Les aciers pour béton armé

Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et de barres d’acier qui allie la résistance à la compression du béton à la résistance à la traction de l’acier. Il est utilisé comme matériau de construction.

Qu’est-ce qu’un acier pour béton armé ?

La norme NF EN 10080 définit l’acier pour béton armé comme un produit en acier de section circulaire ou pratiquement circulaire qui convient pour l’armature du béton.

Quels sont les procédés de fabrication des aciers pour béton armé ?

Pratiquement la totalité des aciers pour béton armé sont élaborés par la filière électrique. Les billettes obtenues sont laminées à chaud pour obtenir :

• des ronds lisses (part négligeable en France) ou des barres nervurées (train à barres) qui font généralement l’objet d’une trempe et d’un autorevenu à la sortie du laminoir,
• du fil machine à haute adhérence livré sous forme de couronnes (train à fil) ; ce fil machine peut être alors repris et étiré à froid avant de subir un trancanage (enroulement des spires de façon ordonnée sur une couronne),
• du fil machine lisse, utilisé comme demi-produit pour la fabrication de fil à haute adhérence (présentant des empreintes ou des verrous), par laminage à froid (galets usinés) ; le produit peut ensuite faire l’objet d’un trancanage ou être livré en produit déroulé (barres droites).

Les aciers pour béton armé peuvent être galvanisés par immersion dans un bain en fusion majoritairement composé de zinc en vue de les protéger contre la corrosion. La désignation de l’acier comportera «+Z» suivie d’un tiret et la catégorie du revêtement (A, B, C ou D) [voir la norme XP A 35-025].

Pour le même besoin, on peut réaliser des produits en acier inoxydable dont la nuance sera choisie en fonction du type d’agression potentielle et de la classe d’exposition du béton. Leur usage présente en outre un intérêt dans les situations telles que les séismes, la tenue à la fatigue ou l’amagnétisme (IRM dans les hôpitaux). La désignation de l’acier sera InE235, InE500, InE650 ou InE800 [voir la norme XP A 35-014].

L’ensemble des aciers pour béton armé peuvent être utilisés (après dressage dans le cas du fil) pour la fabrication de treillis soudés à mailles rectangulaires ou carrées, réseaux plans constitués de fils disposés perpendiculairement les uns par rapport aux autres et soudés ensemble aux points d’intersection. On peut également réaliser des treillis raidisseurs (voir la NF A 35-028 et l’Annexe A de l’EN 10080).

Existe-t-il une classification de ces aciers ?

La classification des aciers pour béton armé s’appuie sur les 3 principaux critères suivants :

• Le caractère soudable ou non soudable du produit. La norme de référence prend en compte cet aspect dans son domaine d’application ;
• La limite d’élasticité spécifiée (voir fiche sur les caractéristiques des aciers) ;
• La classe de ductilité telle que définie dans l’Annexe C de la NF EN 1992-1-1 qui s’appuie sur deux caractéristiques principales :
• R_m/R_e;
• A_gt (Allongement total pour cent sous force maximale).

Ainsi un acier désigné B500A est un acier pour béton armé de limite d‘élasticité spécifiée égale à 500 MPa et de classe de ductilité A. C’est un acier soudable référencé dans les normes NF A 35-080-1 et 2. En effet, le caractère soudable est précisé par l’appartenance de la nuance aux normes NF A 35-080-1 et 2 ou NF A 35-015 (aciers  soudables) ou NF A 35-017 et NF A 35-030 (aciers non soudables)

En complément, la lettre F indiquera les nuances faisant l’objet d’une spécification optionnelle de résistance à la fatigue.

Quels sont les principales caractéristiques recherchées ?

On cherche à garantir au constructeur de la structure en béton une force (F_m ; F_p0.2) et la résistance du produit final à 2 types de sollicitations :

• Le premier genre de sollicitations, couvert par l’état limite de service (ELS), concerne les structures dans leur fonctionnement de tous les jours, les matériaux sont sollicités dans le domaine élastique uniquement. Cet état regroupe un peu plus de 95 % des sollicitations normales ;
• Le second genre de sollicitations, couvert dorénavant par l’état limite ultime (ELU), concerne les structures dans leur fonctionnement exceptionnel avant ruine, les matériaux peuvent alors atteindre le domaine plastique. La probabilité d’atteindre et dépasser cet état est de l’ordre de 10^-7 à 10^-3. Durant la vie d’un ouvrage, celui-ci doit pouvoir résister une fois à l’ELU, cela étant, l’ouvrage en ressort endommagé de façon irréversible.

