Conception de structures en acier inoxydable
L’acier inoxydable est de plus en plus fréquemment utilisé dans la construction, comme revêtement ou élément architectural, ou comme matériau porteur, à part entière. Son avantage réside dans sa grande résistance à la corrosion, associée à une bonne résistance ainsi que plasticité, ce qui se traduit par des besoins d’entretien réduits, par une durée de vie plus longue, sans réparations, ce à quoi s’ajoute un aspect stable des éléments, au fil du temps. Dans les structures extérieures, les infrastructures, les bâtiments à forte présence d’humidité ou les architectures exposées, cet argument est tout aussi important que la capacité de charge elle-même.
La « résistance à la corrosion » repose sur la formation spontanée d’une fine couche d’oxyde riche en chrome, à la surface de l’acier. Cette couche est stable, non poreuse et imperméable. Lorsqu’elle est rayée, elle se reconstitue en présence d’oxygène, c’est pourquoi, dans de nombreux environnements, l’acier ne nécessite pas les revêtements protecteurs classiques. Cependant, il convient de rappeler que la stabilité de la couche passive dépend de la composition de l’acier, de la finition de la surface et de l’agressivité de l’environnement. Dans l’aspect pratique de la conception, cela signifie que le choix des matériaux et des détails doit tenir compte de la « possibilité que l’acier rouille », de sa capacité à conserver l’aspect attendu et de l’apparition éventuelle d’une corrosion, localisée dans les zones soumises à des conditions environnementales particulièrement difficiles.
Cet article est basé sur le livre « Podręcznik projektowania konstrukcji ze stali nierdzewnych, wydanie czwarte » publié par l’université technologique de Rzeszów, qui est une traduction fidèle du « Design Manual for Structural Stainless Steel, 4th Edition, SCI 2017 ». Le contenu suivant n’est qu’un aperçu général du sujet. Pour ceux qui s’intéressent à ce sujet, nous leur recommandons vivement de se plonger dans la littérature.
Sélection de la nuance et identification de l’environnement corrosif
Dans la conception de structures en acier inoxydable, le choix de la nuance est aussi important que le choix de la section transversale. En effet, les différents aciers inoxydables offrent différentes combinaisons de résistance, de soudabilité et de résistance aux environnements corrosifs. L’objectif n’est donc pas de choisir le « meilleur » acier, mais l’acier qui convient à l’exposition. Le bon choix permet d’éviter à la fois les problèmes de corrosion prématurée, ainsi que les dépassements de coûts inutiles, résultant de l’utilisation d’une nuance trop alliée.
Trois familles dominent dans la pratique de la construction : les aciers austénitiques, les ferritiques et les duplex (ferritiques-austénitiques). Les nuances austénitiques sont les plus couramment utilisées dans la construction. Elles présentent une ductilité élevée, une facilité de formage à froid et une bonne soudabilité. De plus, leur résistance à la corrosion peut être encore accrue, en augmentant la teneur en chrome, et en ajoutant du molybdène et de l’azote, ce qui peut être primordial dans les environnements chlorés. Les aciers ferritiques ont généralement une teneur en nickel plus faible et sont donc moins souvent sujets à la volatilité des prix. Ils résistent également bien à la corrosion sous contrainte, mais offrent généralement une plasticité moindre et une plus grande sensibilité technologique et de soudage. Les aciers duplex combinent les caractéristiques des deux groupes et se caractérisent par une résistance nettement supérieure à celle des aciers austénitiques, ce qui permet de réduire l’épaisseur des composants et de compenser, en partie, le coût du matériau.
L’indice PREN = %Cr + 3,3 %Mo + 16 %N permet d’évaluer la résistance à la corrosion par piqûres. Il facilite donc la comparaison des nuances, cependant, il doit être considéré comme un indicateur préliminaire plutôt que comme une « garantie de durabilité à un chiffre ». Le risque de corrosion est évidemment influencé par la température, le type de contamination, les cycles d’humidification et de séchage, et la disponibilité en oxygène, qui détermine le maintien de la couche passive. Dans les environnements riches en chlorures, tels que les zones côtières, les zones où sont utilisés des sels de déneigement, les installations exposées aux embruns salés ou certaines installations industrielles, le risque de corrosion par piqûres et par crevasses augmente. Dans de telles conditions, outre le choix d’une nuance avec un PREN plus élevé, la finition de surface, la géométrie des pièces et le maintien de la propreté deviennent particulièrement importants.
