1.INTRODUCTION.

2. CARACTERISTIQUE DU PRODUIT
2.1. Généralités
2 .2. Tolérances dimensionnelles
2.3. Matériau

3. COMPORTEMENT SOUS CHARGES

4.NORMES ET REGLEMENTS

REFERENCES



1.INTRODUCTION.

Les profils creux soudés tels qu'ils sont fabriqués aux Laminoirs de Longtain présentent un excellent comportement en flambement , déversement et torsion tout en faisant preuve d'un aérodynamisme incontesté et d'une possibilité d'utilisation du volume intérieur. A cela, nous ajouterons, entre autres, la grande facilité d'assemblage qu'ils permettent.

Comme nous le constatons, les avantages retirés de l'emploi des profils creux soudés produits aux Laminoirs de Longtain ne sont pas à négliger.

L'utilisation en construction métallique, de profils creux présente de nombreux avantages, tant au point de vue de la résistance qu'au point de vue de l'utilisation. On peut, notamment, citer :

- l'excellent comportement en flambement , en déversement et en torsion qui est dû à la répartition trés favorable et à la matiére autour de l'axe longitudinal et au caractére "fermé" de la section ;
- l'aérodynamique entraînant un coefficient de force nettement moindre que pour les arêtes vives ;
- l'utilisation du volume intérieur, soit pour augmenter la force portante de la colonne en la remplissant de béton, soit comme protection incendie en réalisant un systéme d'irrigation, soit encore en jouant sur les diverses épaisseurs disponibles dans chaque calibre pour garder aux colonnes le même encombrement tout en ajustant la force portante d'étage en étage ;
- l'absence d'angles vifs, ce qui favorise l'utilisation des profils creux comme colonnes dans les lieux publics, les écoles, · ;
- l'esthétique et la facilité d'entretien.
Pour ces diverses raisons, le tube occupe aujourd'hui une place importante dans les constructions métalliques tels que bâtiments et ouvrages d'art, pylônes, ·

Si l'on se limite aux tubes de formes carrées et rectangulaires - plus faciles à assembler que les tubes de forme circulaire - trois principales techniques de fabrication se rencontrent sur le marché :
- tubes sans soudure fabriqués à chaud ;
- tubes soudés passant par une ébauche ronde ;
- tubes profilés soudés (profilage direct).
Les profils creux de la premiére catégorie - sans soudure - sont réalisés à chaud et sont, à la construction tubulaire, l'équivalent des profilés II ou I à la construction métallique traditionnelle. Toutefois, étant fabriqués par perçage à chaud, ils possédent des épaisseurs de parois relativement fortes qui, dans de nombreuses applications, ne permettent pas d'atteindre un optimum économique.

Les tubes de la troisiéme catégorie, réalisés par profilage direct en forme carrée ou rectangulaire, puis soudage des lévres, constituent en fait le prolongement , à la construction tubulaire, des profils à froid à section ouverte dont la popularité en construction métallique est aujourd'hui très grande. De ce fait, ils bénéficient de la connaissance acquise, dans ce domaine, tant par plus de cinquante années de recherches sur les profils à froid que par plus de vingt-cinq années de recherches en construction tubulaire (1). Jointe à une soudure de qualité par haute fréquence, cette technique de fabrication - choisie par les Laminoirs de Longtain - conduit à un produit de construction métallique de haute qualité.

Les tubes de la deuxiéme catégorie sont également réalisés par profilage. Toutefois, étant déformés en carré ou rectangle aprés soudage de l'ébauche ronde, cette technique de fabrication conduit à "bloquer"dans le profil des contraintes résiduelles élastiques, en plus de celles dues à la plastification pour former les coins.

Le but de cette note est de montrer, sur base de résultats expérimentaux obtenus dans plusieurs laboratoires universitaires et en conformité avec les réglements qui font autorité dans le domaine, que les tubes fabriqués par profilage aux Laminoirs de Longtain constituent un produit de construction de haute qualité dont les caractéristiques spécifiques sont parfaitement maitrisées.

2. CARACTERISTIQUE DU PRODUIT
2.1. Généralités

Au lieu de former un rond, de le souder et de le déformer en carré ou rectangle, la section carrée ou rectangulaire est obtenue, aux Laminoirs de longtain, par pliages successifs de la tôle, puis soudure haute fréquence suivie d'un léger calibrage qui parfait les dimensions et tolérances de planéité et d'équerrage. La conséquence directe de ce procédé est de créer un écrouissage principalement dans les plis et un changement métallographique dans la zone de soudure. De part un choix judicieux des rayons de formage, cet écrouissage reste modéré, les parties planes gardant pratiquement les caractéristiques mécaniques de l'acier d'origine.

