3. ANALYSE DES STRUCTURES, CLASSIFICATIONS

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  • cours - matière potentielle : la mise en charge
  • cours - matière potentielle : l' opération de soudage
Chapitre 1 1-1 1. L'ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES PRODUITS DERIVES POUR LA CONSTRUCTION 1.1 Du minerai de fer à l'acier liquide 1.1.1 Fer-fonte et acier au carbone Le fer est un constituant important de l'écorce terrestre. Dans le langage courant, on confond facilement, mais erronément, les notions de fer et d'acier. Le fer s'emploie rarement à l'état pur mais très souvent sous forme d'alliage avec le carbone et d'éventuels additifs.
  • courbe de transition de l'énergie de rupture par choc
  • limite d'élasticité
  • accroissement de la limite élastique
  • inégales 
  • acier de construction
  • zones de transformation métallurgique
  • acier
  • déformations
  • déformation
  • energie
  • énergie
  • energies
  • énergies
  • produit
  • produits
Publié le : mardi 27 mars 2012
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Source : argenco.ulg.ac.be
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Chapitre 1 1-1
1. L’ACIER, MATERIAU DE CONSTRUCTION, ET LES
PRODUITS DERIVES POUR LA CONSTRUCTION
1.1 Du minerai de fer à l’acier liquide
1.1.1 Fer-fonte et acier au carbone
Le fer est un constituant important de l’écorce terrestre. Dans le langage courant, on
confond facilement, mais erronément, les notions de fer et d’acier. Le fer s’emploie
rarement à l’état pur mais très souvent sous forme d’alliage avec le carbone et
d’éventuels additifs. On parle ainsi de fonte lorsque la teneur en carbone est au
moins égale à 2 % et d’acier, et plus précisément, d’acier au carbone, lorsque cette
teneur reste inférieure à 2 %. Les propriétés d’un acier dépendent fortement de la
teneur en carbone - généralement entre 0,2 à 0,5 % pour un acier de construction -
mais également de la présence éventuelle d’additifs (silice, cuivre, manganèse,
nickel, vanadium,...). Lorsque ces additifs existent en proportions significatives, les
aciers sont dits alliés. Tous les aciers, alliés ou non alliés, contiennent en outre de
petites quantités d’impuretés, notamment du phosphore et du soufre, qu’il est
impératif de maintenir dans les limites strictes pour éviter divers désagréments
(mauvaise soudabilité, sensibilité excessive à la rupture fragile, ...).
Les aciers alliés présentent généralement de meilleures propriétés de résistance que
les aciers au carbone. Ils permettent notamment d’atteindre de hautes limites
d’élasticité, qu’ils aient ou non subi un traitement thermique.
Les principaux métaux mis en œuvre dans les structures de constructions civiles sont
l’acier et les alliages d’aluminium. L’acier est le plus utilisé : il requiert beaucoup
moins d’énergie pour son élaboration - la réduction du minerai de fer consomme
seulement 1/10 de l’énergie nécessaire à la réduction de la bauxite - et combine des
qualités de bonne résistance (en compression et traction), une grande raideur
(module d’élasticité élevé) et une bonne ductilité (mise à forme par forgeage,
laminage,...). Les alliages d’aluminium ne sont normalement utilisés que lorsque la
résistance à la corrosion et/ou la légèreté sont des conditions déterminantes.
L’élaboration de l’acier requiert un processus assez complexe qui ne fait pas l’objet
de ce cours. On n’en rappellera très sommairement ci-après que les principales
étapes.
Deux procédés de fabrication sont possibles : la filière « fonte » et aciérie à l’oxygène
et la filière « ferraille » et four électrique.
1.1.2 Filière fonte et aciérie à l’oxygène
Les opérations sont les suivantes :
 transformation du minerai pour le rendre assimilable par le haut fourneau :
broyage et criblage du minerai brut, homogénéisation et chargement avec de la Chapitre 1 1-2
chaux et du coke sur la chaîne d’agglomération où il est partiellement fondu avec,
pour résultat, du minerai aggloméré;

