Le matériau acier et produits sidérurgiques I. Généralités · PDF fileCHAPITRE I (Charpente métallique) Bensalah M.D. Page 2 Cette première étape sert à combiner, selon des

CHAPITRE I (Charpente métallique) Bensalah M.D.

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Le matériau acier et produits sidérurgiques

I. Généralités : Lors de la réalisation d’un projet, le maitre d’ouvre a pour mission, entre autres, d’établir

un cahier des charges définissant les conditions d’emploi de la construction. Il lui revient

d’associer les exigences techniques du maitre de l’ouvrage (fonction, situation géographique

…) avec une partie architectural qui intègre les paramètres fonctionnels liés aux contraintes

réglementaire, administratives, techniques… le matériau de base choisi pour la structure

principale doit posséder les caractéristiques nécessaires et suffisantes pour répondre à sa mission,

conformément aux critères de sécurité et de pérennité.

En particulier, le cahier des charges définit, les diverses sollicitations auxquelles les matériaux de

structure seront soumis : charges permanentes, surcharges d’exploitation, charges

climatiques. Ce cahier des charges est ensuite remis au bureau d’études qui à l’issue des études

de conception, définit les nuances et qualités d’acier appropriées, les sections constituant

l’ossature de l’ouvrage et les modalités de mise en œuvre. Dans ce qui suit sont abordées les

notions générales du comportement de l’acier, l’évolution récente des nouvelles nuances d’acier

ainsi que celle des nouveaux produits laminés.

L'industrie sidérurgique s'est développée à la fin du 19ème siècle en proposant des

produits de construction (laminés ou moulés) adaptés à la construction d'ossatures métalliques -

Charpente Métallique.

Ces éléments de construction "rigides" permettent de dégager des grands espaces utiles au sol. La

portée des éléments d'ossature peut atteindre plusieurs dizaines de mètres.

En outre le poids de ces éléments d'ossature, comparé à ceux d'une même structure en béton armé

(ou maçonnerie) est réduit et allège considérablement les charges transmises au sol.

Associé à des éléments de peau "légers" (bardage, façades rideau ... ), ces structures sont adaptées

à la réalisation de constructions telles que salles de sports, piscines, entrepôts, usines... Leur

réalisation est rapide (assemblage direct d'éléments préfabriqués) et donc d'un prix très

compétitif.

II. Les procédés d’élaboration de l’acier

1/ Des matières premières à l’acier liquide :


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Cette première étape sert à combiner, selon des dosages précis, les composants chimiques de

l’acier : Fer et Carbone (composant de base de l’acier) et éventuels additifs, qui vont nuancer

les qualités de l’acier en fonction de son utilisation future.

Deux procédés sont possibles :

Filière Fonte et aciérie à l’oxygène (Matière première Mineriez+chaux+coke =

Produit fini Fonte-Acier) ;

Filière « Ferraille » et Four électrique (Matière première Acier= Produit fini

Acier).

2/ De l’acier liquide aux demi-produits :

A la fin de l’opération de l’élaboration, l’acier est recueilli à l’état liquide est transporté

jusqu’au lieu de coulée. Cette étape assure la solidification de l’acier et l’ébauche des formes.

Pour cette phase également, deux procédés existent : la coulée en lingots (en voie de

régression), la coulée continue (prédominant).

• Coulée continue : Obtention direct de demi-produit→ébauche solide, carrée,

rectangulaire où ébauche préformée en tronçons de longueur désirée qui sont

réchauffées avant de passer à l’étape suivante de laminage.

• Coulée en lingots : L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fonte : les

lingotières. Apres solidification, les lingots sont démoulés. Après réchauffage à

1200°C ils sont écrasés dans un gros laminoir pour être transformés en :

- Barres, ébauches de produit plats (slabbing) ;

- Blooms, Futures produits longs (blooming).

3/ Des demi-produits aux produits sidérurgiques finis :

Cette transformation consiste principalement à laminer les demi-produits, c'est-à-dire à étirer

et écraser le métal afin de lui donner les dimensions et formes souhaitées. Les plaques

(épaisses) et Tôles (minces) en feuilles ou bobines forment la famille des « Produits plats ».

Les rails, Poutrelles, Fils, Barres de diverses sections composent la famille des « Produits

longs ». Le laminage s’effectue à chaud (de 800°C à 1200°C). Certains produits plats

subissent ensuite un amincissement complémentaire effectué par laminage à froid.


