Matériaux couramment utilisés en génie des structures

L'ingénierie structurelle dépend de la connaissance des matériaux de construction et de leurs propriétés correspondantes pour nous permettre de mieux prédire le comportement des différents matériaux lorsqu'ils sont appliqués à la structure. En général, les trois (3) les matériaux les plus couramment utilisés dans l'ingénierie structurelle sont l'acier, béton et bois / bois. Connaître les avantages et les inconvénients de chaque matériau est important pour garantir une approche sûre et rentable de la conception des structures. Examinons donc les avantages et les inconvénients de l'acier par rapport au bois par rapport au béton!

Acier de construction

L'acier est un alliage composé principalement de fer et de carbone. D'autres éléments sont également mélangés à l'alliage pour acquérir d'autres propriétés. Un exemple est l'ajout de chrome et de nickel pour créer de l'acier inoxydable. L'augmentation du carbone dans l'acier a pour effet prévu d'augmenter la résistance à la traction du matériau. L'augmentation de la teneur en carbone rend l'acier plus fragile, ce qui n'est pas souhaitable pour l'acier de construction.

Avantages de l'acier de construction

  1. L'acier a un rapport résistance / poids élevé. C'est à dire, le poids mort de structures en acier est relativement petit. Cette propriété fait de l'acier un matériau de structure très attractif pour les immeubles de grande hauteur, ponts à longue portée, structures situées sur un sol peu porteur et dans des zones à forte activité sismique.
  2. Ductilité. L'acier peut subir de grandes déformations plastiques avant l'échec, fournissant ainsi une grande résistance de réserve.
  3. Propriétés des matériaux prévisibles. Les propriétés de l'acier peuvent être prédites avec un degré élevé de certitude. L'acier présente en effet un comportement élastique jusqu'à un niveau de contrainte relativement élevé et généralement bien défini. Contrairement au béton armé, les propriétés de l'acier ne changent pas considérablement avec le temps.
  4. Vitesse d'érection. Les éléments en acier sont simplement installés sur la structure, un temps de construction très court. Cela se traduit normalement par un gain économique plus rapide dans des domaines tels que les coûts de main-d'œuvre.
  5. Facilité de réparation. Les structures en acier en général peuvent être réparées rapidement et facilement.
  6. Adaptation de la préfabrication. L'acier convient parfaitement à la préfabrication et à la production de masse.
  7. Utilisation répétitive. L'acier peut être réutilisé après le démontage d'une structure.
  8. Extension des structures existantes. Les bâtiments en acier peuvent être facilement agrandis en ajoutant de nouvelles baies ou ailes. Les ponts en acier peuvent être élargis.
  9. Résistance à la fatigue. Les structures en acier ont une résistance à la fatigue relativement bonne.

Inconvénients de l'acier de construction

  1. Coût général. L'acier est très énergivore et naturellement plus cher à produire. Les structures en acier peuvent être plus coûteuses à construire que d'autres types de structures.
  2. Ignifugation. La résistance de l'acier est considérablement réduite lorsqu'il est chauffé à des températures couramment observées dans les incendies de bâtiments. L'acier conduit et transmet également la chaleur d'une partie brûlante du bâtiment assez rapidement. par conséquent, les charpentes en acier des bâtiments doivent avoir une résistance au feu adéquate.
  3. Entretien. L'acier exposé à l'environnement peut endommager le matériau et même contaminer la structure par corrosion. Structures en acier exposées à l'air et à l'eau, comme les ponts et les tours, sont peints régulièrement. L'application d'aciers résistants aux intempéries et à la corrosion peut éliminer ce problème.
  4. Sensibilité au flambage. En raison du rapport résistance / poids élevé, les éléments de compression en acier sont, en général, plus mince et par conséquent plus sensible au flambage que, dire, éléments de compression en béton armé. Donc, des considérations de conception supplémentaires sont nécessaires pour améliorer la résistance au flambage des éléments de compression en acier minces.

bois contre béton

Figure 1. Aperçu de la charpente métallique

Béton armé

Le béton est un mélange d'eau, ciment et granulats. La proportion des trois composants principaux est importante afin de créer un mélange de béton de résistance à la compression souhaitée. Lors de l'ajout de barres d'armature dans le béton, les deux matériaux travaillent ensemble avec le béton fournissant la résistance à la compression et l'acier fournissant la résistance à la traction.

