L'acier S235 appartient-il au passé ?

Le « S » de l'acier

Les aciers les plus couramment utilisés dans la construction sont le S235, le S275, le S355 et le S460. Il s'agit d'aciers laminés thermomécaniquement, où le « S » signifie « acier de construction Structural » et le chiffre indique la limite d'élasticité en MPa. Par exemple, le S355 a une limite d'élasticité de 355 MPa, soit 50 % supérieure à celle du S235. Bien que la résistance varie, la composition chimique du S235 et du S355 est quasi identique. La différence réside principalement dans les techniques de laminage et de refroidissement, qui influent sur les propriétés mécaniques telles que la limite d'élasticité et la résistance à la traction.

Le S355 est parfois considéré comme un acier à haute résistance parce que le S235 a longtemps été la norme. Il s'agit toutefois d'une désignation incorrecte. Un acier n'est considéré comme un acier à haute résistance qu'à partir du S690, utilisé principalement dans des secteurs tels que la construction de grues et l'offshore. Ces aciers tirent leur haute résistance d'une teneur en carbone accrue, ce qui entraîne une composition matérielle différente, une méthodologie de production spécifique et des exigences de soudage plus strictes. Dans cet article, nous n'aborderons pas davantage les autres aciers et nous concentrerons sur la comparaison entre le S235 et le S355 ou le S460. La figure 1 présente une représentation schématique du diagramme contrainte-déformation et des propriétés mécaniques de différentes nuances d'acier. On constate que pour les nuances d'acier plus élevées, la résistance à la traction augmente tandis que l'allongement à la rupture diminue. La rigidité liée au module d'élasticité reste identique.

Figure 1 : Diagramme contrainte-déformation et propriétés mécaniques de différentes nuances d'acier.

Le S235 comme norme dans la construction est obsolète

Le potentiel du S355 ou du S460 est limité par l'utilisation du S235 comme norme dans la construction. Il est remarquable que le coût et la consommation d'énergie par kilogramme pour les aciers S235, S275, S355 et S460 soient quasiment identiques, alors que le S355 et le S460 peuvent offrir des performances nettement supérieures.

En adoptant le S355 comme norme, il est possible de réaliser des constructions plus durables. Il s'agit donc d'une évolution logique, similaire à celle observée pour les armatures. Là où l'on utilisait auparavant le QR/FeB 220, le FeB 500 est aujourd'hui la norme. Personne n'utiliserait désormais le FeB 220 dans de nouvelles structures en béton.

« Le monde du béton est-il plus innovant que celui de l'acier ? »

Les avantages et les préoccupations

Le principal avantage de l'utilisation de nuances d'acier plus élevées est de pouvoir optimiser la consommation de matériaux à résistance égale, en affinant les profilés et en réduisant les épaisseurs de dalles. Une moindre consommation de matériaux signifie moins d'acier et donc des coûts économiques réduits. De plus, cela conduit non seulement à des économies en euros, mais aussi à une réduction des émissions de CO2, ce qui contribue positivement aux objectifs climatiques, la production d'acier jouant un rôle majeur dans les émissions.

Cet avantage est visible non seulement dans la structure métallique elle-même, mais aussi dans le transport, le montage et la conception éventuellement allégée de la fondation, ce qui entraîne également des économies de matériaux, de coûts et d'énergie. De plus, des profilés plus élancés permettent une conception plus aisée des assemblages, ce qui peut se traduire par des volumes de soudure réduits.

D'un autre côté, il convient bien entendu de prendre en compte certaines préoccupations lors de l'utilisation d'aciers plus résistants. Lorsque des sections d'acier plus élancées ou des plaques plus minces sont utilisées, le risque de flambement local (voilement) est plus élevé. Par ailleurs, l'utilisation d'un acier plus résistant n'influe pas directement sur la rigidité, ce qui peut entraîner, par exemple, des flèches plus importantes lors de l'élancement d'une section de poutre. Enfin, il existe également des exigences plus spécifiques pour le soudage des aciers à haute résistance, mais cela s'applique principalement aux aciers à partir du S460.

L'utilisation d'un acier plus résistant influe également sur l'épaisseur minimale de soudure dans le contrôle de détail dans IDEA conformément à FprEN 1993-1-8:2023 Art. 6.9(4). Voir le tableau ci-dessous montrant comment l'épaisseur minimale de soudure augmente avec la résistance de l'acier.

Cela nécessite parfois l'utilisation de soudures plus épaisses. Cependant, cela est compensé par le fait que le volume de soudure peut être réduit en utilisant des sections de profilés plus légères ou des plaques plus minces.

Calculez votre avantage - S235 vs S355 dans IDEA StatiCa Connection

Dans l'exemple suivant, nous effectuons une comparaison entre un assemblage réalisé en S235 et en S355. Ce faisant, nous examinons si l'utilisation du S355 peut contribuer à des économies de matériaux.

Nous analysons un assemblage poteau-poutre principale avec une platine d'extrémité, où l'assemblage peut être considéré comme semi-rigide (flexible). Une analyse de rigidité a été réalisée pour différentes situations à l'aide d'IDEA StatiCa afin d'étudier l'influence sur le diagramme moment-rotation, la résistance au moment et le mécanisme de rupture. L'assemblage d'origine est entièrement réalisé en S235 et se compose de six boulons M16 8.8, d'une platine d'extrémité d'une épaisseur de 10 mm et de doubles soudures d'angle d'une épaisseur de 5 mm pour les semelles et de 3 mm pour l'âme. Le poteau est un profilé HEA200 et la poutre est un profilé IPE220. La figure 2 présente l'assemblage et les résultats pour les différentes situations.

Figure 2 : Vue d'ensemble de l'assemblage et des résultats.