Le choix du matériau doit également tenir compte des mécanismes de corrosion associés aux détails et à la technologie. La corrosion par crevasses se développe dans des crevasses étroites et partiellement fermées où l’eau et les chlorures peuvent toutefois pénétrer, mais où l’oxygène a du mal à accéder, empêchant la couche passive de se renouveler efficacement. La corrosion sous contrainte nécessite la présence simultanée de contraintes de traction et de facteurs environnementaux spécifiques. Ce qui fait dire qu’elle est peu probable dans une atmosphère de bâtiment typique, mais dans des environnements riches en chlorures (par exemple, les piscines intérieures ou les zones côtières) et sous des contraintes internes élevées, elle peut devenir un facteur de conception. Enfin, dans les joints soudés, il faut prêter grande attention à la corrosion intergranulaire dans la zone affectée par la chaleur, associée à la précipitation de carbures de chrome dans la plage de 450 à 850 °C. Ce risque est atténué par le choix approprié de nuances (par exemple, à faible teneur en carbone ou stabilisées) et par une procédure de soudage soigneusement choisie.
Dans la pratique, de nombreuses déceptions, en regard de la durabilité, ne sont pas dues à un « défaut de l’acier inoxydable », mais à des erreurs dans la conception et le processus de fabrication. Les causes fréquemment citées sont les suivantes : choix de nuances insuffisamment résistantes pour un environnement donné, détails mal conçus favorisant la rétention d’eau ou la formation de crevasses, qualité insuffisante de la fabrication et du traitement de surface, ainsi que des nettoyages et des fonctionnements inappropriés. Il convient également de noter que si un problème de corrosion grave doit se produire, il se manifeste généralement au cours des premières années de fonctionnement. Cela renforce l’argument en faveur de la vérification de l’environnement et des détails, avant la mise en œuvre, plutôt que de « compter sur l’acier inoxydable pour tout pardonner ».
Concevoir en tenant compte de la corrosion
Même une nuance bien choisie peut ne pas répondre aux attentes si la conception et la fabrication favorisent l’accumulation d’humidité ou de contaminants. Du point de vue du concepteur, il est essentiel de combiner le choix de la nuance avec les détails appropriés, notamment assurer le drainage de l’eau, limiter les « poches » de dépôts et minimiser les espaces dans lesquels une désoxygénation locale et un affaiblissement de la couche passive peuvent se produire. Dans les structures en acier inoxydable, la durabilité « commence » souvent dans le dessin détaillé du joint, plutôt que dans le tableau des résistances.
Nous pouvons donc dire que… Les détails favorisant la durabilité commencent par la géométrie des éléments ! Les tôles nominalement horizontales doivent être conçues avec une pente afin que l’eau ne reste pas à la surface. Lorsque l’accumulation d’humidité ne peut être évitée, des trous de drainage d’un diamètre réduisant le risque d’obstruction sont alors conçus. Dans les sections ouvertes, l’orientation du profilé est importante ; le même angle ou canal peut servir de « gouttière » pour retenir l’eau ou bien d’élément facilitant le drainage, selon le contexte. Dans les éléments tubulaires, il convient de décider si le profilé sera fermé et scellé, ou bien si une ventilation et un drainage sont prévus. Enfin, les solutions intermédiaires qui permettent à l’eau de pénétrer, mais qui entravent son drainage sont donc particulièrement risquées.
Les interstices sont dangereux lorsqu’ils permettent à l’eau et aux chlorures de pénétrer, tout en bloquant le flux d’oxygène. Dans de telles conditions, la corrosion par crevasses peut progresser rapidement, même si l’acier semble en bon état « à la surface ouverte ». Par conséquent, les solutions qui limitent le nombre de joints non fermés sont préférables dans le détail, et si un espace est inévitable, sont alors utilisés des soudures de fermeture ou des joints d’étanchéité de haute qualité. Cela s’applique en particulier aux zones dans lesquelles l’eau reste durant de longues périodes, par exemple au niveau des supports, dans les dépressions, sous les revêtements ou à proximité d’éléments qui obstruent le drainage libre.
