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Les armatures inox: propriétés physiques
et mécaniques
T. Sourisseau (UGITECH)
F. Moulinier (IDinox)
J. Lorentz (IMS)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Interventions des années précédentes
� 2004: les armatures inox, intérêt, dispositions co nstructives, exemples d’applications
� 2005: l’inox, une solution contre la corrosion, app roche économique, durabilité
�2006 : corrosion galvanique pourquoi et comment co upler l’acier au carbone et les armatures inox
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
=>2007: comportement des armatures inox, propriétés m écaniques, tenue au feu, résistance aux impacts, tests de fatig ue
Et faisons connaissance avec les duplex
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniques
1 – Principales nuances d’aciers inoxydables pour re nforts de structures
2 – Caractéristiques en traction à température ambia nte
3 – Résilience et résistance au pliage
4 – Propriétés mécaniques aux hautes températures – r ésistance au feu
5 – Résistance à la fatigue
6 – Sollicitations par impact de dalles en béton arm é
7 – Conclusions
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Compositions
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Nuances inoxydables pour armatures
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
� Deux principales familles de nuances d’aciers inoxy dables: austénitiques et duplex
� Aciers austénitiques ⇒⇒⇒⇒ %Ni élevé ⇒⇒⇒⇒ prix fluctuant
� Aciers duplex (austéno-ferritiques) ⇒⇒⇒⇒ %Ni réduit ⇒⇒⇒⇒ prix beaucoup plus stable
⇒⇒⇒⇒ intérêt économique
duplex
austénitiques
ferritiques
Familles d’aciers
inoxydables
-≤0,22≤3,53,5-6,521-24≤ 2≤0,031.4062, 1.4362, 1.4462
-≤0,03-0,3-1,010,5-12,5≤1,5≤0,031.4003
(Ti)≤0,22≤38-1416,5-20≤2≤0,081.4301, 1.4404, 1.4571
autresNMoNiCrMnCExemples de nuances
(désignation EN)
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Structures
Inox austénitique (écroui) duplex (austéno-ferritique)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Nuances inoxydables pour armatures
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Grains allongés par l’écrouissage Grains de ferrite sombres + grains d’austénite clai rs
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� Classes de propriétés mécaniques pour les aciers (s tandards et inoxydables)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Caractéristiques en traction à température ambiante
Classe A: > 2.5
Classe B: > 5
Classe C: > 7.5
> 5
> 7.5
> 5Agt (%)
pour applications anti-sismiques(classe C)
Classe A: >1.05
Classe B: > 1.08
Classe C: 1.15 à 1.35
> 1.10
1.15 à 1.35
> 1.10Rm / RpO.2
R7.0 / RpO.2 pour applications anti-sismiques (classe C)
400 à 600200 à 650
Classe 1: 235
Classe 2 : 500
Classe 3 : 650
Classe 4 : 800
Rp0.2 mini (MPa)
EUROCODE 2Norme européenne
Norme Française
Aciers standardsAciers inoxydables
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Caractéristiques en traction à température ambiante
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
� Courbes de traction de barres ∅∅∅∅12 en aciers inoxydables et standards crantées à froid
4300,010,0110,1320,1040,4660,1290,084Acier standard
70,162,81122,8145,4591,290,4350,018Inox duplex
410,0680,27917,8038,4180,4070,5980,055Inox austénitique
S (ppm)NMoCrNiMnSiCCompositions
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
déformation (%)
cont
rain
te (M
Pa)
inox austénitique
inox duplex
acier standard
Rp0.2
Rm
Agt A%
E
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Caractéristiques en traction à température ambiante
� Valeurs des caractéristiques Rm et limite élastique Rp0.2 (refs 1 à 6 + données Ugitech)
� Intérêt des nuances inoxydables duplex : valeurs de Rm et Rp0.2 plus élevées que celles des produits aciers standards, en plus de le ur excellente résistance à la corrosion
� Possibilité d’économies de matière avec les produit s en aciers inoxydables
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400
500
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inox austénitiques inox duplex aciers standards
Rm
(M
Pa)
produits crantés à chaud
produits crantés à froid
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inox austénitiques inox duplex aciers standards
Rp0
.2 (
MP
a)
