Propriétés mécaniques des métaux de construction

Sommaire

Les métaux, et notamment les aciers, sont largement employés à différents stades de la construction. Ferraillages des bétons armés, piliers, poutres, poutrelles et charpentes sont parmi les usages les plus connus. Ce que l’on ne sait pas toujours, c’est que tous les métaux n’ont pas les mêmes propriétés mécaniques et que celles-ci seront étudiées au cas par cas par un architecte ou un bureau d’études avant toute construction, extension, rénovation. Résistance, ductilité, malléabilité... voici un point sur les propriétés mécaniques des métaux de construction.

Les différentes propriétés mécaniques des métaux de construction

Quelles sont-elles ?

En termes de construction, et notamment de structure porteuse (piliers, poutres, poutrelles…), on emploie surtout l'acier, en raison de sa résistance, les alliages légers et les aluminiums étant réservés à des éléments décoratifs ou non porteurs de charge importante.

Les principales propriétés mécaniques des métaux auxquelles on s’attache pour une construction sont :

  • la dureté : c’est la capacité d’un métal à résister à des efforts de pénétration. Un métal tendre verra sa surface marquée par un choc, alors qu’un métal dur ne laissera pas apparaître de traces ;
  • l'élasticité : elle comprend non seulement la capacité d’un métal à se déformer sous la traction puis à reprendre sa forme d’origine, mais aussi sa résistance à la traction avant de casser. Ces deux notions sont déterminées par la limite élastique (Re) et la rupture en traction (Rm) ;
  • la striction : un métal ayant dépassé sa limite d’élasticité entre dans sa zone de plasticité. On parle alors de métal écroui. C’est une fois entré dans sa zone de plasticité qu’il se déforme sur son épaisseur (et non seulement sur sa longueur) par effet de striction. La résistance à la striction est notée Z.

Note : une barre d’acier sera plus ou moins élastique jusqu’à sa limite d’élasticité, à partir de laquelle toute déformation supplémentaire ne pourra aboutir à un retour à la forme initiale. Au-delà, la barre d’acier restera déformée, à moins que la force de traction atteigne sa limite de rupture en traction et qu'elle casse.

Qu'est-ce qui les détermine ?

Pour les aciers, ce sont la proportion des constituants de l’alliage, et notamment la teneur en carbone, ainsi que les différents traitements appliqués (comme la « trempe ») qui déterminent les qualités mécaniques du métal.

Les aciers sont classés notamment en fonction de leur teneur en carbone qui détermine leur dureté par un code C (C 22 pour un acier doux, C 35, C 45 pour des aciers mi-durs…).

Contraintes et limites des aciers de construction

Dureté versus élasticité

On pourrait croire à tort qu’en construction, et notamment en construction avec structures métalliques, on ne recherche que les aciers et métaux les plus durs. Tout d’abord, la dureté d’un métal n’est pas le seul critère à prendre en compte ; en outre, il faut savoir que plus un acier est dur (teneur en carbone > 0,4 %), plus il est difficile (voire impossible) à souder. Or la soudure est parfois nécessaire sur les aciers de la construction.

Les principales limites d’emploi des métaux de construction sont définies selon les caractéristiques principales des métaux et éléments métalliques, parmi lesquelles :

  • l’élasticité longitudinale (E), qui est fonction de la souplesse et de la rigidité. L’échelle de mesure de E (module de Young) s’exprime en mégapascals (MPa) : si E est faible le métal est souple, puis d’autant plus rigide que E est élevé. En construction, l’élasticité est un critère important pour savoir si un élément de structure pliera (souple) ou pas (rigide) sous la charge ;
  • la limite élastique (Re) et la résistance à la traction (Rm) exprimée en newton/mm² (1 N/mm² = 1 MPa), qui déterminent la capacité du métal à subir des déformations et reprendre sa forme initiale afin de suivre les mouvements de la construction (sismicité, déformations sous les variations de charge et de température) ;
  • l’allongement à la rupture (ductilité) exprimée en pourcentage (A %), qui détermine la longueur de l’étirement possible avant rupture. Elle est surtout utile pour déterminer les capacités d’une poutre horizontale à subir un fléchissement sans rompre.

Classements

En fonction de ces limites et capacités, les aciers sont classifiés selon leurs usages, notés B pour le ferraillage, E pour la construction mécanique et S pour la construction métallique. Pour cette dernière, ce sont la norme européenne EN 10027 - Systèmes de désignation des aciers - et la norme française NF A 35-573/4 qui classent les aciers de construction selon leur limite élastique exprimée en N/mm².

Exemple : l’acier S235JR (norme EN 10027) correspond à l’acier E24 (norme NF), qui est un acier de construction soudable et doux. L’acier S355J0 est l’acier E36-3, qui est un acier de construction non soudable demi-dur à 60 kg avec une limite élastique (Re) minimale garantie de 355 MPa.

Les limites des métaux employables pour la réalisation des divers éléments d’une construction sont définies dans les DTU de la série 32. Le DTU 32.3 - Construction d’ossatures en acier pour maisons et bâtiments résidentiels - indique les limites et contraintes de conception et de dimensionnement des ossatures en acier de l’enveloppe du bâti.

En construction :

  • les aciers pour béton armé sont identifiés par la lettre B suivie de la valeur spécifiée de la limite d’élasticité en MPa, avec comme symbole additionnel une lettre indiquant la classe de ductilité, suivie si nécessaire de 1 ou 2 ;
  • les aciers de structure de la construction métallique sont identifiés par la lettre S suivie de la valeur spécifiée de la limite d’élasticité en MPa, avec comme symbole additionnel une lettre indiquant la classe de ductilité, suivie si nécessaire de 1 ou 2.

Exemple : l’acier pour fer à béton B500A est un acier pour béton armé de limite d‘élasticité spécifiée égale à 500 MPa et de classe de ductilité A. Alors que l’acier S235J0 est un acier de construction de limite d’élasticité de référence spécifiée égale à 235 MPa, pour les épaisseurs nominales ≤ 16 mm, et d’énergie minimale de rupture en flexion par choc pour une température d’essai de 0 °C égale à 27 joules. Source : Fédération Française de l’Acier Désignation symbolique des aciers.

Bon à savoir : outre les contraintes liées à la construction parasismique (en référence à la réglementation sismique applicable sur la zone), les structures en acier de la construction doivent également permettre la mise en œuvre de solutions techniques compatibles avec la réglementation thermique (RT2012).

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