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I Guide n1 [FAME] I Rparation et rnovation des structures mtalliques I 3SYNDICAT NATIONAL DES ENTREPRENEURS SPCIALISTES DE TRAVAUX DE RPARATION ET RENFORCEMENT DE STRUCTURES (STRRES) / DCEMBRE 2008

1.2 Historique des rglements et normes en ouvrages dart mtalliques ...................................................281.2.1 Rappel des rglements et normes.......................................................................................................................28

1.2.1.1 Rglements........................................................................................................................................................281.2.1.2 Les normes franaises............................................................................................................................31

1.2.1.2.1 Les aciers de construction d'usage gnral ...................................................311.2.1.2.2 Les aciers haute limite d'lasticit

pour constructions soudes.........................................................................................311.2.1.2.3 Les autres aciers...................................................................................................................32

1.2.1.3 Les normes europennes......................................................................................................................33

1.3 Dfauts et caractrisation des matriaux .......................................................................................................................341.3.1 Dfauts rencontrs sur matriaux anciens ..................................................................................................341.3.2 Datation et caractrisation des matriaux....................................................................................................37

2 LA REPARATION DES OUVRAGES METALLIQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.1 Mthodes et techniques de rparation...............................................................................................................................402.1.1 Gnralits sur la dmarche de diagnostic et le projet de rparation..................................402.1.2 Mthodes et techniques de rparation et renforcement des structures ...........................41

2.1.2.1 Remplacement d'lments endommags ................................................................................412.1.2.2 Ajout de matire ...........................................................................................................................................432.1.2.3 Dconsolidation dassemblages rivs...........................................................................................462.1.2.4 Eviter les zones de concentration de contraintes,

amliorer le comportement la fatigue ...................................................................................472.1.2.5 Eviter ou limiter la corrosion...............................................................................................................492.1.2.6 Utilisation des chaudes de retrait ..................................................................................................502.1.2.7 Appareils dappui ...........................................................................................................................................52

2.2 Rparation par soudage ....................................................................................................................................................................532.2.1 Introduction ..............................................................................................................................................................................53

2.2.1.1 Dfinitions ...........................................................................................................................................................532.2.1.2 Matriaux supports ....................................................................................................................................54

2.2.2 Notions de mtallurgie du soudage.....................................................................................................................542.2.3 Les dformations au soudage..................................................................................................................................602.2.4 Dfauts mtallurgiques au soudage....................................................................................................................61

2.2.4.1 Fissuration chaud ....................................................................................................................................612.2.4.2 Arrachement lamellaire

Prcautions contre l'arrachement lamellaire........................................................................622.2.4.3 Fissuration froid ........................................................................................................................................63

Prcautions contre la fissuration froid : dispositions concernant les matriaux .......................................................................................64Prcautions contre la fissuration froid : conception et excution des assemblages .............................................................................65

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I Guide n1 [FAME] I Rparation et rnovation des structures mtalliques I4SYNDICAT NATIONAL DES ENTREPRENEURS SPCIALISTES DE TRAVAUX DE RPARATION ET RENFORCEMENT DE STRUCTURES (STRRES) / DCEMBRE 2008

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2.2.5 Techniques de soudage...................................................................................................................................................................662.2.5.1 Types dassemblages souds, types de soudures ............................................................662.2.5.2 Choix de la classe de qualit des assemblages souds ..............................................672.2.5.3 Les procds de soudage.....................................................................................................................70

2.2.5.3.1 Principes gnraux...............................................................................................................702.2.5.3.2 Soudage l'arc avec lectrode enrobe (n 111 de la norme).....702.2.5.3.3 Soudage l'arc avec fil-lectrode fusible fourr,

sans protection de gaz (n 114 de la norme) ..............................................722.2.5.3.4 Soudage l'arc des goujons (n 784 de la norme) .................................73

2.2.5.4 Choix des produits consommables pour soudage ............................................................752.2.5.5 Les dfauts des soudures.....................................................................................................................752.2.5.6 Contrle des soudures.............................................................................................................................77

2.2.6 Lexcution des travaux ..................................................................................................................................................772.2.6.1 Soudage : Qualifications..........................................................................................................................772.2.6.2 Soudage : Documents fournis par lentrepreneur ............................................................782.2.6.3 Soudage : Travaux en atelier ..............................................................................................................782.2.6.4 Soudage : Travaux sur chantier .......................................................................................................78

2.2.7 Recommandations relatives aux matriaux mtalliques anciens ................................................792.2.7.1 Cas du fer puddl.........................................................................................................................................792.2.7.2 Cas des aciers anciens ...........................................................................................................................822.2.7.3 Cas des aciers modernes .....................................................................................................................842.2.7.4 Cas particuliers : aciers autopatinables....................................................................................84

2.3 Rparation par boulonnage ............................................................................................................................................................852.3.1 Gnralits................................................................................................................................................................................852.3.2 Catgories d'assemblages boulonns ................................................................................................................86

2.3.2.1 Catgories d'assemblages boulonns suivant le mode de sollicitation............86Assemblages sollicits par des efforts perpendiculaires l'axe des boulons...86Assemblages sollicits par des efforts parallles l'axe des boulons ...................87

2.3.2.2 Catgories d'assemblages boulonns suivant le mode de fonctionnement.87Assemblages non prcontraints......................................................................................................87Assemblages prcontraints.................................................................................................................87

2.3.2.3 Rcapitulation des diffrentes catgories d'assemblages boulonns...............892.3.3 Assemblages boulonns utiliser pour les ponts...................................................................................89

2.3.3.1 Assemblages non prcontraints......................................................................................................162.3.3.2 Assemblages prcontraints sollicits par des efforts perpendiculaires

l'axe des boulons......................................................................................................................................902.3.3.3 Assemblages prcontraints sollicits par des efforts parallles

l'axe des boulons......................................................................................................................................902.3.4 Historique rglementaire et normatif.................................................................................................................91

2.3.4.1 L'aspect rglementaire : boulons haute rsistance ...................................................912.3.4.2 Laspect normatif ..........................................................................................................................................92

2.3.4.2.1 Boulons ordinaires ................................................................................................................922.3.4.2.2 Boulons haute rsistance ..........................................................................................93

2.3.4.3 Indications normalises et marquage NF des boulons.................................................952.3.4.4 Production trangre Boulons HV.............................................................................................96

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I Guide n1 [FAME] I Rparation et rnovation des structures mtalliques I 5

2.3.5 Calcul des assemblages boulonns .....................................................................................................................972.3.5.1 Calcul des assemblages non prcontraints ...........................................................................972.3.5.2 Calcul des assemblages prcontraints ......................................................................................97

2.3.6 Excution des assemblages boulonns.............................................................................................................992.3.6.1 Excution des assemblages non prcontraints...................................................................992.3.6.2 Excution des assemblages prcontraints..........................................................................1002.3.6.3 Prparation des assemblages .......................................................................................................100

2.3.6.3.1 Diamtre des trous..........................................................................................................1002.3.6.3.2 Usinage des trous.............................................................................................................1002.3.6.3.3 Tolrances de perage..................................................................................................1002.3.6.3.4 Choix des dimensions des boulons .....................................................................101

Diamtres des boulons.................................................................................................101Longueur des vis ................................................................................................................101Ecrous .........................................................................................................................................101Rondelles...................................................................................................................................101

2.3.6.3.5 Espacements des boulons Pinces...................................................................1022.3.6.3.6 Emploi de fourrure............................................................................................................1022.3.6.3.7 Prparation des surfaces de frottement.......................................................1032.3.6.3.8 Serrage des boulons HR .............................................................................................104

2.3.7 Contrle du serrage des boulons aprs excution des assemblages prcontraints1062.3.7.1 Gnralits .....................................................................................................................................................1062.3.7.2 Contrle par desserrage et resserrage de l'crou......................................................1062.3.7.3 Contrle par surserrage de l'crou...........................................................................................107

2.3.8 Les diffrents types de boulons..........................................................................................................................107Les boulons - systme HR.......................................................................................................................................107Les boulons - systme HV.......................................................................................................................................107Les boulons HRC.............................................................................................................................................................107Les boulons hexagonaux injects.......................................................................................................................108Les rivelons ou boulons sertis..............................................................................................................................109

2.3.9 Rparation par assemblages boulonns......................................................................................................1102.3.9.1 Gnralits sur les assemblages ................................................................................................1102.3.9.2 Remplacement de boulons ...............................................................................................................1102.3.9.3 Assemblages mixtes ..............................................................................................................................110

2.3.10 Pathologie des assemblages boulonns...................................................................................................111

