L'acier inoxydable contenant du nickel est de plus en plus utilisé pour garantir que les infrastructures telles que les ponts, les passerelles et les tunnels puissent résister à l'épreuve du temps, même dans les environnements les plus hostiles.
L'acier inoxydable est utilisé dans la construction depuis son invention il y a plus d'un siècle. Les produits en acier inoxydable offrent un attrait esthétique, une résistance à la corrosion, de faibles exigences d'entretien, ainsi que de bonnes propriétés de résistance, de ténacité et de fatigue. L'acier inoxydable est facile à fabriquer et est entièrement recyclable en fin de vie. Ce sont les matériaux de prédilection pour les applications dans des environnements difficiles, y compris les installations de traitement industriel, les zones côtières ou les structures exposées aux sels de déneigement. La grande ductilité de l'acier inoxydable est une propriété utile pour résister aux charges sismiques.
Applications typiques des aciers inoxydables austénitiques et duplex comprennent :
Poutres, colonnes, plateformes et supports dans les usines de traitement de l'eau, les usines de pâte à papier, les industries nucléaire, de la biomasse, chimique, pharmaceutique, ainsi que des aliments et boissons
Poutres et colonnes principales, goupilles, garde-corps, balustrades, gaines de câbles et joints de dilatation dans les ponts
Digues, quais et autres structures côtières
Barres d'armature dans les structures en béton
Murs-rideaux, toitures, auvents, revêtements de tunnels
Systèmes de support pour murs-rideaux, maçonnerie, revêtements de tunnels, etc.
Barrières de sécurité, mains courantes, mobilier urbain
Fixations et systèmes d'ancrage dans le bois, la pierre, la maçonnerie ou la roche
Éléments structurels et fixations dans les bâtiments de piscines (des précautions particulières doivent être prises pour les éléments structurels dans les environnements de piscines en raison du risque de fissuration par corrosion sous contrainte)
Structures résistantes aux explosions et aux impacts, telles que murs de sécurité, portails ou bornes
Murs coupe-feu et pare-explosions, chemins de câbles et passerelles sur les plateformes offshore
Applications structurelles
Introduction
L'acier inoxydable est un matériau très polyvalent avec un ensemble unique de propriétés qui peuvent être utilisées dans des applications structurelles (porteuses).
Les produits en tôles, profilés, barres et tubes en nuances d'acier inoxydable austénitique et duplex sont largement disponibles. Une gamme de profilés structurels laminés à chaud ou soudés (poutres en I, cornières, profils en U, profils en T, profilés creux) est stockée dans des matériaux austénitiques standard. Les aciers inoxydables duplex sont généralement disponibles sur commande spéciale. D'autres profilés structurels peuvent être produits par formage à froid, extrusion ou fusion laser. Une grande variété de boulons, vis et autres types de fixations en acier inoxydable sont disponibles.
Infrastructure
Les applications structurelles de l'acier inoxydable dans les infrastructures comprennent les éléments porteurs (poutres, arcs, tirants, etc.) des ponts piétons, routiers et ferroviaires, ainsi que des tunnels (cadres de support de revêtement, passerelles de maintenance, supports d'éclairage et de signalisation). L'acier inoxydable est également largement utilisé dans le mobilier urbain (garde-corps, mains courantes) et les structures d'entrée des stations de métro.
Architecture
Dans les bâtiments commerciaux et les façades structurelles, les éléments structurels en acier inoxydable sont un choix populaire pour supporter les murs-rideaux en verre, ainsi que pour les supports d'auvents, les balcons et autres applications où la résistance à la corrosion et la résistance sont nécessaires pour réduire les besoins d'entretien.
L'acier inoxydable est un matériau idéal pour la fixation du bois, de la pierre et de la maçonnerie, les systèmes d'ancrage et les cornières de support. Ces connexions sont souvent inaccessibles ou difficiles à remplacer. De plus, le bois et la maçonnerie sont intrinsèquement corrosifs pour d'autres métaux et peuvent absorber l'humidité et les produits chimiques corrosifs au fil du temps.
