Premièrement, quelles sont les caractéristiques des structures en acier :
1. Haute résistance et légèreté. L'acier possède une résistance et un module d'élasticité élevés. Comparé au béton et au bois, son rapport densité/limite d'élasticité est relativement faible. Par conséquent, à contraintes égales, une structure en acier présente une section transversale réduite, est légère, facile à transporter et à installer, et convient aux ouvrages de grande portée, de grande hauteur et supportant des charges importantes.
2. L'acier présente une bonne ténacité, une grande plasticité, une composition homogène et une fiabilité structurelle élevée. Il convient pour supporter les chocs et les charges dynamiques et offre une bonne résistance sismique. Sa structure interne est uniforme et proche de celle d'un corps homogène isotrope. Les performances réelles des structures en acier sont plus conformes aux calculs théoriques. Par conséquent, les structures en acier présentent une grande fiabilité.
3. Le degré de mécanisation de la fabrication et de l'installation des structures métalliques est élevé. Les composants de ces structures sont faciles à fabriquer en usine et à assembler sur site. Les produits finis issus de la fabrication mécanisée de ces composants en usine présentent une grande précision, une productivité élevée, une rapidité d'assemblage sur site et un délai de construction court. La structure métallique est un type de construction présentant le plus haut degré d'industrialisation.
4. Les structures en acier offrent une excellente étanchéité. Grâce à l'étanchéité parfaite des structures soudées, elles peuvent être utilisées pour la fabrication de conteneurs haute pression, de grands bassins pétroliers, de canalisations sous pression, etc., garantissant une étanchéité à l'air et à l'eau optimale.
5. Les structures en acier résistent à la chaleur mais pas au feu. En dessous de 150 °C, leurs propriétés varient peu. Elles conviennent donc aux ateliers à haute température, mais dès que leur surface est exposée à un rayonnement thermique d'environ 150 °C, elles doivent être protégées par des panneaux d'isolation thermique. Entre 300 °C et 400 °C, la résistance et le module d'élasticité de l'acier diminuent considérablement. Aux alentours de 600 °C, sa résistance tend vers zéro. Dans les bâtiments soumis à des exigences particulières de protection incendie, les structures en acier doivent être protégées par des matériaux réfractaires afin d'améliorer leur résistance au feu.
6. Les structures en acier présentent une faible résistance à la corrosion, notamment en milieux humides et corrosifs, et sont sujettes à la rouille. De manière générale, elles doivent être traitées antirouille, galvanisées ou peintes, et faire l'objet d'un entretien régulier. Pour les plateformes offshore immergées en eau de mer, des mesures spécifiques, telles que la protection par anodes de zinc, sont nécessaires pour prévenir la corrosion.
7. Faible empreinte carbone, économe en énergie, écologique et réutilisable. La démolition de bâtiments à structure métallique génère très peu de déchets de construction, et l'acier peut être recyclé et réutilisé.
Deuxièmement, les exigences en matière de matériaux pour les structures en acier :
1. Résistance : L'indice de résistance de l'acier comprend la limite élastique σe, la limite d'élasticité σy et la limite de résistance à la traction σu. La conception repose sur la limite d'élasticité de l'acier. Une limite d'élasticité élevée permet de réduire le poids de la structure, d'économiser de l'acier et de diminuer les coûts de construction. La résistance à la traction σu correspond à la contrainte maximale que l'acier peut supporter avant rupture. Au-delà de ce seuil, la structure devient inutilisable en raison d'une importante déformation plastique. Toutefois, elle se déforme considérablement sans s'effondrer et doit pouvoir résister aux séismes de magnitude rare.
2. Plasticité : La plasticité de l’acier désigne généralement sa capacité à subir une déformation plastique importante sans rupture lorsque la contrainte dépasse la limite d’élasticité. Les principaux indicateurs de cette capacité sont l’allongement δ et le retrait ψ.
3. Comportement au pliage à froid : Le comportement au pliage à froid de l’acier consiste à mesurer sa résistance à la fissuration lors d’une déformation plastique induite par pliage à température ambiante. Des essais de pliage à froid permettent d’évaluer le comportement de l’acier face à une déformation par pliage selon un angle spécifié.
4. Résilience : La résilience de l’acier désigne sa capacité à absorber l’énergie cinétique mécanique lors de la rupture sous l’effet d’un choc. C’est une propriété mécanique qui mesure la résistance de l’acier aux chocs, lesquels peuvent provoquer une rupture fragile due aux basses températures et à la concentration des contraintes. L’indice de résilience de l’acier est généralement obtenu par des essais de choc sur des éprouvettes normalisées.
5. Performance de soudage : La performance de soudage de l'acier désigne l'aptitude à obtenir un joint soudé présentant de bonnes caractéristiques dans des conditions de soudage données. Cette performance se divise en deux catégories : la performance en cours de soudage et la performance en termes d'utilisation. La performance en cours de soudage fait référence à la capacité de la soudure et du métal environnant à éviter l'apparition de fissures thermiques ou de retrait pendant le soudage. Une bonne performance de soudage signifie que, dans des conditions de soudage données, aucune fissure n'apparaît dans le métal fondu ni dans le métal de base adjacent. La performance en termes d'utilisation fait référence à la résilience de la soudure et à la ductilité de la zone affectée thermiquement. Les propriétés mécaniques de l'acier dans la soudure et la zone affectée thermiquement doivent être au moins égales à celles du métal de base. En Chine, on utilise une méthode d'essai de performance de soudage basée sur le procédé de soudage et une autre sur l'utilisation.
6. Durabilité : De nombreux facteurs influent sur la durabilité de l'acier. Tout d'abord, sa résistance à la corrosion est faible et des mesures de protection doivent être prises pour prévenir la corrosion et la rouille. Ces mesures comprennent : l'entretien régulier de la peinture de l'acier, l'utilisation d'acier galvanisé et des mesures de protection spécifiques en présence de milieux fortement corrosifs tels que les acides, les bases et les sels. Par exemple, la structure des plateformes offshore utilise une « protection anodique » pour prévenir la corrosion de la structure interne. Des lingots de zinc sont fixés sur cette structure et l'électrolyte de l'eau de mer corrode automatiquement les lingots, assurant ainsi la protection de la structure en acier. Ensuite, la résistance à la rupture de l'acier étant bien inférieure à sa résistance à court terme sous haute température et charge prolongée, sa résistance à long terme sous haute température doit être mesurée. L'acier durcit et devient cassant avec le temps, un phénomène appelé « vieillissement ». La résilience de l'acier sous charge à basse température doit être testée.
Date de publication : 22 janvier 2025