2.4 Rparation par rivetage.................................................................................................................................................................1132.4.1 Gnralits............................................................................................................................................................................1132.4.2 Mode de sollicitation des assemblages rivs ..........................................................................................114

Effort perpendiculaire laxe du rivet (cisaillement)...........................................................................115Effort parallle laxe du rivet (traction) .....................................................................................................115

2.4.3 Historique rglementaire et normatif.............................................................................................................1162.4.3.1 L'aspect rglementaire : rivets .....................................................................................................1162.4.3.2 L'aspect normatif......................................................................................................................................1182.4.3.3 Assemblages rivs Dispositions constructives............................................................119

2.4.3.3.1 Conditions de distance des rivets ........................................................................1202.4.3.3.2 Conditions dpaisseur des pices assembles .......................................1202.4.3.3.3 Section de calcul ................................................................................................................121

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Les dfinitions des termes concernant la construction mtallique et les termes mtallurgiques sont regroups dans les glossaires :

http://www.otua.org/LexV0/Accueil.html

http://www.otua.org/FABACIER/Glossaire/IntroGlossaire.html

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I Guide n1 [FAME] I Rparation et rnovation des structures mtalliques I

2.4.3.4 Assemblages rivs Excution des assemblages ........................................................1222.4.3.4.1 Perage des trous ............................................................................................................1222.4.3.4.2 Assemblage ............................................................................................................................1232.4.3.4.3 Contrle des rivets ...........................................................................................................1242.4.3.4.4 Travaux de rparation : drivetage.....................................................................124

2.4.4 La pratique de rparation par rivetage ........................................................................................................1252.4.5 La pathologie des assemblages rivs ............................................................................................................127

2.4.5.1 Dfauts de pose ........................................................................................................................................1272.4.5.2 Corrosion.........................................................................................................................................................1282.4.5.3 Dconsolidation des rivets et assemblages .......................................................................1282.4.5.4 Rupture des rivets...................................................................................................................................129

BIBLIOGRAPHIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

TABLES DES ILLUSTRATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

ANNEXE N1 : DOCUMENTS DE REFERENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

ANNEXE N2 : TABLEAU SIMPLIFIE DES NUANCES ET QUALITES D'ACIER,REGLEMENTS ET NORMES APPLIQUEES EN FRANCE DANS LE CADRE DE LA CONSTRUCTION DES OUVRAGES DART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

ANNEXE N3 : REGLEMENTS DE CALCUL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

ANNEXE N4 : SOMMAIRE PREN 1090-2 : 2007.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

ANNEXE N5 : SOMMAIRE DU GUIDE TECHNIQUE DU LCPC : ENTRETIEN DE LA PROTECTION ANTICORROSION DES OUVRAGES METALLIQUES . 161

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PRAMBULE

Dune faon gnrale les techniques et mthodes de construction classiques sontemployes en rparation, mais celles-ci doivent prendre en compte les spcificits desmatriaux employs au cours du temps. Les procds dlaboration des matriaux mtalliqueset les techniques dassemblages ont volu au fur et mesure du dveloppement industriel. Ilconvient donc de procder des travaux de rparation en bonne connaissance des propritsdes matriaux, des modes dassemblages, des rgles de dimensionnement utilises lors de laconstruction. Plus particulirement, les matriaux mtalliques ont fait lobjet dvolutionsimportantes. Ainsi, lutilisation de la fonte, des fers puddls, puis des aciers, met en videncedes caractristiques trs diffrentes, mais lvolution elle-mme des aciers, depuis le dbut duXXme sicle, montre aussi des caractristiques et comportements trs variables quil convientdintgrer dans tout projet de rparation. Lvolution la plus importante pour les aciers estconstitue par laptitude la soudabilit qui est apparue progressivement partir des annes1930 paralllement au dveloppement des techniques de soudage et des recherches sur lasoudabilit mtallurgique des aciers.

Ce guide sapplique la rparation des ouvrages dart mtalliques lexclusion de la partiesuspension des ouvrages suspendus et haubans. Il est labor par regroupement dedocuments existants et intgre diffrents extraits bibliographiques ncessaires la compr-hension des phnomnes, tels quun historique des matriaux mtalliques employs, desrglements et normes, un inventaire des techniques de rparation. Ces extraits bibliogra-phiques sont actualiss, compte tenu de lvolution normative trs active dans le domaine dela construction mtallique. De nombreux extraits sont emprunts au Guide du Matre d'uvre Travaux de construction en acier du SETRA (2001) qui concerne la construction desouvrages mtalliques. Nous proposons le renvoi ce document de rfrence pour les phaseso rparation et construction neuve se confondent pour les procdures appliques. La revuePonts Mtalliques n 20 de lOTUA reprsente galement un document de rfrence pour laconnaissance des matriaux employs.

La publication de ce guide concide avec la publication prochaine de la norme europenne NFEN 1090-2 Excution des structures en acier et des structures en aluminium - Partie 2 :Exigences techniques pour les structures en acier, qui deviendra, lors de sa parution, lerfrentiel de tous travaux sur structures mtalliques. Cette norme regroupera en un seuldocument lensemble des lments concernant lexcution des ouvrages. Ds prsent,certains lments du projet de norme sont introduits dans le texte. Ce document constituerale rfrentiel pour lexcution des structures mtalliques. Le sommaire de ce projet de normefigure en annexe 4.

Le guide Mtal est structur en 2 parties :

> Partie 1 : les matriaux et la construction des ouvrages mtalliques :

les diffrents matriaux mtalliques employs dans le temps, leurs caractristiques,

la rglementation et normalisation correspondante,

les principaux dsordres et la caractrisation des matriaux anciens.

7I Retour au sommaire ISYNDICAT NATIONAL DES ENTREPRENEURS SPCIALISTES DE TRAVAUX DE RPARATION ET RENFORCEMENT DE STRUCTURES (STRRES) / DCEMBRE 2008

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> Partie 2 : les techniques de rparation :

les principales mthodes et techniques de rparation,

la rparation par soudage des ouvrages dart mtalliques,

la rparation par boulonnage des ouvrages dart mtalliques,

la rparation par rivetage des ouvrages dart mtalliques.

Une partie initialement prvue sur lentretien de la protection anticorrosion des ouvragesmtalliques na pas t retenue, car elle fait lobjet de publications rcentes auxquellesnous faisons renvoi :

guide technique Entretien de la protection anticorrosion des ouvrages mtalliques,publi par le LCPC dcembre 2005 (bibliographie [24]), dont le sommaire figure enannexe 5 ;

fiche nXVIII-1 Protection contre la corrosion - Mmento pour la mise en uvre surouvrages dart MEMOAR- Collection de fiches techniques SETRA (bibliographie [25]).

8 I Retour au sommaire ISYNDICAT NATIONAL DES ENTREPRENEURS SPCIALISTES DE TRAVAUX DE RPARATION ET RENFORCEMENT DE STRUCTURES (STRRES) / DCEMBRE 2008

Rparation et rnovation des structures mtalliques

Les matriaux et la construction des ouvrages

1

Historique des rglements et normes en ouvrages dart mtalliques1.2

Historique des matriaux mtalliques en ouvrages dart1.1

Dfauts et caractrisation des matriaux1.3


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Aprs la maonnerie et le bois, les matriaux mtalliques ont t employs pour la construc-tion des ouvrages ds la fin du XVIIIme sicle. Cest en 1779 avec la construction du pont surla Severn, Coalbrookdale en Angleterre que dbute lhistoire des ponts mtalliques. Troisalliages base de fer, la fonte, le fer puddl et l'acier, constitueront les principales priodesde construction des ouvrages mtalliques.

1.1.2.1 Rappels de mtallurgieEn fonction de la temprature, le fer pur prsente diffrentes formes de rseaux cristallogra-phiques. Dun rseau cubique centr CC (fer ou ferrite) basse temprature, le fer setransforme en rseau cubique faces centres CFC (fer ou austnite) 912C pour ensuiteretrouver un rseau cubique centr haute temprature avant la transformation solide -liquide.

Fig. 1 : Transformations allotropiques du fer (document OTUA)

Les proprits des alliages fer - carbone sont caractrises dans le diagramme de phases enfonction de la composition chimique et de leur processus dlaboration (cycles thermiques). Lediagramme de phases Fe C prsente les domaines de solubilit des atomes de carbone dansle fer aux diffrentes tempratures et les niveaux de transformations allotropiques. Lediagramme simplifi prsent ci-aprs est tabli dans des conditions de chauffe et refroidisse-ment lents. Nous pouvons remarquer que la structure CFC fer haute temprature dissout une quantit datomes de carbone plus importante que la structure CC fer basse temprature.