La durabilité est également liée à la qualité de la surface. Une finition trop rugueuse peut favoriser la rétention de contaminants, et le sens du meulage compte aussi beaucoup pour l’écoulement de l’eau. Les procédures de fabrication sont également importantes : le cycle thermique du soudage, le dépôt de particules de fer « étrangères » ou l’élimination insuffisante des décolorations et des projections, peuvent tous nuire à la résistance à la corrosion. Il convient donc d’anticiper les exigences, en matière de nettoyage, de traitement de surface et de contrôle qualité dans les zones critiques, et ce, dès la phase de conception, en particulier si la structure doit fonctionner dans un environnement difficile ou sera visuellement exposée.
Aux emplacements où d’autres métaux entrent en contact, le risque de corrosion galvanique doit être alors pris en compte, en particulier en présence d’électrolytes. Dans les assemblages mécaniques, il est recommandé d’utiliser des vis faites d’un métal plus résistant à la corrosion. Lorsque sont combinés l’acier inoxydable et l’acier au carbone, il est souvent efficace d’isoler les métaux ou de concevoir les revêtements, de manière à limiter la conduction électrolytique. Un rapport de surface qui est défavorable est particulièrement dangereux dans des conditions d’immersion. Ainsi une grande surface en acier inoxydable combinée à une petite surface en acier au carbone peut accélérer la corrosion de cette dernière. Dans les conceptions hybrides, il convient donc de prendre en compte la disposition des matériaux, plutôt que de se limiter à « un seul » détail.
Propriétés mécaniques des aciers inoxydables et leurs implications en matière de conception
La conception, en fonction de la capacité de charge, nécessite de préalablement comprendre que l’acier inoxydable ne se comporte pas de la même manière que l’acier au carbone classique. La différence la plus importante concerne la forme de la courbe contrainte-déformation : au lieu d’un point de rupture clair et d’un « plateau » plastique, l’acier inoxydable présente une courbe plus arrondie et une non-linéarité, et ceci même dans une plage qui est presque parfaitement élastique, pour l’acier au carbone. En pratique, cela signifie que même à des contraintes relativement faibles, des déformations supérieures à celles résultant de l’élasticité linéaire peuvent se produire, élément très important pour l’évaluation des déformations, des vibrations et de l’étanchéité des connexions.
C’est pourquoi nous utilisons, lors de la conception, une limite d’élasticité conventionnelle Rp0,2, c’est-à-dire la contrainte provoquant une déformation permanente de 0,2 %. Dans le même temps, il faut se souvenir que la limite de proportionnalité est parfois nettement inférieure et peut ne représenter qu’environ 40 à 70 % de la valeur Rp0,2. Ceci est extrêmement important dans le contexte de l’état limite de service. Ainsi, dans les éléments minces à grande portée, ou bien nécessitant une rigidité élevée, « vérifier la capacité de charge » ne suffit absolument pas. Il est absolument nécessaire d’évaluer, et de manière fiable, les déformations et, si nécessaire, d’utiliser des modèles de matériaux qui tiennent compte de la non-linéarité.
Les propriétés mécaniques de l’acier inoxydable peuvent changer de manière significative à la suite d’un usinage plastique à froid, ce qui augmente les paramètres de résistance, en particulier dans les aciers austénitiques. Lors de la conception de composants à parois minces ou qui seront formés à froid, cela signifie que l’état de livraison, le processus de formage, et tout soudage à proximité des zones déformées, doivent être considérés comme faisant partie du « modèle de matériau ». Dans les essais de traction, il est donc recommandé d’appliquer la charge, de manière à garantir l’axialité et à obtenir la courbe réelle contrainte-déformation, sans perturbations qui seraient dues à l’excentricité ou aux précontraintes. Cette approche est particulièrement importante lorsque la conception exploite les propriétés résultant de l’écrouissage ou lorsque les éléments sont sensibles à la déformation.
