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1. Introduction à l'Acier

1.1 Définition et Composition

Au sens métallurgique, l'acier est un alliage fer-carbone dont la teneur en carbone est comprise entre 0,02 % et 2 %. En deçà de cette plage, on parle de fer pur (trop mou pour la construction), et au-delà de 2 %, l'alliage devient de la fonte. La fonte est excellente en compression mais fragile en traction, ce qui explique pourquoi elle a été supplantée par l'acier dans les structures porteuses modernes.

Le carbone joue le rôle de durcissant : plus sa teneur augmente, plus l'acier est résistant et dur, mais plus il devient cassant et difficile à souder. Pour les aciers de construction (type S235 ou S355), on cherche un équilibre avec une teneur en carbone faible (généralement < 0,25 %) pour garantir une bonne soudabilité et une ductilité suffisante. D'autres éléments d'addition sont ajoutés pour affiner les propriétés : le Manganèse (Mn) pour la ténacité, le Silicium (Si) comme désoxydant, ou encore le Chrome et le Nickel pour la résistance à la corrosion.

Structure granulaire typique d'un acier de construction (hypoeutectoïde), mélange de ferrite ductile et de perlite résistante.

1.2 Élaboration et Transformation

La production de l'acier suit deux grandes filières industrielles. La filière fonte (haut-fourneau) part du minerai de fer (oxydes) réduit par du coke pour produire une fonte liquide, qui est ensuite convertie en acier par insufflation d'oxygène (pour brûler le carbone excédentaire). C'est la méthode historique pour les aciers plats et de haute pureté.

La filière électrique utilise des fours à arc électrique pour fondre des ferrailles de récupération. Cette méthode est très flexible et énergétiquement plus efficace pour le recyclage. L'acier liquide obtenu est ensuite solidifié par coulée continue sous forme de demi-produits (brames, blooms), puis transformé par laminage. Le laminage à chaud permet de mettre en forme les poutrelles (IPE, HEA) en écrasant le métal entre des cylindres, ce qui affine également le grain et améliore les caractéristiques mécaniques dans le sens du laminage.

1.3 Cycle de vie et Recyclage

L'acier est considéré comme un matériau « permanent » dans le secteur de la construction. Il est recyclable à 100 % et à l'infini sans dégradation de ses propriétés physiques, contrairement au béton ou au bois qui subissent un "downcycling". En fin de vie d'un ouvrage, les poutres peuvent être récupérées, refondues et redevenir de l'acier de haute qualité.

D'un point de vue environnemental, l'utilisation d'acier issu de la filière électrique (recyclage) permet de diviser par 4 ou 5 les émissions de CO2 par rapport à la filière fonte primaire. C'est un argument clé dans les démarches de certification environnementale (HQE, BREEAM, LEED).

1.4 Traitements Thermiques

Les propriétés de l'acier ne dépendent pas que de sa chimie, mais aussi de son histoire thermique. En chauffant et refroidissant le métal de manière contrôlée, on modifie sa structure cristalline :

• La Trempe : Consiste en un refroidissement brutal (eau ou huile) après chauffage. Elle fige le carbone dans la structure, créant de la martensite, une phase très dure mais très cassante.
• Le Revenu : Toujours pratiqué après une trempe, il consiste à réchauffer modérément la pièce pour relâcher les contraintes internes. On obtient un acier « trempé-revenu » qui allie haute résistance et bonne ténacité.
• Le Recuit : Chauffage suivi d'un refroidissement très lent. Il sert à adoucir le métal pour faciliter l'usinage ou la déformation à froid.
• La Normalisation : Traitement standard pour les aciers de construction, visant à obtenir un grain fin et homogène, garantissant des propriétés mécaniques stables et prévisibles.

2. Propriétés Mécaniques Fondamentales

Pour dimensionner une structure, l'ingénieur ne se fie pas à l'apparence du matériau mais à sa courbe de comportement mécanique, obtenue par l'essai de traction.