Le choix de l'acier permet d'atténuer fortement les modifications des caractéristiques mécaniques dans la zone de soudure.

2 .2. Tolérances dimensionnelles

Les tubes de la gamme Longtain répondent, quant aux dimensions et tolérances, à la norme européenne EN 10219/97. Toutefois, le procédé de fabrication utilisé conduit à des produits dont les tolérances réelles sont nettement moindres que les limites normatives .

De part leur mode d'élaboration, les tubes fabriqués par Longtain possédent des tolérances dimensionnelles remarquablement petites. En effet, d'une part, l'épaisseur est donnée par celle du feuillard et, en conséquence sa variation sur la section du profil est donc extrêmement faible. D'autre part, le profilage direct - sans passer par une ébauche ronde - permet un contrôle très strict des dimensions de la section droite ainsi que de la rectitude des profils.

Ces tolérances très faibles, en comparaison des tolérances obtenues sur les produits fabriqués à chaud, montrent la grande maîtrise dimensionnelle obtenue à l'aide du procédé de fabrication par profilage.

2.3. Matériau
Les aciers utilisés par les Laminoirs de Longtain répondent à la norme européenne EN 10025/93.

L'introduction de la coulée continue a été pour le tube "Longtain"un élément déterminant . Le laminage des coils à température contrôlée nous donne l'assurance du respect des caractéristiques mécaniques de l'acier à obtenir. Le calmage aluminium, bas silicium et bas carbone, procédé généralement utilisé, diminue la sensibilité de l'acier au vieillissement. Toutefois, sur demande et suivant l'usage souhaité, d'autres bases de calmage peuvent être envisagées. En alternative avec la nuance S355J2H , on peut utiliser (sur demande) un acier de qualité supérieure, soit un acier de type dispersode (addition de Niobium ou de Vanadium), le QST E 380 TM. Cet acier à grain fin garantit, même après pliage, une excellente ductilité et une trés bonne soudabilité. On entre, avec ce type d'acier, dans la famille des "hautes limites élastiques".

Concernant l'aptitude à la galvanisation, tous les tubes peuvent accepter une galvanisation normale. En effet, si la teneur en Si <=0,035%, plus la règle Si + 2,5 Ph<= 0,080 % permet de garantir l'aptitude à la galvanisation.

Les figures 1 et 2, ci -dessous, illustrent , pour un tube rectangulaire de 200x150x5,8mm réalisé en acier S275JOH , les caractéristiques mécaniques des tubes de Longtain. La figure 1 reprend , sur base d'essais de traction, la limite de traction fy tandis que la figure 2 donne la limite de rupture.

On peut y constater l"effet bénéfique de l'écrouissage, par rapport au produit de base. On constate également que la soudure ne constitue nullement un point faible du produit.




Enfin, les essais de traction ont montré que le processus de profilage maintenait une excellente ductilité de l'acier, avec des allongements à la rupture mesurés de :
- 40 à 50% dans les faces ;
- 24 à 35% dans les arrondis.
Ces mesures confirment celles obtenues sur des tubes fabriqués par Longtain, dans la référence (2).

Des essais de résilience ont également été effectués en usine afin de vérifier la résistance à la rupture fragile des tubes "Longtain". Les résultats obtenus, sur base d'un acier S235J2G3 selon EN10025/93 sont consignés au
tableau 1. Les résultats donnés au tableau 1 constitue la moyenne des valeurs mesurées.

 

Situation	Nombre d'éprouvettes	Résilience à - 20°C joules/cm2
Métal de base Faces planes Coins Transversales	- 11 12 6	290.9 259.7 261.1 184.5

Une étude récente effectuée en Allemagne Fédérale (3) confirme que le type d'acier choisi par Longtain et le choix judicieux des rayons de pliage permettent un soudage dans les zones écrouies (coins).

Enfin, un problème souvent évoqué pour les profils à froid est celui du niveau élevé des contraintes résiduelles liées au processus de fabrication. La figure 3 montre les niveaux de contraintes résiduelles pris en compte dans les profils fabriqués à chaud. Des mesures effectuées sur les produits de Longtain (2) ont conduit à des valeurs de contraintes résiduelles, dues au profilage, de 0.22 à 0.56 fois la valeur de la limite élastique. Sur base de la figure 3, il est aisé de constater que ces contraintes résiduelles ne sont guère plus élevées que celles considérées dans les profils fabriqués à chaud. Il faut également mentionner que, pour les profils à froid, les contraintes résiduelles les plus élevées sont situées dans les coins où on relève également les plus fortes augmentations , par écrouissage, de la limite élastique. Il en résulte une compensation, au moins partielle, d'un effet négatif par l'autre qui agit positivement sur le comportement du profil.