Dans les piscines, l'acier inoxydable est utilisé pour des applications architecturales et structurelles telles que les revêtements de piscine, les mains courantes, les échelles, les éléments structurels, les fixations, le mobilier, les structures de plongeoir, les éléments décoratifs, ainsi que les systèmes de traitement de l'eau et de ventilation. Cependant, en raison du risque de fissuration par corrosion sous contrainte, des précautions particulières sont nécessaires pour les éléments structurels en acier inoxydable présentant des contraintes résiduelles élevées dans les environnements de piscines.
Structures industrielles
L'acier inoxydable est utilisé dans les structures résistantes aux explosions et aux impacts, telles que les murs pare-explosions et de sécurité, les portails, les barrières de sécurité et les bornes. En effet, grâce à son excellente ductilité (en particulier les nuances austénitiques) et à ses caractéristiques d'écrouissage, il peut absorber des impacts considérables sans se fracturer. Cette grande ductilité est une propriété utile requise pour résister aux charges sismiques.
L'acier inoxydable est de plus en plus utilisé dans les structures industrielles pour les industries du traitement de l'eau, de la pâte à papier, nucléaire, de la biomasse, chimique, pharmaceutique, ainsi que des aliments et boissons. Les applications structurelles industrielles comprennent les plateformes, les garde-corps/portails et les supports d'équipement.
Sélection des nuances
Nuances utilisées dans les structures
La grande majorité des applications structurelles en acier inoxydable utilisent des aciers inoxydables austénitiques ou duplex.
Les aciers inoxydables austénitiques offrent une excellente combinaison de résistance à la corrosion, de formabilité et de fabricabilité avec une résistance de conception d'environ 220 MPa (32 ksi). Ils contiennent environ 10 % de nickel. La nuance austénitique de base chrome-nickel S30400/S30403 convient aux sites ruraux, urbains et industriels légers. Les nuances austénitiques chrome-nickel-molybdène S31600/31603 sont des nuances plus alliées qui fonctionnent bien dans les environnements marins et industriels.
Les aciers inoxydables duplex, tels que la nuance S32205, offrent une résistance élevée d'environ 450 MPa (65 ksi), une bonne résistance à l'usure et une excellente résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. On l'appelle "duplex" car il possède une microstructure biphasée composée de grains d'acier inoxydable ferritique et austénitique, contenant environ 5 % de nickel.
De plus, les nouvelles nuances duplex maigres offrent une combinaison de haute résistance avec une composition chimique moins alliée, ce qui les rend moins coûteuses. Les exemples de nuances duplex maigres sont S32101 et S32304. La teneur en nickel est d'environ 2 à 4 %.
Les aciers inoxydables ferritiques sont occasionnellement utilisés dans des applications structurelles, généralement pour des épaisseurs de 3 mm et moins. Ils contiennent généralement peu ou pas d'ajout de nickel.
Spécifications des matériaux et des produits
Les normes européennes et américaines qui spécifient la composition chimique et les propriétés mécaniques des produits plats et longs en acier inoxydable comprennent :
EN 10088 : Acier inoxydable – *Description des nuances dans la norme EN 10088-4 pour les produits plats en acier inoxydable destinés à la construction*
ASTM A240/240M : Spécification normalisée pour les tôles, feuilles et bandes d'acier inoxydable au chrome et au chrome-nickel pour récipients sous pression et applications générales
ASTM A276 : Spécification normalisée pour les barres et profilés en acier inoxydable
Les spécifications pour les boulons en acier inoxydable comprennent :
EN ISO 3506 : Propriétés mécaniques des fixations en acier inoxydable résistant à la corrosion
ASTM F593 : Spécification normalisée pour les boulons, vis à tête hexagonale et goujons en acier inoxydable
ASTM A1082/1082M : Spécification normalisée pour les boulons en acier inoxydable à haute résistance, durcissables par précipitation et duplex pour usages spéciaux
Objectifs
Sélection de la bonne nuance
Il est important que l'acier inoxydable sélectionné soit adapté à l'environnement de service prévu, car le coût augmente généralement avec la résistance à la corrosion.
