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MA1 – COURS DE CHARPENTES METALLIQUES INSTITUT HEMES GRAMME Ir. Jacques Dehard

MA1 – COURS DE CHARPENTES METALLIQUES INSTITUT HEMES GRAMME Ir. Jacques Dehard Professeur Les aciers de structure - Deh 2008 1 MA1 – COURS DE CHARPENTES METALLIQUES LES ACIERS DE STRUCTURE INSTITUT HEMES GRAMME Ir. Jacques Dehard Professeur Les aciers de structure - Deh 2008 2 1. Familles de produits 1.1 Les produits plats La famille des produits plats regroupe : - les tôles et larges plats laminés à chaud, en feuilles ou bobines, d’une épaisseur comprise entre 3 et 20mm et d’une largeur limitée à 1,8m. Elles servent à la fabrication des charpentes, des PRS (profils reconstitués par soudure), de biens d’équipement (chaudronnerie), …et des profils creux (ou tubes). Ces derniers sont fabriqués à partir de tôles pliées dans le sens de la longueur et soudées longitudinalement, ont une longueur de 6 à 15m et un diamètre maximal de 400mm. Les tubes de sections carrée, rectangulaire, hexagonale, elliptique, sont, en général, formés au départ de tubes ronds. - les plaques laminées à chaud, d’une épaisseur supérieure à 20 mm pouvant aller jusqu’à 400 mm, et d’une largeur maximale de 5,2m. Elles sont utilisées pour la fabrication de biens d’équipements (navires, plates-formes offshore, tubes des oléoducs), la grosse chaudronnerie, la charpente lourde (PRS) et les ouvrages d’art (ponts, passerelles). Dans cette famille de produits plats, sont également classées les tôles d’épaisseur variable utilisées dans les ouvrages d’art (avantage : moins de joints soudés, notamment entre tôles d’épaisseurs différentes et pour l’empilage de plats renforts). - les tôles minces laminées à froid d’une épaisseur inférieure ou égale à 3 mm, souvent galvanisées et revêtues, disponibles sous la forme de feuilles ou de bobines. Leurs utilisations sont très nombreuses, particulièrement pour la fabrication de biens de consommation (automobiles, emballages, électroménager), et pour le bâtiment sous la forme de tôles nervurées et de profilés minces. Les tôles nervurées sont obtenues par profilage à froid (machine à galets) de tôles minces et sont utilisées pour les bardages, toitures, planchers, panneaux sandwich, … Les profils minces sont obtenus par profilage ou pliage à froid de tôles d’épaisseur inférieure à 5mm et ont des sections en formes de C, U, Z, Sigma. Ils sont utilisés dans les ossatures légères : pannes, lisses, charpentes légères, stands, cloisons, faux-plafonds, …. 1.2 Les produits longs La famille des produits longs laminés à chaud regroupe : - les poutrelles de la série des « I » : IPN (h=80 à 600mm), IPE (h=80 à 750mm), de la série des « U » : UPN, UAP, UPE (h=80 à 400mm), de la série des « H » : HEA, HEB, HEM, HL, HD, HP (h=100 à 1100mm). Leur longueur varie de 18 à 33m selon le profil. Il existe aussi des demi-poutrelles (provenant du découpage de I ou de H) et des poutrelles dissymétriques dont la semelle inférieure, plus large, sert d’appui au plancher. - les laminés marchands qui comprennent une large variété de produits de petites sections : barres de sections pleines (ronde, carrée, hexagonale), plats, fers « T », petits « U », cornières (à branches égales ou inégales), …. - les rails, palplanches, fils machine, ronds à béton. Il existe aussi des tubes extrudés sans soudure (plus fortes épaisseurs). Les produits longs sont utilisés dans tous les secteurs industriels, mais particulièrement dans la construction métallique et dans l’industrie mécanique. Profilés classiques Les aciers de structure - Deh 2008 3 Profilés creux Fers « marchands » Profils minces Les aciers de structure - Deh 2008 4 Tôles nervurées 2. Caractéristiques des aciers de structure 2.1 Procédé d’élaboration de l’acier On distingue les aciers dits « aciers au carbone » des aciers « inoxydables » (aciers rendus passifs, c'est-à-dire insensibles à la corrosion dans la masse par addition de pourcentages importants de chrome, nickel et molybdène). L’acier au carbone est fabriqué par l’une des deux grandes filières de production que sont : - la filière « fonte et aciérie à l’oxygène », - la filière « ferrailles et four électrique ». Dans les deux cas, l’acier est mis en nuance dans une station d’affinage. L’acier inoxydable (non envisagés dans ces notes) est, quant à lui, produit uniquement à partir de la filière électrique. L’acier effervescent n’est plus admis, et en ce qui concerne la désoxydation, certaines nuances exigent que l’acier soit complètement « calmé » par addition d’éléments de désoxydation tels que silicium et manganèse. 