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1.1 Historique des matriaux mtalliques en ouvrages dart

I Retour au sommaire ISYNDICAT NATIONAL DES ENTREPRENEURS SPCIALISTES DE TRAVAUX DE RPARATION ET RENFORCEMENT DE STRUCTURES (STRRES) / DCEMBRE 2008

INTRODUCTION1.1.1

RAPPEL DE MTALLURGIE ET PROPRITS DES MTAUX

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1.1.3.4.1 Evolution mtallurgique (bibliographie [7])

Les tles en acier de construction ont longtemps t livres l'tat normalis, un tat stableobtenu par traitement thermique (recuit effectu aprs laminage et refroidissement desproduits) et dans lequel les caractristiques du produit sont essentiellement lies sacomposition chimique. Le laminage n'tait alors qu'une simple opration de mise en formepermettant d'obtenir les dimensions finales de la tle.

> Pour augmenter la rsistance mcanique des tles, les sidrurgistes disposaient dedeux moyens :

lever la teneur en carbone et en silicium pour augmenter le durcissement ;

accrotre la trempabilit de l'acier pour obtenir une structure plus fine, en ajoutant parexemple davantage de manganse.

C'est ainsi que l'on est pass de la nuance E 24 la nuance E 36 (dsignations de la norme)comme le montrent les analyses typiques de tles d'environ 50 mm d'paisseur (Tableau III) :

C % Mn % Si %E 24-4 0,08 1,00 0,20E 36-4 0,18 1,55 0,45

Tableau III : volution de la nuance E 24 la nuance E 36 [7]

Mais cette volution s'est faite au dtriment de la soudabilit (risque de fissuration froid) etde la tnacit du mtal et il a fallu utiliser d'autres moyens pour modifier les caractristiquesde l'acier.

Dans un premier temps, il a t recherch un durcissement plus efficace que celui d au seulcar-bone en utilisant des lments tels que le niobium ou le vanadium, qui produisent desprcipits trs fins et qui permettent, limite d'lasticit identique, d'abaisser la teneur encarbone.

C'est de cette faon qu'ont t mis au point les aciers haute limite d'lasticit (aciers HLE)de la pre-mire gnration, aciers micro-allis ou dispersodes, toujours livrs l'tatnormalis (tat N). On est ainsi pass de la nuance E 36 la nuance E 355 puis aux nuancesE 420 et E 460 (respectivement S355N, S420N et S460N selon les nouvelles appellations)avec les analyses moyennes suivantes (Tableau IV) :

C % Mn % Si % Nb % V % Ni %E 36-4 0,18 1,55 0,45E 355 I 0,15 1,50 0,35 0,03E 460 I 0,18 1,60 0,40 0,03 0,12E 460 II 0,16 1,50 0,30 0,03 0,13 0,60

Tableau IV : volution de la nuance E 36 la nuance E 460 (bibliographie [7])

La soudabilit de l'acier E 355 tait meilleure que celle de l'acier E 36, mais celle de l'acier E460 tait en revanche trs mdiocre, ce qui explique que cette dernire nuance a t trspeu utilise, du fait des risques de fatigue, malgr le gain de poids qu'elle permettait.

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1.1Historique des matriaux mtalliques en ouvrages dart


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Les sidrurgistes ont exploit dans les annes 1980 les possibilits (bibliographie[7]) offertespar des cages de laminoir plus puissantes et, surtout, automatises et plus rapides et par desdis-positifs de refroidissement acclr pour contrler le laminage, qui est alors devenu unevritable opration mtallurgique conduisant des structures extrmement favorables. Cetype de laminage, qui rentre dans la catgorie du laminage contrl et qui est appel laminagethermomcanique, a donn naissance la deuxime gnration d'aciers HLE, celle des aciersS355M S460M (M dsignant l'tat thermomcanique) (Tableau V) :

C % Mn % Si % Nb % V % Ni %S355N 0,15 1,50 0,35 0,03S355M 0,09 1,5 0,25 0,03S460N 0,18 1,6 0,40 0,03 0,12S460M 0,09 1,55 0,30 0,02 0,06 0,25

Tableau V : volution de la nuance S355 la nuance S460 (bibliographie [7])

Les aciers thermomcaniques (M) prsentent des analyses nettement moins charges que lesaciers normaliss (N) de mme grade et sont donc beaucoup plus facilement soudables. Onpeut aussi utiliser le laminage thermomcanique pour obtenir des caractristiques plusleves que celles des aciers normaliss de mme analyse.

Les aciers thermomcaniques font lobjet dune publication (bibliographie [8]) de lOTUA quiprsente dans le dtail les conditions dlaboration et dutilisation de ces aciers.

> Ces aciers ont t utiliss depuis une quinzaine danne environ. Les premiresrfrences sont :

Le pont de Normandie : utilisation dacier S420 M partiellement en platelage et dacierS460 NL pour les oreilles de reprise des haubans.

Le pont de Remoulins : bipoutre hybride S355 M et ML / S460 M et ML

Le viaduc de Millau S460 M et ML (1/3 du tablier)

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Fig. 15 : Evolution mtallurgique des aciers de construction (bibliographie [7])(valeurs typiques pour des tles de 50 mm)

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Les aciers tremps et revenus (Q) de caractristiques leves ont t peu ou pas utiliss enconstruction d'ouvrages d'art.

1.1.3.4.2 Cas des aciers rsistance amliore la corrosion atmosphrique

Les aciers rsistance amliore la corrosion atmosphrique ou autopatinables sautopro-tgent contre la corrosion par la formation dune couche d'oxyde leur surface. Ce sont desaciers qui contiennent un faible pourcentage de cuivre (de l'ordre de 1 %). Ils sont plus connussous leur nom de marque, tel que Corten, Indaten, Diweten.

La protection est ralise une fois que le produit est expos, en alternance, une atmosphresche puis humide et quune couche brun fonc d'oxyde, qu'on appelle aussi patine, sestforme. Cette couche d'oxyde est rsistante et relativement tanche. Elle constitue donc unfrein la corrosion qui ne peut plus se poursuivre en profondeur.

Toutefois, elle a tendance s'user et ne fait que ralentir la corrosion. Les pices en acierpatinable doivent tre "surdimensionnes" afin de tenir compte de cette perte de matire quipeut atteindre des valeurs de l'ordre de 1 mm ou plus en 50 ans, par face expose. On peutaussi appliquer une peinture anti-rouille aprs sablage, notamment sur les parties caches, cequi amliore encore la durabilit du matriau.

Lutilisation de ce genre d'acier nest pas conseille dans des milieux agressifs et pour desconstructions en contact permanent avec de l'eau ou de l'humidit condense.

Il faut aussi trs soigneusement viter toute possibilit de rtention deau qui finirait parprovoquer une altration du matriau.

Par ailleurs, la couche protectrice, qui peut durer plusieurs annes, s'accompagne dundgagement de rouille qui peut salir les parties non ferreuses de la construction. Il conviendrapar consquent de recueillir toutes les eaux de ruissellement qui auront t en contact avecl'acier patinable.

Afin que cet acier ait une teinte uniforme, il est prfrable de procder un lger sablagedes lments avant leur mise en place. L encore, il est conseill de consulter des spcialistespour la mise en uvre.

Ces aciers ont fait lobjet de la norme franaise NFA 35 502 de 1979 modifi en 1984,remplac par la norme europenne NF EN 10555 en 1993 puis NF EN 10025-5 en 2004.

23



Fig. 16 : Evolution dans le temps des nuances et modes dlaboration des aciers de construction (bibliographie [7])

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La circulaire ministrielle n 81-64 de juillet 1981, dans son annexe VI, a accord lagrment deux usines pour la fourniture de ces aciers sous rserve de restrictions demploi.

La note de la Direction des routes du 26 septembre 1985, sappuyant sur une note dinfor-mation du SETRA du 30 avril 1982 (bibliographie [14]), limite lutilisation de ces aciers pourles ouvrages dart aux nuances : E 24 W 3 ; E 24 W 4 ; et E 36 W B 4 et introduit la notionde provision dpaisseur pour tenir compte de la perte dpaisseur due la formation de lapatine. Les calculs justificatifs des structures doivent tre effectus en remplaant lpaisseurnominale t (mm) des pices de charpente et des cordons de soudure par une paisseurfictive conventionnelle.

t-2e (mm) si les deux faces sont en contact avec latmosphre

t-e (mm) si une seule face est en contact avec latmosphre.

Dans laquelle la valeur e est prise gale :

1 mm pour les ouvrages en atmosphre rurale

2 mm pour les ouvrages en atmosphre urbaine ou assimile.