Une procédure de sélection de la bonne nuance d'acier inoxydable pour les applications structurelles dans différents environnements se trouve dans l'Eurocode 3 : Partie 1.4 (EN 1993-1-4), la norme européenne de conception pour l'acier inoxydable structurel. La sévérité de l'environnement est déterminée sur la base d'une évaluation du risque d'exposition aux chlorures (provenant de l'eau de mer ou des sels de déneigement) et au dioxyde de soufre. Le régime de propreté, y compris si la structure est exposée au lavage par la pluie, est également pris en compte. La procédure de sélection est entièrement expliquée avec des exemples dans le SCI Design Manual for Structural Stainless Steel (4ème édition) (publié en 2017).
D'autres considérations importantes incluent la disponibilité des nuances/produits, les exigences de finition de surface et les méthodes de connexion.
Performance de l'acier inoxydable dans les structures
Comportement contrainte-déformation
Le comportement contrainte-déformation de l'acier inoxydable diffère de celui de l'acier au carbone. L'acier au carbone présente généralement un comportement élastique linéaire jusqu'à la limite d'élasticité, avec un plateau avant de rencontrer l'écrouissage, tandis que l'acier inoxydable a une réponse plus arrondie sans limite d'élasticité clairement définie. Les caractéristiques de mise en charge et d'écrouissage de l'acier inoxydable signifient que les règles de conception traditionnelles pour l'acier au carbone ne s'appliquent pas. La limite d'élasticité ("yield") des nuances austénitiques est d'environ 200-240 MPa (29-35 ksi), et pour les nuances duplex, elle est de 400-530 MPa (58-77 ksi).
Le module d'élasticité de l'acier inoxydable est très similaire à celui de l'acier au carbone ; une valeur d'environ 200 × 10³ N/mm² est couramment utilisée pour les types d'acier inoxydable utilisés dans les applications structurelles.
L'acier inoxydable peut absorber des impacts considérables sans se fracturer, grâce à son excellente ductilité (en particulier les nuances austénitiques) et à ses caractéristiques d'écrouissage.
Performance à haute température
La composition différente de l'acier inoxydable signifie des propriétés thermiques différentes par rapport à l'acier au carbone. L'acier inoxydable austénitique a un coefficient de dilatation thermique environ 30 % plus élevé que l'acier au carbone, tandis que la valeur pour l'acier inoxydable duplex n'est que d'environ 10 % plus élevée. La conductivité thermique des aciers inoxydables austénitiques et duplex est d'environ 30 % de celle de l'acier au carbone.
Les aciers inoxydables austénitiques conservent mieux leur résistance que l'acier au carbone à des températures supérieures à environ 550 °C et conservent mieux leur rigidité à toutes les températures. Par conséquent, une colonne en acier inoxydable conservera sa capacité portante plus longtemps qu'un élément équivalent en acier au carbone.
Performance à basse température
Les aciers inoxydables austénitiques sont largement utilisés pour les services cryogéniques jusqu'à des températures d'hélium liquide (-269 °C) car ils ne présentent pas de transition de la fracture ductile à la fracture fragile, même à de si basses températures.
Fatigue
La résistance à la fatigue des aciers inoxydables austénitiques et duplex est considérée comme au moins équivalente à celle de l'acier au carbone ; par conséquent, les directives pour l'estimation de la résistance à la fatigue structurelle applicables à l'acier au carbone sont utilisées.
Durabilité
Bien que le coût initial de l'acier inoxydable soit plus élevé que celui de l'acier au carbone, les économies réalisées sur les revêtements de protection contre la corrosion, la réduction de la fréquence d'inspection, l'entretien, les temps d'arrêt et les coûts de remplacement peuvent largement compenser le coût initial plus élevé du matériau. Les avantages d'une longue durée de vie sont particulièrement précieux pour les structures de ponts, qui sont généralement conçues pour une durée de vie de 70 à 100 ans.
L'acier inoxydable est recyclable à 100 % et peut être recyclé indéfiniment en nouvel acier inoxydable de haute qualité.
Conception, fabrication et installation
Conception structurelle
Les caractéristiques de mise en charge et d'écrouissage de l'acier inoxydable signifient que les règles de conception traditionnelles pour l'acier au carbone basées sur les limites observées de déformation élastique ne sont pas toutes applicables. Des règles de conception différentes sont nécessaires pour les poutres et les colonnes susceptibles de flambage local ou global. Les déformations des poutres fortement chargées seront plus importantes que pour une poutre équivalente en acier au carbone.
