Tout savoir sur
la construction métallique
La connaissance des propriétés du matériau est très importante et notamment dans le domaine de la réhabilitation de structures existantes et pour le réemploi d’éléments en acier. Généralement, lors du diagnostic, ces informations ne sont plus disponibles, ce qui nécessite de réaliser des essais de caractérisation. Dans cette série de trois publications, seront présentés trois méthodes d’essais. Cette première publication présente l’essai de traction, qui est généralement considéré comme référence. Ensuite, nous présenterons deux méthodes d’essais innovants en cours de validation.
Lors d’un essai de traction, un échantillon (voir par exemple Figure 3) est généralement soumis à un déplacement imposé qui introduit un effort de traction. Ce déplacement est amplifié jusqu’à la rupture de l’échantillon afin de caractériser le comportement du matériau vis-à-vis d’une sollicitation uni-axiale de traction. Grâce à la courbe force-déplacement obtenue (voir par exemple Figure 2), il est possible d’obtenir des grandeurs caractéristiques reproductibles pour définir le comportement du matériau en situation réelle. L’essai de traction peut être utilisé pour caractériser une large gamme de matériaux. Cependant, les explications données ci-après visent particulièrement la caractérisation des aciers.
Les propriétés obtenues grâce à l’essai de traction sont présentées au Tableau 1 (voir aussi Figure 2).
Un essai de traction est un essai mécanique fondamental où un échantillon de matériau est soumis à une traction contrôlée jusqu’à rupture. L’essai est défini dans la norme NF EN ISO 6892-1 [1]. Il est réalisé en laboratoire dans une machine de traction, comme celle présentée à la Figure 1. Dans cette figure, on peut voir :
Au cours de cet essai, la réponse du matériau aux forces appliquées est mesurée, notamment son allongement, sa résistance à la traction, sa limite d’élasticité et son module d’élasticité. La courbe de comportement contrainte-déformation obtenue par cet essai est schématiquement représentée à la Figure 2 pour un acier de construction.
Sur la courbe présentée à la Figure 2, différents points sont représentatifs d’un acier de construction.
1- Limite d’élasticité/Limite d’élasticité conventionnelle :
Jusqu’à la limite d’élasticité, notée fy dans l’Eurocode 3 ou Re dans les normes produit, le comportement de l’acier est élastique et la loi de Hooke s’applique. Autrement dit, tant que le matériau reste dans le domaine élastique, la contrainte est directement proportionnelle à la déformation qu’elle engendre. Dans cette région, le rapport contrainte/déformation reste constant et définit le module de Young. Sur le graphique, ce comportement est représenté par la droite OA. Certains types d’aciers, tels que les aciers inoxydables, ne possèdent pas un comportement purement élastique jusqu’à la limite d’élasticité. Pour ces aciers, on définit une limite d’élasticité conventionnelle qui est associée à un certain pourcentage de déformation résiduelle, comme par exemple 0,2%.
2-Plateau plastique
Les aciers de construction habituellement utilisés en construction métallique (par exemple S235, S275) présentent un comportement particulier caractérisé par le plateau plastique. Cette zone s’étend entre les points A et B. Dans cette zone, la déformation augmente mais la contrainte reste approximativement constante. Cependant, il est possible d’observer une valeur haute, qui est généralement notée ReH [2] et une valeur basse, qui est généralement notée ReL. Les aciers inoxydables ne présentent pas de plateau plastique. Ainsi, après l’atteinte de la limite d’élasticité (conventionnelle), la phase d’écrouissage débute directement. Pour les aciers de construction, la phase d’écrouissage s’initie à la fin du plateau plastique.
3- Phase d’écrouissage
Au cours de la phase d’écrouissage, les contraintes agissant dans l’échantillon augmentent mais la rigidité diminue de plus en plus comparé à la rigidité élastique. A partir du point C, la réduction de l’épaisseur de l’échantillon (striction), due aux importantes déformations en traction, peut être observée.
4- Résistance ultime à la traction (Point (C))
Il s’agit du point du diagramme correspondant à la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter avant de rompre. Il est cependant important de noter que cette contrainte est calculée par rapport à la section initiale de l’échantillon avant l’initiation de la striction. En réalité, les contraintes vraies (locales) continuent d’augmenter. La résistance ultime en traction est généralement symbolisée par Rm dans les normes produit (voir par exemple [2]). L’Eurocode 3 utilise le symbole fu pour se référer à la résistance ultime en traction.