 réduction des oxydes de fer par le coke dans le haut fourneau : le coke
combustible (distillat de la houille dans le four de cokerie) est du carbone presque
pur dont la combustion apporte, d’une part, la chaleur nécessaire à la fusion du
minerai et, d’autre part, l’oxyde de carbone qui, en réduisant les oxydes de fer,
permet au fer pur ainsi libéré de se combiner aux atomes de carbone pour former
la fonte (94 à 96 % de Fe, 3 à 4 % de C et 1 à 2 % de non ferreux, Si, S, P,...) et à
la guangue liquide, plus légère, de se séparer de la fonte en un sous-produit
exploitable : le laitier de haut fourneau;

 récupération de la fonte liquide en bas du haut fourneau et acheminement, en
wagon-poches, vers l’aciérie;

 le carbone présentant une grande affinité pour le fer liquide, la fonte produite dans
le haut-fourneau a une teneur en carbone assez élevée, ce qui la rend fragile.
L’affinage de la fonte, opération destinée à abaisser la teneur en carbone en
dessous de 2% et à éliminer les éléments indésirables se fait à l’aciérie. La fonte
liquide est versée dans le convertisseur (sur une charge de chaux et de ferraille)
dans lequel on insuffle de l’oxygène qui brûle presque complètement les éléments
indésirables (les oxydes formés sont fixés par la chaux et produisent un laitier qui
est évacué). La température passe de 1250° (fonte liquide) à 1600°C (acier
liquide);

 ajustement de la composition chimique de l’acier, visant à améliorer la pureté et la
qualité du métal, par addition strictement contrôlée des éléments d’alliage.
1.1.3 Filière « ferraille » et four électrique
Cette filière consiste à recycler indéfiniment l’acier puisque le produit fini est obtenu à
partir d’une matière première qui est elle-même de l’acier. Elle participe donc à la
protection des ressources naturelles. Les opérations sont les suivantes:
 préparation de la ferraille provenant de démontages ou de démolitions, de chutes
d’acier ou de fontes : tri, calibrage, broyage;

 stockage, dans un four électrique (vaste cuve comportant des électrodes), de
ferrailles de choix et des additions éventuelles de métaux divers;

 production d’arcs électriques puissants entre les électrodes et la charge à fondre;

 ajustement de la composition chimique de l’acier comme pour les aciers élaborés
à l’oxygène.
La filière « ferraille » contribue pour une part sans cesse croissante à l’élaboration de
l’acier ; elle fait en effet l’économie d’équipements lourds et est plus économique en
énergie. Chapitre 1 1-3
1.2 De l’acier liquide aux demi-produits
A la sortie d’une quelconque des filières ci-dessus, l’acier liquide est recueilli et
transporté au lieu de coulée, où se réalisent la solidification de l’acier et l’ébauche
des formes. Deux procédés de coulée coexistent : la coulée en lingots et la coulée
continue. En raison des gains de matière et de productivité permis par la coulée
continue, celle-ci devient le mode de coulée prédominant.
La coulée en lingots consiste à couler l’acier dans des moules en fonte (lingotières)
où il se solidifie. Après démoulage, les lingots sont rechauffés à 1200°C
(homogénéisation en fours Pitts) puis traités dans un gros laminoir dégrossisseur
pour être transformés en demi-produits grossiers. Ceux-ci sont des ébauches de
produits plats (brames, slabs) ou de produits longs (blooms).
La coulée continue permet l’obtention directe des demi-produits sans l’étape
blooming-slabbing de la coulée en lingots. L’acier liquide est coulé dans une
lingotière en cuivre (de section adaptée au demi-produit à fabriquer) qui est refroidie
violemment à l’eau de manière que le métal forme, en se refroidissant, une sorte de
peau solide qui est tirée vers le bas par un jeu de rouleaux. Le métal achève de se
solidifier et on recueille, à la base de l’installation, une ébauche solide préformée qui
est coupée aux longueurs désirées.
1.3 Des demi-produits aux produits finis
La transformation en produits finis consiste principalement à réchauffer les demi-
produits dans des fours puis à les étirer et écraser le métal (laminage) pour lui
donner les formes et dimensions désirées.
Parmi les produits finis, on distingue :
 les produits plats : tôles fortes (t > 10 mm), tôles moyennes (2 < t < 10 mm) en
feuilles ou bobines, produits plats laminés à froid (t < 3 mm);