La note dinformation du SETRA du 30 avril 1982 (bibliographie [14]) dfinit en outre desconditions demploi et des dispositions constructives adaptes la spcificit de ces aciers.

1.1.4.4.3 Cas des aciers mouls

Les aciers mouls ont t utiliss pour la construction de quelques ouvrages, dont le pontAlexandre III inaugur en 1900, et pour des pices particulires telles que les appareils dappuimtalliques, les selles dinflchissement et dpanouissement des cbles de pontssuspendus...

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Fig. 17 : Ouvrage en acier rsistance amliore la corrosion atmosphrique : pont de Bessge (30) (photo J. Richard-Ducros)

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En fonderie d'acier moul, les pices sont obtenues directement par solidification du mtalliquide dans des empreintes (ou moules) qui reproduisent le plus fidlement possible les formeset les dimensions finales des pices. Cette pratique est techniquement et conomiquementintressante, car elle limine les coteuses oprations d'usinage ultrieur et elle permet deconserver la peau brute de fonderie qui prsente en gnral une microstructure fine favorable la bonne tenue des pices en service.

Les aciers mouls sont caractriss par une trs grande diversit de compositions chimiques.Ils sont constitus d'alliages base de fer, de carbone, de silicium, de manganse auxquelspeuvent tre ajouts d'autres lments d'alliages comme le chrome, le nickel, qui leurconfrent des proprits particulires. La normalisation actuelle dfinit trois grandes famillesd'aciers mouls :

les aciers au carbone (gnralement 0,15 0,50 % C) ;

les aciers faiblement allis dans lesquels, la teneur de chaque lment d'alliage estinfrieure 5 % (Mn, Ni, Cr, Mo, voire V, Cu, Nb...) ;

les aciers fortement allis dans lesquels la teneur d'au moins un lment d'alliage dpasse5 % (Cr, Ni, Mn).

Les pices en acier moul moderne sont galement aptes aux traitements thermiques qui leurconfrent des caractristiques mcaniques leves.

Un texte rglementaire en date du 29 octobre 1913 fixe les caractristiques de ce type dematriau (bibliographie [2]) :

limite lastique : 24 kg/mm2

rupture : 50 kg/mm2

allongement la rupture : 12 %

Lutilisation dacier moul pour des pices diverses, telles que : lments dappareils dappui,selles dinflexion de cbles de ponts suspendus peuvent prsenter des teneurs en carboneleves, toute intervention sur ce type de matriau ncessite une caractrisation mtallurgique.

Les aciers mouls taient prcdemment couverts par les normes EN 1559-1 Fonderie -Conditions techniques de fourniture - Partie 1 : Gnralits et EN 1559-2 Fonderie -Conditions techniques de fourniture - Partie 2 : Spcifications complmentaires pour lespices moules en acier. En 2007 ces normes sont remplaces par une norme spcifiqueaux aciers mouls pour construction : NF EN 10340.

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Fig. 18 : Montage des voussoirs en acier moul du pont Alexandre III(revue Ponts Mtallique n20 OTUA)

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1.1.3.5 Les volutions dimensionnelles (bibliographie [7])La fonte des premiers ponts mtalliques se prsentait sous forme de pices moules selonles dessins des ingnieurs et des architectes.

Le fer puddl qui lui succde se prsente non plus sous forme d'lments mouls mais sousforme de plaques, de barres, de profils, dans des formes et dimensions proposes par lessidrurgistes. La construction devient une combinaison de pices lamines ou forgesassembles par boulons ordinaires et, surtout, par rivets. Les dimensions des pices sontassez faibles. Les tles ralisables en 1830, par exemple, avaient des paisseurs comprisesentre 3 et 20 millimtres, des largeurs qui ne dpassaient pas 500 millimtres et deslongueurs limites 1000 millimtres. Dans la construction des ponts, les paisseursutilises sont de lordre de 10 12 mm.

Avec l'apparition de l'acier, les paisseurs produites montent 65 millimtres et les longueursvont jusqu' 4 mtres. L'volution des quipements sidrurgiques et les besoins croissants del'industrie (chaudronnerie, construction navale) vont ensuite faire progresser trs rapidementces chiffres. Entre 1870 et 1890, toujours sur l'exemple des tles, les poids passent 12puis 30 tonnes et les longueurs 5 puis 10 mtres, tandis que les paisseurs et largeursmaximales ralisables s'tablissent respectivement 300/400 mm et 3 mtres.

Des profils tels que IAO font leur apparition. Ces volutions se poursuivent au XXe sicle.Dans la seconde moiti du sicle, les sidrurgistes produisent des tles hyper-Iourdes pour lachaudronnerie. Lamlioration de la soudabilit permet lutilisation de fortes paisseurs et,dans les annes 1980, lempilement de semelles nexcdant pas 30 mm en membrure depoutre disparat au profit de fortes paisseurs (80 puis jusqu 180 200 mm).

Tous ces dveloppements profitent bien sr indirectement la construction mtallique quitrouve ainsi des produits de dimensions de plus en plus impor-tantes ou des produitsprsentant des formes nouvelles, comme les tles profiles en long apparues dans les annes1980.

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Fig. 19 : Poutres mtalliques Evolution des coupes types


Les tles profiles en long sont des tles dont l'paisseur varie dans le sens de la longueur etqui, dans les ponts, permettent de mieux se rapprocher du profil idal thorique dict par larpartition des moments flchissants. Parmi les profils ralisables, les plus courants sont lessuivants:

Ces produits normaliss selon NF A 36-270 tles profiles en long prsentent des caract-ristiques mcaniques qui varient selon lpaisseur.

LOTUA regroupe sur son site Internet diverses informations sur les caractristiques deproflils anciens et modernes qui peuvent tre consultes dans le cadre dun recalculdouvrage.

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Fig. 20 : Tles profiles en long a : diffrentes formes possiblesb : caractristiques et grosseur de grains selon lpaisseur

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1.2.1.1 Les rglementsLa liste des rglements et normes aciers est reproduite en annexe 1 (bibliographie [3]).

Les rglements de calculs (bibliographie [1] et [2]), dont le premier pour les ponts-rails datedu 26 fvrier 1858, dfinissent les hypothses de chargement et les contraintes admissiblespour les diffrents matriaux. La liste des rglements de calcul des ponts mtalliques faisantlobjet de larticle de Messieurs Jacques Roche et Jol Raoul dans la revue Ponts Mtalliquesn 20 de lOTUA, est donne en annexe 3.

Le tableau VI regroupe les contraintes admissibles pour les matriaux mtalliques par lesdiffrents rglements de calcul jusquen 1960.

Le fer puddl disparat dans le rglement de 1915 ; en fait la coupure fer puddl acier, dansle domaine des Ouvrages dArt, sest ralise autour de lanne 1900.

Pour la premire fois, un texte rglementaire, en date du 29 octobre 1913, fixe les caract-ristiques des matriaux (bibliographie [2]). Prcdemment, le rglement de 1891 spcifiaitcertaines caractristiques de matriaux, uniquement pour les ponts-rails.

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1.2 Historique des rglements et normes en ouvrages dart mtalliques


RAPPEL DES RGLEMENTS ET NORMES(EXTRAITS DE BIBLIOGRAPHIE [1] [2] [3])

1.2.1

Contraintes Fonte Fer puddl Acier

en kg/mm? T C TF CF T-C T-C

Rglement du

15/06/1869 1 5 6

Rglement du

9/07/1877 1,5 5 3 5 6

Rglement du

29/08/1891 1,5 6 2,5 6 6,5 ou 8,5 8,5 ou 11,5

Rglement du

8/01/1915 0 7 ou 6,5 0 7 ou 6,5

8 13,5

Rglement du10/05/1927

7 ou 8

1,5

13 ou 14

Circulaire du

7/02/1933

Ac 42

Ac 54

13 ou 14

18 ou 19

Rglement du19/08/1960

Traction Compression

3/4 N 2/3 N

T : traction C : compression TF : traction/flexion CF : compression/flexion

Tableau VI : Synthse des rglements de calcul Contraintes admissibles (valeurs exprimes en kg/mm_)

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Le Cahier des charges gnral de 1956 est un document complet qui couvre l'ensemble destravaux.