2.1 L'Essai de Traction

L'essai de traction uni-axial est l'expérience fondamentale. Une éprouvette calibrée est étirée à vitesse constante jusqu'à la rupture. On enregistre en continu la force appliquée et l'allongement. En divisant la force par la section initiale (S0), on obtient la contrainte nominale (σ), et en divisant l'allongement par la longueur initiale (L0), on obtient la déformation (ε).

Courbe typique de traction d'un acier doux, montrant la transition nette entre le comportement réversible et irréversible.

2.2 Loi de Hooke et Module de Young

Dans la phase élastique (réversible), la contrainte est proportionnelle à la déformation : σ = E . ε.
E est le Module de Young (Module d'élasticité). Pour l'acier, il est conventionnellement pris égal à 210 000 MPa (ou 210 GPa). Cette valeur très élevée traduit la grande rigidité de l'acier comparée au béton (env. 30 GPa) ou au bois (env. 11 GPa).

2.3 Ductilité & Résilience

La ductilité est la capacité de l'acier à s'allonger considérablement avant de rompre (domaine plastique). C'est une "sécurité passive" cruciale : en cas de séisme ou de surcharge accidentelle, une poutre en acier va plier, se déformer de manière visible, absorber l'énergie, mais ne cassera pas brutalement comme le ferait du verre ou de la fonte. On la mesure par l'allongement à la rupture (A%), qui doit souvent dépasser 15 à 20%.

La résilience est différente : elle mesure la résistance au choc brutal et à la propagation de fissures, surtout par temps froid. Un acier peut être ductile à 20°C mais devenir fragile comme du verre à -20°C (transition ductile-fragile). On teste cette propriété avec l'essai Charpy (mouton pendule) qui frappe une éprouvette entaillée. Les classes de qualité (J0, J2, K2) garantissent cette énergie de rupture à différentes températures (0°C, -20°C, etc.).

2.4 Dureté (Brinell, Vickers)

La dureté est la résistance qu'oppose une surface à la pénétration d'un corps plus dur. Bien qu'elle ne soit pas utilisée directement dans les calculs de dimensionnement (Eurocodes), elle est très utile en contrôle qualité car elle est non destructive et souvent corrélée à la résistance à la traction (Rm). Les essais Brinell (bille) ou Vickers (pyramide diamant) sont les plus courants pour vérifier l'homogénéité d'une pièce ou la qualité d'un traitement thermique.

3. Aciers pour Béton Armé

Le béton est un matériau composite : il excelle en compression mais sa résistance en traction est négligeable (environ 1/10 de sa compression). L'acier est donc positionné là où le béton tendu risquerait de fissurer.

3.1 Ronds à Béton : Lisses vs Haute Adhérence

Historiquement, on utilisait des Ronds Lisses (RL) (Nuance E235). Aujourd'hui, leur usage est restreint aux armatures secondaires (cadres de levage, frettes) car leur surface lisse n'offre pas un accrochage suffisant avec le béton moderne.

La norme impose désormais l'usage de barres à Haute Adhérence (HA) (Nuance B500). Ces aciers ont une limite élastique de 500 MPa. Leur surface est laminée avec des reliefs (verrous ou nervures) qui créent un véritable engrenage mécanique avec le béton durci. Cela permet de transmettre les efforts de traction du béton vers l'acier sur une distance très courte (longueur d'ancrage réduite).

Visualisation des verrous transversaux sur une barre HA.

3.2 Treillis Soudés

Pour armer des grandes surfaces planes (dalles de compression, murs, radiers), l'assemblage manuel de barres est trop long et coûteux. Les treillis soudés sont des nappes préfabriquées en usine par soudage électrique par points de fils croisés. Ils garantissent un espacement régulier et une parfaite transmission des efforts aux nœuds. Les diamètres et mailles sont standardisés (ex: ST25C pour du fil de 7mm).