 les produits longs : rails, poutrelles, palplanches, fils, barres, ronds à béton.
Le laminage s’effectue normalement à chaud (de 800 à 1200°C) dans des
installations désormais pilotées par ordinateur avec des vitesses de sortie allant de
100 km/h pour les tôles à 350 km/h pour les fils. Il consiste à faire passer le métal
réchauffé un certain nombre de fois (passes de laminage) entre deux cylindres
tournant en sens inverse. Ces cylindres sont soit lisses, soit ils portent des
cannelures selon le type de produit fini souhaité et leur entredistance est adaptée à
chaque passe de laminage. On obtient ainsi progressivement un produit de section
de plus en plus faible mais de plus en plus long.
Pour certains produits plats de faible épaisseur, on effectue d’abord un laminage à
chaud puis on procède à un amincissement complémentaire des sous-produits
intermédiaires obtenus, à l’aide d’un laminage à froid.
Un certain nombre de produits sidérurgiques peuvent aussi subir des transformations
en aval de l’industrie sidérurgique proprement dite. Ces transformations peuvent Chapitre 1 1-4
consister en opérations de mise à forme (profilés minces formés à froid, tôles
nervurées, profils creux) et, en opérations de revêtement (galvanisation, étamage,
pré-peinture, laquage, galvaniplastie) et en éventuelles opérations de
parachèvement.
Toute la gamme des profils à froid et des tôles nervurées sont obtenues à partir de
tôles minces, fournies très généralement sous la forme de bobines, au terme d’un
processus de formage à froid en continu au travers d’une série de cages à galets
calibrés de telle manière que la tôle soit amenée progressivement, mais sans
dommage, à la forme désirée.
Ce formage à froid est éventuellement terminé par une opération de soudage
automatique pour la fabrication de profils creux. A cet égard, on notera qu’un profil
creux à section carrée ou rectangulaire est généralement obtenu à partir d’une
ébauche à section circulaire mise à forme par profilage à froid, voire à chaud. Les
profils creux de grand diamètre peuvent être obtenus par cintrage oblique de la
bande mère et soudure hélicoïdale. On peut aussi les réaliser par assemblages de
tôles ou de viroles cintrées.
1.4 Destination des produits finis
Dans le Tableau 1-1, on a tenté de donner une idée générale de l’usage fait des
diverses familles de produits finis. Ce tableau ne peut toutefois être exhaustif.
Produits plats Tôles fortes  Navires, oléoducs, construction offshore.
 Ponts, passerelles


Tôles moyennes  Biens de consommation, chaudronnerie,
jantes de roues d’automobile


Tôles laminées à froid Biens de consommation (automobile,
bâtiment, électro-ménager, emballages, ...)
Produits longs  Tous secteurs industriels ; en particulier :
construction métallique, industrie
mécanique.

Tableau 1-1 Types de produits finis en acier
Si l’on se borne aux applications des produits finis en acier dans le domaine des
constructions civiles, on peut dresser l’inventaire suivant des produits proposés par
les sidérurgistes et les transformateurs (Tableau 1-2).
Les produits courants du commerce (poutrelles, aciers marchands, profilés creux,
certains profilés minces formés à froid) sont repris dans des catalogues édités par les
sidérurgistes eux-mêmes, soit par les transformateurs ou encore par les associations
professionnelles. Ces catalogues fournissent aussi les principales propriétés
mécaniques de ces produits. Chapitre 1 1-5
Certains éléments métalliques particuliers (appuis, joints, ...) sont réalisés non pas à
partir de produits laminés mais en acier forgé ou en acier moulé. Le forgeage est un
façonnage par choc ou par serrage, à la manière du forgeron, tandis que le moulage
consiste à couler le métal en fusion dans un moule de la pièce à réaliser, à l’instar de
ce qui est fait en fonderie.
Profilés Poutrelles en I, H ou U  IPE, IPN, HEA, HEB, HEM,..., UAP, UPN,...

