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L’acier est un matériau issu de la réduction du minerai de fer ou du recyclage

L’acier est un matériau issu de la réduction du minerai de fer ou du recyclage de ferrailles. Le fer est un élément très répandu dans l’écorce terrestre dont il représente 5 % mais on ne le trouve pas à l’état pur. Il est combiné avec d’autres éléments et mêlé à une gangue terreuse. La réduction de cet oxyde nécessite l’emploi d’un combustible : du charbon de bois jusqu’au XVIII e siècle, puis du charbon de terre. Le métal ainsi obtenu est de la fonte qui contient 96 % de fer et 3 à 4 % de carbone et à partir de laquelle on produit de l’acier. L’utilisation de l’acier dans la construction remonte à la fin du XIX e siècle, bien que les métaux ferreux soient connus depuis environ quarante siècles. Auparavant on employait la fonte qui peut se mouler facilement mais se révèle cassante et impossible à forger. Il faut donc l’assembler à l’aide de boulons, de vis ou de clavettes. On est progressivement passé, à partir des années 1840, de l’usage de la fonte à celui du fer puddlé, la fonte étant affinée industriel- lement pour obtenir du fer pur, plus souple et plus facile à laminer, à percer et à forger. Le principe des rivets posés à chaud a permis de disposer d’un mode d’assemblage universel et facile à mettre en œuvre. C’est une cinquantaine d’années plus tard que l’acier a pu être produit de façon industrielle et s’imposer ainsi à partir des années 1890 comme le maté- riau de la construction métallique, avec des caractéristiques physiques bien supérieures au fer grâce à la présence de traces bien dosées de carbone et d’autres éléments chimiques. L’assemblage s’est d’abord fait avec des rivets, puis, à partir des années 1930, par la soudure ou le boulonnage. La sidérurgie n’a cessé de perfectionner les qualités de ses aciers. La masse volumique de l’acier est de 7850 kg/m3. Un mètre cube d’acier pèse donc près de 8 t. Les familles d’acier On distingue les aciers dits aciers au carbone des aciers inoxydables. L’acier au carbone est aujourd’hui fabriqué par deux grandes filières d’importance à peu près égales : la filière fonte, où l’on réduit du minerai de fer dans un haut- fourneau avant passage au convertisseur pour transformer la fonte en acier, et la filière électrique, où l’on traite directement des ferrailles (voir « La fabri- cation de l’acier » en annexe). Dans les deux cas l’acier est « mis à nuance » dans une station d’affinage. L’acier inoxydable est quant à lui produit uni- quement à partir de la filière électrique. Les aciers de construction contiennent en général de 0,1 à 1 % de carbone. Les additions sont variables : manganèse, silicium, molybdène, chrome, nic- kel, titane, tungstène... En fonction de ses composants lors de la « mise à nuance » et des traitements thermiques subis par les alliages lors de leur éla- boration, l’acier aura des résistances mécaniques variables. Il existe plus de 3 000 nuances d’acier. M é m e n t o s a c i e r 6 1 LE MATÉRIAU ACIER Exemples de types d’acier . Acier inoxydable austénitique : acier allié avec 17 % minimum de chrome, 7 % minimum de nickel, plus éventuellement du molybdène, du titane, du niobium... . Acier inoxydable ferritique : acier allié avec 17 % à 28 % de chrome, 0,1 % maximum de carbone, éventuellement du molybdène… . Acier inoxydable martensitique : acier allié avec 12 à 17 % de chrome, 0,1 à 1 % de carbone, éventuellement du molybdène, du nickel, du soufre… . Acier autopatinable (Corten, Indaten, Paten...) : acier faiblement allié avec un faible pourcentage de cuivre, du nickel et du chrome. Les formes de produits Pour obtenir leur forme de finition et leurs caractéristiques mécaniques les aciers courants dans la construction sont : – laminés : ce sont les produits les plus couramment utilisés dans la construc- tion métallique. Les demi-produits sont déformés successivement au travers des laminoirs constitués par des cylindres qui compriment et étirent la masse relativement malléable en raison de sa température encore élevée. L’étape ulté- rieure possible est le laminage à froid. Ce procédé est principalement utilisé pour façonner des tôles minces qui sont ensuite galvanisées et/ou pré-laquées ; – étirés ou tréfilés : par étirage ou tréfilage (à chaud ou à froid) on amène un produit déjà laminé à une section plus réduite et à une plus grande longueur pour former des