CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES

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Les constructions métalliques constituent un domaine important d'utilisation des produits laminés sortis de la forge. Elles emploient, en particulier, les tôles et les profilés. Les structures constituées à partir de ces éléments nécessitent des opérations préalables de découpage, de perçage et de soudage en usine. Les opérations sur site sont limitées à des assemblages de modules primaires après des opérations de levage ou de ripage, permettant de rapprocher les zones d'assemblage. Le coût élevé des matériaux de base conduit à rechercher le poids minimal et à développer l'emploi de l'acier pour des domaines très spécifiques permettant de mettre en valeur les qualités suivantes : la légèreté, la rapidité de mise en œuvre, l'adaptation aux transformations ultérieures et les propriétés mécaniques élevées (limite élastique, ductilité, résistance à la fatigue).

Les domaines d'application des constructions métalliques sont très nombreux. Ils concernent d'abord les bâtiments et les ouvrages d'art (ponts, grandes couvertures). Dans le cas des bâtiments, les halles industrielles (fig. 1) lourdes (aciéries) ou légères (usines de transformation ou de stockage) constituent un secteur où l'emploi de l'acier est fréquent pour la réalisation des ossatures et des bardages recouvrant celles-ci, et pour l'utilisation de ponts roulants. Même dans les pays en développement, les charpentes industrielles se montrent compétitives, grâce à la facilité du montage et de l'expédition des éléments constitutifs par voie maritime ou terrestre. Les tours d'immeubles, nombreuses aux États-Unis, ont mis en lumière l'intérêt de la rapidité du montage, qui permet d'économiser des frais financiers importants par rapport à des solutions plus traditionnelles. Les ponts et les passerelles forment un secteur de pointe dans lequel on distingue les ponts suspendus de grande portée et les ouvrages démontables ou déplaçables. Plusieurs réalisations revêtent un caractère spectaculaire : pont sur le Bosphore à Istanbul, pont Verrazano à New York, pont Akashi-Kaikyo reliant la ville de Kobe à celle d'Awaji (Japon).

Forth Bridge

Photographie : Forth Bridge

Construction, en 1888, du pont ferroviaire franchissant le Firth of Forth (Grande-Bretagne). Conçu par John Fowler et Benjamin Baker, il sera équipé de deux travées en acier de 521 mètres. 

Crédits : Alex Inglis/ Hulton Archive / Getty Images

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Halle industrielle

Dessin : Halle industrielle

Halle industrielle. L'ossature constitue le squelette résistant. Celui-ci est ensuite recouvert par un bardage métallique en toiture et sur les côtés. Cet ensemble fournit un bâtiment couvert, fréquemment utilisé pour abriter des installations industrielles ou des dépôts. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Parmi les constructions dont le développement a été très important, il faut citer les structures mobiles ou fixes utilisées dans l'industrie pétrolière offshore. Il s'agit d'ensembles formés de tubes et de tôles raidies, devant résister à l'action des vents et de la houle en mer ouverte. Les réalisations en mers profondes et soumises à des vents violents qui se sont multipliées depuis les années 1970 – mer du Nord, océan Atlantique au large des côtes du Brésil – ont permis de confirmer la validité des conceptions tubulaires. Parallèlement aux plates-formes d'exploitation se sont développés des supports flottants pour la prospection pétrolière et gazière.

Le secteur traditionnel de la chaudronnerie a connu une grande expansion à la fin du xxe siècle avec la construction des centrales nucléaires. L'application de base est le réservoir à pression contenant un gaz ou servant à des réactions chimiques (crackage). La qualité de la réalisation et le choix d'un acier ductile priment sur les calculs. Les notions de sécurité et de contrôle de qualité sont fondamentales, elles conduisent à la prédominance du label de qualité décerné à l'usine produisant le réservoir. Les problèmes posés par le nucléaire ont renforcé l'importance de ces impératifs : les usines d'enrichissement par diffusion gazeuse et les circuits primaires et secondaires, ainsi que les ensembles P.W.R. (pressurized water reactor), sont les domaines d'élection des aciers mis en œuvre avec un contrôle de qualité aux procédures complexes, qui ont pour objet de prévoir les mesures nécessaires en cas de défaut de fabrication. Ajoutons que les aciers utilisés sont souvent du type inoxydable et que la mise en œuvre de ceux-ci conduit à des ateliers « propres », sans poussière.