Pour chaque situation, une analyse de rigidité a été réalisée avec IDEA StatiCa Connection, et les résultats sont superposés dans un diagramme moment-rotation à la figure 3. Chaque situation est ensuite expliquée plus en détail. Nous commençons par l'assemblage réalisé en S235 et en S355. Nous explorons ensuite si nous pouvons modifier l'assemblage pour réduire les volumes de matériaux et de soudure afin de réaliser des économies.

Figure 3 : Diagramme moment-rotation pour les différentes situations calculées.

• S235 :

L'assemblage réalisé en S235 atteint une résistance au moment d'environ Mj,Rd = 45 kNm. L'assemblage présente une capacité de déformation raisonnable car le mécanisme de rupture est déterminé par la déformation plastique dans l'âme du poteau.

• S355

Pour le même assemblage réalisé en S355, la rigidité rotationnelle initiale reste inchangée (voir figure 3). Étant donné que le module d'élasticité et la géométrie restent identiques, la rigidité ne change pas. Cependant, la résistance au moment de l'assemblage augmente, avec un Mj,Rd pour le S355 environ 30 % supérieur à celui du S235. Bien que la résistance augmente, la capacité de déformation diminue car le mécanisme de rupture évolue. Avec le S235, l'âme du poteau atteint 5 % de déformation plastique, tandis qu'avec le S355, les soudures sur la platine d'extrémité atteignent la contrainte admissible maximale, conduisant à un mécanisme de rupture moins ductile.

Pour obtenir la même résistance au moment en S355 qu'en S235, l'assemblage peut être optimisé en vue d'économies de matériaux. Cela peut être réalisé en réduisant l'épaisseur de la platine d'extrémité, en utilisant des boulons plus petits, ou en réduisant les sections transversales des profilés du poteau et de la poutre.

• S355 boulons plus petits

En utilisant des boulons M14 ou M12 8.8 au lieu de M16, le Mj,Rd est réduit, mais la capacité de déformation diminue également de manière significative comme le montre la figure 3. Avec une réduction de la taille des boulons, on conserve la rigidité initiale de l'assemblage, mais on sacrifie la capacité de déformation et la résistance car le mécanisme de rupture se déplace vers les boulons. Sur la base de cette observation et parce que la quantité de matériau économisée est négligeable, il n'est pas avantageux d'alléger les boulons. Cela était prévisible puisque la qualité des boulons elle-même n'est pas augmentée.

• S355 platine d'extrémité plus mince

Avec une réduction de l'épaisseur de la platine d'extrémité, on sacrifie la résistance et la rigidité, mais on conserve la capacité de déformation car la platine d'extrémité plastifiera. Pour une platine d'extrémité de t = 6 mm, la rigidité et la résistance au moment sont significativement réduites. Cependant, à t = 8 mm, un Mj,Rd approximativement équivalent à celui du S235 est atteint, mais avec une épaisseur de platine réduite. Cela permet d'économiser des matériaux sans impact négatif significatif sur la rigidité et la résistance de l'assemblage.

• S355 profilés plus élancés

Lorsque l'épaisseur de la platine d'extrémité reste à 10 mm, mais que les sections transversales du poteau et de la poutre sont réduites jusqu'à ce que le Mj,Rd soit d'environ 45 kNm, cela aboutit à une résistance au moment équivalente et une capacité de déformation raisonnable, mais avec une consommation de matériaux moindre. Dans ce cas, les sections transversales sont réduites respectivement de HEA200 et IPE220 à HEA160 et IPE200.

Conclusion

En augmentant la résistance de l'acier, des matériaux peuvent être économisés grâce à des modifications des platines d'assemblage ou des sections transversales des profilés. La réduction des sections transversales est la plus efficace et la plus économique, car elle offre la plus grande réduction en termes de poids, de coût et d'émissions de CO₂. Dans le même temps, la résistance et la rigidité de l'assemblage sont maintenues, offrant ainsi une solution durable.

Il convient cependant de rappeler qu'une réduction de la section transversale influe directement sur la flèche des barres, ce qui doit être analysé dans le cadre de la conception globale. De plus, une augmentation de la résistance de l'acier peut entraîner une modification du mécanisme de rupture, avec un risque accru de rupture fragile, comme la rupture des boulons ou des contraintes plus élevées dans les soudures. Cela n'est pas toujours souhaitable car cela réduit la capacité de déformation de l'assemblage.

Cependant, si cela est pris en compte dans le détail de l'assemblage et que les épaisseurs de soudure sont conformes au contrôle de détail dans IDEA StatiCa Connection, qui tient compte du principe selon lequel les platines doivent d'abord plastifier avant que les soudures ne rompent de manière fragile, alors l'augmentation de la nuance d'acier et l'optimisation de l'assemblage constituent un choix délibéré et efficace.

Enfin, il convient de souligner que cette comparaison a été réalisée spécifiquement pour cet assemblage et que les conclusions et paramètres varieront d'un assemblage à l'autre. Cependant, pour obtenir une vue d'ensemble, nous devons inclure la structure entière dans notre investigation. C'est seulement alors que nous pourrons pleinement évaluer l'influence réelle de la rigidité et de la résistance tant dans l'assemblage que dans les barres. Cela sera peut-être approfondi dans un article de suivi.

Sources

• Li, Y., Lee, C.-C., & Cai, Y. (2023). Recent research advances in high-performance steel tubular members: Material properties, stub columns, and beams. Buildings, 13(11), 2713. https://doi.org/10.3390/buildings13112713
• Greven, S. X. (2013, October). Why S235 is obsolete. Building with Steel, 235. https://www.duurzaaminstaal.nl/upload/File/BMS_235_S235.pdf
• Romeijn, E., & Luijendijk, T. (2009). Construction high-strength steel makes different demands on welding. Metal magazine, 9, 30-32.