> En examinant plus particulirement les articles relatifs aux aciers lamins, on peutnoter les points suivants (bibliographie [3]) :

on distingue deux nuances d'aciers, Ac 42 et Ac 54 ; ces derniers, qualifis d'aciers haute rsistance, doivent prsenter une teneur en cuivre au moins gale 0,25 % ;

on distingue les aciers Thomas et les aciers Martin vis--vis de l'essai de pliage;

l'paisseur maximale des produits est de 60 mm ;

les aciers sont soumis des essais de flexion par choc sur prouvettes de type UF pourla construction rive, ces essais sont limits aux aciers Ac 54 ;

les aciers destins tre assembls par soudure lectrique sont, soit des aciers Ac 42Martin, soit des aciers Ac 54 Martin au chrome et au cuivre (avec une note: Lorsqu'ils'agira de charpentes mtalliques autres que les ponts, on pourra employer l'acier Ac 42Thomas).

Le choix de lacier Martin pour lutilisation en ouvrages dart est ancien (par exemple cet aciera t spcifi pour la construction des ouvrages ariens du mtro de Paris ds 1900).Toutefois il nest pas exclu de rencontrer des aciers dlaboration Thomas pour dautresgestionnaires douvrages.

Le premier fascicule 4 titre III, applicable aux travaux relevant des services des ponts etchausses, parat en 1962 et prvoit deux nuances d'acier, A 42 et A 52 pour les constructionsrives, tandis que pour les constructions soudes, deux nuances A 42 S et A 52 S sont assortiesde trois qualits : 2, 3 et 4 pour les aciers A 42 S, et , et pour les aciers A 52 S.

Comme dans le Cahier des charges gnral, les caractristiques chimiques et mcaniquessont entirement dfinies et la rgle est que tout acier de construction donnera lieu recette. Par ailleurs, un arrt ministriel prcise que les marques d'aciers soudables A 42 Squalit 4 et A 52 S devront pralablement leur emploi dans les travaux dpendant de l'ad-ministration des Ponts et Chausses, tre agres par le ministre des travaux publics et destransports . On remarquera que ces dispositions ne visent que les aciers pour constructionssoudes.

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1.2Historique des rglements et normes en ouvrages dart mtalliques


texte limite lastique rupture Allongement Remarque

kg/mm2 kg/mm2 %

profil 32 8

tle (sens de laminage) 32 8

tle (sens ) 28 3,5

Acier Acier lamin 42 22

en fer 36 16

en acier 38 28

moul 24 50 12

lamin (tles, profils) 24 42 25

Rivets 20 38 28

Acier

Caractristiques des matriaux anciens [2]

Fer

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Rivets

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Tableau VII : Caractristiques des matriaux anciens (rglements 1891 et 1913)

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La parution, en septembre 1965, d'un nouveau fascicule 4 titre III, est interministrielle cettefois, c'est--dire applicable aux travaux des diffrentes administrations. Ce fascicule introduitquelques novations. En octobre 1966, il est diffus pour application aux travaux relevant del'administration des ponts et chausses... Il est spcifi dans la note denvoi que, bien que lefascicule envisage l'emploi de nuances d'acier normalises, seules celles dfinies conform-ment l'ancien fascicule doivent tre utilises normalement pour les ouvrages d'art.

C'est pour viter toute confusion avec certaines qualits normalises que les qualits d'acierssoudables A 42 S, prcdemment dnommes 2, 3 et 4, s'appellent maintenant qualits 21,31 et 41. Un commentaire l'article relatif au choix des aciers ajoute mme : Conformment aux errements habituels, les aciers pour garde-corps, joints de chausses,gargouilles pourront tre des mtaux du commerce .

> L'analyse des spcifications permet de dgager les points suivants:

l'paisseur maximale des produits est de 50 millimtres ;

les aciers pour construction rive sont soumis des essais de rsilience KCU + 20C ;seules sont fixes les teneurs maximales en soufre (0,06 %) et en phosphore (0,07 %) ;

les aciers pour construction soude sont soumis, suivant leur qualit, des essais dersilience KCU + 20C, KCV 0ou - 20C ; la teneur maximale en carbone (0,20 %)est fixe pour les aciers A 42 S ainsi que celles en C (0,22 %), Mn (1,50 %) et Si(0,55 %) pour les aciers A 52 S, avec un maximum uniforme de 0,05 % pour le soufreet le phosphore ;

les aciers A 42 S 41, A 52 S , et doivent tre pralablement agrs parl'Administration.

Une deuxime tape va tre franchie avec la mise en rvision du fascicule 4 titre III, qui seradiffus en aot 1975. Une troite coopration s'instaure entre l'Administration, l'AFNOR et lesprofessionnels intresss, sidrurgistes et entreprises de construction mtallique. Il en rsulteun texte bas essentiellement sur les normes AFNOR.

Le principe de l'agrment, assorti de la vrification du contrle en usine, est maintenu. Cetagrment sera gr par la Commission permanente d'agrment et de contrle des acierssoudables, plus connue sous son acronyme de CIPACAS, institue en 1962.

> La soudabilit, point important de lagrment des aciers se caractrise par deuxproprits :

la rsistance la fissuration froid ;

la rsistance la rupture fragile.

Celles-ci bornent en fait le domaine de la soudabilit d'un acier, la premire vers le bas, dansle domaine des faibles nergies de soudage, la seconde vers le haut, dans celui des fortesnergies. Pour la premire, l'essai de rfrence est l'essai de fissuration froid sur implants,complt, pour les aciers plus haute limite d'lasticit, par le diagramme de transformationcontinue en conditions de soudage (diagramme TRC-S). Pour la seconde, la courbe rsilience--temprature, dite courbe de transition est juge reprsentative. Dbut 1979, laprocdure est approuve et mise en vigueur.

En 1976, le code des marchs publics, modifi par le dcret n 76-88, indique que les prescrip-tions techniques applicables aux marchs de l'tat font dsormais l'objet de cahiers des clausestechniques gnrales (CCTG), les fascicules du Cahier des prescriptions communes (CPC) restanten vigueur pour autant qu'ils n'aient pas t remplacs par des fascicules du CCTG. Le principegnral tant le recours aux normes. La mise en rvision du fascicule 4 titre III nintervientquen 1995. Il sera publi en juin 2000.

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1.2.1.2 Les normes franaises

1.2.1.2.1 Les aciers de construction d'usage gnral (extrait de bibliographie [3])

En 1973, lors de la mise en rvision du fascicule du CPC, la norme de rfrence pour lesaciers de construction est la norme NF A 35-501 Aciers de construction d'usage gnral.Sur des principes de base tablis en 1968, elle comporte quatre nuances d'acier : E 24 (A37), E 26 (A 42), E 30 (A 47) et E 36 (A 52), compltes par les nuances A 33, A 34, A50, A 60 et A 70, utilisables principalement en mcano-soudage. Quatre qualits sontdfinies, 1 4, selon que la rsilience n'est pas garantie, ou garantie l'ambiante, 0C ou- 20C. Toutes ces nuances et qualits correspondent des aciers au carbone et manganse,sans lments d'alliages, obtenus par les procds Thomas, Martin ou l'oxygne, la couletant effectue en lingotires. Les paisseurs maximales considres sont de 50 mm.

Une premire rvision a lieu en 1970, abaissant les teneurs maximales en soufre etphosphore et subdivisant la nuance E 36 en deux : E 36 A, sans changement par rapport la dfinition prcdente et E 36 B, comportant des additions de dispersodes (niobium etvanadium) qui favorisent la soudabilit par abaissement de la teneur en carbone.Simultanment, les paisseurs maximales sont portes 150 millimtres.

La rvision du fascicule 4 titre III est l'occasion de remettre le mtier sur l'ouvrage, d'autantqu'une norme exprimentale A 36-201 Tles en aciers soudables haute limite d'lasticit,sur laquelle nous reviendrons, a t publie en 1972. La version de juillet 1973 ne comprenddonc plus qu'une seule nuance E 36, au carbone et manganse, la nuance dispersodestant incorpore dans la norme ci-dessus. Elle dfinit, en outre des caractristiquesmcaniques pour tles minces.

Cette norme NF A 35-501 subit plusieurs amnagements tels que l'introduction de la notionde contrle spcifique ou non spcifique, de l'aptitude au profilage froid ou la dfinition desdomaines de soudage l'aide d'abaques, mais la transformation la plus importante se situeen 1981.

cette poque, les procds Thomas et Martin ont disparu au profit de l'acirie l'oxygneet de la filire l'arc lectrique ; la coule continue a t introduite et reprsente 50% de laproduction ; l'acier effervescent disparat. L'volution technique entrane l'volution normative,dans le sens d'une amlioration des produits. Ainsi, les qualits 1 disparaissent, les teneursen carbone sont amliores et les teneurs en soufre et phosphore de nouveau abaisses. Parailleurs, la gamme des nuances est simplifie avec la suppression des nuances E 26 et E 30au profit d'une nuance intermdiaire E 28.