Profilés minces formés Cornières à ailes égales ou inégales
à froid  Profils en U, C, en omega,
en sigma, en zed

Tôles nervurées

Profilés creux  A section carrée, ronde ou rectangulaire

Palplanches

Laminés marchands  Cornières à ailes égales ou inégales
 Petits fers eu U ou en T
 Plats
 Ronds et carrés d’usage général

Armatures pour béton armé Barres  Rondes ou lisses à section circulaire
ou précontraint  Treillis soudés

Fils  Fils lisses ou à adhérence améliorée
 Treillis soudés

Tableau 1-2 Principaux produits finis utilisés en constructions civiles
1.5 Caractéristiques mécaniques des aciers
Les propriétés requises pour un acier dépendent de son domaine d’application. Pour
l’acier de construction métallique, la résistance mécanique, la résistance à la rupture
fragile et la soudabilité sont primordiales. Pour l’acier destiné aux tôles minces, la
ductilité et la qualité de surface du produit fini sont tout aussi importantes.
1.5.1 Comportement en traction
La plupart des propriétés mécaniques d’un acier de construction sont déterminées à
partir d’un essai de traction sur éprouvette normalisée de section A, au cours duquel
on relève la relation obtenue entre l’effort de traction appliqué N et l’allongement L
d’une base de mesure donnée de longueur L. On peut en déduire le diagramme
reliant la contrainte σ = N/A à la déformation ε = L/L. La Figure 1-1 donne un
exemple de tel diagramme pour un acier au carbone de construction. Chapitre 1 1-6

fu
fy.sup
fy.inf
p
r
Figure 1-1 Diagramme contrainte-déformation d’un acier de construction
Dans une première phase de l’essai, l’éprouvette s’allonge élastiquement d’une
quantité proportionnelle à la sollicitation, jusqu’à une valeur σ égale à la limite
proportionnelle σ . Dans ce domaine, les déformations sont linéaires et réversibles ; p
c’est le domaine de la déformation élastique défini par la loi de Hooke :
(1-1)
où E est le module d’élasticité, aussi appelé module de Young. Ce dernier est
5sensiblement le même pour tous les aciers et vaut environ 2,1 10 MPa. Pour des
contraintes supérieures à σ , le diagramme σ-ε s’incurve légèrement, atteint un pic, p
donné par la limite supérieure d’élasticité f , où l’acier commence soudain à se y,sup
plastifier de manière discontinue (Figure 1-1). Dès lors, pour une contrainte f y,inf
légèrement inférieure à f , appelée limite inférieure d’élasticité, l’éprouvette y,sup
continue à se plastifier et à s’allonger sous une sollicitation constante jusqu’à
atteindre une élongation de l’ordre de 1,5 % de la longueur initiale, soit plus de 10
fois l’élongation maximum atteinte avant le début de la plastification.
Si l’éprouvette est encore davantage étirée, le métal se ressaisit - ou se durcit - et un
accroissement de sollicitation est nécessaire pour engendrer une déformation
supplémentaire. Ce phénomène de consolidation, appelé écrouissage, se développe
jusqu’à ce que l’éprouvette atteigne sa charge maximale (contrainte ultime f ), u
connue sous le nom de résistance à la traction. Au-delà du domaine élastique, tout
déchargement se fait suivant une droite de déchargement parallèle à la droite de
Hooke et il subsiste une déformation irréversible et permanente appelée déformation
plastique. Le rechargement s’effectue en suivant d’abord, en sens inverse, la droite
de déchargement puis selon la suite du diagramme σ-ε. Au-delà du point où la
courbe de traction atteint son maximum, le métal continue à s’allonger mais sa
résistance diminue. Il se rompt après avoir vu sa section transversale se réduire
localement dans une zone de striction. L’élongation à la rupture ε est en général r
supérieure à 20 %.
Il est courant de considérer que le domaine des déformations élastiques réversibles
s’étend jusqu’à la sollicitation associée au palier plastique. Ceci revient donc à
assimiler la limite d’élasticité inférieure f à la limite proportionnelle σ . y,inf p Chapitre 1 1-7
L’essai de traction permet donc de déterminer les principales caractéristiques
suivantes :
 la résistance à la traction ou contrainte ultime f , qui indique si le matériau est u
résistant ou faible;

