaqueélément est égale ou

supérieure aux limites fixéespar la norme (tableau 1)

Aciers alliés pour appareils àpression

Aciers de constructionmécanique

Aciers à outils alliés

Aciers inoxydables (voirchapitre suivant )

• Par exemple : au minimum0,50 % de silicium, auminimum 0,08 % demolybdène, et au minimum10,5 % de chrome.

Classification des aciers

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57 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

• Aciers de base

aciers ne faisant l'objet d'aucune prescription nécessitant des précautionsspéciales durant la fabrication

• Aciers de qualité

aciers répondant à des prescriptions plus sévères que celles relatives auxaciers de base et demandant donc certaines précautions lors de lafabrication

• Aciers spéciaux

aciers présentant une plus grande pureté que les aciers de qualité etgénéralement destinés à subir un traitement thermique pour lequel ilsassurent une régularité de réponse; l'ajustement soigné de leur composition

et les conditions spéciales de leur élaboration leur confèrent des propriétésparticulières de mise en œuvre et d'emploi

Classification des aciers

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58 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Aciers de construction métallique

Aciers de base non alliés au Fe/C ou Fe/C/Mn (mélange ferrite-perlite)d'usage général. bonne soudabilité non destinés à subir des traitements thermiques mise en forme à température ambiante (pliage, bordage...)

domaine d'emploi est limité à l'intervalle - 60 à + 350°C.

Exemples d'aciers non alliés

Classification des aciers

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59 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Tableau - Armatures de béton armé.

Produit Nuance Norme AFNOR Observations

Rondslisses

Fe E 22Fe E 24

A 35-015 Aciers doux

Aciers écrouis à froid (torsadés)

Barres Aciers naturellement dursà haute J Fe E 40 A 35-016 Aciers à dispersoïdes

adhérence t Fe E 50 t A 35-017 Aciers obtenus par refroidissement contrôlé (procédéTorsid)

Armatures passives (béton armé)

Elle sont constituées d'aciers de base non alliés utilisés à l'état brut delaminage à chaud, parfois écrouis, ou après traitement thermique. Armatures actives (béton précontraint)

Elles sont réalisées en aciers spéciaux non alliés à teneur en carboneélevée parfois traités par trempe et revenu et le plus souvent écrouis et

vieillis pour permettre d'améliorer la résistance à la relaxation

Aciers pour armature du béton

Exemples d'aciers non alliés (suite)

L’inox – Quelques définitions

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60 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

L inox Quelques définitions

« inox » = tous les aciers inoxydables

Outre le fer et le carbone, la présence d’autres éléments d’alliages tels quele chrome, le molybdène, le nickel, le manganèse, etc., présentent laparticularité d’offrir une excellente résistance à la corrosion

4 familles d’aciers inoxydables (NF EN 10088 -1-2-3) :

– Les aciers inoxydables ferritiques (12 à 20% de chrome) et super-ferritiques (chrome > 20%),

de structure ferritique,

– Les aciers inoxydables austénitiques : Cr ≥ 17 % + Ni (nickel) ≥ 8 % + Mn (manganèse), destructure austénitique,

– Les aciers inoxydables martensitiques (12 à 18 % de chrome et 0,1 à 1 % de carbone), destructure martensitique,

– Les aciers inoxydables austéno-ferritiques

ou « duplex » : teneurs en chrome, nickel,molybdène et silicium équilibrée, structuremixte constituée d'austénite (30 à 50%)

et de ferrite (70 à 50%).

Conséquences de l’ajour d’éléments dans l’inox

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61 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

– nickel > 10 % facilité de déformation

– molybdène (quelques %) inox plus résistants en milieux agressifs chlorés

– niobium résistance au fluage

– chrome résistance à la corrosion

– titane résistance à certains types de corrosion (ex : assemblages soudés,

armatures pour le béton)

q j

Propriétés physiques et mécaniques de l’inox

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62 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Propriétés physiques et mécaniques de l inox

• Les inox austénitiques et austéno-ferritiques ont des coefficients de dilatationsupérieurs aux aciers.

• La conductivité thermique des inox austénitiques et austéno ferritiques est

inférieure à celle des inox ferritiques et des aciers.• La résistivité électrique des inox est nettement supérieure à celle des aciers.

Propriétés physiques et mécaniques de l’inox

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63 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Les inox austénitiques ne présentent pas de limiteapparente d’élasticité Re très nette.

Résistance à la corrosion de l’inox

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64 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Désignation normalisée des inox

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65 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Désignation symbolique

Désignation numériqueutilisée de façon simple : n° famille (1=acier) + n° groupe d’acier + n° d’ordre

• 40 : inox avec Ni < 2,5 % sans Mo, sans Nb, sans Ti

• 41 : inox avec Ni < 2,5 % avec Mo, sans Nb, sans Ti• 43 : inox avec Ni 2,5 % sans Mo, sans Nb, sans Ti• 44 : inox avec Ni 2,5 % avec Mo, sans Nb, sans Ti• 45 : inox avec additions particulières.• n° d’ordre : attribué par le comité européen de normalisation

Exemples d’ouvrages en inox

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66 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur

Les aciers de béton armée

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Raphaël Bodet

67

Béton Armée , on utilise:

barres,

fils redressés (bobine),

treillis soudés,

Caractéristiques mécaniques des aciers à béton

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La limite d'élasticité caractéristique f yk varie de 400 à 600 MPa .

Limite supérieure réelle d'élasticité f y,max

résistance en traction f t

La ductilité k= f t / f yk et. εuk . L’EC2 définit 3 classes :

classe A : ductilité normale (treillis soudés formés de fils tréfilés ou

laminés à froid)

classe B : haute ductilité (barres HA laminées à chaud)

classe C : très haute ductilité (aciers réservés à des usages spéciaux;

constructions parasismiques).

Module d’élasticité longitudinale (Module d’Young) Es = 200 000 MPa

Caractéristiques mécaniques des aciers à béton

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69 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur69

En France nous utilisons des aciers B500 (limite élastique fyk = 500 MPa)

pour les différentes classes de ductilité :

Diagramme contrainte / déformation

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70 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur70

a) Acier laminé à chaud b) Acier profilé à froid

Comme pour le béton, il faut distinguer le diagramme contrainte -

déformation réel du diagramme conventionnel de calcul à l'ELU qui

sera utilisé pour le dimensionnement des éléments de béton armé.

Diagramme contrainte / déformation de calcul

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71 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur71

On substitue aux diagrammes expérimentaux des diagrammes idéalisés choisisde manière à donner des approximations allant dans le sens de la sécurité.

Pour le calcul des sections, on peut utiliser l’un ou l’autre des deux

diagrammes idéalisés suivants :

Diagramme avec droite inclinée Diagramme avec palier de plasticité

γ s = 1,15 (ELU, cas général) γ s = 1 (ELU,a) γ s = 1,0 (ELS)

εud = 0,9 . εuk = 22,5 ‰

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