3.3 Adhérence et Ancrage

L'association acier-béton ne fonctionne que grâce à deux phénomènes : l'adhérence chimique (faible) et surtout le frottement mécanique dû aux verrous. De plus, ces deux matériaux ont un coefficient de dilatation thermique quasi identique (environ 10⁻⁵ /°C), ce qui évite que l'un ne se décolle de l'autre lors des variations de température saisonnières. L'ancrage correct des barres (coudes, crosses) aux extrémités des poutres est vital pour éviter le glissement de l'acier sous charge.

4. Aciers de Construction Métallique

Contrairement au béton armé où l'acier est caché, la construction métallique utilise l'acier comme squelette visible et principal de l'ouvrage. La norme de référence est la NF EN 10025.

4.1 Nuances et Qualités

Les aciers sont classés par leur performance mécanique minimale garantie. La désignation commence par S (pour Structural) suivi de la limite élastique (Re) en MPa.

• S235 : L'acier "standard", facile à former, utilisé pour les éléments peu sollicités ou la serrurerie.
• S355 : La nuance la plus courante en génie civil moderne. Elle offre un excellent compromis résistance/poids/coût.
• S460 et au-delà : Aciers à Haute Limite Élastique (HLE). Ils permettent d'alléger les structures (ponts de grande portée, gratte-ciels) en réduisant les sections nécessaires, mais demandent plus de précautions au soudage.

4.2 Produits Laminés Courants

Les aciéries laminent à chaud des formes optimisées pour résister à la flexion ou à la compression :

• IPE (I à Profil Européen) : Avec ses ailes étroites et son âme haute, il est optimisé pour la flexion pure (poutres, pannes).
• HEA/HEB (H à ailes larges) : Sa section ramassée et ses ailes larges lui donnent une grande inertie latérale, idéale pour résister au flambement (poteaux).
• UPN (U Normalisé) : Profil dissymétrique, souvent utilisé en lisses de bardage ou assemblé par deux pour former des poteaux composés.

Comparaison des sections : Notez les congés de raccordement (arrondis) vitaux pour réduire les concentrations de contraintes.

4.3 Assemblages Soudés

La soudure est un procédé de fusion localisée qui permet de créer une continuité métallique parfaite (monolithisme). C'est le mode d'assemblage privilégié en atelier pour reconstituer des poutres (PRS) ou fixer des raidisseurs. Cependant, la soudure crée une Zone Affectée Thermiquement (ZAT) où les propriétés du métal de base sont altérées par la chaleur, ce qui peut fragiliser l'assemblage si le refroidissement est mal maîtrisé.

4.4 Soudabilité et Carbone Équivalent

L'aptitude au soudage est un critère fondamental. Pour éviter la fissuration à froid lors du soudage, il est crucial de limiter la teneur en éléments durcissants. On calcule pour cela le Carbone Équivalent (Ceq).

Une formule simplifiée courante est : Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (en %).
En général, un acier est considéré comme parfaitement soudable si son Ceq est inférieur à 0,40% - 0,45%. Au-delà, des précautions (préchauffage) sont nécessaires.

4.5 Classes de Section (Eurocode 3)

L'Eurocode 3 classe les sections transversales de 1 à 4 selon leur sensibilité au voilement local (le "plissement" des tôles fines comprimées).

• Classe 1 & 2 : Sections compactes (parois épaisses). Elles peuvent développer toute leur résistance plastique. On peut dimensionner « à fond ».
• Classe 3 : Sections semi-compactes. Le voilement apparaît dès qu'on atteint la limite élastique. On doit rester dans le domaine élastique pour le calcul.
• Classe 4 : Sections élancées (parois fines). Le voilement survient bien avant la limite élastique. Il faut ignorer une partie de la matière dans les calculs (section efficace réduite).