Avantages du béton armé

  1. Résistance à la compression. Le béton armé a une résistance à la compression élevée par rapport aux autres matériaux de construction.
  2. Résistance à la traction. En raison du renfort fourni, le béton armé peut également résister à une bonne tension.
  3. Résistance au feu. Le béton a une bonne capacité à protéger les barres d'acier d'armature du feu pendant de longues périodes. Cela fait gagner du temps pour les barres d'armature jusqu'à ce que le feu soit éteint.
  4. Matériaux d'origine locale. La plupart des matériaux nécessaires pour produire du béton sont facilement fournis localement, ce qui fait du béton un choix populaire et rentable.
  5. Durabilité. Le système de construction en béton armé est plus durable que tout autre système de construction.
  6. Moulabilité. Béton armé, comme matériau fluide au début, peut être moulé de manière économique dans une gamme presque illimitée de formes.
  7. Faible entretien. Le béton armé est conçu pour être robuste, en utilisant des matériaux de faible valeur tels que le sable et l'eau qui ne nécessitent pas d'entretien approfondi. Le béton est destiné à enfermer entièrement la barre d'armature de sorte que l'armature ne soit pas perturbée. Cela rend le coût d'entretien des structures en béton armé très bas.
  8. Dans la structure comme les semelles, barrages, jetées etc.. le béton armé est le matériau de construction le plus économique.
  9. Rigidité. Il agit comme un élément rigide avec une déflexion minimale. Une déformation minimale est bonne pour la facilité d'entretien des bâtiments.
  10. Convivialité. Par rapport à l'utilisation de l'acier dans la structure, une main-d'œuvre moins qualifiée peut être utilisée dans la construction de structures en béton armé.

Inconvénients du béton armé

  1. Stockage à long terme. Le béton ne peut pas être stocké une fois mélangé car le ciment réagit avec l'eau et le mélange durcit. Ses principaux ingrédients doivent être stockés séparément.
  2. Temps de durcissement. Le béton a une période de durcissement de trente jours. Ce facteur affecte grandement le calendrier de construction du bâtiment. Cela rend la vitesse de montage du béton coulé sur place plus lente que l'acier, toutefois, cela peut être grandement amélioré avec l'utilisation de béton préfabriqué.
  3. Coût des formulaires. Le coût des formes utilisées pour la coulée RC est relativement plus élevé.
  4. Plus grande section transversale. Pour un bâtiment à plusieurs étages, la section de poteau en béton armé (RCC) est plus grande que la section en acier car la résistance à la compression est plus faible dans le cas du RCC.
  5. Rétrécissement. Le retrait entraîne le développement de fissures et une perte de résistance.

comparaison entre le bois, l'acier et le béton

Figure 2. Un exemple typique de béton armé

Charpente

Le bois est un organique, matériau hygroscopique et anisotrope. Son thermique, acoustique, électrique, mécanique, esthétique, travail, etc. les propriétés sont très appropriées à utiliser, il est possible de construire une maison confortable en utilisant uniquement produits en bois. Avec d'autres matériaux, C'est presque impossible. Le bois est évidemment à la fois un choix commun et historique en tant que matériau d'ingénierie structurelle. Par contre, au cours des dernières décennies, il y a eu un abandon du bois au profit de produits d'ingénierie ou de métaux comme l'aluminium.

