L'acier dans la construction

L'acier est un alliage composé de fer et de carbone. En raison de sa résistance élevée à la traction et de son faible coût, l'acier est largement utilisé dans la construction. Le fer pur est très ductile et facilement formé. L'ajout d'une petite quantité de carbone a pour effet d'augmenter la dureté, la limite d'élasticité et la résistance à la traction du matériau.

D'autres composants tels que le silicium, le manganèse, le chrome, le cuivre ou encore le nickel sont souvent ajoutés au mélange fer/carbone afin d'améliorer les propriétés de l'alliage (augmentation des caractéristiques mécaniques, amélioration de la tenue à la corrosion, augmentation de la dureté, diminution de la fragilité, ...). Par exemple, l'acier inoxydable est un alliage de fer, de carbone, de nickel et de chrome.

La proportion de carbone se situe entre 0.02 % et 2 % en masse. Cette valeur varie en fonction des domaines d'emploi, dans la construction la teneur en carbone dépasse rarement 0.3 %. Une trop faible teneur en carbone rend le matériau trop ductile (mou) et peu résistant. En revanche une teneur en carbone trop élevée forme un alliage fragile (cassant), on parle alors de fonte.

L'essai de traction permet d'obtenir les principales propriétés mécaniques de l'acier nécessaires aux calculs de dimensionnement. Cet essai consiste en une mesure continue de la déformation d'une éprouvette en fonction de la contrainte de traction appliquée à celle-ci.

La courbe obtenue permet d'identifier trois phases principales :

Une phase initiale où l'on observe un comportement élastique (proportionnalité entre la contrainte et la déformation). Durant cette phase la déformation est réversible ;
Une phase d'accélération de la déformation correspondant à une plastification du matériau (déformation permanente) ;
Une phase de rupture où l'on constate une diminution soudaine de la contrainte (striction de l'éprouvette) pendant que la déformation se poursuit.

Essai de traction - Diagramme type

Les propriétés mécaniques suivantes peuvent être déduites des résultats de l'essai de traction :

Le module d'élasticité longitudinale (module de Young) E : pente de la droite dans la phase élastique ;
La limite d'élasticité f_y : contrainte obtenue au niveau de la rupture de pente à la fin de la phase élastique (palier plastique) ;
La limite de rupture f_u (notée f_t pour l'acier de béton armé) : contrainte maximale obtenue lors de l'essai ;
L'allongement à la rupture A : déformation permanente obtenue à la suite de l'essai.

Les principales caractéristiques des aciers utilisés dans la construction métallique et béton armé sont rappelées ci-dessous :

Module d'élasticité longitudinale E : 210 000 MPa pour l'acier de construction métallique, 200 000 MPa pour l'acier de béton armé ;
Poids volumique : compris entre 77.0 kN/m³ et 78.5 kN/m³ (Tableau A.4 de la norme NF EN 1991-1-1).

Extrait du Tableau 3.1 de la norme NF EN 1993-1-1

Norme et nuance d'acier	Epaisseur nominale t de l'élément [mm]
	t ≤ 40 mm		40 mm < t ≤ 80 mm
	f_y [MPa]	f_u [MPa]	f_y [MPa]	f_u [MPa]
EN 10025-2
S 235	235	360	215	360
S 275	275	430	255	410
S 355	355	490	335	470
S 450	440	550	410	550
EN 10025-3
S 275 N/NL	275	390	255	370
S 355 N/NL	355	490	335	470
S 420 N/NL	420	520	390	520
S 460 N/NL	460	540	430	540
EN 10025-4
S 275 M/ML	275	370	255	360
S 355 M/ML	355	470	335	450
S 420 M/ML	420	520	390	500
S 460 M/ML	460	540	430	530

Norme et nuance d'acier	Epaisseur nominale t de l'élément [mm]
	t ≤ 40 mm		40 mm > t t ≤ 80 mm
	f_y [MPa]	f_u [MPa]	f_y [MPa]	f_u [MPa]
EN 10025-2
S 235	235	360	215	360
S 275	275	430	255	410
S 355	355	490	335	470
S 450	440	550	410	550
EN 10025-3
S 275 N/NL	275	390	255	370
S 355 N/NL	355	490	335	470
S 420 N/NL	420	520	390	520
S 460 N/NL	460	540	430	540
EN 10025-4
S 275 M/ML	275	370	255	360
S 355 M/ML	355	470	335	450
S 420 M/ML	420	520	390	500
S 460 M/ML	460	540	430	530

Notations pour l'acier de béton armé :

Limite d'élasticité : f_y
Limite caractéristique d'élasticité : f_yk
Résistance en traction : f_t

Extrait du Tableau C.1 de la norme NF EN 1992-1-1

Forme du produit	Barres et fils redressés			Treillis soudés
Classe de ductilité	A	B	C	A	B	C
Limite caractéristique d'élasticité : f_yk (MPa)	400 à 600
Valeur minimale de k = (f_t/f_y)_k	≥ 1.05	≥ 1.08	≥ 1.15 < 1.35	≥ 1.05	≥ 1.08	≥ 1.15 < 1.35

Forme du produit	Barres et fils redressés			Treillis soudés
Classe de ductilité	A	B	C	A	B	C
f_yk (MPa)	400 à 600
k = (f_t/f_y)_k	≥ 1.05	≥ 1.08	≥ 1.15 < 1.35	≥ 1.05	≥ 1.08	≥ 1.15 < 1.35