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• Le laminage à chaud :

Il s’agit d’entrainer et d’écraser le métal chaud (lingot où ébauche de coulée continue)

entre deux cylindres tournant en sens inverse. Les cylindres sont lisses pour les produits

plats, à cannelures pour les « Profilés » produits longs. En répétant plusieurs fois

l’opération, on obtient un produit de plus en plus mince et de plus en plus long, de la

forme souhaitée.

Après le laminage à chaud, les produits peuvent faire l’objet d’un parachèvement :

Traitement thermique (afin d’ajuster leurs caractéristiques mécaniques), Planage,

Dressage, Découpage, Conditionnement, etc.

• Le laminage à froid :

Une part importante des produits plats laminés à chaud est ensuite laminée à froid pour en

réduire encore l’épaisseur. Enfin l’ultime transformation, une opération de recuit donne au

métal les propriétés d’emploi désirées (notamment l’emboutissabilité). Tandis qu’un

éventuel revêtement est appliqué pour protéger le métal contre l’oxydation : Zinc (tôle

galvanisée) où étain (Fer blanc). Ces tôles revêtues peuvent en outre être laquées ou

plastifiées.

• Les deux grandes familles de produits finis :

On retrouve dans la famille des produits plats :

- Les plaques d’une épaisseur supérieure à 10mm pouvant aller jusqu’à 150mm,

leur largeur peut atteindre 5m, leur épaisseur courante se situe entre 15mm et

25mm. (Utilisées dans les ponts, passerelles, navires…) ;

- Les tôles à chaud, en feuilles ou en bobines d’une épaisseur comprise entre 2

et 10mm (chaudronnerie) ;

- Les produits laminés à froid d’une épaisseur inférieure à 3mm, éventuellement

revêtus, disponibles sous forme de feuilles ou de bobines, leurs utilisations

sont très nombreuses, particulièrement pour la fabrication de biens de

consommation tels que, l’automobile, le bâtiment, l’électroménager, les

emballages métalliques….


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La famille des produits longs regroupe une grande diversité de produits : rails, poutrelles,

palplanches, fils machine, ronds à béton, laminés marchands. Les produits longs sont

utilisés dans tous les secteurs industriels, mais particulièrement dans les constructions

métalliques et dans l’industrie mécanique.


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III. Première et deuxième transformations des produits en acier

Pour répondre à tous les besoins et élargir l’éventail des possibilités de construction, de très

nombreux produits en aciers sont proposées par les sidérurgistes et par les transformateurs :

1. Les profilés :

Poutrelles classiques en I, U et H (tableau 1.1)

Profilés minces formes à froid (tableau 1.2)

Profilés creux (tableau 1.2)

Profilés reconstitués soudés (tableau 1.3)

Les Profilés angulaires (cornières et Tés, (tableau 1.3))

Les barres et fils ronds, carrés, plats (tableau 1.1)

2. Les produits plats :

Tôles minces épaisseur < 3mm

Tôles moyennes épaisseur 3mm≤e<5mm

Tôles fortes épaisseur ≥5mm

Produits livrés en feuille (plaques, Tôles à chaud)

Produits livrés en bobines

Produits plats revêtus d’un métal protecteur (zingués, galvanisés, plaqués, …..)


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IV. Types de structure métalliques :

Une structure métallique est constitués de différents types tel que :

Les bâtiments administratifs en (structures poteaux & poutres, structures mixtes ou structures

contreventés…), les hangars, les silos …etc. voir figure 1.


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Détails A : Assemblages rigide

Encastrement Poteau‐ poutre

Assemblages articulée

Articulation Poteau‐ poutre

Figure 1 : Types de structures métalliques


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V. Propriétés de l’acier :

4. 1 Généralité : L’acier est un élément constitué essentiellement de fer et une petite quantité de carbone, qui

sont extraits de matières premières naturelles tirées du sous-sol (mines de fer et de carbone)

a/ Composition Chimique :

L'acier est un alliage de fer (plus de 90%) et de carbone renfermant au maximum 2% de

ce dernier élément. Il peut contenir de petites quantités d'autres éléments incorporés,

volontairement ou non, au cours de son élaboration.

Impuretés involontaires : (le phosphore, le soufre et l’azote) qui altèrent les propriétés

des aciers

Ajout de métaux volontairement : le but de cet ajout est d’améliorer les

caractéristiques mécaniques (limite d’élasticité, ductilité, soudabilité, résistance à la rupture,

dureté, teneur à la corrosion, …).