Les paramètre ci-dessous auront un impact sur le respect de ces exigences :

• La masse linéique dont on compare l’écart par rapport à une valeur nominale déduite d’une section nominale[1] et d’une masse volumique conventionnelle de 7,85 kg/dm³ à des valeurs limites spécifiées.
• Les caractéristiques de traction (valeurs caractéristiques) :
• La limite d’élasticité qui sera déterminée en fonction de la section nominale ;
• La résistance à la traction qui est également calculée sur la base de la section nominale,
• L’allongement total pour cent sous force maximale (Agt),
• Le module d’élasticité (en pratique une valeur de 200 GPa est retenue).
• L’aptitude au pliage (essai de pliage ou essai de pliage-dépliage conformément à la norme
  NF EN ISO 15630-1).
• L’adhérence au béton qui correspond à la propriété de l’acier à assurer la liaison avec le béton. On différenciera les aciers à haute adhérence pourvus de reliefs (verrous [aspérités en saillie] ou empreintes [aspérités en creux]) et les autres.
• Elle dépend des caractéristiques géométriques des reliefs (hauteur ou profondeur, espacement, inclinaison et aire relative). Elle s’exprime alors par un coefficient (f_R pour les verrous ou f_P pour les empreintes).
• On peut également considérer des contraintes d’adhérence déterminées lors d’essais d’adhérence (par flexion [« beam test »] ou en traction [« pull-out test »]).
• L’aptitude au soudage :
• Qui ne dépend que de la composition chimique des produits (le carbone équivalent
  Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 et les limites relatives aux teneurs en certains éléments : carbone, soufre, phosphore, azote et cuivre).

NOTE :      Des essais mécaniques (traction, pliage) sont réalisés sur des assemblages soudés pour s’assurer que le processus de soudage est maitrîsé.

• La résistance à la fatigue qui est une caractéristique de spécification optionnelle en France. Elle peut être représentée par exemple par une courbe de Wöhler (courbe SN)  ou un diagramme type Goodman-Smith. Les paramètres les plus importants sont :
• les conditions de raccordement entre les reliefs et le noyau du produit ;
• le diamètre de la barre,
• la décarburation superficielle.
• L’essai de charge cyclique (essai parasismique). Un nouvel essai pour évaluer le comportement en cas de séisme est détaillé dans l’Annexe E du prEN 10080. Le résultat de l’essai est jugé conforme si on pratique une série de 5 cycles symétriques d’hystérésis sans rupture totale de l’éprouvette. Il existe une relation entre le résultat de cet essai et la classe de ductilité.

Pour les treillis soudés, les dimensions et les résistances au cisaillement des assemblages soudés (voir Annexe B de l’EN 10080) sont spécifiées en complément des caractéristiques citées ci-avant.

[1] La section nominale d’un produit est égale à l’aire du cercle ayant pour diamètre le diamètre nominal.

Quels sont les secteurs utilisateurs ?

Les aciers pour béton armé ne sont généralement pas utilisés tels quels dans les constructions en béton armé mais pour la fabrication d’armatures par des industriels dénommés « armaturiers ».

Les armatures sont des produits obtenus à partir des aciers pour béton armé par les opérations suivantes, seules ou en  combinaison :

• Le dressage (pour les couronnes) opéré dans une dresseuse. Le fil passe dans une chicane constituée de cadres tournants et/ou de galets ;
• La coupe, exécutée soit sur les barres avec une cisaille mécanique soit sur la dresseuse.
• Le façonnage, effectué directement après le dressage sur une machine à façonner (par exemple cadreuse) dans le cas des fils et par cintrage des barres coupées. Il prépare la mise en forme avant l’opération d’assemblage.
• L’assemblage, couramment appelé montage est réalisé par ligatures et/ou soudures. Il est effectué soit en usine soit sur chantier. Il reste cependant une partie nécessairement « non montée » pour accompagner la pose en coffrage dans le cas des opérations faites en atelier.