 la limite d’élasticité f , qui indique si le matériau est dur ou doux et détermine le y
domaine dans lequel les déformations sont réversibles;

 le module d’élasticité E, qui gouverne l’amplitude des déformations dans les
conditions de service, celui-ci correspondant normalement au domaine élastique
d’utilisation de l’acier;

 la capacité de déformation plastique avant rupture ou l’allongement à la rupture ε , r
qui témoigne de la ductilité ou de la fragilité de l’acier.
La faculté, pour les aciers de construction, de supporter de larges déformations
plastiques avant rupture, connue sous le nom de ductilité du matériau, est une
propriété fondamentale. Par opposition à un matériau, telle la fonte ou le verre, qui
se rompt sans signe prémonitoire, la rupture d’un acier ductile est précédée de
signes avant-coureurs, sous forme de déformations plastiques permanentes mais
non catastrophiques. La ductilité est indispensable à divers égards pour permettre un
comportement correct de la structure, et plus particulièrement de tous les types
d’assemblages. Le calcul plastique des constructions, développé à partir des années
50, est fondamentalement justifiable par la ductilité de l’acier.
L’accroissement de la limite élastique et dès lors de la contrainte ultime, obtenu par
l’addition d’éléments d’alliage ou par traitement thermique, se traduit généralement
par une diminution relative du domaine purement élastique, d’une part, et de
l’allongement total avant rupture, d’autre part. Un acier fortement allié présente un
diagramme σ-ε où il n’est plus guère possible de repérer de limite d’élasticité (Figure
1-2). On définit alors une limite conventionnelle d’élasticité à 0,2 %, contrainte à
laquelle correspondrait une déformation rémanente de 0,2 % après déchargement.
L’accroissement de la limite élastique peut aussi être obtenu par écrouissage, c’est-
à-dire par un traitement mécanique de mise à forme qui engendre des déformations
plastiques dues au dépassement de la limite élastique de l’acier. L’écrouissage
trouve plusieurs applications en génie civil : profilés formés à froid, câbles étirés pour
ponts suspendus et haubanés, aciers d’armature, aciers de précontrainte, ...
L’accroissement de la limite élastique s’accompagne toutefois d’une certaine
réduction de la ductilité. Chapitre 1 1-8