Le carbone « constituant essentiel » : Une bonne part des caractéristiques

mécaniques des aciers de construction dépend de cet élément.

b/ Caractéristiques Mécaniques de l’Acier :

Certaines caractéristiques mécaniques d’un acier telles que la résistance à la traction,

limite d’élasticité, allongement de rupture, sont définies par l’essai de traction sur éprouvette

qui permet d’établir le diagramme contrainte-déformation spécifique.


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Diagramme Contrainte - déformation

Allure générale de la relation contrainte-déformation spécifique d’une éprouvette en acier de construction obtenu par un essai de traction effectué par allongement contrôlé. On peut distinguer quatre domaines :

- Domaine élastique (zone 1) : il s’agit de la zone dans laquelle la déformation spécifique est proportionnelle à la contrainte (loi de Hooke), dans ce domaine on peut admettre que le diagramme est une ligne droite définie par l’équation suivante :

εσ Ee =

σ : Contrainte ; E module de Young ; ε déformation spécifique.

La limite d’élasticité σe qui est la contrainte à partir de laquelle les allongements deviennent permanents, et qui correspond au seuil à partir duquel il n y a plus de proportionnalité entre la contrainte et allongement. Si la force engendrant la déformation est relâché avant que la contrainte n’atteignent σe, c.-à-d. que la contrainte reste dans le domaine élastique l’éprouvette revient ça dimension initiale.

ε=ΔL/L0

Rupture

Zone1

Élastique

σ=N/A0

σR

σe A A’

B

C

Zone 2

Plastique

Zone 3

D’écrouissage

εe

Zone 4

Striction

εw εr


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Par convention, σe est la contrainte qui correspond à l’allongement 0.2%.

- Domaine d’écoulement ou plastique (zone 2) : le palier d’écoulement qui est une caractéristique propre aux matériaux métalliques, surtout visible pour des aciers non alliés à faible limite d’élasticité, correspond à la zone dans laquelle le matériau se déforme sans augmentation de la contrainte. Cette zone se situe juste après le domaine élastique si on relâche la force, la décharge se fait élastiquement est le matériau bien que revenant partiellement en place, conserve une déformation permanente.

- Domaine d’écrouissage (zone 3) : Après le palier d’écoulement, il faut à nouveau augmenter la sollicitation pour accroitre la déformation. La limite supérieure de la zone d’écrouissage est appelée « Résistance à la traction » de l’acier Rt la déformation spécifique correspondant à la traction est noté εw.

- Domaine de la striction (zone 4) : le domaine de la striction correspond à une réduction localisée de la section de l’éprouvette amenant la rupture du matériau, survenant pour des déformations supérieures à εw. L’allongement à la rupture εr.

Les domaines (2), (3) et (4) forment le domaine de comportement plastique du matériau. σR : contrainte de rupture à la traction (qui correspond au point B).

Les valeurs de calcul normalisées des principales caractéristiques des aciers de construction sont les suivantes :

- E : module d’élasticité longitudinal de l’acier :

- ν : coefficient de poisson : généralement ν = 0.3

- G : module d’élasticité transversal de l’acier :

- ρ: densité de l’acier :

- α: coefficient de dilatation thermique :

E = tgα = 210000 Mpa

ν =( Δφ /φ)/ ( ΔL /L)

G = E/ 2( 1+ν) = 81000 Mpa

ρ = 7.85 t/m3 = 7850 kg/m3

α = 12 x10-6 /°C


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c/ Avantages et Inconvénients des Structures Métalliques :

Le choix d’un matériau pour une construction déterminée doit se faire en fonction des avantages et de désavantages des différents matériaux offerts. Parmi ces avantages et ces désavantages, on peut citer :

Avantages :

- Des matériaux utilisés en construction, l’acier est le plus résistant. Il en résulte des dimensions moins encombrantes, des portées plus grandes, des constructions plus légères, avantages appréciables dans le cas de fondations sur sol de mauvaise qualité.

- Le comportement et les propriétés mécaniques l’acier sont pratiquement invariables avec le temps. En outre, les valeurs des diverses caractéristiques de l’acier des éléments constituant une structure sont connues avant le début de l’érection. Il ne sera pas donc pas nécessaire d’attendre 28 jours (cas du béton) pour s’assurer de la qualité de lu matériau.

- L’acier est très ductile (allongement sans se rompre), le palier d’étirage constitue une sécurité supplémentaire à la rupture. Il permet aussi des déformations plastiques aux endroits les plus sollicités, constitue un atout majeur en cas de tremblement de terre.