produits crantés à chaud
produits crantés à froid
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� Valeurs des allongements à rupture (refs 1 à 6 + données Ugitech)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Caractéristiques en traction à température ambiante
Références bibliographiques:(1) «Stainless steels in concrete – state of the art report», The Institute of Materials, European Fed of corrosion, publication n°18, 1996
(2) M. Rosso, M. Comoglio, La metallurgia italiana, vol 90, p 35, 1998
(3) H. Castro, C. rodriguez, J. Mater. Process. Technol., vol 143, p 134, 2003
(4) CR Killmore, JF Barett, JG Williams, Symposium « Accelerated cooling of steel », Pittsburgh, aout 1985(5) GP Tilly, Fatigue of engineering materials and structures, vol 2, p 251, 1979
(6) P. Lacombe, B. Baroux, G. Beranger, « Les aciers inoxydables », Les Editions de Physique, 1990
� Ductilités comparables entre nuances inox et aciers standards
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inox austénitiques inox duplex aciers standards
Allo
ngem
ent à
rup
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(%
)
produits crantés à chaud
produits crantés à froid
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Valeurs KCV – tests Charpy
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résilience à température ambiante
Essais UGITECH sur produits ∅∅∅∅12 crantés à froid
Références bibliographiques:(4) CR Killmore, JF Barett, JG Williams, Symposium « Accelerated cooling of steel », Pittsburgh, aout 1985
(6) P. Lacombe, B. Baroux, G. Beranger, « Les aciers inoxydables », Les Editions de Physique, 1990(7) JD Whiteley, BM Armstrong, RW Welburn, « Reinforcing and prestressing steels for cryogenic applications », Proceedings of the international conference on cryogenic concrete, Newcastle, mars 1981
(8) « Guidance on the use of stainless steel reinforcement », Technical report n° 51, Concrete society steering committee
Bibliographie (refs 4, 6, 7 et 8)
� Excellente résilience des aciers inoxydables à temp érature ambiante, meilleure que celle des aciers standards
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inox austénitiques inox duplex aciers standard
KC
V (
daJ/
cm2)
produits lisses laminés à chaud
produits crantés à chaud
produits crantés à froid
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inox austénitique inox duplex acier standard
KC
V (
daJ/
cm2)
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� Tests de pliage à 180° (norme EN 10080)
Résistance au pliage
� Les aciers inoxydables crantés à chaud et à froid satisfont au test de pliage normalisé (aucune fissure observée)
� Essais de pliage à 180° sur produits ∅12 crantés à froid
� Aptitude au pliage des produits crantés en aciers inoxydables légèrement supérieure à celle des acier s standards, en relation avec la résilience
24 mmAcier standard
12 mmInox duplex
12 mmInox austénitique
Diamètre de mandrin minimal de pliage à 180° sans fissure
Nuances
Mettre photos d’echantillons
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Fissures sur acier standard
Inox austénitiqueAcier standard
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� Valeurs KCV – tests Charpy
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Résilience aux basses températures – applications cryogéniques
Produits laminés à chaud (refs 4, 6, 7 et 8)
� Aciers inox austénitiques conviennent pour les appl ications cryogéniques (T < -190°C)
� Aciers inox duplex : utilisation limitée à T ≥≥≥≥ - 50°C
� Aciers standards: températures de transition supéri eures à -50°C
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-80 -60 -40 -20 0 20 40
température (°C)
KC
V (
daJ/
cm2)
inox austénitique
inox duplex
acier standard
Essais UGITECH sur produits ∅∅∅∅12 crantés à froid
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-200 -160 -120 -80 -40 0 40
température (°C)
KC
V (
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cm2)
inox austénitique
inox duplex
acier standard
acier standard à 9%Ni
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� Evolution du paramètre R m en fonction de la température
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance au feu
� Intérêt des inox: chute des valeurs de R m à partir de 400°C pour l’acier standard et à partir de 550°C pour les aciers inoxydables