2.2 Composition chimique des aciers Les aciers de construction contiennent de 0,1 à 1% de carbone en fonction des propriétés recherchées, et, selon les cas, des éléments d’addition tels que manganèse, nickel, chrome, molybdène, titane, tungstène (augmentation des caractéristiques mécaniques), cuivre (contre la corrosion), silicium (désoxydation), aluminium (affinage du grain) … Ils contiennent également une faible proportion d’azote résiduel, du soufre et du phosphore (impuretés résiduelles défavorables aux caractéristiques mécaniques et à la soudabilité). En fonction de ses composants lors de la mise en nuance et des traitements thermiques subis par les alliages lors de leur élaboration, l’acier aura des propriétés mécaniques et technologiques variables. D’une manière générale, on peut dire qu’en augmentant la teneur en carbone ou la teneur en éléments d’alliages, on augmente les caractéristiques de résistance des aciers, mais on nuit à leur soudabilité (par effet de trempe plus ou moins actif en fonction des produits) ! Les aciers de structure - Deh 2008 5 2.3 Etats de livraison des aciers On distingue : - l’acier à l’état brut de laminage (AR); - l’acier à l’état normalisé (N), qui a subi, après laminage et retour à la température ambiante, un traitement thermique complet de normalisation, ou, qui a subi une procédure de laminage normalisant. La normalisation consiste en un chauffage jusqu’au domaine austénitique et un refroidissement à l’air libre (d’autant plus lent que le produit est épais) afin d’obtenir un acier à structure « ferrito-perlitique » plus fine. L’affinage du grain augmente, en effet, la soudabilité des aciers. Le laminage normalisant est une procédure de laminage à chaud, dans laquelle, la variation de la température et de la déformation dans le temps, est contrôlée. La déformation finale est effectuée dans une gamme de températures telle que l’austénite se recristallise complètement, conduisant lors du refroidissement à un matériau de structure « perlite fine » (condition équivalente à celle obtenue après normalisation) ; - l’acier thermomécanique (M), qui a subi une procédure de laminage et de refroidissement à des températures et des conditions bien précises. La déformation finale est effectuée dans une gamme de températures qui permet un affinage des grains d’austénite (avant transformation) par écrouissage et recristallisation. Le laminage est suivi, en fonction de l’épaisseur et de la forme des produits, d’un refroidissement à l’air calme, d’un refroidissement accéléré ou d’une trempe superficielle suivie d’un auto-revenu, dont les transformations structurales conduisent à une « ferrite-perlite fine ». Les propriétés d’un acier thermomécanique ne peuvent être obtenues ni conservées par un traitement thermique seul. - l’acier à l’état trempé et revenu (Q) qui, après laminage et retour à la température ambiante, a été réchauffé à une température légèrement supérieure à la température de normalisation, et ensuite, a subi un traitement complet de trempe et de revenu, ou qui, après un laminage adapté, a subi une trempe directe suivi d’un revenu. On obtient ainsi des aciers à hautes résistances. Ces différents procédés de fabrication ne mettent pas en jeu les mêmes mécanismes de durcissement (qui confèrent à l’acier ses performances de résistance) et, de ce fait, n’exploitent pas la présence du carbone et des éléments d’alliages avec la même efficacité. Ainsi, à performances mécaniques identiques, les aciers N sont les plus riches en carbone, les aciers Q sont les plus pauvres en carbone et les aciers M ont, en général, des teneurs en carbone intermédiaires. A analyse donnée, les aciers M ont des caractéristiques mécaniques plus élevées que les aciers N ainsi qu’une composition chimique moins chargée (moins d’éléments d’alliage) à caractéristiques mécaniques données. Les aciers M, contrairement aux matériaux N, ne sont pas aptes à des traitements thermiques ultérieurs (sauf détensionnement) ou à des déformations à chaud (1100°). Le traitement à haute température des aciers M conduit à un abaissement de leur résistance. 2.4 Références normatives Les normes de référence, générales et pour les aciers de structure, suivantes, sont d’application : EN 1090 Exécution des structures en acier ; EN ISO 12944 Anticorrosion des structures en acier par systèmes de peinture ; EN 1461 Revêtements par galvanisation à chaud sur produits finis ferreux ; EN 10025 Produits laminés à chaud en acier de construction (non allié, soudable à grains fins, résistant à la corrosion, trempé-revenu (haute limite élastique) ; EN 10164 Aciers de construction à caractéristiques de déformation améliorées dans le sens perpendiculaire à la surface du produit ; EN 10210 Profils creux pour la construction finis à chaud ; EN 10219 Profils creux pour la construction formés à froid. 2.5 Propriétés mécaniques des aciers de structure 2.5.1 Limite élastique et Résistance à la traction Les valeurs nominales de la limite d'élasticité fy (correspondant à la limite supérieure d’écoulement ReH) et de la résistance uploads/Industriel/ charmet01.pdf