En cas de rupture, le palier d’étirage ralentit l’effondrement de la structure et évite ainsi les pertes en vie humaine.

- Les divers éléments d’une structure d’acier sont réalisés en usine puis amenés sur chantier pour y être assembles. Cette préfabrication permet de travailler en toute saison et accélère l’érection.

- L’ossature d’acier permet, sans difficulté, des modifications. On peut y ajouter des éléments d’acier, on peut renforcer une structure existante en d’une nouvelle utilisation, comme on peut récupérer les parties non endommagées dans le cas de destruction partielle d’un ouvrage.

désavantage :

- L’entretien d’une structure d’acier soumise à l’action des agents atmosphériques est toujours coûteux.

- A haute température, la limite d’élasticité de l’acier diminue rapidement, ce qui risque d’amener la rupture par déformation plastique. La protection consiste alors à enrober le métal dans un matériau isolant comme le béton, des panneaux de gypse etc. Quelle que soit la méthode employée, son coût devient très élevé.


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- L’instabilité ou le flambage est un inconvénient à cause de la résistance élevée de l’acier qui impose des sections de petites dimensions qui engendrent dans le cas d’éléments comprimés un phénomène d’instabilité.

VI. Nuance d’acier :

Le tableau suivant donne les désignations et quelques caractéristiques des principaux aciers de constructions

- Norme AFNOR NF A35.501 :

« A » suivi d’un nombre qui est la limite de rupture ou « E » suivi d’un nombre qui est la limite élastique (fy ou σe). Chaque type peut être affecté d’un coefficient de qualités 1-2-3 ou 4 qui traduit à la fois un meilleur affinage et des garanties de cette noblesse (%C (carbone), S (soufre), P (phosphore), résilience).

On peut retenir pour chaque qualité les critères d’utilisations suivantes :

« 1 » →Acier ordinaire :

- Constructions peu importantes - Sollicitations peut sévères - Eléments Secondaires - Soudure peu résistantes (Acier non calmé) - Assemblages boulonné

« 2 » →Qualité Normale :

- Constructions courantes - Le danger de rupture fragile est pris en considération - Soudure résistante

« 3 » →Qualité Amélioré :

- Le danger de rupture fragile doit être pris en considération - Tôles de toutes épaisseurs

« 4 » →Haute Qualité :

- Rupture fragile à la base du choix - Peu utilisé en construction courante


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- Différent type d’acier :

Aciers

d’usage général

Aciers à haute

limite d’élasticité

Aciers à résistance amélioré à la corrosion

atmosphérique Ancien Norme

NF A35.501

Norme Européenne

NF EN 10025

Ancien Norme

NF A36.201

Norme Européenne

NF EN 10113

Ancien Norme

NF A35.502

Norme Européenne NF

EN 10155

E24-2

E24-3

E24-4

S 235-JR

S 235-JO

S 235-J2G3

E 24-W3

E 24-W4

S 235-JOW

S 235-J2W

E28-2

E28-3

E28-4

S 275-JR

S 275-JO

S 275-J2G3

-

-

S 275-N

S 275-NL

E36-2

E36-3

-

E36-4

S 335-JR

S 335-JO

S 335-J2

S 335-K2G3

E 335-R

E 335-FP

E 375-R

E 375-FP

S 335-N

S 335-NL

-

-

E 36-WA3

E 36-WA4

E 36-WB3

-

E 36-WB4

S 335-JOWP

S 335-JOW

S 335-JOW

S 335-J2W

S 335-K2W

E 420-R

E 420-FP

S 420-N

S 420-NL

E 460-R

E 460-FP

S 460-N

S 460-NL

NB : exemple S235 Limites d’élasticités (fy) est de:

fy =235Mpa = 23.5 daN/mm² =23.5 Kg/mm².

Les symboles JR, J0, J2 et K2 désigne la qualité de l’acier dont :

JR pour une garantie 20°C

J0 pour une garantie 0°C

J2 pour une garantie -20°C


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Un 4ème niveau de qualité noté K2 réservé à la nuance S355, correspondant à une énergie minimale de rupture de 40 joules à -20°C.

Etat de livraison repéré par

La lettre N désigne l’état normalisé obtenue par laminage normalisant

La lettre M désigne l’état obtenue par laminage thermomécanique

L’énergie de rupture

Performance par défaut (énergie de rupture 40joules à -20°C)

Codé par la lettre L (énergie de rupture 27joules à -50°C)

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