LES ACIERS À HAUTE LIMITE D’ÉLASTICITÉ, DES PERFORMANCES UNIQUES POUR DES ÉDIFICES D’EXCEPTION
L’emploi d’aciers à haute performance ou à haute limite d’élasticité (HLE), hyperdurables, pour édifier des ouvrages d’art et des édifices d’ampleur est en augmentation permanente, en France depuis quelques années. La réduction des épaisseurs de tôles d’acier, mises en œuvre par soudage, permet de faire baisser drastiquement le poids de l’édifice et ses fondations, ainsi que les coûts de fabrication, de transport et de pose, tout en contribuant à diminuer l’impact environnemental de l’acier et les émissions de CO2. Des atouts incomparables pour ce matériau recyclable à l’infini.
Les aciers à haute performance – datant d’un siècle – se définissent comme des « aciers augmentés » et spéciaux, constitués d’un alliage de fer et de carbone, auquel sont ajoutés d’autres composants (nickel, manganèse…) accroissant leur résistance et durabilité. Également nommés aciers à haute limite d’élasticité (HLE), ils sont adaptés à des exigences de comportement, et à l’édification d’ouvrages atypiques et hors norme. Leurs bonnes caractéristiques mécaniques, alliées à des propriétés performantes de mise en œuvre dépendant d’épaisseurs et de nuances particulières, sont de plus en plus prisées dans divers secteurs de la construction. Ces aciers résistants ont d’abord servi à la construction de grues mobiles, d’engins de travaux publics, et de tôles à tubes mis en œuvre dans la construction navale et pour les plateformes offshore (années 1970), puis pour des conduites forcées et de pipelines (années 1980). Ces aciers d’une grande longévité, nécessitant moins de matière grâce au soudage, connaissent un fort développement en France, en Europe, aux États-Unis et au Japon. Zoom sur ces projets XXL réalisés avec des aciers HLE, toujours plus performants…
VOUS AVEZ DIT NUANCES ?
Selon leurs caractéristiques, les différentes nuances d’acier sont utilisées de manière spécifique dans plusieurs champs d’applications. Le S355, muni de carbone-manganèse, détient des propriétés mécaniques minimales garanties avec une résistance à la traction et une ductilité convenable. Il est destiné à la construction générale de façon polyvalente. Mis en place pour les ossatures d’édifices et ouvrages de génie civil, il assure une bonne soudabilité, réalisable avec les procédés de soudage conventionnels. Également doté de carbone-manganèse, le S460 est une nuance d’acier de structure robuste, adapté à des aciers de construction soudables à haute résistance et à grain fin. Utilisé pour la fabrication de pièces soudées résistant à de fortes contraintes, le S460 convient à la construction de structures architecturales d’ampleur et de portée élevée, telles que les ponts et les immeubles de grande hauteur (IGH). Il sert surtout à fabriquer les poteaux des IGH et les poutres des ponts de petite et moyenne portées, ainsi que les diagonales et membrures des poutres treillis. Dans le cas des IGH, le S460 permet de réduire la taille des sections des poteaux, d’améliorer la soudabilité et de baisser le poids des bâtiments de 10 à 30 %. Le S420N, dédié aux aciers de construction soudables à grain fin, offre une bonne soudabilité avec des méthodes classiques. Il sert à fabriquer des pièces soudées, aptes à résister à de hauts niveaux de contrainte, comme les ponts, les ossatures à grande portée et les IGH. Grâce à sa faible teneur en carbone et sa structure à grain fin, le S460+M apporte une limite d’élasticité plus grande et une résistance accrue à la corrosion de l’acier relative aux environnements agressifs, de type milieu marin. À cause de sa composition chimique spéciale, la couche autoprotectrice d’oxyde formée sur la surface de l’acier autopatinable crée une patine brune qui se fond dans le paysage. Adapté à la construction d’ouvrages d’art, il réduit les coûts de maintenance de la structure. D’autres aciers à forte limite d’élasticité, tels que le S690 ou le S1100, peu utilisés, résistent aux séismes ou à la fatigue.
PLUS DE RÉSISTANCE ET D’ÉCONOMIES
Exploités de manière notoire dans la construction d’édifices, les aciers HLE possèdent de réels avantages de natures technique, économique et environnementale. Ils sont plus robustes et durables que les aciers ordinaires, car ils résistent mieux aux températures élevées et basses, et aux intempéries (vents, tempêtes…) liées à des milieux naturels difficiles. Les structures montées avec des aciers HLE sont plus légères et souples, et capables de reprendre des charges plus importantes, entraînant une réduction des coûts de matières premières, de fabrication et de transport, ainsi que des consommations d’énergie et des émissions de CO2. De surcroît, une ossature moins lourde requiert des fondations réduites. Et la mise en œuvre de structures plus légères et élancées permet de booster et sublimer la création architecturale d’ouvrages dotés de formes et de morphologies variées.