Produits laminés à chaud (refs 6, 9, 10 et 11)
Références bibliographiques:(9) EUROCODE 2, Part 1.2: « Design of concrete structures », 1992
(10) MS Abrams, « Behavior of inorganic materials in fire », Portland Cement Assoc., R&D Bulletin RD067.01M, 1979
(11) « Development of the use of stainless steel in construction », European Commission, technical steel research report n° EUR 20030 , 2001
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température (°C)
Rm
à T
/ R
m à
20°
C
inox austénitique
inox duplex
acier standard
Essais UGITECH sur produits ∅∅∅∅12 crantés à froid
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0 200 400 600 800 1000
température (°C)
Rm
à T
/ R
m à
23°
C
inox austénitique
inox duplex
acier standard
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Evolution du module d’Young E en fonction de la tem pérature
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance au feu
� Intérêt des inox: valeurs du module d’Young plus sta ble en fonction de la température pour les aciers inoxydables que pour le s aciers standards
Produits laminés à chaud (refs 6, 9, 10 et 11)
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Essais UGITECH sur produits ∅∅∅∅12 crantés à froid
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température (°C)
E à
T /
E à
23°
C
inox austénitique
inox duplex
acier standard
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température (°C)
E à
T /
E à
20°
C
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inox duplex
acier standard
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Exemple de calcul du temps de résistance au feu d’u ne poutre en flexion (refs 13 à 15)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance au feu
� Exemple traité par Abbasi et al (ref 12): poutre en béton armé soumise à flexion suivant test d’incendie ASTM E119-07 , avec rapport de renfort = 0.008 (barres ∅10)
� Calcul de la capacité en flexion de la poutre en fonction de la température (donc du temps)
Références bibliographiques:(13) A. Abbasi, PJ Hogg, J. of Composites for construction, p 450, octobre 2005(14) « Standard test methods for fire tests of building construction and materials », ASTM E119-07
(15) TD Lin, B Ellingwood, O Piet, « Flexural and shear behavior of reinforced concrete beams during fire tests », Portland Cement Assoc., R&D Bulletin RD091T, 1988
531.3mm
227.7mm
69.6mm
25.3mm
132.8mm
404.8mm
étrier
38mm
68mm
0.305m 6.1m 1.83m
P P P P P P P0
3.91m
4.75m
4.85m
0.66m
0.507 m 1.016 m 0.507m0.305m
� Critère de rupture : capacité en flexion = moment appliqué à la poutre
� Hypothèse: fluage et influence de la différence de conductivité thermique et de dilatation non pris en compte
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Exemple de calcul du temps de résistance au feu d’u ne poutre en flexion (refs 13 à 15)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance au feu
� Dans le cas considéré , l’utilisation de l’acier inoxydable permet d’augm enter le temps de résistance au feu d’environ 40% par rappor t à l’acier standard
Ou : possibilité avec l’inox d’économie de matière sur les renforts
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0 60 120 180 240 300
temps (min)
capa
cité
en
flexi
on (
kN.m
)
inox austénitique, cas où le renfort est détruit
inox duplex, cas où le renfort est détruit
acier standard, cas où le renfort est détruit
inox austénitique ou duplex, cas où le béton est détruit
acier standard, cas où le béton est détruit
Moment appliqué = 85 kN.m
tacier Ct inox
� Rupture soit du béton, soit du renfort métallique en premier lieu
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Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Conductivité thermique et dilatation (refs 10 et 12)
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Autres propriétés physiques
� Dilatation des inox austénitiques et duplex plus él evée que celle des aciers standards, mais contre-balancée par une conductivité thermique plus faible
15
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Inox austénitiques
1540Conductivité thermique à 20°C W.m-1.K-1)
1310~ 9Coefficient de dilatation linéique entre 20 et 100°C (10 -6 K-1)
Inox duplex
Aciers standards
BétonsPropriétés