acier pour câble
acier pour boulon HR
S460
S355
S235


Figure 1-2 Courbes de traction relevées pour diverses nuances d’aciers de
construction
1.5.2 Comportement en compression
Le comportement en compression d’une éprouvette courte - entendant par là qu’elle
ne peut devenir instable par flambement au cours de la mise en charge - est pour
ainsi dire symétrique du comportement en traction décrit plus haut. Compte tenu de
l’élancement habituel des pièces, la ruine par compression d’un élément structural
survient le plus souvent par instabilité, pour des valeurs de la contrainte de
compression inférieures à la limite d’élasticité.
1.5.3 Energie de rupture des aciers de construction
métallique
L’expérimentation de l’essai de traction décrit ci-avant ne permet pas d’expliquer la
rupture fragile d’un acier, c’est-à-dire une rupture sans déformation permanente
résiduelle. Pour définir les caractéristiques des aciers de construction à cet égard, on
a recours à l’essai de flexion par choc sur barreau entaillé (Figure 1-3).
Cet essai consiste à rompre d’un seul coup de mouton-pendule une éprouvette
normalisée portant une entaille en V en son milieu et reposant sur deux appuis. On
détermine l’énergie absorbée par la rupture en mesurant les variations de hauteur du Chapitre 1 1-9
pendule avant et après rupture. On déduit la caractéristique de résilience,
représentée par le symbole KCV, selon :
Résilience = Energie absorbée par la rupture (en joules)
Aire de la section entaillée de l’éprouvette (en cm²)
La résilience varie de manière très significative avec la température (Figure 1-4).
C’est pourquoi cette caractéristique est tellement importante dans la construction
soudée, dont les débuts ont été marqués par des accidents retentissants dus à la
rupture fragile des aciers après mise en oeuvre. Aux basses températures (T < T ), 2
on observe une cassure à grains sans déformation tandis qu’aux hautes
températures (T > T ), on décèle une cassure à nerf avec déformations 1
permanentes. Dans la zone intermédiaire (T < T < T ), dite zone de transition, la 2 1
rupture survient selon l’un ou l’autre mode : ductile à la périphérie et fragile en partie
centrale de la section de rupture.
La diminution de l’énergie absorbée lorsque la température s’abaisse résulte
évidemment de la diminution puis de la disparition des déformations permanentes.
Le comportement d’un acier est décrit par sa température de transition de référence
de la résilience, définie comme la température à laquelle l’énergie de rupture atteint
un niveau donné, pris souvent égal à 27 joules pour les éprouvettes normalisées ISO
à entaille en V. La relation complexe entre température de transition et température
minimale de service fait intervenir divers facteurs tels que l’épaisseur de la pièce, le
niveau de sollicitation, la vitesse d’application de la mise en charge, la taille des
défauts initiaux de la structure cristalline,...
Il importe de déterminer le choix d’une nuance d’acier en fonction de la destination
de la construction. Une méthode de calcul à cet égard est proposée dans l’Eurocode
3.
Rapporteur
d’angle
Index Couteau
Pendule
Eprouvette entaillée
Bâti de la
Marteaumachine Appui
Détail de l’éprouvette sur son appuiEprouvetteAppui

Figure 1-3 Essai de flexion par choc sur une éprouvette entaillée
Chapitre 1 1-10
Energie absorbée
(en Joules)
Cassure à grains Zone de transition Cassure à nerf avec
sans déformation déformations permanentes
27 J.
T T T Température2 K27 1

Figure 1-4 Courbe de transition de l’énergie de rupture par choc
1.6 Soudabilité des aciers
La construction métallique fait très largement appel au soudage pour la réalisation de
divers types de joints ou d’assemblages. On attend d’un joint soudé qu’il présente
des caractéristiques, notamment de résistance, de ductilité et d’endurance,
comparables à celles du métal de base. Il importe donc de caractériser un acier par
sa soudabilité, c’est-à-dire par la possibilité de le souder sans difficultés majeures
compte tenu que la région thermiquement affectée par le soudage présente des
zones de trempe dures et fragiles dans les zones de transformation métallurgique,
éventuellement un grossissement des grains et des criques dans les zones de
liaison.
On aborde dans d’autres cours les problèmes liés au choix rationnel du procédé de
soudage et du métal d’apport et à la détermination des séquences de soudage
susceptibles de minimiser les contraintes de retrait. Tous ces problèmes peuvent être
sources d’incidents sérieux.
Par ailleurs, les éléments d’addition, qui confèrent à l’acier des propriétés
mécaniques ou chimiques spécifiques, influent sur la soudabilité. En effet, si le
carbone est l’élément le plus influent, les éléments tels que le manganèse, le
chrome, le molybdène, le nickel,... affectent la sensibilité de l’acier à la température
au cours de l’opération de soudage. Il est possible d’évaluer la trempabilité globale
d’un acier de composition chimique donnée en définissant la teneur de carbone
équivalent. Le carbone est choisi arbitrairement comme élément de base et on
affecte à chaque élément d’addition un coefficient de pondération ou coefficient
d’équivalence, traduisant son effet sur la trempabilité de l’acier par comparaison au
carbone. On a ainsi :

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