L'acier inoxydable contenant du nickel est de plus en plus utilisé pour garantir que les infrastructures telles que les ponts, les passerelles et les tunnels puissent résister à l'épreuve du temps, même dans les environnements les plus hostiles.
L'acier inoxydable est utilisé dans la construction depuis son invention il y a plus d'un siècle. Les produits en acier inoxydable offrent un attrait esthétique, une résistance à la corrosion, de faibles exigences d'entretien, ainsi que de bonnes propriétés de résistance, de ténacité et de fatigue. L'acier inoxydable est facile à fabriquer et est entièrement recyclable en fin de vie. Ce sont les matériaux de prédilection pour les applications dans des environnements difficiles, y compris les installations de traitement industriel, les zones côtières ou les structures exposées aux sels de déneigement. La grande ductilité de l'acier inoxydable est une propriété utile pour résister aux charges sismiques.
Applications typiques des aciers inoxydables austénitiques et duplex comprennent :
Poutres, colonnes, plateformes et supports dans les usines de traitement de l'eau, les usines de pâte à papier, les industries nucléaire, de la biomasse, chimique, pharmaceutique, ainsi que des aliments et boissons
Poutres et colonnes principales, goupilles, garde-corps, balustrades, gaines de câbles et joints de dilatation dans les ponts
Digues, quais et autres structures côtières
Barres d'armature dans les structures en béton
Murs-rideaux, toitures, auvents, revêtements de tunnels
Systèmes de support pour murs-rideaux, maçonnerie, revêtements de tunnels, etc.
Barrières de sécurité, mains courantes, mobilier urbain
Fixations et systèmes d'ancrage dans le bois, la pierre, la maçonnerie ou la roche
Éléments structurels et fixations dans les bâtiments de piscines (des précautions particulières doivent être prises pour les éléments structurels dans les environnements de piscines en raison du risque de fissuration par corrosion sous contrainte)
Structures résistantes aux explosions et aux impacts, telles que murs de sécurité, portails ou bornes
Murs coupe-feu et pare-explosions, chemins de câbles et passerelles sur les plateformes offshore
Applications structurelles
Introduction
L'acier inoxydable est un matériau très polyvalent avec un ensemble unique de propriétés qui peuvent être utilisées dans des applications structurelles (porteuses).
Les produits en tôles, profilés, barres et tubes en nuances d'acier inoxydable austénitique et duplex sont largement disponibles. Une gamme de profilés structurels laminés à chaud ou soudés (poutres en I, cornières, profils en U, profils en T, profilés creux) est stockée dans des matériaux austénitiques standard. Les aciers inoxydables duplex sont généralement disponibles sur commande spéciale. D'autres profilés structurels peuvent être produits par formage à froid, extrusion ou fusion laser. Une grande variété de boulons, vis et autres types de fixations en acier inoxydable sont disponibles.
Infrastructure
Les applications structurelles de l'acier inoxydable dans les infrastructures comprennent les éléments porteurs (poutres, arcs, tirants, etc.) des ponts piétons, routiers et ferroviaires, ainsi que des tunnels (cadres de support de revêtement, passerelles de maintenance, supports d'éclairage et de signalisation). L'acier inoxydable est également largement utilisé dans le mobilier urbain (garde-corps, mains courantes) et les structures d'entrée des stations de métro.
Architecture
Dans les bâtiments commerciaux et les façades structurelles, les éléments structurels en acier inoxydable sont un choix populaire pour supporter les murs-rideaux en verre, ainsi que pour les supports d'auvents, les balcons et autres applications où la résistance à la corrosion et la résistance sont nécessaires pour réduire les besoins d'entretien.
L'acier inoxydable est un matériau idéal pour la fixation du bois, de la pierre et de la maçonnerie, les systèmes d'ancrage et les cornières de support. Ces connexions sont souvent inaccessibles ou difficiles à remplacer. De plus, le bois et la maçonnerie sont intrinsèquement corrosifs pour d'autres métaux et peuvent absorber l'humidité et les produits chimiques corrosifs au fil du temps.
