Thomas Sourisseau - Ugitech Ppt

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


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 à Toulouse, le ?? Octobre 2007

� Compositions


Nuances inoxydables pour armatures


� 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)


� Structures

Inox austénitique (écroui) duplex (austéno-ferritique)


Nuances inoxydables pour armatures


Grains allongés par l’écrouissage Grains de ferrite sombres + grains d’austénite clai rs


� Classes de propriétés mécaniques pour les aciers (s tandards et inoxydables)


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


Congrès le Pont à Toulouse, le ?? Octobre 2007Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007



� 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


� 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


400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

inox austénitiques inox duplex aciers standards

Rm

(M

Pa)

produits crantés à chaud

produits crantés à froid

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100


Rp0

.2 (

MP

a)




� Valeurs des allongements à rupture (refs 1 à 6 + données Ugitech)



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


0

10

20

30

40

50

60


Allo

ngem

ent à

rup

ture

(%

)




� Valeurs KCV – tests Charpy


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


10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

inox austénitiques inox duplex aciers standard

KC

V (

daJ/

cm2)

produits lisses laminés à chaud



10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

inox austénitique inox duplex acier standard

KC

V (

daJ/

cm2)

11Congrès Le Pont , Toulouse, octobre 2007

� 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


Fissures sur acier standard

Inox austénitiqueAcier standard


� Valeurs KCV – tests Charpy


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


0

5

10

15

20

25

30

-80 -60 -40 -20 0 20 40

température (°C)

KC

V (

daJ/

cm2)

inox austénitique

inox duplex

acier standard


0

5

10

15

20

25

30

35

-200 -160 -120 -80 -40 0 40

température (°C)

KC

V (

daJ/

cm2)

inox austénitique

inox duplex

acier standard

acier standard à 9%Ni


� Evolution du paramètre R m en fonction de la température


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


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


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 200 400 600 800 1000

température (°C)

Rm

à T

/ R

m à

20°

C

inox austénitique

inox duplex

acier standard


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 200 400 600 800 1000

température (°C)

Rm

à T

/ R

m à

23°

C

inox austénitique

inox duplex

acier standard


� Evolution du module d’Young E en fonction de la tem pérature


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




0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 200 400 600 800 1000

température (°C)

E à

T /

E à

23°

C

inox austénitique

inox duplex

acier standard

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 200 400 600 800 1000

température (°C)

E à

T /

E à

20°

C

inox austénitique

inox duplex

acier standard


� Exemple de calcul du temps de résistance au feu d’u ne poutre en flexion (refs 13 à 15)


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



� Exemple de calcul du temps de résistance au feu d’u ne poutre en flexion (refs 13 à 15)


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

0

50

100

150

200

250

300

350

400

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



� Conductivité thermique et dilatation (refs 10 et 12)


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

16

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


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


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



� 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


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



� 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


Sollicitation par impact



� 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


Conclusions


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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