Avantages du bois

  1. Résistance à la traction. Pour être un matériau de construction relativement léger, le bois surpasse même l'acier en termes de longueur de rupture (ou longueur autoportante). Tout simplement, il peut mieux supporter son propre poids, ce qui permet des espaces plus grands et moins de supports nécessaires dans certaines conceptions de bâtiments.
  2. Résistance électrique et thermique. Il a une résistance naturelle à la conduction électrique lorsqu'il est séché à une teneur en humidité standard (MC) les niveaux, généralement entre 7%-12% pour la plupart des essences de bois. Sa résistance et ses dimensions ne sont pas non plus affectées de manière significative par la chaleur, assurer la stabilité du bâtiment fini et même les implications de sécurité pour certaines situations d'incendie.
  3. Absorption acoustique. Ses propriétés acoustiques le rendent idéal pour minimiser l'écho dans les espaces de vie ou de bureau. Le bois absorbe le son, plutôt que de le refléter ou de l'amplifier, et peut aider à réduire considérablement les niveaux de bruit pour plus de confort.
  4. Source locale. Le bois est un matériau de construction qui peut être cultivé et repoussé grâce à des processus naturels ainsi qu'à des programmes de replantation et de gestion forestière. Certaines pratiques de récolte et autres permettent à la croissance de se poursuivre pendant que les arbres plus gros sont récoltés.
  5. Écologique. L'un des plus grands défis de nombreux matériaux de construction, y compris le béton, métal, et plastiques, est-ce que quand ils sont jetés, ils mettent un temps incroyablement long à se décomposer. Lorsqu'il est exposé aux conditions climatiques naturelles, le bois se décomposera beaucoup plus rapidement et reconstituera le sol au cours du processus.

Inconvénients du bois

Le rétrécissement et le gonflement du bois sont l'un de ses principaux inconvénients.

Le bois est un matériau hygroscopique. Cela signifie qu'il absorbera les vapeurs condensables environnantes et perdra de l'humidité dans l'air en dessous du point de saturation des fibres. Un autre inconvénient est sa détérioration. Les agents responsables de la détérioration et de la destruction du bois se répartissent en deux catégories: Biotique (biologique) et abiotique (non biologique). Les agents biotiques comprennent les champignons de pourriture et de moisissure, bactéries et insectes. Les agents abiotiques comprennent le soleil, vent, l'eau, certains produits chimiques et le feu.

Bois massif vs acier

Figure 3. Une charpente en bois / bois

Résumé

Pour mieux décrire l'acier, le béton et le bois de sciage. Résumons leurs principales caractéristiques qui mettront en valeur chaque matériau.

Acier est très résistant à la fois en traction et en compression et a donc des résistances à la compression et à la traction élevées. L'acier a une résistance ultime d'environ 400 à 500 MPa (58 – 72.5 KSI). C'est aussi un matériau ductile qui cède ou se déforme avant la rupture. L'acier se distingue par sa rapidité et son efficacité dans la construction. Son poids relativement léger et sa facilité de construction permettent à une main-d'œuvre d'environ 10 à 20% plus petit par rapport à une structure similaire à base de béton en cours de construction. Les structures en acier ont également une excellente durabilité.

Béton est extrêmement solide en compression et a donc une résistance à la compression élevée d'environ 17 MPa à 28 MPa. Avec des résistances supérieures ou supérieures 70 MPa. Le béton permet de concevoir des bâtiments très robustes et durables, et profiter de sa masse thermique en la maintenant à l'intérieur de l'enveloppe du bâtiment peut aider à réguler les températures intérieures. Il y a aussi une utilisation croissante du béton préfabriqué dans l'industrie du bâtiment, qui offre des avantages en termes d'impact environnemental, coût et rapidité de construction.

Bois résiste aux courants électriques, ce qui en fait un matériau optimal pour l'isolation électrique. La résistance à la traction est également l'une des principales raisons du choix du bois comme matériau de construction; ses qualités remarquablement fortes en font le choix parfait pour les matériaux de construction résistants tels que les poutres structurelles. Le bois est beaucoup plus léger en volume que le béton et l'acier, il est facile à travailler et très adaptable sur site. C'est durable, résulte en moins de ponts thermiques que ses homologues et incorpore facilement des éléments préfabriqués. Ses performances structurelles sont très élevées et sa résistance à la compression est similaire à celle du béton. Malgré tout cela, le bois est plus largement utilisé pour les structures résidentielles et de faible hauteur. Il est rarement utilisé comme matériau principal pour les structures de grande hauteur.

Ce sont les matériaux de construction les plus couramment utilisés pour la construction. Chaque matériau a son propre ensemble d'avantages et d'inconvénients. Finalement, ceux-ci peuvent être remplacés par des matériaux qui ont très peu ou pas de limites avec les progrès technologiques à venir. Indépendamment, nos matériaux de construction actuels resteront pertinents pendant de nombreuses décennies à venir.