Dans les piscines, l'acier inoxydable est utilisé pour des applications architecturales et structurelles telles que les revêtements de piscine, les mains courantes, les échelles, les éléments structurels, les fixations, le mobilier, les structures de plongeoir, les éléments décoratifs, ainsi que les systèmes de traitement de l'eau et de ventilation. Cependant, en raison du risque de fissuration par corrosion sous contrainte, des précautions particulières sont nécessaires pour les éléments structurels en acier inoxydable présentant des contraintes résiduelles élevées dans les environnements de piscines.
Structures industrielles
L'acier inoxydable est utilisé dans les structures résistantes aux explosions et aux impacts, telles que les murs pare-explosions et de sécurité, les portails, les barrières de sécurité et les bornes. En effet, grâce à son excellente ductilité (en particulier les nuances austénitiques) et à ses caractéristiques d'écrouissage, il peut absorber des impacts considérables sans se fracturer. Cette grande ductilité est une propriété utile requise pour résister aux charges sismiques.
L'acier inoxydable est de plus en plus utilisé dans les structures industrielles pour les industries du traitement de l'eau, de la pâte à papier, nucléaire, de la biomasse, chimique, pharmaceutique, ainsi que des aliments et boissons. Les applications structurelles industrielles comprennent les plateformes, les garde-corps/portails et les supports d'équipement.
Sélection des nuances
Nuances utilisées dans les structures
La grande majorité des applications structurelles en acier inoxydable utilisent des aciers inoxydables austénitiques ou duplex.
Les aciers inoxydables austénitiques offrent une excellente combinaison de résistance à la corrosion, de formabilité et de fabricabilité avec une résistance de conception d'environ 220 MPa (32 ksi). Ils contiennent environ 10 % de nickel. La nuance austénitique de base chrome-nickel S30400/S30403 convient aux sites ruraux, urbains et industriels légers. Les nuances austénitiques chrome-nickel-molybdène S31600/31603 sont des nuances plus alliées qui fonctionnent bien dans les environnements marins et industriels.
Les aciers inoxydables duplex, tels que la nuance S32205, offrent une résistance élevée d'environ 450 MPa (65 ksi), une bonne résistance à l'usure et une excellente résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte. On l'appelle "duplex" car il possède une microstructure biphasée composée de grains d'acier inoxydable ferritique et austénitique, contenant environ 5 % de nickel.
De plus, les nouvelles nuances duplex maigres offrent une combinaison de haute résistance avec une composition chimique moins alliée, ce qui les rend moins coûteuses. Les exemples de nuances duplex maigres sont S32101 et S32304. La teneur en nickel est d'environ 2 à 4 %.
Les aciers inoxydables ferritiques sont occasionnellement utilisés dans des applications structurelles, généralement pour des épaisseurs de 3 mm et moins. Ils contiennent généralement peu ou pas d'ajout de nickel.
Spécifications des matériaux et des produits
Les normes européennes et américaines qui spécifient la composition chimique et les propriétés mécaniques des produits plats et longs en acier inoxydable comprennent :
EN 10088 : Acier inoxydable – *Description des nuances dans la norme EN 10088-4 pour les produits plats en acier inoxydable destinés à la construction*
ASTM A240/240M : Spécification normalisée pour les tôles, feuilles et bandes d'acier inoxydable au chrome et au chrome-nickel pour récipients sous pression et applications générales
ASTM A276 : Spécification normalisée pour les barres et profilés en acier inoxydable
Les spécifications pour les boulons en acier inoxydable comprennent :
EN ISO 3506 : Propriétés mécaniques des fixations en acier inoxydable résistant à la corrosion
ASTM F593 : Spécification normalisée pour les boulons, vis à tête hexagonale et goujons en acier inoxydable
ASTM A1082/1082M : Spécification normalisée pour les boulons en acier inoxydable à haute résistance, durcissables par précipitation et duplex pour usages spéciaux
Objectifs
Sélection de la bonne nuance
Il est important que l'acier inoxydable sélectionné soit adapté à l'environnement de service prévu, car le coût augmente généralement avec la résistance à la corrosion.