barres ou des fils. On distingue dès lors : – les produits longs (poutrelles, palplanches, câbles, fils, ronds à béton...), obte- nus par laminage à chaud, étirage ou tréfilage ; – les produits plats (tôles, bardages, profils minces, profils creux...) qui subis- sent en général un laminage à froid supplémentaire, à l’exception des tôles de forte épaisseur. Il existe aussi d’autres procédés moins courants de fabrication de pièces telles que le forgeage, le moulage... La classification des produits Étant donné la vaste gamme de produits en acier offerte aux concepteurs, la nécessité d’une réglementation des produits sidérurgiques apparaît évidente, concernant le produit (forme, dimensions, aspect et état de surface) mais aussi sa mise en œuvre. Actuellement, l’heure est à la transition des normes natio- nales aux normes européennes. La norme européenne comporte toujours les deux lettres EN (EuroNorme) précédées pour chaque pays par celles son sigle national (par exemple : NF pour la France, DIN pour l’Allemagne, BS pour la Grande-Bretagne) ; viennent ensuite de un à cinq chiffres. La norme indique les exigences techniques, les procédés d’élaboration, l’état de livraison, la composition chimique, les caractéristiques mécaniques et tech- nologiques, l’état de surface. Nous retiendrons deux types de normes : – les normes définissant les nuances d’acier ; – les normes spécifiques aux produits accompagnées de leur tolérance. Laminage à froid d’un bardage. Exemples de normes françaises . NF EN 10025 : régit la fabrication des produits laminés à chaud en acier de construction. . NF EN 10088 : pour les aciers inoxydables d’usage général. . NF EN 10034 : sur les tolérances dimensionnelles des poutrelles IPE. Laminage à chaud d’une bobine d’acier. Laminage de poutrelles. C o n c e v o i r C o n s t r u i r e 7 1 LE MATÉRIAU ACIER 2 LE COMPORTEMENT MÉCANIQUE DE L’ACIER 3 LA CONCEPTION GÉNÉRALE DE M é m e n t o s a c i e r 8 On distingue plusieurs sous-familles de produits longs. Certains sont directe- ment fabriqués dans les usines sidérurgiques et sont disponibles en stock sur catalogue. Les laminés marchands Ce sont les ronds, les carrés, les ronds à béton, les plats, les cornières (L), les fers en T, les petits U… Tous ces produits ont une section pleine. Les poutrelles Les poutrelles laminées peuvent avoir différentes sections, en I, en U, ou en H. Elles conviennent aussi bien pour les poteaux que pour les poutres et sont fabriquées en différentes nuances d’acier (en général 235 ou 355 Mpa), y com- pris d’acier à haute limite d’élasticité (460 Mpa). Les longueurs maximales varient de 18 à 33 m suivant le profilé. Il existe différentes gammes suivant les pays : européenne, britannique, américaine, japonaise... Les poutrelles en I Les poutrelles en I sont de deux sortes : – IPN : poutrelles en I normales. Les ailes sont d’épaisseur variable, ce qui entraîne des petites difficultés pour les attaches ; – IPE : poutrelles en I européennes. Les ailes présentent des bords parallèles, les extrémités sont à angles vifs (seuls les angles rentrants sont arrondis). Les IPE sont un peu plus onéreux, mais plus commodes et sont d’usage courant. Les poutrelles en U Il existe aussi deux sortes de profilés, les UPN, les UAP et les UPE. De la même façon, les UPE présentent des ailes à bords parallèles et tendent à supplanter les UPN, moins commodes à mettre en œuvre. Les hauteurs vont de 80 à 400 mm. Les poutrelles HE (gamme européenne) Elles se décomposent en trois séries : HEA, HEB et HEM, suivant l’épaisseur relative de leur âme et de leurs ailes. Leur section s’inscrit approximative- ment dans un carré (la semelle a une largeur sensiblement égale à la hau- teur du profil jusqu’à 300 mm de hauteur). Les ailes présentent toujours des bords parallèles. Les hauteurs varient de 100 à 1100 mm (jumbos). Les profils HEA, les plus légers, présentent le meilleur rapport performance/poids en général et sont donc les plus utilisés. La progression des trois séries est inté- ressante techniquement et architecturalement pour des composants en pro- (Les produits longs) Laminés marchands : a : rond plein b : carré plein c : hexagone d : plat e : cornière à ailes égales f : cornière à ailes inégales g : fer en T h : petit U ou UPN. Poutrelle IPN Les hauteurs vont de 80 à 600 mm. Poutrelle IPE Les hauteurs vont de 80 à 750 mm. Poutrelles HEA, HEB et HEM. a b c d g h f e uploads/Industriel/ cours-cds.pdf