4.6 Boulonnerie Structurale

Sur chantier, on privilégie le boulonnage. Les boulons sont classés par résistance (ex: 8.8, 10.9). Dans une classe 10.9 :
- Le 10 signifie 1000 MPa de résistance à la rupture.
- Le .9 signifie que la limite élastique est 90% de la rupture (soit 900 MPa).
Pour les assemblages "HR" (Haute Résistance) à serrage contrôlé, on applique une précontrainte dans le boulon qui plaque les pièces entre elles, permettant de transmettre les efforts par frottement et non par cisaillement du corps du boulon.

5. Aciers de Précontrainte

Le béton précontraint est une révolution technique : on comprime activement le béton grâce à des câbles tendus pour qu'il ne subisse jamais de traction en service. Cela nécessite des aciers d'exception.

5.1 Fils et Torons (TBR)

On n'utilise pas d'acier doux ici, mais des aciers à Très Basse Relaxation (TBR) et très haute résistance. La forme la plus courante est le toron, composé de 7 fils torsadés. Sa résistance à la rupture atteint 1860 MPa, soit près de 4 fois celle d'une barre de béton armé classique !

5.2 Barres de Précontrainte

Pour des précontraintes courtes ou des ancrages au rocher, on utilise des barres rigides à haute résistance (type Macalloy ou Dywidag), souvent filetées sur toute leur longueur pour permettre le vissage d'écrous d'ancrage à n'importe quel point.

6. Pathologies et Protection

6.1 La Corrosion

C'est la pathologie majeure. L'acier n'est pas stable thermodynamiquement ; il tend naturellement à revenir à son état d'oxyde (minerai). En présence d'eau et d'oxygène, une pile électrochimique se crée. La rouille (oxyde de fer) qui se forme est poreuse et foisonnante : elle occupe environ 6 à 7 fois plus de volume que l'acier consommé. Cette expansion exerce une pression interne énorme (plusieurs MPa) capable de faire éclater le béton d'enrobage.

Mécanisme de l'oxydation : la perte de section saine affaiblit la structure, et le gonflement de la rouille endommage le béton environnant.

6.2 Méthodes de Protection

Plusieurs stratégies existent pour contrer la corrosion :

• Protection passive (Enrobage) : Le béton sain a un pH élevé (alcalin) qui passif la surface de l'acier. Maintenir un enrobage suffisant (3 à 5 cm) est la première ligne de défense.
• Galvanisation à chaud : On plonge la pièce en acier dans un bain de zinc en fusion (450°C). Le zinc forme une barrière étanche et, en cas de rayure, se sacrifie (anode sacrificielle) pour protéger l'acier.
• Systèmes Peintures : Pour les grands ouvrages (ponts), on applique des systèmes multicouches certifiés (ACQPA) : couche primaire riche en zinc, couche intermédiaire époxy barrière, et couche de finition polyuréthane résistante aux UV.
• Aciers Corten : Aussi appelés aciers auto-patinables. Des ajouts de Cuivre et de Chrome favorisent la formation d'une couche d'oxyde dense et adhérente qui stoppe la corrosion sous-jacente.

6.3 Fatigue des aciers

Une structure soumise à des charges répétées (trafic sur un pont, vent sur un pylône, vibrations de machines) peut rompre bien en dessous de sa limite élastique. C'est la fatigue. Chaque cycle charge/décharge propage microscopiquement des fissures, souvent amorcées sur des défauts géométriques (trous de boulons, soudures mal finies). Le dimensionnement à la fatigue (courbes de Wöhler) est essentiel pour les ouvrages dynamiques.

6.4 Comportement au Feu

C'est le talon d'Achille de l'acier. Bien qu'incombustible, ses propriétés mécaniques s'effondrent avec la chaleur. À 500°C (température atteinte en quelques minutes lors d'un incendie), l'acier perd 50% de sa résistance. Sa forte conductivité thermique diffuse la chaleur, menaçant la stabilité globale. Solutions : Flocage (projection de fibres isolantes), Peintures intumescentes (qui gonflent à la chaleur pour former une mousse isolante), ou Encastrement dans du béton.