5- Point de rupture (D)
À la fin de la courbe, la rupture de l’échantillon se produit. La déformation associée à ce point est noté A%.
Les normes produit telles que la NF EN 10025-2 [2], applicable aux tôles et sections laminées à chaud, ou la NF EN 10210-1 [3], applicable aux sections creuses finies à chaud, définissent la position d’extraction de l’échantillon. La Figure 3 présente les positions définies pour certaines formes de profils selon la NF EN 10025-2 [2].
L’échantillon prélevé doit être usiné selon une forme définie dans la norme NF EN ISO 6892-1 [1]. Cette forme dépend de la forme de la section initiale et de l’épaisseur de la paroi dans laquelle l’échantillon est extrait. L’éprouvette usinée à section transversale rectangulaire, généralement utilisée pour les profilés en acier, est présentée schématiquement à la Figure 4. Elle est composée de têtes d’amarrage qui permettent d’assembler l’éprouvette à la machine de traction. Les têtes d’amarrage ont une largeur plus grande que la partie courante afin d’éviter une rupture dans cette zone de connexion. La partie courante possède une épaisseur b0 et une longueur calibrée Lc . La longueur entre repères (points de mesure de la déformation) est notée L0 . À la Figure 4, l’épaisseur initiale de l’éprouvette est notée a0 . Par conséquent, l’aire initiale de la partie calibrée est égale à a0xb0. Afin de permettre une transition douce entre la zone courante et les têtes d’amarrage, un rayon de transition minimal de 12 mm est exigé.
Pour les épaisseurs initiales de paroi supérieures à 4 mm, il convient d’utiliser des éprouvettes « proportionnelles ». Dans ce cas, la longueur entre repères L0 doit être égale à 5,65√S0 . Selon la norme NF EN ISO 6892-1 [1], la longueur calibrée pour les éprouvettes proportionnelles doit être égale à L0 + 1,5√S0 . Le rapport entre la largeur de la partie calibrée et l’épaisseur ne doit pas être supérieur à 8. Afin d’obtenir un résultat représentatif de la loi de comportement de la section étudiée, il est préférable de conserver l’épaisseur totale de la section initiale (moins une faible réduction due au processus d’usinage).
Il est également possible d’utiliser une éprouvette de section cylindrique, ce qui nécessite cependant un travail d’usinage plus important. La longueur calibrée de ce type d’éprouvette doit également être égale à 5,65√S0 .
Note : Il est utile de se renseigner sur les limites des laboratoires concernant la taille et la forme de l’échantillon à soumettre à l’essai.
L’essai de traction représente la référence pour déterminer la courbe de comportement contrainte-déformation d’un acier. En particulier, grâce à cet essai il est possible de déterminer la limite d’élasticité et la résistance ultime en traction. Néanmoins, il est important de noter que ces valeurs ne peuvent pas être directement utilisées dans une vérification de résistance selon l’Eurocode 3. En effet, le calcul doit être basé sur des valeurs nominales correspondant aux nuances d’acier. Par exemple, la limite d’élasticité d’un acier S235 est prise égale à 235 MPa pour un calcul selon l’Eurocode 3 (il convient également de prendre en compte la réduction en fonction de l’épaisseur de la paroi). Dans le cadre de la réhabilitation et du réemploi, les résultats de l’essai de traction permettent alors de classer un acier inconnu selon des nuances équivalentes.
Néanmoins, dans le contexte de structures existantes, l’application de cet essai a également ses limites. En effet, il est nécessaire d’extraire un échantillon de la section intacte ce qui affaiblit l’élément et peut réduire sa résistance. Comme l’essai doit être réalisé en laboratoire, les délais peuvent être longs et dépendent de la disponibilité des laboratoires. C’est pourquoi différents essais innovants sont en cours de validation pour le domaine de la construction métallique. Ils seront présentés dans de futures publications.
[1] NF EN ISO 6892-1 : Matériaux métalliques – Essai de traction – Partie 1 : Méthode d’essai à température ambiante, AFNOR, décembre 2019.
[2] NF EN 10025-2 : Produits laminés à chaud en aciers de construction – Partie 2 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction non alliés, AFNOR, août 2019.
[3] NF EN 10210-1 : Profils creux de construction finis à chaud en aciers non alliés et à grains fins – Partie 1 : Conditions techniques de livraison, AFNOR, juillet 2006.
Mohsen Masoomzadeh, ingénieur thésard, CTICM