1.2.1.2.2 Les aciers haute limite d'lasticit pour constructions soudes

(extrait de bibliographie [3])

Bien que prsentant une moins longue histoire que la prcdente, la norme NF A 36-201 estplus complexe. Les aciers qui la constituent doivent pouvoir tre souds dans de bonnesconditions conomiques et de scurit, tout en prsentant des caractristiques mcaniquesleves. Ils ont, l'origine, vocation tre utiliss aussi bien dans le domaine des construc-tions mtalliques que dans celui des appareils pression, ce qui implique des conditions deservice notablement diffrentes. Il s'ensuit un ventail assez large de compositions chimiques,de nuances et de qualits.

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Telle qu'elle est publie en annexe au fascicule 4 titre III, la NF A 36-201 Tles en acierssoudables haute limite d'lasticit comporte trois types de composition chimique, quatrenuances, E 355, E 375, E 420 et E 460, et trois qualits, R, C et FP, les deux premiresayant une garantie de rsilience -20C, la troisime -50C. Seules les qualits R et FP sontsusceptibles d'utilisation en construction mtallique, la qualit C prsentant la particularit degaranties de limite d'lasticit temprature leve.

> Sur le plan de la composition chimique, ces aciers sont caractriss par une teneur encarbone modre compte tenu de leurs caractristiques mcaniques ; ils sont touscalms au silicium. Les trois types rpertoris sont :

les aciers au niobium (E 355, E 375) ;

les aciers au niobium et vanadium (E 355, E 375, E 420, E 460) ;

les aciers au chrome, nickel, molybdne et cuivre (E 355, E 375, E 420, E 460).

L'tat de livraison tant l'tat normalis ou normalis et revenu, ces lments d'addition ontpour objectif d'affiner le grain et de produire un durcissement structural.

On peut noter que cette norme n'envisage pas, sauf accord particulier, de nuances d'aciersobtenus par laminage thermomcanique. C'est sans doute ce qui explique pourquoi l'utilisationdes aciers de cette norme se limitera essentiellement la nuance E 355.

Les paisseurs couvertes vont jusqu' 100 mm pour la nuance E 355, 50 mm pour lesautres. Cette dernire limite est porte 80 mm lors de la rvision de 1979 qui simplifie lanorme en supprimant la qualit C et en ne conservant que deux types de compositionchimique.

Enfin, dernire tape avant l'Europe, la rvision de 1984 rduit encore le nombre de types decomposition chimique, diminue les teneurs maximales en lments rsiduels (Cr, Mo, Ni, Cu)et augmente la gamme d'paisseurs 150 mm pour la nuance E 355 et 100 mm pour lesautres nuances. Par ailleurs, des garanties de rsilience au tiers ou au quart de l'paisseursont obtenues pour tre compatibles avec les conditions prvues dans les normes de qualifi-cation des modes opratoires de soudage.

1.2.1.2.3 Les autres aciers (extrait de bibliographie [3])

Les aciers dits autopatinables sont normaliss en 1979 - NF A 35-552 Aciers deconstruction rsistance amliore la corrosion atmosphrique, prsentant deuxnuances, E 24 W et E 36 W, trois qualits, 2, 3, et 4, et deux types de composition chimique,selon la plus ou moins forte teneur en phosphore. Les paisseurs couvertes vont jusqu' 80mm et la norme inclut quelques recommandations de mise en uvre. La norme ne subitd'autre transformation qu'un changement de statut en 1984 pour passer de celui de normeenregistre celui de norme homologue.

Les aciers thermomcaniques, dlaboration rcente, napparaissent que dans la normeeuropenne NF EN 10113-3 de 1993, maintenant regroup dans la norme NF EN 10025.Ils font lobjet dun document spcifique de lOTUA (bibliographie [8]).

Les aciers tremps et revenus, peu ou pas utiliss en construction d'ouvrages d'art, maisdavantage pour des structures telles que les plate-formes offshore, font l'objet en 1976 de lanorme NF A 36-204 prvoyant quatre nuances, E 500, E 550, E 620 et E 690. Le manqued'intrt pour les aciers les plus rsistants de la NF A 36-201 conduit, en 1983, introduiredans cette norme les deux nuances E 420 et E 460. Les teneurs en carbone sont plus faibles,

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favorisant la soudabilit, et les garanties de rsilience un peu meilleures. Maintenant dcritsdans la partie 6 de NF EN 10025 (ex NF EN 10137), ces aciers sont de plus en plus utilissen complment des S460 M et ML pour la gamme des paisseurs suprieures 80 mm,voire mme pour des paisseurs beaucoup plus faibles lorsque le fournisseur a une faisabiliten paisseur plus faible en S460M ou ML. Des nuances S690 Q, QL, QL1 pourraient mmetre utilises dans un futur proche car dsormais autorises par les Eurocodes.

1.2.1.3 Les normes europennesLes produits lamins chaud en acier de construction ont t regroups en une seule normeNF EN 10025 de mars 2005 qui constitue une rvision des normes europennes de NF EN10025 de 1990, NF EN 10113 de 1993 et NF EN 10155 de 1993. Elle comporte :

NF EN 10025-1 : conditions gnrales de livraison ;

NF EN 10025-2 : conditions techniques de livraison pour les aciers de constructionnon allis. Cette partie de la norme reprend, avec la partie 1, la NF EN 10025 dedcembre 1993 qui, elle-mme, constitue une rdition de la NF EN 10025 doctobre1990. Cette dernire version comporte trois nuances dacier : S235, S275, et S355dclines en trois qualits : JR, J0 et J2 (soit une nergie de rupture en flexion par chocKV de 27 joules, respectivement 20, 0, et 20C). Les paisseurs couvertes atteignent250 mm pour les produits long et 400 mm pour les produits plats ;

NF EN 10025-3 : conditions techniques de livraison pour les aciers de constructionsoudables grains fins ltat normalis / laminage normalis. Avec les parties 1 et4, elle remplace la norme homologue NF EN 10113-1 de juin 1993 et, avec la partie1, la norme homologue NF EN 10113-2 de juin 1993, laquelle a remplac la norme NF36-201. L'EN 10025-3 comporte quatre nuances S275, S355, S420 et S460 dclinesen deux qualits N et NL selon que les valeurs d'nergie de rupture en flexion par chocsont garanties jusqu' - 20 ou - 50C ;

NF EN 10025-4 : conditions techniques de livraison pour les aciers de constructionsoudables grains fins obtenus par laminage thermomcanique. Avec les parties 1 et3, elle remplace la norme homologue NF EN 10113-1 de juin 1993 et avec la partie 1,la norme NF EN 10113-3 de juin 1993. L'EN 10025-4 comporte quatre nuances S275,S355, S420 et S460 dclines en deux qualits M et ML selon que les valeurs d'nergiede rupture en flexion par choc sont garanties jusqu' - 20 ou - 50C ;

NF EN 10025-5 : conditions techniques de livraison pour les aciers de construction rsistance amliore la corrosion atmosphrique. Avec la partie 1, elle remplace lanorme homologue NF EN 10155, daot 1993 ;

NF EN 10025-6 : conditions techniques de livraison des produits plats de construction haute limite dlasticit ltat tremp et revenu.

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Rappelons pour les fontes les faibles caractristiques en traction et pour le fer puddl, laniso-tropie des caractristiques de ductilit et ltat inclusionnaire nocif vis--vis de procdsdassemblage par soudage. Pour les aciers, dune faon gnrale, les dfauts cits ci-aprspeuvent se rencontrer sur des matriaux antrieurs aux annes 1975 1980 et sont lis auxmodes dlaboration de lpoque.

La soudabilit : la soudabilit desmatriaux mtalliques employs dans laconstruction des ouvrages dart na faitlobjet de prescriptions quavec lemploide la soudure comme mode deralisation des assemblages. Enconsquence, tout ouvrage rivet, maisaussi soud (antrieur 1970 env.) doitfaire lobjet dune tude mtallurgique decaractrisation de ce critre. La figure21 prsente la rupture dune diagonaletendue de poutre triangule sous leffetdune soudure de faible dimensiondestine solidariser un garde corps la diagonale. Cette disposition a entranla rupture de la pice par effet detrempe locale avec formation destructures mtallographiques fragiles, laformation dune fissure puis la rupturede la pice.

La fragilit aux chocs : les aciersanciens gnralement non soudablesont sensibles aux chocs et prsententdes ruptures en pleine tle par manquede dformation plastique.