LES PONTS, SYMBOLES DE L’INGÉNIOSITÉ HUMAINE
En génie civil, les ponts jouent un rôle central, par leur capacité à faciliter le transport, à relier des communautés et à stimuler l’essor économique. Les aciers à haute performance permettent de bâtir de nombreux ouvrages d’art, comme les ponts, dotés de structures mixtes en béton et acier. L’usage pionnier en France d’aciers S460 date de 1993, avec la reconstruction du pont routier de Remoulins (Gard). L’ossature en béton et acier de son tablier inclut des aciers thermomécaniques (ou acier M), aptes au soudage et au formage à froid. Nombre d’ouvrages de franchissement à amples portées verront ensuite le jour, tel que le pont Raymond-Barre, conçu en 2013 par Spielmann & Chirino Architectures pour relier le quartier de Gerland à celui de Confluence à Lyon (Rhône). Dédié aux modes doux (piétons, tram, cycles), il est long de 260 m et haut de 17,50 m, et franchit le Rhône. Sa structure dissymétrique (de type bow-string) déploie deux grands arcs inclinés de 150 m de portée, fabriqués avec de l’acier HLE S460, d’épaisseurs de 16 à 80 mm. À une échelle moindre, le pont Samuel Beckett, réalisé en 2009 à Dublin (Irlande), par l’architecte Santiago Calatrava, fait figure de défi technique et architectural. Évoquant une harpe celtique, ce pont à haubans (piéton-routier) de 120 m de long et 48 m de haut, porté par 31 câbles en acier, enjambe le fleuve Liffey et peut tourner sur un angle de 90° pour le passage des bateaux. Il a été bâti, à l’aide d’acier de construction DI-MC 355 à grains fins, obtenu par laminage thermomécanique (tôles jusqu’à 120 mm d’épaisseur) pour la partie basse du pylône, et d’acier HLE (tôles de 180 mm d’épaisseur) pour sa pointe. Récemment, le pont Louafi Bouguera du village des athlètes, connectant les villes de Saint-Denis et L’Île-Saint-Denis (Seine-saint-Denis), a été bâti en 2024 par Lavigne & Chéron Architectes pour les Jeux olympiques et paralympiques de Paris 2024. Ce pont (140 x 20 m) – destiné aux piétons, cycles et bus – traverse la Seine et présente un tablier précontraint à structure acier et béton, avec une charpente métallique de 2 000 tonnes pourvue d’aciers HLE (nuance S460).
LES TOURS, COMBINER LA TECHNIQUE AU DESIGN
D’autres édifices sont construits avec des structures composées d’aciers spéciaux, tels les IGH et les tours devant résister à des vents forts et des températures extrêmes. Le centre financier mondial, édifié en 2008 à Shanghai (Chine), par les architectes Kohn Pedersen Fox Associates, s’élève à 492 m de haut, compte 101 étages, et loge des bureaux, un hôtel et des boutiques. Cette tour épurée présente une structure mixte béton-acier comptant de nombreux aciers S460 (10 000 tonnes) qui génèrent une économie de matière, due à la taille restreinte des profilés. Elle est surnommée « l’ouvre-bouteille », à cause de l’ouverture de 50 m de large créée en partie haute qui réduit son poids et sa prise au vent. L’emblématique One World Trade Center fut érigé en 2014 à New York (États-Unis), par les architectes Skidmore, Owings & Merrill, à la place des tours jumelles disparues. Cette tour triangulaire (542 m de haut et 104 étages) reposant sur un socle béton détient une structure résistante en poutrelles et plaques d’acier, en majorité de nuances S460. En France, le premier gratte-ciel à exostructure bâti dans le quartier d’affaires de La Défense (Hauts-de-Seine), est la tour tertiaire D2, conçue en 2015 par les architectes Anthony Béchu et Tom Sheehan. De forme ovale, elle culmine à 170 m et compte 37 étages. Inspirée du « périoste de l’os », son ossature acier, alliée à des planchers mixtes acier-béton, réduit le poids global de 30 % par rapport à une tour classique, par une économie de matière et une pose optimisée. Sa façade contreventée en losanges présente des profilés acier laminés à chaud, avec des nuances S460.
LES STADES, DES PERFORMANCES À FOISON !
Ces aciers à haute performance sont également employés pour d’autres ouvrages à grande portée, comme les stades. Le stade Pierre-Mauroy à Lille (Nord), bâti en 2012 par les architectes Valode & Pistre et Pierre Ferret, fait figure de prouesse technique en raison de sa structure mixte en portiques béton et charpente métallique, et de son toit mobile roulant sur des mégapoutres acier en appui sur quatre méga poteaux béton. Sur les 6 000 tonnes d’acier posées, la moitié se compose d’aciers performants (S460). Un an après, a été réalisé à Nice (Alpes-Maritimes), le stade Allianz Riviera, par l’architecte Jean-Michel Wilmotte. Ce stade de 35 000 places recèle la plus grande charpente tridimensionnelle en bois et métal jamais construite, revêtue d’une membrane transparente (ETFE). Sachant que l’assemblage par boulons spéciaux HR (à haute résistance) fut dictée par les contraintes sismiques du site, et le calcul ardu des barres et nœuds de la résille structurelle. Quant au complexe sportif Léo-Lagrange de Toulon (Var), il a été restructuré en 2013 par Archi5. L’acier s’est imposé pour monter la structure aérienne et légère couverte de toile tendue, qui compte une ossature tubulaire dessinant trois arches principales, reliées par une nappe de câbles et de butons lenticulaires qui, franchissant de 120 à 150 m, se dressent à 15 m de haut. Si ces arches sont articulées à leurs extrémités et butonnées entre elles par des poutres treillis, deux plus petites complètent la structure et la stabilisent.