États limites, coefficients et procédures de calcul selon l’Eurocode
Dans la pratique européenne de la conception, les structures en acier inoxydable sont calculées selon la logique donnée par l’Eurocode, et le point essentiel de départ est le travail avec les états limites. Une distinction est faite entre l’état limite ultime (ULS), l’état limite de service (SLS) et l’état limite de durabilité (DLS). Ce dernier est particulièrement naturel pour l’acier inoxydable, car la durabilité signifie fréquemment, dans le temps, le maintien de la capacité de charge, ainsi que le maintien de l’esthétique requise et la limitation des points chauds de corrosion locale.
La condition de vérification dans LBC (Limite de Borne de Capacité – Load-Bearing Capacity) se résume à comparer les effets calculés des interactions avec la capacité de charge calculée de l’élément. La capacité de charge de conception est déterminée sur la base de la capacité de charge caractéristique, divisée par un coefficient partiel de sécurité, dont les valeurs sont adoptées, conformément à la partie de l’Eurocode 3 concernant l’acier inoxydable et les règles de conception des assemblages. La cohérence est importante, car une seule conception combine fréquemment des règles provenant de différentes parties de l’Eurocode 3, notamment les règles pour les éléments de barres, règles de connexion et exigences supplémentaires résultant de la technologie de fabrication.
Dans la pratique, le processus de calcul doit être lié aux hypothèses de fabrication. L’acier inoxydable est sensible aux détails technologiques et ses différentes caractéristiques matérielles peuvent affecter le respect des SGU. Il est donc recommandé de convenir, à un stade précoce avec l’entrepreneur, des détails, des tolérances et des méthodes de protection et de nettoyage des surfaces, avant que la section transversale et les assemblages ne soient « figés » dans la documentation.
Vous trouverez ci-dessous un webinaire sur la conception de structures en acier inoxydable (éléments et assemblages) avec des références aux normes de type Eurocode (documentation en anglais).
Sections
Dans la conception des éléments en acier inoxydable, de nombreuses décisions dépendent du comportement de la section, dans un contexte d’instabilité locale. C’est pourquoi les sections sont répertoriées de 1 à 4, et la classe détermine, à la fois, la manière dont la capacité de charge est vérifiée et si des calculs plastiques peuvent être utilisés. Même si la capacité de charge globale d’une barre est élevée, la perte locale de stabilité des parois minces peut limiter l’utilisation du matériau.
Dans les sections de classe 4, dans lesquelles les parois minces peuvent perdre leur stabilité localement avant d’atteindre la pleine capacité de charge du matériau, la capacité de charge est déterminée à l’aide de largeurs effectives, c’est-à-dire une réduction de la contribution des fragments comprimés au transfert de contrainte. Une nuance supplémentaire est à trouver dans le fait que la classification de la section transversale peut varier sur la longueur de la barre, si le rapport entre le moment de flexion et la force axiale change. Cela signifie que le concepteur doit évaluer la section transversale dans les conditions les plus défavorables, et pas seulement à un emplacement « représentatif ».
Les critères de classification sont donc liés aux rapports maximaux largeur/épaisseur des parois individuelles. Il convient également de garder à l’esprit la question de l’utilisabilité… Avec un plus grand élancement, des déformations et des ondulations peuvent apparaître, ce qui ne signifie pas nécessairement une perte de capacité de charge, mais ceci peut être inacceptable sur un plan visuel ou opérationnel, en particulier dans les éléments ayant une fonction architecturale. Par conséquent, le choix d’une section transversale est souvent un compromis entre l’économie de matériau et le contrôle des déformations locales.
Conception des barres
Une fois la classe de section transversale et la capacité de charge transversale déterminées, les barres sont vérifiées. Dans les éléments soumis à la traction, la section nette au niveau des orifices est généralement le point critique, c’est pourquoi la capacité de charge brute et nette de la section et la rupture éventuelle des blocs, sont vérifiées dans les assemblages boulonnés. Pour les aciers inoxydables, la procédure est similaire à celle des aciers au carbone. En revanche, elle nécessite l’application cohérente des paramètres de matériaux et des coefficients partiels appropriés, pour la nuance donnée, en particulier lorsque des éléments formés à froid apparaissent dans la conception.