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1.3 Dfauts et caractrisation des matriaux


DFAUTS RENCONTRS SUR MATRIAUXMTALLIQUES ANCIENS

1.3.1

Fig. 21 : Rupture dune diagonale tendue sur un point de soudure

Fig. 22 : Fragilit au choc sur acier des annes 1920 env.

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Ltat inclusionnaire :

Les inclusions dans lacier sont : - les oxydes- les aluminates- les silicates- les sulfures

Les deux premires de type globulaire sont peu nocifs au soudage, les deux autres de typeallong gnrent de concentrations de contraintes en extrmit dinclusions et peuvent initierdes fissures froid qui, par la suite, peuvent se dvelopper sous effet de fatigue.

Les soufflures profondes : leffervescence des aciers ou un calmage insuffisant entranela formation de porosits dont les surfaces oxydes ne sont pas refermes lors dulaminage. Ce dfaut affaiblit le matriau principalement dans le sens de lpaisseur(travers court)

35

1.3Dfauts et caractrisation des matriaux


Fig. 23 : Inclusions sur zone de rupture dune prouvette de traction : Acier A 52 S - ~ 1970

Fig. 24 : Porosit dans la masse dun acier des annes 1970 env.

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Ddoublures : les ddoublures correspondent la prsence dune retassure secondairelors de la solidification du mtal dans le lingot ou dun chutage insuffisant en tte de lingot.Ce dfaut a disparu avec le dveloppement de la coule continue (1975 - 80). Larsistance au travers court est sensiblement nulle.

Les faces des ddoublures sont gnralement oxydes et peuvent prsenter des rsidus descories nocives vis--vis des oprations de soudage.

Les pailles : ces dfauts de surface correspondent des repliures lors du laminage dontles faces oxydes forment une discontinuit du mtal dans le sens de lpaisseur.

36



Fig. 26 : Pailles sur prouvette dessai et sur ouvrage

Eprouvette de traction ddouble Ddoublure multiple sur un large plat

Fig. 25 : Ddoublures sur essais de laboratoire et sur ouvrage.

Corrosion foisonnante au niveau dune ddoublure

de la tle sur ouvrage en service.

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Pour assurer la surveillance, la maintenance et la rparation des ouvrages, le premier point examiner est la date de construction et des ventuelles rparations ralises. Dune faongnrale ces lments sont contenus dans le dossier douvrage, mais souvent une reconnais-sance et une vrification des caractristiques mcaniques des matriaux employs savrentncessaire.

La caractrisation des aciers peut tre ralise par analyse chimique (teneur en carbone,manganse, silicium, teneur en lments fragilisants), mtallographie (structure,grosseur de grains, tat inclusionnaire), accompagnes, si la dimension des prlvementsle permet, dessais mcaniques, essais de traction et de rsilience.

Lanalyse chimique est gnralement ralise au spectromtre tincelles, ce qui permet unecaractrisation rapide des principaux lments lexclusion de lazote. Ce procd nest pasadapt lanalyse du fer puddl, car la prsence des inclusions peut fausser les rsultats.Dans ce cas, une analyse chimique par dissolution sera prfrable. Linterprtation desrsultats permet de caractriser le matriau (fonte, fer, acier), le mode dlaboration, laprsence dlments fragilisants et, pour partie, dapprcier la soudabilit.

Lexamen mtallographique complte lanalyse prcdente en apportant des lments sur lagrosseur de grains et, par suite, la fragilit, ainsi que sur ltat inclusionnaire des fers puddlset des aciers anciens. Accompagn dune mesure de duret, il permet dapprcier les carac-tristiques et le comportement vis--vis de lassemblage par soudage.

Des prlvements plus importants permettent de raliser des essais de traction et/ou dersilience pour une approche prcise de ces caractristiques et lattribution une nuance etqualit. Dans le cas de ltude dun phnomne particulier, ces prlvements permettent laralisation des investigations adaptes.

Les prlvements sur ouvrage doivent tre reprsentatifs des diffrentes pices etla ralisation des prlvements est une opration dlicate qui doit tre effectue en connaissance des efforts auxquels sont soumis les pices sans prendre le risquedaffaiblissement de la structure. Le prlvement de certaines pices constitue unevritable opration de travaux avec un projet de bureau dtude. Le nombre de picesprlev est toujours limit. Ainsi, ilest judicieux de multiplier les petitsprlvements en extrmit de picepour analyse chimique et examenmtallographique. Les structuresrives se prtent bien ce typedanalyse. Le prlvement sur unestructure soud fera toujours lobjetdune rflexion afin de ne pas gnrerdeffet dentaille sur les pices quipourrait se dvelopper en fissurationsous effet de fatigue de la structure.

37

1.3Dfauts et caractrisation des matriaux


Fig. 27 : Prlvement en extrmit de pice pour analyse chimique et examen mtallographique.

DATATION ET CARACTRISATION DES MATRIAUX1.3.2

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Ces prlvements en extrmit de pice par coupe sans chauffement, ou par ralisation decopeaux par perage permettent les analyses suivantes :

Analyse chimique des lments principaux C, Mn, Si, et des impurets S, P, N. Pour lesaciers plus rcents, lanalyse des lments dispersodes Nb, V peuvent prsenter descomplments dinformation. Cette analyse doit permettre dapprcier le mode dlabora-tion et les risques lis la prsence dimpurets. Pour les fers puddls, lanalyse parspectromtre tincelles est dconseille car la matrice est trop htrogne, lanalysepar dissolution sera prfre.

Lexamen mtallographique permet dapprcier ltat inclusionnaire du matriau etlincidence sur la soudabilit.

La mesure de duret permet dapprcier les caractristiques de rsistance du matriauen rfrence la norme NF EN ISO 14577 indice de classement A 03155.

Dans le cas de la possibilit de prlvements plus importants, il est possible de raliser desessais mcaniques, essais de traction, de rsilience par exemple. Il est souvent difficile derespecter les emplacements de prlvement dprouvettes dfinis par les normes produits. Laprsence de sgrgation, deffet de bord doivent tre pris en compte dans linterprtationdes rsultats par rapport aux normes. Pour un essai de traction, un prlvement de 150 mmsemble un minimum en respectant le sens de prlvement : sens travers pour les tles etsens long pour les profils. Pour les essais de rsilience, le prlvement en sens long estsystmatique ; les dimensions des prouvettes normalises sont la rgle.

38



Rparation et rnovation des structures mtalliques

La rparation des ouvrages mtalliques

2

Rparation par soudage2.2

Mthodes et techniques de rparation2.1

Rparation par boulonnage2.3

Rparation par rivetage2.4


I Guide n1 [FAME] I I Retour au sommaire I

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> Toute rparation dun ouvrage doit tre prcde par un diagnostic de la structure etdes dsordres rencontrs. Dans ce cadre, un certain nombre de donnes doivent treregroupes :

le type douvrage et son fonctionnement ;

la date de construction et de rparations ou renforcements raliss sil y a lieu ;

la gomtrie de louvrage ;

les caractristiques des matriaux employs :- limite lastique,- charge de rupture,- allongement caractristique de la ductilit,- soudabilit (Ceq, tat inclusionnaire) ;

les dfauts existants observs lors de linspection dtaille :- fissurations (localisation, dimensions),- corrosion : type de corrosion, apprciation des sections rsiduelle,- dformations,- dfauts dassemblage : fissuration de soudure, dconsolidation dassemblage riv ouboulonn,

- .

les auscultations ralises, sil y a lieu, destines la comprhension des dsordres et/oudu fonctionnement de la structure ;

le recalcul de la structure sil est ralis.

> Ces lments doivent permettre la comprhension des dsordres, de leur apparition etle fonctionnement de la structure en ltat. Lanalyse de ces lments permet deconclure sur la ou les pathologies qui affectent louvrage. Par exemple :

enrouillement : dfaut dentretien de la protection anticorrosion ;

corrosion avec rduction de section rsistante : matriau sensible, exposition, mauvaisedisposition constructive

fissuration : fragilit, chocs, sollicitations, fatigue matriau, fatigue des assemblagessouds

assemblages rivs et/ou boulonns : dconsolidation, rupture dlments, dfauts deconception, dfauts dexcution, modifications, excs de sollicitation

.

Le recalcul de louvrage sera gnralement ralis avec les moyens actuels, mais il serancessaire de remettre en cause les hypothses simplificatrices de lpoque de constructionet intgrer les constats faits lors de linspection dtaille (ex : rduction de section suite lacorrosion). Selon les cas, il sera ncessaire dajuster les charges et surcharges prises encompte et dutiliser des modles labors tels que calcul aux lments finis pour apprcier lesconcentrations de contraintes qui peuvent tre lorigine de la formation de fissures.

