Matériau structurel - Structural material
L'ingénierie structurelle dépend de la connaissance des matériaux et de leurs propriétés, afin de comprendre comment différents matériaux résistent et supportent des charges.
Les matériaux structurels courants sont:
Le fer
Fer forgé
Le fer forgé est la forme la plus simple de fer et est du fer presque pur (généralement moins de 0,15% de carbone). Il contient généralement du laitier . Ses utilisations sont presque entièrement obsolètes et il n'est plus produit commercialement.
Le fer forgé est très pauvre dans les incendies. Il est ductile, malléable et résistant. Il ne se corrode pas aussi facilement que l'acier.
Fonte
La fonte est une forme de fer cassante qui est plus faible en tension qu'en compression. Il a un point de fusion relativement bas, une bonne fluidité, une excellente coulabilité, une excellente usinabilité et une excellente résistance à l'usure. Bien que presque entièrement remplacés par l'acier dans les structures des bâtiments, les fontes sont devenues un matériau d'ingénierie avec un large éventail d'applications, y compris les tuyaux, les machines et les pièces automobiles.
La fonte conserve une résistance élevée aux incendies, malgré son bas point de fusion. Il est généralement composé d'environ 95% de fer, avec entre 2,1% et 4% de carbone et entre 1% et 3% de silicium. Il ne se corrode pas aussi facilement que l'acier.
Acier
L'acier est un alliage de fer à taux de carbone contrôlé (entre 0,0 et 1,7% de carbone).
L'acier est très largement utilisé dans tous les types de structures, en raison de son coût relativement faible, de son rapport résistance / poids élevé et de sa rapidité de construction.
L'acier est un matériau ductile, qui se comportera élastiquement jusqu'à ce qu'il atteigne son élasticité (point 2 sur la courbe contrainte-déformation), lorsqu'il deviendra plastique et se cassera de manière ductile (grandes déformations, ou extensions, avant rupture au point 3 sur le courbe). L'acier est tout aussi résistant en traction et en compression.
L'acier est faible en cas d'incendie et doit être protégé dans la plupart des bâtiments. Malgré leur rapport résistance / poids élevé, les bâtiments en acier ont autant de masse thermique que les bâtiments en béton similaires.
Le module d' élasticité de l'acier est d'environ 205 GPa .
L'acier est très sujet à la corrosion ( rouille ).
Acier inoxydable
L'acier inoxydable est un alliage fer-carbone avec une teneur minimale de 10,5% de chrome. Il existe différents types d'acier inoxydable, contenant différentes proportions de fer, de carbone, de molybdène et de nickel . Il a des propriétés structurelles similaires à celles de l'acier, bien que sa résistance varie considérablement.
Il est rarement utilisé pour la structure primaire, et plus encore pour les finitions architecturales et le revêtement des bâtiments.
Il est très résistant à la corrosion et aux taches.
Béton
Le béton est très largement utilisé dans le bâtiment et les structures de génie civil, en raison de son faible coût, de sa flexibilité, de sa durabilité et de sa haute résistance. Il a également une résistance élevée au feu.
Le béton est un matériau non linéaire, non élastique et cassant. Il est fort en compression et très faible en tension. Il se comporte de manière non linéaire à tout moment. Parce qu'il a une résistance en traction essentiellement nulle, il est presque toujours utilisé comme béton armé , un matériau composite. C'est un mélange de sable , d'agrégat, de ciment et d'eau. Il est placé dans un moule, ou forme, sous forme de liquide, puis il prend (s'éteint), en raison d'une réaction chimique entre l'eau et le ciment. Le durcissement du béton est appelé hydratation. La réaction est exothermique (dégage de la chaleur).
La résistance du béton augmente continuellement à partir du jour où il est coulé. En supposant qu'il ne soit pas coulé sous l'eau ou dans une humidité relative constante de 100%, il rétrécit avec le temps en séchant et il se déforme avec le temps en raison d'un phénomène appelé fluage . Sa résistance dépend fortement de la façon dont il est mélangé, coulé, coulé, compacté, durci (maintenu humide pendant la prise), et si des adjuvants ont été utilisés ou non dans le mélange. Il peut être moulé dans n'importe quelle forme pour laquelle une forme peut être faite. Sa couleur, sa qualité et sa finition dépendent de la complexité de la structure, du matériau utilisé pour la forme et de la compétence du travailleur.