Le flambage est crucial, dans les éléments comprimés. Les recommandations de conception pour les aciers inoxydables comprennent des courbes de flambage qui, dans certaines situations, peuvent être plus conservatrices que celles données dans la norme, car des essais ont montré des estimations trop optimistes pour certaines sections formées à froid. Il convient également de noter les différences de comportement au flambage entre les colonnes RHS/SHS en acier ferritique et les colonnes en acier austénitique et duplex. Dans la pratique, cela conduit à une sélection prudente de la courbe de flambage et, dans le cas de sections transversales ou de solutions technologiques inhabituelles, à l’utilisation de données d’essai ou des directives du fabricant.
Dans les éléments courbés, le problème du flambage est important, en particulier lorsque la semelle comprimée n’est pas renforcée latéralement. Dans de tels cas, la capacité de charge de flambage de la section non renforcée est vérifiée sur la base de l’élancement de flambage et du moment critique. Dans le même temps, la possibilité d’une instabilité locale des parois, sous l’action d’une force transversale, est vérifiée, car les âmes minces peuvent nécessiter une réduction de la capacité de charge. Si la force de cisaillement est importante, il existe également une interaction entre le cisaillement et la flexion, qui doit être prise en compte conformément à la procédure appropriée, plutôt que de supposer que « puisque la section transversale est résistante à la flexion, le cisaillement n’est pas pertinent ».
Joints, assemblages et fabrication
Les assemblages déterminent la sécurité, la durabilité et les coûts d’installation. Dans le cas des aciers inoxydables, il convient donc de les traiter comme un élément de conception « de première classe ». Dans les assemblages boulonnés, une distinction est faite entre les assemblages de tôles épaisses et minces, car, dans les parois minces, les déformations peuvent limiter la capacité de charge. Dans les recommandations de conception pour les aciers inoxydables, une épaisseur de paroi de 4 mm est souvent prise comme étant une ligne stricte de démarcation. Il est recommandé d’utiliser des rondelles sous la tête et sous l’écrou et de considérer que la capacité de charge de la connexion est inférieure à la capacité de charge des pièces connectées et à la capacité de charge des fixations. Les distances, par rapport aux bords et l’espacement des boulons, sont tout aussi importants, car ils influent sur la capacité de charge en compression, en cisaillement, en rupture de bloc et sur le comportement de la paroi près des orifices.
Dans le cas des aciers inoxydables, il existe un aspect opérationnel supplémentaire, qui est le fait que certaines nuances sont susceptibles de gripper et de gripper les filetages, sous l’effet de la charge et du mouvement relatif. Si, dans l’avenir, un démontage est prévu, les spécifications de conception et d’installation doivent inclure des mesures visant à réduire le grippage. Dans la pratique, cela signifie contrôler la vitesse de serrage et éviter le « serrage forcé », choisir des lubrifiants anti-grippage appropriés et parfois combiner différents types de vis et d’écrous de manière à réduire le risque de collage. Ces recommandations ont une dimension conceptuelle, puisqu’une connexion grippée n’est plus « utilisable », ce qui constitue un réel problème opérationnel dans les structures à longue durée de vie.
Les connexions soudées nécessitent un contrôle des procédures, car le cycle thermique du soudage affecte la microstructure de tous les aciers inoxydables, ce qui est particulièrement important dans les aciers duplex. Des procédures qualifiées, des matériaux d’apport appropriés et un façonnage conscient des soudures sont absolument nécessaires pour bénéficier de la résistance et de la géométrie qui sont requises et pour maintenir, dans la zone affectée par la chaleur, la résistance à la corrosion. Dans les composants formés à froid, il est important de se rappeler que le soudage peut « annuler » localement l’effet de l’écrouissage, et que dans les aciers austénitiques, les déformations de soudage peuvent être plus importantes que dans les aciers au carbone, ce qui affecte l’ajustement et l’esthétique.