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2.1 Mthodes et techniques de rparation


GNRALITS SUR LA DMARCHE DE DIAGNOSTICET LE PROJET DE RPARATION

2.1.1

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Dans de nombreux cas, la rsistance d'une barre (diagonale ou membrure) est limite non parsa limite lastique mais par sa contrainte critique de flambement. Dans un tel cas, le problmeest trs simplifi puisqu'il n'est ncessaire ni d'annuler (ou de rduire) les contraintes vide,ni d'assurer l'attache du renfort aux extrmits de la barre. Il convient toutefois de prendre lesprcautions lmentaires suivantes :

- viter que le renfort constitue un pige eau ;

- maintenir la position des centres de gravit ;

- empcher les concentrations de contraintes en vitant les changements de section tropbrutaux ;

- tenir compte de la nouvelle loi d'inertie dans le cas du renforcement d'une membrure.

Lajout de matire peut aussi tre ralis par des lments plats au niveau des mes et desmembrures. Lassemblage pourra tre effectu par soudage, par rivetage ou boulonnage. Lafigure 33 prsente diffrentes dispositions de renforcement par placage.

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2.1Mthodes et techniques de rparation


Fig. 33 : Renforcement par placage dune poutre en I.

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2.1.2.3 Dconsolidation dassemblages rivs (extrait de bibliographie [27])

> Dans les assemblages les plus sollicits, le desserrage d'un ou plusieurs rivetssurcharge les rivets encadrants et le dfaut peut s'aggraver rapidement. Il importedonc de remplacer au plus vite les rivets dfectueux :

soit par de nouveaux rivets au moins du diamtre immdiatement suprieur ceuxremplacs, poss avec soin,

soit, si l'on est dans l'impossibilit de poser de nouveaux rivets, par des boulons HR, condition de remplacer tous les rivets constituant l'assemblage,

soit, dans le cas o le nombre de rivets remplacer est faible, par boulons calibrs,

soit, par des boulons injects.

L'alsage dfinitif avant la pose du rivet ou du boulon de substitution doit avoir fait complte-ment disparatre l'ovalisation ventuelle du trou engendre par l'branlement.

Il arrive frquemment que l'tat des pices se soit dgrad dans le temps en raison de l'bran-lement ou que les rivets soit mal poss. D'autre part, l'enlvement des anciens rivets et lapose de nouveaux, si ces oprations ne sont pas ralises dans les rgles de l'art, fatiguenttoujours quelque peu le mtal des pices assembler (chocs, dformations). Si bien qu'untablier mtallique peut se trouver en plus mauvais tat aprs rparation qu'avant. Ces travauxdoivent donc tre raliss par des entreprises qualifies et ncessite une surveillancecontinue.

> Les rparations des branlements ncessitent toujours une tude pralable en vue dedterminer :

s'il est ncessaire, pour viter le retour de lavarie, de raliser un renforcement de l'as-semblage (par exemple : tablissement d'une continuit entre longerons, pose d'unraidisseur sous dispositif d'attache de voie),

si le diamtre du rivet ou boulon dfinitif est compatible avec les rgles de trusquinage(pas, pince). Dans le cas contraire, il y aurait lieu de remplacer les pices concernes.

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Fig. 34 : Dconsolidation dassemblage riv avec rupture de rivet (photo SNCF)

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Dans le cas de tabliers en acier doux ou en fer puddl, des contrles non destructifs peuventtre ncessaires pour s'assurer qu'il n'y a pas de fissures inities autour des trous de rivetsdans les parties non visibles (sur les mes des longerons, sous les cornires membrures oumontantes par exemple).

La rparation des dconsolidations dassemblages boulonns HR ncessite une tudespcifique.

2.1.2.4 Eviter les zones de concentration de contraintes, amliorerle comportement la fatigue Le bridage des soudures, les variations brutales de gomtrie, constituent des zones deconcentration de contraintes et peuvent gnrer des initiations de fissure sous effets de solli-citations rptes (fatigue). Il convient dadopter des dispositions constructives adaptes pourpanouir les concentrations de contraintes, tout particulirement sur les matriauxmtalliques anciens de soudabilit mdiocre.

La figure 35 prsente la fissuration dune poutre douvrage ancien sous leffet de bridage desoudage au niveau des angles dun mouchoir positionn en rparation dun impact. Laralisation darrondi (rayon de 5 cm par exemple) aurait t de nature amliorer cetterparation.

La figure 36 prsente une rparation par ajout dun gousset dpanouissement au niveau dunevariation gomtrique de la membrure infrieure. Les effets de concentrations de contraintes,amplifi par le rail de lancement interrompu dans la mme section, ont entran la fissurationde la membrure infrieure du caisson proximit de lappui.

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Fig. 35 : Fissuration par concentration de contraintes en zone de fort bridage.

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I Guide n1 [FAME] I Rparation et rnovation des structures mtalliques I48



Fig. 36 a et b : Dsordre de fatigue et rparation avec gousset dpanouissement.

Ame du caisson

Fissuration de fatigueMembrureinfrieure,

largissement en zone dappui

Rail de lancement

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> Pour amliorer le comportement dassemblages souds, diverses techniques peuventtre mises en uvre, par exemple :

le meulage du bomb des soudures bout bout,

llimination de caniveaux par rechargement,

la refusion TIG permet un raccordement adouci en pied de cordon dangle ; il peut aussitre employ des lectrodes coulabilit amliore,

le shoot peening ou grenaillage de prcontrainte permet par crouissage froid linversiondes contraintes rsiduelles de traction dues au bridage.

Toutefois, ces techniques sont efficaces uniquement si elles sont appliques au niveau de lazone dinitiation des fissures de fatigue.

La technique darrt de fissure au moyen dun trou peut tre employe en phase provisoire oudfinitive en accompagnement dun renforcement par placage par exemple. Pour tre efficace,le trou (f 20 mm) doit tre ralis en pointe de fissure, ce qui ncessite gnralement unelocalisation par ressuage. Le trou ne doit pas tre rebouch, mme si les lvres de la fissuresont ressoudes. La figure 37 prsente une rparation par placage dune me de longeron.Cette opration ncessite la pose dune fourrure pour compenser lpaisseur des cornires.Lassemblage sera ralis par rivetage aprs ralsage des trous et utilisation de rivets dediamtre suprieur.

2.1.2.5 Eviter ou limiter la corrosionCertaines dispositions constructives anciennes gnrent des espaces entre pices qui rendentimpossible lapplication dune protection anticorrosion. Ltanchit pourra tre obtenue parrechargement et/ou par la pose dune fourrure soude sur les tles ou les profils en place(figures 38 et 39). Cette technique prsente des difficults dexcution et peut prsentercertains risques de fissuration sur des aciers anciens non soudables. Ltanchit peut aussitre obtenue par masticage mais ncessite une maintenance rigoureuse.

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Fig. 37 : Rparation par placage dune me de longeron fissur par fatigue (schma SNCF)

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Sur les poutres jumelles lutilisation de matriaux de remplissage tel que du bton se rvleinadapte du fait du retrait et de la formation de zone de corrosion linterface acier bton.

2.1.2.6 Utilisation des chaudes de retrait.La pratique des chaudes de retrait, essentiellement utilise par les constructeurs mtalliquesen atelier, consiste chauffer localement le mtal en vue de rduire les dformations acciden-telles ou non, rsultant d'oprations antrieures, telles que le soudage, ou de produirevolontairement des dformations impossibles obtenir par un moyen mcanique.

Les chaudes de retrait gnrent des cycles thermiques et imposent des gradients detemprature susceptibles de modifier la structure mtallographique du mtal et de dgraderses caractristiques initiales. Le phnomne utilise les contraintes gnres par lesdilatations, les plastifications et les contractions produites par un cycle thermique localis dechauffage et de refroidissement. La source de chaleur est gnralement un chalumeau ou,pour les tles minces, un inducteur.

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Fig. 38 : Schma de rechargement par soudure.

Fig. 39 : Schma dune fourrure soude (bibliographie [15])

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Toute opration de chaude de retrait est potentiellement une source de risques pour la cons-truction mtallique dans la mesure o, si le cycle thermique est mal matris, lescaractristiques des matriaux peuvent tre affectes.

L'objectif essentiel de l'oprateur est d'obtenir une dformation satisfaisante sans pour autantdpasser une temprature maximale, variable selon la nuance de l'acier : les tempraturesmaximales de peau n'entranant ni dgradation de la rsistance mcanique ou de la tenue lacorrosion, ni augmentation de la fragilit, sont comprises entre 800 et 1 200C, selon lanuance et l'paisseur.

La norme NF EN 10025

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