On distingue :

• Les armatures sur plans (fabriquées à partir de plans fournis par le client) ;
• Les armatures sur catalogue conçues sous la responsabilité du fabricant ;
• Les armatures spéciales comportant des accessoires ou dispositifs spéciaux (dispositifs de raboutage [coupleurs ou manchons] ou d’ancrage, boîtes d’attente) ou réalisées avec des aciers galvanisés ou inoxydables.

Les divers processus de fabrication sont développés dans le document « L’armature du béton » (voir rubrique « Pour aller plus loin »). On peut également se référer à la norme NF A 35-027.

On retrouve dans le domaine de la construction un grand nombre d’applications, notamment poutres ; poteaux, dalles et dallage ; voiles ; poutres-voiles ou parois fléchies ; murs de soutènement ; fondations [superficielles (semelles, radiers) ; profondes (puits, pieux)] ; coques.

En général, les aciers pour béton armé sont principalement mis en œuvre dans les parties où le béton est sollicité en traction et en cisaillement. Dans certains cas où le béton est fortement comprimé, par exemple des poutres fortement fléchies ou certains poteaux dont la géométrie est fixée par l’architecture de l’ouvrage, il arrive que le béton seul ne soit pas suffisant pour résister aux efforts de compression. On met alors en œuvre des aciers comprimés pour reprendre une partie de ces efforts.

Quels sont les producteurs ?

• La société RIVA ACIER (voir le site).
• La société UGITECH (voir le site), producteur d’aciers  pour béton armé inoxydables.
• Le groupe Experton Revollier par sa filiale Aciéries et Laminoirs de Rives (acier laminé à chaud de nuance B420N) ou par ses filiales FIMUREX (aciers laminés à froid de nuances B500A et B500B), membres de l’APA.
• Le groupe ArcelorMittal avec différentes unités de production situées en Europe : Saragosse, Zumaraga, Ostrava ; voir également constructalia

Pour aller plus loin

Pour approfondir le sujet, vous pouvez consulter :

• Le dossier des Techniques de l’ingénieur sur les armatures ;
• Les Eurocodes 2 et 8 (séries des normes NF EN 1992 et NF EN 1998) et les normes NF EN 10080, NF A 35-080-1 et NF A 35-080-2, NF A 35-017, [NF A 35-015 (pour info)], XP A 35-014, NF A 35-024, XP A 35-025, NF A 35-027 ; NF A 35-028, NF A 35-030, NF EN ISO 15630 parties 1 et 2 et NF P 18-201 = DTU 21 (en cours de révision) ;
• Le Livre « Propriétés des bétons armés et précontraints » sous la direction de Roger Lacroix et Jean-Luc Clément, Ed. Hermes – Lavoisier, Paris 2002.
• Le Livre « Comportement structural des bétons armés et précontraints » sous la direction de Roger Lacroix et Jean-Luc Clément, Ed. Hermes – Lavoisier, Paris 2002
• Le Livre « L’armature du béton – De la conception à la mise en œuvre (T46) » Ed. CIMbéton, AFCAB, APA, ADETS, Paris septembre 2012 disponible sur le site de l’AFCAB.
• Le Livre « Béton Armé d’Inox – Le Choix de la durée » Ed. CIMbéton et Id Inox, Paris 2004 disponible sur le site de l’AFCAB.
• Le site de l’Association Professionnelle des Armaturiers (APA).
• Le site de l’Association pour la Promotion des Aciers de Construction (APAC)
• Le site de l’Association technique pour le Développement de l’Emploi du Treillis Soudé (ADETS).
• Le site de l’Association Française de Certification des Armatures du Béton (AFCAB).

Les indications figurant dans ce document sont fournies à titre informatif sans aucune garantie de A3M ; leur usage ne peut engager sa responsabilité en aucune façon. Seule la norme AFNOR dans son édition la plus récente fait foi.