Si la structure est exposée à des charges répétitives importantes, la fatigue doit être alors prise en compte. Les joints soudés sont particulièrement sensibles, en raison des concentrations de contraintes et des discontinuités. Il est donc recommandé d’appliquer, aux aciers austénitiques et duplex, des règles d’évaluation de la fatigue analogues à celles utilisées pour les aciers au carbone. Le meilleur résultat est obtenu en tenant compte de la fatigue dès la phase de conception, lorsque la disposition et les détails de la structure peuvent être modifiés, afin de réduire les entailles et les excentricités. Dans la pratique, cela signifie éviter les changements brusques de section, limiter les désalignements, prêter attention à la qualité des bords et des surfaces, et éviter le soudage inutile d’éléments secondaires dans les zones sensibles, car même un « petit » support de montage peut provoquer une fissure de fatigue !
Les assemblages doivent également être conçus en tenant compte de la qualité de fabrication et de l’inspection. Les jeux de montage, l’accès aux boulons et aux soudures, les tolérances et les exigences en matière de technologie de soudage sont extrêmement importants. La documentation doit donc impérativement inclure des dispositions relatives à l’inspection de l’état des composants, au nettoyage et aux éventuels travaux d’entretien. Les décisions qui peuvent sembler « non structurelles », telles que l’accès aux soudures ou la possibilité de nettoyer et de sécher les zones difficiles d’accès, déterminent en pratique la durabilité et les coûts d’exploitation.
Conception relative aux conditions d’incendie
L’impact du feu dans l’Eurocode est traité comme une situation exceptionnelle, et la conception doit garantir que la structure conserve sa fonction porteuse pendant la durée requise d’exposition. Les exigences générales sont similaires à celles applicables aux aciers au carbone, mais l’acier inoxydable présente certains avantages, en termes de matériau. Les recommandations pour les aciers inoxydables indiquent que l’acier austénitique à des températures supérieures à environ 550 °C conserve une plus grande partie de sa résistance, par rapport à la température ambiante, que l’acier au carbone, et que toutes les nuances d’acier inoxydable conservent une plus grande rigidité, sur toute la gamme des effets thermiques.
Les calculs de résistance au feu utilisent des facteurs de réduction de la résistance et de la rigidité, en fonction du groupe de nuances, car les propriétés du matériau peuvent varier considérablement à des températures élevées, en fonction de sa composition chimique. Dans la pratique, cela signifie qu’il est nécessaire d’attribuer clairement la nuance au groupe approprié, et surtout, d’utiliser les facteurs appropriés pour vérifier la résistance au feu. Même lorsque l’acier inoxydable se comporte favorablement « par nature », les exigences de résistance au feu d’une structure peuvent nécessiter l’utilisation de mesures de protection passive contre l’incendie. Leur sélection doit être coordonnée avec les exigences de durabilité (par exemple, la résistance à l’humidité) et l’esthétique, si l’élément est exposé.
Conception de structures en acier inoxydable – Résumé
La conception de structures en acier inoxydable ne consiste pas à simplement remplacer l’acier au carbone par un matériau « plus durable ». Il est primordial d’adopter une approche cohérente, dans laquelle le choix de la nuance est basé sur une évaluation de l’environnement, puis étayé par des détails qui limitent l’accumulation d’humidité et la formation de lacunes. Les conséquences mécaniques sont tout aussi importantes. En effet, l’absence de limite claire d’élasticité et la tendance à l’écrouissage, influencent le déroulement des calculs et l’évaluation de l’aptitude au service.
En termes strictement structurels, l’acier inoxydable suit la même logique que l’Eurocode, mais nécessite une plus large attention dans les domaines de l’instabilité locale, de la classification des sections transversales et de la stabilité des barres. Les joints et les raccords doivent être conçus en tenant compte de la durabilité et de l’utilisation, et la fabrication doit protéger la résistance à la corrosion du matériau. Lorsque ces éléments « fonctionnent ensemble », l’acier inoxydable permet de réaliser des structures très fiables, esthétiques et peu coûteuses à entretenir tout au long de leur cycle de vie.