6.5 Aciers Inoxydables

Pour des environnements extrêmement agressifs (bords de mer, piscines chlorées, industries chimiques, fixations de pierres en façade), l'acier carbone ne suffit pas. On utilise des aciers inoxydables (Inox 304 ou 316L). Ils contiennent au moins 10,5% de chrome, qui réagit avec l'oxygène pour former une couche de "chrome oxyde" transparente, imperméable et auto-réparatrice. C'est la "passivation".

7. Contrôle et Qualité (CND)

La confiance n'exclut pas le contrôle. En construction métallique, on vérifie l'intégrité des matières et des soudures sans détruire la pièce : ce sont les Contrôles Non Destructifs (CND).

• Contrôle Visuel (VT) : La base. L'inspecteur certifié vérifie l'aspect, les dimensions des cordons de soudure et l'absence de défauts de surface flagrants.
• Ressuage (PT) : On applique un liquide rouge très pénétrant, on nettoie, puis on applique un révélateur blanc. Le liquide rouge ressort des fissures microscopiques par capillarité, les rendant visibles ("saignement").
• Magnétoscopie (MT) : On aimante la pièce et on applique une poudre ferromagnétique. Les défauts de surface perturbent le champ magnétique et attirent la poudre, dessinant le défaut.
• Ultrasons (UT) : Comme une échographie médicale. On envoie une onde sonore dans le métal. Si elle rencontre un défaut interne (inclusion, fissure), elle est réfléchie. L'analyse de l'écho permet de localiser le défaut avec précision.
• Radiographie (RT) : On traverse la soudure avec des rayons X ou Gamma pour impressionner un film. Les défauts (manque de matière) apparaissent plus sombres sur le cliché.

8. Désignation Normative (Exemple détaillé)

Savoir décoder la "carte d'identité" d'un acier est une compétence de base. Prenons l'exemple d'une désignation complète selon l'EN 10025 : S 355 J2 + N.

S : Usage

Indique un acier de construction (Structural). (P pour appareils à pression, E pour mécanique).

355 : Limite Élastique

C'est la valeur minimale garantie de la limite élastique (Re) en MPa (ou N/mm²) pour les faibles épaisseurs. C'est la valeur utilisée dans les notes de calcul.

J2 : Résilience (Ténacité)

Définit l'énergie de rupture garantie lors de l'essai de flexion par choc (Charpy).
JR : 27 Joules à +20°C (Usage courant intérieur).
J0 : 27 Joules à 0°C.
J2 : 27 Joules à -20°C (Usage extérieur, ponts, charpentes exposées).
K2 : 40 Joules à -20°C (Structures très sollicitées au choc).

+ N : État de Livraison

Indique le traitement thermique subi lors de la fabrication.
+AR (As Rolled) : Brut de laminage. Structure de grain standard.
+N (Normalized) : Laminage normalisant. Équivalent à une normalisation au four. Grain fin et homogène, propriétés stables.
+M (Thermo-Mechanical) : Laminage thermomécanique contrôlé. Permet d'obtenir de très hautes résistances avec moins d'éléments d'alliage, favorisant une excellente soudabilité.

9. Glossaire Technique

10. Conclusion

L'acier est bien plus qu'un simple matériau de construction : c'est un produit technologique de haute précision. Sa polyvalence lui permet de répondre aux défis les plus variés du génie civil, des armatures discrètes noyées dans le béton aux structures métalliques audacieuses franchissant des portées kilomètres.

Cependant, cette performance a un prix : celui de la rigueur. Rigueur dans le choix de la nuance adaptée, rigueur dans la conception des assemblages, rigueur dans la protection contre la corrosion et le feu. La maîtrise parfaite des normes (Eurocodes), de la métallurgie et des méthodes de contrôle est donc le bagage indispensable de l'ingénieur moderne pour concevoir des ouvrages non seulement spectaculaires, mais surtout sûrs et durables pour les générations futures.

11. Ressources Recommandées

Pour approfondir vos connaissances sur la construction métallique et le béton armé, voici des articles de référence.