Le module d' élasticité du béton peut varier considérablement et dépend du mélange, de l'âge et de la qualité du béton, ainsi que du type et de la durée de chargement qui lui sont appliqués. Il est généralement pris à environ 25 GPa pour les charges à long terme une fois qu'il a atteint sa pleine résistance (généralement considéré comme 28 jours après la coulée). Il est estimé à environ 38 GPa pour un chargement à très court terme, comme des bruits de pas.
Le béton a des propriétés très favorables au feu - il n'est pas affecté par le feu jusqu'à ce qu'il atteigne des températures très élevées. Il a également une masse très élevée, il est donc bon pour fournir une isolation phonique et une rétention de la chaleur (ce qui réduit les besoins énergétiques pour le chauffage des bâtiments en béton). Ceci est compensé par le fait que la production et le transport du béton sont très gourmands en énergie. Pour étudier le comportement des matériaux, de nombreux modèles numériques ont été développés, par exemple le modèle microplan pour les lois de comportement des matériaux .
Béton armé
Le béton armé est du béton dans lequel des barres d'armature en acier («barres d'armature»), des plaques ou des fibres ont été incorporées pour renforcer un matériau qui serait autrement cassant. Dans les pays industrialisés, presque tout le béton utilisé dans la construction est du béton armé. En raison de sa faiblesse dans la capacité de traction, le béton échouera soudainement et de manière cassante sous une force de flexion (flexion) ou de traction à moins d'être correctement renforcé avec de l'acier.
Béton précontraint
Le béton précontraint est une méthode pour surmonter la faiblesse naturelle du béton en tension . Il peut être utilisé pour produire des poutres , des planchers ou des ponts avec une portée plus longue que ce qui est pratique avec du béton armé ordinaire . Les câbles de précontrainte (généralement des câbles ou tiges en acier à haute résistance ) sont utilisés pour fournir une charge de serrage qui produit une contrainte de compression qui compense la contrainte de traction que l' élément de compression en béton subirait autrement en raison d'une charge de flexion.
Aluminium
1. Résistance ultime
2. Limite d'élasticité
3. Contrainte limite proportionnelle
4. Rupture
5. Déformation décalée (généralement 0,002).
L'aluminium est un métal souple, léger et malléable. La limite d'élasticité de l'aluminium pur est de 7 à 11 MPa, tandis que les alliages d'aluminium ont des limites d'élasticité allant de 200 MPa à 600 MPa. L'aluminium a environ un tiers de la densité et de la rigidité de l'acier. Il est ductile et facilement usiné, coulé et extrudé.
La résistance à la corrosion est excellente en raison d'une fine couche superficielle d'oxyde d'aluminium qui se forme lorsque le métal est exposé à l'air, empêchant efficacement une oxydation supplémentaire. Les alliages d'aluminium les plus solides sont moins résistants à la corrosion en raison des réactions galvaniques avec le cuivre allié.
L'aluminium est utilisé dans certaines structures de bâtiments (principalement en façades) et très largement dans la construction aéronautique en raison de son bon rapport résistance / poids. C'est un matériau relativement coûteux.
Dans les avions, il est progressivement remplacé par des matériaux composites de carbone.
Matériaux composites
Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans les véhicules et les structures d'aéronefs, et dans une certaine mesure dans d'autres structures. Ils sont de plus en plus utilisés dans les ponts, en particulier pour la conservation de structures anciennes comme le pont en fonte de Coalport construit en 1818. Les composites sont souvent anisotropes (ils ont des propriétés de matériaux différentes dans des directions différentes) car ils peuvent être des matériaux laminaires. Ils se comportent le plus souvent de manière non linéaire et échoueront de manière fragile en cas de surcharge.
Ils offrent des rapports résistance / poids extrêmement bons, mais sont également très coûteux. Les procédés de fabrication, qui sont souvent l'extrusion, n'offrent pas actuellement la flexibilité économique qu'offrent le béton ou l'acier. Les plastiques renforcés de verre sont les plus couramment utilisés dans les applications structurelles .