Une procédure de sélection de la bonne nuance d'acier inoxydable pour les applications structurelles dans différents environnements se trouve dans l'Eurocode 3 : Partie 1.4 (EN 1993-1-4), la norme européenne de conception pour l'acier inoxydable structurel. La sévérité de l'environnement est déterminée sur la base d'une évaluation du risque d'exposition aux chlorures (provenant de l'eau de mer ou des sels de déneigement) et au dioxyde de soufre. Le régime de propreté, y compris si la structure est exposée au lavage par la pluie, est également pris en compte. La procédure de sélection est entièrement expliquée avec des exemples dans le SCI Design Manual for Structural Stainless Steel (4ème édition) (publié en 2017).
D'autres considérations importantes incluent la disponibilité des nuances/produits, les exigences de finition de surface et les méthodes de connexion.
Performance de l'acier inoxydable dans les structures
Comportement contrainte-déformation
Le comportement contrainte-déformation de l'acier inoxydable diffère de celui de l'acier au carbone. L'acier au carbone présente généralement un comportement élastique linéaire jusqu'à la limite d'élasticité, avec un plateau avant de rencontrer l'écrouissage, tandis que l'acier inoxydable a une réponse plus arrondie sans limite d'élasticité clairement définie. Les caractéristiques de mise en charge et d'écrouissage de l'acier inoxydable signifient que les règles de conception traditionnelles pour l'acier au carbone ne s'appliquent pas. La limite d'élasticité ("yield") des nuances austénitiques est d'environ 200-240 MPa (29-35 ksi), et pour les nuances duplex, elle est de 400-530 MPa (58-77 ksi).
Le module d'élasticité de l'acier inoxydable est très similaire à celui de l'acier au carbone ; une valeur d'environ 200 × 10³ N/mm² est couramment utilisée pour les types d'acier inoxydable utilisés dans les applications structurelles.
L'acier inoxydable peut absorber des impacts considérables sans se fracturer, grâce à son excellente ductilité (en particulier les nuances austénitiques) et à ses caractéristiques d'écrouissage.
Performance à haute température
La composition différente de l'acier inoxydable signifie des propriétés thermiques différentes par rapport à l'acier au carbone. L'acier inoxydable austénitique a un coefficient de dilatation thermique environ 30 % plus élevé que l'acier au carbone, tandis que la valeur pour l'acier inoxydable duplex n'est que d'environ 10 % plus élevée. La conductivité thermique des aciers inoxydables austénitiques et duplex est d'environ 30 % de celle de l'acier au carbone.
Les aciers inoxydables austénitiques conservent mieux leur résistance que l'acier au carbone à des températures supérieures à environ 550 °C et conservent mieux leur rigidité à toutes les températures. Par conséquent, une colonne en acier inoxydable conservera sa capacité portante plus longtemps qu'un élément équivalent en acier au carbone.
Performance à basse température
Les aciers inoxydables austénitiques sont largement utilisés pour les services cryogéniques jusqu'à des températures d'hélium liquide (-269 °C) car ils ne présentent pas de transition de la fracture ductile à la fracture fragile, même à de si basses températures.
Fatigue
La résistance à la fatigue des aciers inoxydables austénitiques et duplex est considérée comme au moins équivalente à celle de l'acier au carbone ; par conséquent, les directives pour l'estimation de la résistance à la fatigue structurelle applicables à l'acier au carbone sont utilisées.
Durabilité
Bien que le coût initial de l'acier inoxydable soit plus élevé que celui de l'acier au carbone, les économies réalisées sur les revêtements de protection contre la corrosion, la réduction de la fréquence d'inspection, l'entretien, les temps d'arrêt et les coûts de remplacement peuvent largement compenser le coût initial plus élevé du matériau. Les avantages d'une longue durée de vie sont particulièrement précieux pour les structures de ponts, qui sont généralement conçues pour une durée de vie de 70 à 100 ans.
L'acier inoxydable est recyclable à 100 % et peut être recyclé indéfiniment en nouvel acier inoxydable de haute qualité.
Conception, fabrication et installation
Conception structurelle
Les caractéristiques de mise en charge et d'écrouissage de l'acier inoxydable signifient que les règles de conception traditionnelles pour l'acier au carbone basées sur les limites observées de déformation élastique ne sont pas toutes applicables. Des règles de conception différentes sont nécessaires pour les poutres et les colonnes susceptibles de flambage local ou global. Les déformations des poutres fortement chargées seront plus importantes que pour une poutre équivalente en acier au carbone.
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