Figure 3 : Contraintes résiduelles dans les profils laminés à chaud, données en proportion de la limite élastique.

3. COMPORTEMENT SOUS CHARGES

Il est souvent considéré que les profils à froid ont, du fait de leurs contraintes résiduelles, un comportement en flambement nettement moins favorable que celui des profils fabriqués à chaud. Une analyse correcte du problème montre qu'il n'en est rien. La figure 4 illustre ce propos sur base d'une colonne constituée d'un tube à chaud et d'un tube profilé à froid ; la charge de ruine étant calculée à l'aide des équations établies par RONDAL et MAQUOI (6), qui sont utilisées dans la NBN B51002 (7) et dans l'Eurocode n°3 (4).
La figure 3 montre que, pour des élancements faibles et moyens, les profils à froid présentent une capacité portante supérieure à celle des profils à chaud mais que cette tendance s'inverse pour les colonnes trés élancées. Cette conclusion s'inscrit en faux contre les idées habituelles. Des exemples similaires peuvent être établis pour d'autres types d'instabilité. Il est également habituel de considérer que le comportement en fatigue des tubes profilés à froid est nettement moins bon que celui des tubes fabriqués à chaud. De trés nombreux essais réalisés par le CIDECT (Comité International pour le Développement et l'Etude de la Construction Tubulaire) ont montré qu'il n'en était rien. En effet, le comportement en fatigue d'une construction métallique est fondamentalement conditionné par les concentrations de contraintes créées aux assemblages et n'a aucun rapport avec le type de profil utilisé (8). Certains essais ont d'ailleurs montré que l'augmentation de la limite élastique, par écrouissage, dans les profils à froid, pouvait conduire, dans certains cas, à une légére augmentation de la durée de la vie, en fatigue, par rapport à une construction réalisée avec des profils à chaud.

Figure 4 : Charge de ruine en flambement

4.NORMES ET REGLEMENTS
Les profils fabriqués à froid, tels que les tubes " Longtain" , répondent parfaitement aux conditions d'application des réglements les plus évolués, à l'heure actuelle, en matière de construction métallique que sont l'Eurocode n°3 (4) et les spécifications américaines de l'A.I.S.I. (9). Il en résulte, pour les constructions réalisées à l'aide de ces profils, une garantie de sécurité et de durabilité qui se compare favorablement à celle obtenue par l'utilisation des profils à chaud, plus traditionnelle en construction métallique.

5. CONCLUSION
Le but de cette note technique était de montrer, sans entrer dans trop de détails nécessitant de longs exposés théoriques, que les tubes réalisés, aux Laminoirs de Longtain, par profilage à froid constituent un produit de haute qualité se comparant avec avantage aux autres produits utilisés en construction métallique. Les exemples donnés, basés sur des mesures et essais effectués dans des laboratoires renommés, bien que limités vu le caractére concis de cette note technique , montrent clairement que l'utilisation d'aciers "modernes" alliée à la technique de formage par profilage direct à froid, conduit à faire des tubes "Longtain" un produit de haute qualité en construction métallique.

REFERENCES
1. Construire avec des profils creux en acier. Soditube, Paris, 1984.

2. BRAHAM, M., J.P. et RONDAL, J. Flambement des profils creux à parois minces. Cas des profils rectangulaires chargés axialement. Commission des Communautés Européennes, Recherche Technique Acier, Convention n°¡ 6210.SA.301, rapport final, 1979.

3. BATHKE, W. Schweissen in kaltverformten Bereichen im Stahlbau. Der Stahlbau, 59, H9, 1990, pp.283-285.

4. Eurocode N°3. Design of steel Structures. Commission of the European Communities, Industrial Processes, November 1989.

5. Manual on the Stability of Steel Structures. European Convention for Constructional Steelwork, 1976.

6. RONDAL, J. et MAQUOI, R. Formulations d'Ayrton-Perry pour le flambement des barres métalliques. Construction métallique, n°4 , 1979, pp. 41-53.

7. NBN B51-002. Charpentes en acier. Institut Belge de Normalisation, août 1988.

8. Fatigue Behaviour of Welded Hollow Section Joints. CEDECT Monograph n°7, Constrado, April 1982.

9. Specification for the design of Cold-Formed Steel Structural Members. American Iron and Steel Institute, August 1986.