Maçonnerie
La maçonnerie est utilisée dans les structures depuis des milliers d'années et peut prendre la forme de pierre, de brique ou de parpaings. La maçonnerie est très forte en compression mais ne peut pas supporter de tension (car le mortier entre les briques ou les blocs est incapable de supporter la tension). Parce qu'il ne peut pas supporter de tension structurelle, il ne peut pas non plus supporter de flexion, de sorte que les murs de maçonnerie deviennent instables à des hauteurs relativement petites. Les structures de maçonnerie hautes nécessitent une stabilisation contre les charges latérales des contreforts (comme avec les contreforts volants observés dans de nombreuses églises médiévales européennes) ou des poteaux à vent .
Historiquement, la maçonnerie était construite sans mortier ou avec du mortier de chaux. Dans les temps modernes, des mortiers à base de ciment sont utilisés. Le mortier colle les blocs ensemble et adoucit également l'interface entre les blocs, évitant les charges ponctuelles localisées qui auraient pu conduire à des fissures.
Depuis l'utilisation répandue du béton, la pierre est rarement utilisée comme matériau de structure primaire, n'apparaissant souvent que comme revêtement, en raison de son coût et des compétences élevées nécessaires pour la produire. La brique et le parpaing ont pris sa place.
La maçonnerie, comme le béton, a de bonnes propriétés d'isolation phonique et une masse thermique élevée, mais sa production est généralement moins gourmande en énergie. Son transport est tout aussi énergivore que le béton.
Charpente
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Le bois est le plus ancien des matériaux de structure, et bien que principalement supplanté par l'acier, la maçonnerie et le béton, il est toujours utilisé dans un nombre important de bâtiments. Les propriétés du bois sont non linéaires et très variables, en fonction de la qualité, du traitement du bois et du type de bois fourni. La conception des structures en bois est fortement basée sur des preuves empiriques.
Le bois est fort en tension et en compression, mais peut être faible en flexion en raison de sa structure fibreuse. Le bois est relativement bon dans un feu car il carbonise, ce qui fournit une certaine protection au bois au centre de l'élément et permet à la structure de conserver une certaine résistance pendant une durée raisonnable.
Autres matériaux de structure
- Adobe
- Alliage
- Bambou
- Fibre de carbone
- Plastique renforcé de fibres
- Brique de terre
- Matériaux de toiture
Les références
- ^ Nawy, Edward G. (1989). Béton précontraint . Prentice Hall . ISBN 0-13-698375-8 .
- ^ Nilson, Arthur H. (1987). Conception de béton précontraint . John Wiley et fils . ISBN 0-471-83072-0 .
Lectures complémentaires
- Blank, Alan; McEvoy, Michael; Plank, Roger (1993). Architecture et construction en acier . Taylor et Francis. ISBN 0-419-17660-8 .
- Hewson, Nigel R. (2003). Ponts en béton précontraint: conception et construction . Thomas Telford. ISBN 0-7277-2774-5 .
- Hosford, William F. (2005). Comportement mécanique des matériaux . La presse de l'Universite de Cambridge. ISBN 0-521-84670-6 .
- Hoogenboom PCJ, «Éléments discrets et non-linéarité dans la conception des murs en béton structurel», Section 1.3 Aperçu historique de la modélisation du béton structurel, août 1998, ISBN 90-901184-3-8 .
- Leonhardt, A. (1964). Vom Caementum zum Spannbeton, Band III (du ciment au béton précontraint) . Bauverlag GmbH.
- Mörsch, E. (Stuttgart, 1908). Der Eisenbetonbau, seine Theorie und Anwendun, (Construction en béton armé, sa théorie et son application) . Konrad Wittwer, 3e édition.
- Nilson, Arthur H .; Darwin, David; Dolan, Charles W. (2004). Conception de structures en béton . McGraw-Hill Professionnel. ISBN 0-07-248305-9 .
- Prentice, John E. (1990). Géologie des matériaux de construction . Springer. ISBN 0-412-29740-X .
- Schlaich, J., K. Schäfer, M. Jennewein (1987). "Vers une conception cohérente du béton structurel". PCI Journal , rapport spécial, vol. 32, n ° 3.
- Swank, James Moore (1965). Histoire de la fabrication du fer à tous les âges . Éditions Ayer. ISBN 0-8337-3463-6 .