Les essais à réaliser avant d’intervenir sur une structure existante

L’utilisation des matériaux métalliques dans la construction remonte à la fin du XVIIIe siècle. En plus de deux siècles et demi, en passant de la fonte au fer puddlé puis à l’acier au gré des avancées technologiques, les caractéristiques chimiques et mécaniques de ces matériaux ont fortement évolué.
Dans ces conditions, et face à un patrimoine vieillissant, quelles sont les précautions à prendre avant d’envisager la réhabilitation d’ouvrages anciens ?
Quels sont les paramètres qu’il est important de connaître avant d’intervenir sur une structure?
Comment peut-on obtenir ces informations et données sur les matériaux utilisés ?

La date de construction : un premier indice

Ce n’est que depuis 1947 que l’application des normes relatives aux « produits sidérurgiques d’usage courant en acier au carbone » est effective dans les produits de la construction, et permet donc d’en quantifier les principales propriétés.

Mais on peut tout de même retenir quelques dates clés dans l’historique des alliages à base de fer :

• Fin XVIII^e siècle : utilisation de la fonte.
• A partir de 1820 : techniques d’élaboration du fer puddlé.
• Seconde moitié du XIX^e siècle : nouveaux procédés industriels permettant de répondre aux besoins grandissants, notamment dans le domaine du chemin de fer, et donnant naissance aux « aciers anciens ».
• Début du XX^e siècle : l’acier remplace totalement la fonte et le fer dans la fabrication des ponts.
• La dénomination « aciers modernes » désigne les aciers dont les nuances sont décrites dans la norme NF A 35-501 Aciers de construction d’usage général de 1973.

Les aciers décrits dans la norme de 1973 ne présentent pas de difficulté au soudage, mais pour des structures construites antérieurement, la littérature seule ne permet pas de se prononcer. Il est dans tous les cas utiles de prélever une ou plusieurs éprouvettes pour caractériser le matériau auquel on a affaire.

L’analyse chimique du matériau

Le paramètre fondamental de cette analyse est la valeur de carbone équivalent. Les additifs au fer présents dans l’acier, en particulier le carbone, peuvent améliorer la résistance de l’acier, mais ils vont également favoriser la trempe ce qui pénalise la soudabilité du matériau.

Le critère couramment retenu est lié à la valeur du carbone équivalent :

Avec :  Ceq = Carbone équivalent        Cr = Chrome                 Ni = Nickel
              C = Carbone                             Mo = Molybdène          Cu = Cuivre
              Mn = Manganèse                      V = Vanadium

Si le carbone est inférieur à 0,4, l’acier sera alors parfaitement soudable à température ambiante.

L’examen métallographique

Cet examen vise à déterminer la microstructure du matériau à l’aide d’un microscope, afin d’obtenir des informations sur la taille des grains, ainsi que sur l’état inclusionnaire des matériaux.

Cette qualification donnera des indications sur la fragilité du métal, ainsi que sur son comportement vis-à-vis de l’assemblage par soudage.

L’essai de traction

Il s’agit de l’essai mécanique le plus classique, dont la procédure de réalisation est complètement normalisée dans la NF EN ISO 6892. Il permet de déterminer les paramètres suivants :

• E : Module de Young de l’acier, ou module d’élasticité
• Re : limite élastique de l’acier
• Rm : charge maximale en traction, ou charge de rupture
• A% : allongement à la rupture

Ces paramètres permettront de réaliser la plupart des calculs structurels liés à l’ouvrage étudier.

L’essai de traction permet également d’évaluer la striction de l’acier, c’est-à-dire la diminution de section de l’éprouvette entre l’état initial et l’état après rupture. Ce paramètre permet d’évaluer la capacité de l’acier à résister à l’arrachement lamellaire lors de sollicitations perpendiculaires à leur surface, comme dans le cas d’éléments soudés en T.

L’essai de résilience

L’essai de résilience ou essai Charpy est égalent normalisé (NF EN ISO 148). Il consiste à rompre au moyen d’un mouton pendule une éprouvette entaillée, et de mesurer l’énergie absorbée. Cet essai peut être réalisé à différentes températures, et permet de caractériser la sensibilité du matériau à la rupture fragile.

Pour conclure

Cette palette d’essais et d’examens permet de caractériser de façon assez exhaustive les matériaux en présence sur un ouvrage existant. Cependant, il n’est pas toujours aisé de prélever des éprouvettes en nombre suffisant pour obtenir des résultats représentatifs de l’ensemble de la structure.

S’il est souvent possible de réaliser de multiples petits prélèvements pour leur analyse chimiques et examens métallographique, en veillant toutefois à ne pas créer de fragilité par effet d’entaille, il sera en général plus complexe de réaliser des prélèvements plus importants, nécessaires à la réalisation des éprouvettes normalisées des essais mécaniques. Une connaissance précise des efforts appliqués et du cheminement des efforts dans l’ouvrage sera alors indispensable, afin de ne pas affaiblir la structure ni remettre en cause sa stabilité.

Claire Rocher, chef du service diagnostic et réhabilitation – CTICM