Comportement de l’Acier en Béton Armé

1. Introduction : Le Rôle de l'Acier dans le Béton Armé

Comme nous l'avons vu, le béton excelle en compression mais est très faible en traction. L'acier, sous forme d'armatures (barres, treillis soudés), est un matériau qui possède une excellente résistance à la traction et à la flexion.

Dans le béton armé, l'acier est stratégiquement placé dans les zones de la structure qui seront soumises à des efforts de traction ou à des efforts de compression importants pour lesquels le béton seul ne suffirait pas (par exemple, dans les poteaux élancés où le flambement peut se produire). L'acier et le béton travaillent ensemble grâce à une bonne adhérence entre les deux matériaux.

Schéma simplifié d'une coupe de poutre en béton armé, montrant les armatures d'acier (ronds) placées dans la zone tendue (en cas de flexion).

2. Propriétés Mécaniques de l'Acier pour Béton Armé : Les Capacités de l'Armature

L'acier utilisé dans le béton armé n'est pas n'importe quel acier. Il doit avoir des propriétés mécaniques spécifiques pour bien remplir son rôle. Ces propriétés sont définies par des normes strictes pour garantir la sécurité des constructions.

2.1 Courbe Contrainte-Déformation de l'Acier : Sa "Carte d'Identité" Mécanique

La meilleure façon de connaître les propriétés d'un acier est de faire un essai de traction (comme on l'a vu dans un autre cours !). On tire sur une barre d'acier jusqu'à ce qu'elle casse et on trace la courbe contrainte-déformation. Pour les aciers d'armatures, cette courbe présente généralement une phase élastique linéaire, un palier d'écoulement (ou une limite d'élasticité conventionnelle), une phase d'écrouissage et enfin la striction avant la rupture.

Courbe contrainte-déformation typique d'un acier d'armature.

Ce qu'il faut retenir de cette courbe :

• Limite d'élasticité (\(f_y\)) : C'est la contrainte à partir de laquelle l'acier commence à se déformer plastiquement de manière significative. C'est comme le point où l'élastique commence à se déformer facilement. C'est la propriété la plus importante pour dimensionner les armatures.
• Résistance à la traction (\(f_u\)) : C'est la contrainte maximale que l'acier peut supporter avant la rupture.
• Module d'Young (\(E_s\)) : C'est sa rigidité dans la partie élastique. Pour l'acier, il est très élevé (environ \(200 \, \text{milliards}\) de Pascals, soit \(200 \, \text{GPa}\)).
• Allongement à la rupture (\(\epsilon_u\)) : C'est de combien l'acier peut s'étirer avant de casser. C'est une mesure de sa ductilité. Un acier ductile peut se déformer beaucoup avant de rompre, ce qui est une sécurité pour la structure (elle se déforme avant de s'effondrer). Les normes demandent des aciers assez ductiles.

2.2 Nuances d'Aciers et Normes : Des "Recettes" Standardisées

Il existe différentes "sortes" (nuances) d'aciers d'armatures, principalement définies par leur limite d'élasticité. Par exemple, un acier "B500B" (selon les normes européennes Eurocode 2) signifie que sa limite d'élasticité minimale est de \(500 \, \text{MPa}\), et le "B" indique qu'il a une bonne ductilité. Les normes donnent toutes les caractéristiques que ces aciers doivent respecter (composition chimique, dimensions, etc.).

3. Interaction Acier-Béton : Comment Ils Travaillent Ensemble

Pour que l'acier et le béton fassent bon ménage et travaillent ensemble efficacement, il faut qu'ils soient bien "collés" l'un à l'autre. C'est ce qu'on appelle l'adhérence.

3.1 Mécanismes d'Adhérence : Ce Qui Fait Tenir

L'adhérence entre l'acier et le béton n'est pas juste une simple colle. Elle est due à trois phénomènes :

• Adhérence chimique : Liaison faible à l'interface acier-béton.
• Frottement : Résistance due aux aspérités de la surface de l'acier et aux pressions normales exercées par le béton sur l'acier.
• Butée mécanique : Le principal mécanisme pour les barres à haute adhérence (barres crénelées ou nervurées). Les reliefs sur la surface de la barre s'opposent au glissement relatif par butée dans le béton.

Schéma illustrant l'adhérence entre une barre d'acier nervurée et le béton, notamment le mécanisme de butée mécanique.

3.2 Importance de l'Adhérence : La Clé de la Collaboration

Une bonne adhérence est vitale ! C'est elle qui permet à l'acier de "sentir" que le béton s'étire et de prendre le relais en traction. Elle permet aussi de faire en sorte que les fissures qui apparaissent dans le béton (car le béton fissure en traction !) restent petites et bien réparties, ce qui protège l'acier de la corrosion et maintient l'aspect de la structure. Enfin, c'est l'adhérence qui assure que les armatures sont bien "accrochées" (ancrées) dans le béton aux extrémités des éléments.

4. Comportement de l'Acier en Béton Armé sous Charge : Les Phases de Travail

Quand on charge une pièce en béton armé, l'acier et le béton réagissent ensemble, mais leur rôle change selon le niveau de charge.