La construction métallique autorise la mise en œuvre des systèmes mécaniques à mouvement lent ou rapide. Les dispositifs font appel soit au principe du pont roulant, soit à celui de la crémaillère, soit à des vérins. Les pièces réalisées doivent résister à des efforts de fatigue avec des pressions de contact plus ou moins importantes. Les applications sont très nombreuses dans l'industrie minière (tapis évacuant le minerai) ou dans la sidérurgie. Dans les constructions offshore, les plates-formes auto-élévatrices comportent des jambes descendant dans 100 mètres d'eau et utilisent des systèmes auto-élévateurs avec crémaillères, qui permettent à la plate-forme de travail de se mettre hors d'eau et de se maintenir en position malgré les tassements supportés par les jambes. La crémaillère, en plus de ses propriétés mécaniques, participe à la résistance de compression générale et doit être le plus légère possible. Toutes ces données contradictoires conduisent à un acier à haute limite (limite élastique 686 newtons par millimètre carré) et autotrempé pour lequel les procédures de découpage et de soudage doivent être étudiées pour éviter de détruire les qualités mécaniques attendues.

Enfin, les menuiseries métalliques, les revêtements, bardage ou couverture en façades, constituent des éléments ne participant pas à la résistance d'ensemble des bâtiments, mais leur importance économique est grande.

Les produits de base

L'acier est livré au constructeur sous forme de profilés. Ceux-ci comportent des profilés normalisés, IPE (profil européen en forme de I), utilisés pour les éléments sollicités en flexion, HE (en forme de E), utilisés pour ceux qui sont sollicités en compression, UPN (en forme de U), permettant de reconstituer des profils, des cornières en forme d'équerre, à ailes égales ou inégales, servant à constituer les parties élémentaires des poutres triangulées des fermes industrielles, des tubes servant aux constructions tubulaires spatiales ou non.

Les gammes de fabrication et les tableaux de normalisation montrent que certaines dimensions ne peuvent être dépassées. Par exemple, le profil IPE 500, dont la hauteur est de 500 millimètres, est celui qui est placé en sommet de gamme. Au-delà de cette dimension, sauf fabrication particulière, il est possible de se procurer des poutrelles reconstituées soudées (hauteur maximale de 1 200 mm à 1 500 mm), fabriquées en atelier grâce à des machines à souder semi-automatiques réalisant les cordons latéraux de jonction « semelles âmes ».

Pour des fabrications complexes – poutres reconstituées, caissons, réservoirs – la tôle constitue un élément de base. Suivant l'épaisseur, plusieurs types de construction sont à envisager. Si la tôle est un feuillard (épaisseur évaluée en dixièmes de millimètre), des déformations du type ondulation donnent une certaine raideur ; la tôle sert soit de coffrages perdus pour le coulage du béton, soit comme couvertures sèches [...]

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Forth Bridge

Forth Bridge
Crédits : Alex Inglis/ Hulton Archive / Getty Images

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Halle industrielle

Halle industrielle
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Assemblage par boulons haute résistance

Assemblage par boulons haute résistance
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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John Hancock Center

John Hancock Center
Crédits : Peter Pearson/ The Image Bank/ Getty Images

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  • : ingénieur des Ponts et Chaussées, professeur de constructions métalliques à l'École nationale des ponts et chaussées

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Pour citer l’article

François CIOLINA, « CONSTRUCTIONS MÉTALLIQUES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 03 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/constructions-metalliques/