� Propriétés magnétiques (ref 12)
� Intérêt des inox austénitiques pour les application s telles que structures médicales, aéroports, péages routiers…
ouinonmagnétique
Inox duplexInox austénitiques
Référence bibliographique:(12) « Béton armé d’inox: le choix de la durée », Centre d’information sur le ciment et ses applications et IDinox, avril 2004
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
18Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Limites de fatigue de barres PR 16 crantées à chaud (refs 5, 16 à 18)
Fatigue axiale avec fréquence ≤ 10 Hz et R = σmax / σmin = -1
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance à la fatigue à nombre de cycles élevé
Références bibliographiques:(16) C. Rodriguez et al, Materials Science and Technol., vol 23, No 2, p 145, 2007
(17) E. Real et al, Materials Science Forum, vol 539-543, p 4981, 2007
(18) « Uses and limitations of high strength steel reinforcement », ACI committee 439, ACI Journal, fevrier 1973, p 77
210 à 330Aciers standards (Tempcore et autres)
~ 250~ 300Acier standard Unisteel 410
272288EN 1.4462 (duplex)
254EN 1.4429 (AISI 316LN)
352EN 1.4311 (AISI 304LN)
∆σ∆σ∆σ∆σ (MPa) à N infini∆σ∆σ∆σ∆σ (MPa) à N = 2.106 cyclesNuances
� Limites de fatigue comparables entre aciers inoxyda bles et standards (même si caractéristiques mécaniques parfois différ entes)
� Forte influence de la géométrie des crans et des dé fauts de surface sur la limite de fatigue des produits crantés, à chaud ou à froid
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Fatigue à faible nombre de cycles dans le domaine p lastique (ref 19)
Produits PR 14 à 20 crantés à chaud
Nombre de cycles à rupture Nr avec amplitude de déformation ∆ε = ± 0.01
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Résistance à la fatigue oligo-cyclique (structures sismiques)
Référence bibliographique:(19) A. Franchi, P. Crespi, A. Bennani, XI Congresso Nazionale « L’ingegneria sismica in Italia », Genova, 25-29 janvier 2004
120
200 à 240
Nombre de cycles à rupture N r
0,8Acier standard Tempcore 450
1,4 à 1,6EN 1.4301
Energie dissipée par unité de volume (J/mm 3)
Nuances
� Dissipation d’énergie deux fois plus élevée avec la nuance inox EN 1.4301 qu’avec l’acier standard
� Intérêt des nuances inoxydables pour les applicatio ns structures sismiques
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Essais de chute de charges sur dalles en béton armé :
Films vidéo montrant la résistance plus élevée des armatures inox par rapport aux armatures en acier standard
� Intérêt des aciers inoxydables pour les structures de protection d’ouvrages
Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007
Sollicitation par impact
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007
� Deux familles d’aciers inoxydables intéressantes: austénitiques et duplex
� Aciers inoxydables = résistance accrue à la corrosion (en milieux chlorurés) ⇒⇒⇒⇒ coût global réduit sur le long terme (via l’absence de maintenance)
� Autres spécificités des produits crantés en aciers inoxydables par rapport aux aciers standards de construction:
� Caractéristiques en traction (R e , Rm ) plus élevées, notamment pour les nuances duplex ⇒⇒⇒⇒ économies possibles sur le poids des renforts
� Résilience à température ambiante et résistance au p liage accrues
� Amagnétisme des nuances austénitiques ⇒⇒⇒⇒ structures particulières (hôpitaux…)
� Nuances austénitiques adaptées aux applications cryogéniques
� Baisse réduite des caractéristiques mécaniques aux hautes tempé ratures ⇒⇒⇒⇒ résistance accrue au feu
� Résistance accrue à la fatigue oligo-cyclique ⇒⇒⇒⇒ applications sismiques
� Sollicitation par chute de charges ⇒⇒⇒⇒ intérêt de l’inox pour les systèmes de protection
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Conclusions
Les armatures inox: propriétés physiques et mécaniq ues
22
Conclusions
�Les inox : une solution contre la corrosion
�Peuvent être utilisés partiellement
�Avantages directs : durabilité, maintenance réduite, réduction des enrobages
�Autres avantages : caractéristiques mécaniques élevées, bonne tenue au feu, résistance en zones sismique, résistance aux i mpacts
�Les duplex : très adaptés aux armatures et économiquement attract ifs –prix stables-
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