4.1 Phase non Fissurée : Tout le Monde Travaille Ensemble

Sous de faibles charges, le béton armé se comporte comme un seul matériau élastique. Le béton supporte la compression, et il arrive même à supporter un peu de traction. L'acier aussi subit des contraintes et des déformations, mais il n'est pas encore le "super-héros" principal de la traction. La structure reste droite et, si on enlève la charge, elle reprend sa forme.

4.2 Phase Fissurée : L'Acier Prend le Relais en Traction

Quand la charge augmente, la contrainte de traction dans le béton dépasse sa faible résistance. Le béton se met à fissurer dans les zones tendues. Pas de panique, c'est normal et prévu ! À partir de ce moment, l'acier, grâce à l'adhérence, prend en charge presque tous les efforts de traction dans ces zones. Entre les fissures, le béton continue de travailler un peu, mais ce sont les armatures qui empêchent les fissures de s'ouvrir trop largement.

4.3 Phase Plastique de l'Acier : La Déformation avant la Rupture

Sous des charges plus importantes, la contrainte dans l'acier tendu peut atteindre sa limite d'élasticité (\(f_y\)). L'acier commence alors à se déformer de manière plastique (il s'allonge de façon permanente). La structure ne casse pas tout de suite ! Le béton continue de résister en compression, et l'acier, même s'il se déforme beaucoup, continue de porter une contrainte élevée (c'est l'écrouissage). C'est cette grande capacité de déformation plastique de l'acier qui donne au béton armé sa ductilité. La structure se déforme visiblement, ce qui est un signe d'avertissement avant une rupture potentiellement catastrophique.

4.4 Rupture : La Fin de la Capacité Portante

La rupture de l'élément en béton armé peut se produire de différentes manières, souvent après que l'acier a atteint sa limite d'élasticité. Une rupture ductile est généralement souhaitable, caractérisée par de grandes déformations avant la rupture finale, due à la plastification de l'acier. Une rupture fragile, sans grandes déformations préalables, peut survenir si l'acier n'est pas assez ductile ou si la conception est inadéquate (par exemple, rupture par compression du béton avant plastification de l'acier tendu).

5. Durabilité de l'Acier en Béton Armé : Protection contre la Corrosion

Le principal risque pour la durabilité de l'acier dans le béton armé est la corrosion.

5.1 Rôle de l'Enrobage : Le Bouclier de Béton

La couche de béton qui entoure complètement les armatures s'appelle l'enrobage. Son rôle est essentiel : le béton sain est naturellement très basique (pH élevé) qui passivé l'acier, c'est-à-dire qu'il forme une fine couche protectrice d'oxydes à sa surface, empêchant la rouille. L'enrobage empêche aussi l'eau, l'oxygène et les substances agressives d'atteindre l'acier.

5.2 Causes de la Corrosion des Armatures : Les Ennemis de la Passivation

La passivation de l'acier peut être détruite, entraînant la corrosion, principalement par deux mécanismes :

• Carbonatation du béton : Le dioxyde de carbone de l'air pénètre lentement dans le béton et réduit sa basicité. Si la carbonatation atteint l'acier, la protection disparaît.
• Pénétration des chlorures : Les ions chlorures (venus de l'eau de mer, des sels de déneigement...) sont très dangereux pour l'acier. Ils peuvent traverser le béton et détruire la couche protectrice même en milieu alcalin.

Une fois la protection perdue, l'acier rouille en présence d'eau et d'oxygène. La rouille prend plus de volume que l'acier d'origine, ce qui crée des pressions qui font fissurer et tomber des morceaux de béton (épaufrement). L'acier est alors encore plus exposé, et la corrosion s'accélère.

5.3 Prévention de la Corrosion : Protéger l'Investissement

Pour assurer la longévité des structures en béton armé, il faut absolument prévenir la corrosion :

• Choisir un enrobage suffisant et de qualité, adapté à l'environnement d'exposition.
• Utiliser un béton de bonne qualité (bien compacté, avec un bon dosage) pour qu'il soit moins poreux et plus résistant à la pénétration des agents agressifs.
• Dans les environnements très agressifs, utiliser des aciers spéciaux (comme l'acier inoxydable) ou des revêtements sur les armatures.
• Mettre en place des systèmes de protection complémentaires si nécessaire (protection cathodique).

6. Conclusion : L'Acier, Partenaire Indispensable du Béton

L'acier est bien plus qu'un simple renfort dans le béton. Son comportement spécifique, sa capacité à reprendre la traction et sa ductilité sont essentiels pour la performance et la sécurité des structures en béton armé. Leur collaboration, assurée par l'adhérence, permet de créer un matériau composite unique. Cependant, cette collaboration dépend de la protection de l'acier contre la corrosion, un aspect crucial de la durabilité. Une bonne compréhension du comportement de l'acier en béton armé, basée sur les normes et les principes de durabilité, est fondamentale pour concevoir des ouvrages qui résistent aux charges et au temps.

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