Comprendre les poutres composites : résistance et performance expliquées

Une poutre composite est un élément de construction consistant typiquement en une dalle de béton armé fixée à et supportée par des poutres en acier profilé. Les poutres composites sont plus fortes que la somme de leurs parties constitutives et présentent une combinaison favorable des caractéristiques de résistance des deux matériaux. Cela signifie qu'une poutre composite acier-béton possédera à la fois la résistance à la compression du béton et la résistance à la traction de l'acier. Il existe plusieurs autres types de poutres composites dans la construction combinant divers grades de béton avec composites plastiques et bois. La poutre composite acier-béton armé est cependant la plus couramment utilisée.

Synergie des matériaux

Associer deux matériaux dissemblables pour former un composite ne combine pas seulement leurs forces collectives. Former une union entre matériaux pertinents améliore 실제로 leurs caractéristiques physiques et rend le composite plus fort que la somme de leurs forces. En construction à grande échelle, acier et béton sont les combinaisons les plus fréquentes. Le béton apporte masse, rigidité, résistance à la compression et réduit flèche et vibrations dans la dalle. Les éléments en acier donnent la résistance à la traction avec d'excellents rapports résistance/poids et temps de construction rapides.

Connecteurs de cisaillement : point critique

L'une des parties les plus importantes d'une poutre composite sont les points de fixation ou connecteurs de cisaillement (shear connectors) entre les deux matériaux. La connexion correcte permet aux matériaux d'agir comme une unité et donne à la poutre sa résistance inhérente. Ces connecteurs sont typiquement des goujons soudés aux poutres en acier et scellés dans la dalle de béton. Leur nombre et taille sont soigneusement calculés car ils représentent une partie critique de la performance mécanique du composite.

Dalles précoulées vs coulées sur place

Une poutre composite béton-acier peut utiliser des dalles précoulées ou coulées sur site. Les dalles précoulées sont construites avec des rainures ou poches acceptant les goujons de fixation. Ces poches sont remplies de béton quand la dalle est correctement positionnée. La fabrication sur site est plus complexe et requiert une tôle de profil (profiled deck sheet) posée avant le coulage. Ce profil est généralement de la tôle d'acier légère avec différents profils selon l'application.

La tôle est posée sur les poutres, puis les connecteurs de cisaillement sont fixés aux poutres par « soudage à travers le profil » (through-deck welding) ou par clouage. Une fois le profil en place, le béton est coulé dessus et les barres d'armature ajoutées. Le profil sert à coffrer ou contenir le béton frais et apporte aussi de la résistance au composite une fois la dalle durcie.

Autres types de poutres composites

Plusieurs autres types sont utilisés en construction à plus petite échelle. Cela inclut les poutres en bois supportant des bandes de béton léger comme dalles de plancher dans maisons en bois. Des caissons composites en résine remplis de béton sont souvent utilisés dans la construction de ponts. Ils sont solides, rapides à fabriquer, et relativement légers, nécessitant un minimum de gros engins pour la mise en place. Bien que très différents dans les matériaux, tous ces éléments structurels utilisent le même principe de forces partagées que les poutres acier-béton traditionnelles.

Poutre composite vs poutre scellée (sealed beam) : confusion possible

Les structures et bâtiments contiennent une large gamme de types de poutres (plus de 20). Mais vous avez peut-être croisé le terme « sealed beam » et le trouvez confus. Une poutre scellée a-t-elle un lien avec la construction ?

Il s'avère que les poutres scellées ne viennent pas du monde de la construction. C'est un type de design de phare automobile incorporant une ampoule derrière une lentille et scellée dans une unité autonome. C'étaient les phares old-school sur la plupart des voitures avant 1990. Aujourd'hui, on trouve surtout des phares composites (composite beam headlamps) sur les véhicules : spécifiques à marque/modèle, permettant de remplacer seulement l'ampoule si elle grille. En revanche, il fallait remplacer tout le phare scellé s'il dysfonctionnait.

Types de poutres de construction : classification rapide

Puisque les poutres scellées n'ont rien à voir avec la construction, passons en revue les types de poutres les plus courants. Classées selon caractéristiques logiques : conditions d'appui, matériaux, géométrie, formes de section transversale, méthode de construction.

Matériaux et conditions d'appui

Les poutres composites tombent dans la même catégorie que béton armé, acier et bois. La plupart associent acier et béton armé, mais d'autres combinent composites plastiques et bois avec béton. Autres poutres par matériaux : acier pur, bois, béton armé.

Les poutres sont aussi catégorées par support. Poutres simplement appuyées : appui pivot à une extrémité, appui rouleau à l'autre, libres de rotation. Poutres encastrées : appuis aux deux extrémités, pas de rotation. Poutres en console (cantilever) : fixées à surface verticale, s'en étendent. Courantes pour fenêtres en bow-window et balcons. Poutres continues : plus de deux appuis sur toute la longueur.

Géométrie et formes de section transversale

Forme et géométrie jouent rôles clés. Sections transversales typiquement en béton armé, acier ou mélange. Designs typiques : rectangulaire, en T, en L, droit, courbé, fuselé.

Méthode de construction

Les poutres en béton peuvent être fabriquées par méthodes spécifiques pour meilleur support. Poutres coulées sur place (cast in-situ) fabriquées sur site, poutres précoulées (precast) fabriquées en usine avant chantier. Il y a aussi poutres précontraintes (prestressed) contenant brins métalliques pré-tendus dans chaque poutre pour améliorer performance.

Mousses pour poutres composites sandwich

Un autre type de poutre composite est utilisé en environnements haute performance : la poutre sandwich (sandwich beam). Structure typique en aérospatial, automobile, marine, éoliennes. Avantages : résistance, résistance fatigue, durabilité, rigidité.

Construction des poutres sandwich

Les poutres composites sandwich consistent généralement en un cœur à faible rigidité et faible densité, associé à deux peaux externes et un adhésif fort. Les peaux externes contiennent souvent fibre de carbone ou aluminium aérospatial, mais peuvent être en laminés verre, thermoplastiques renforcés fibre carbone ou polymères thermodurcissables. Leurs intérieurs à faible densité sont en mousse à cellules ouvertes ou fermées. Les fabricants choisissent parmi :

• Mousse Nomex
• Nid d'abeille métallique (metal honeycomb)
• Mousses polymères plastiques

Mousses Nomex

Nomex est un polymère méta-aramide durable, résistant chaleur et flamme, créé par DuPont au début des années 1960. Résistance à la traction ~340 MPa (~49 300 psi). Supporte températures jusqu'à ~370 °C (700 °F).

Mousses polymères

Les mousses polymères plastiques sont aussi populaires pour cœurs de poutres sandwich. Polyuréthane, PVC, polyéthylène, polystyrène sont les plus utilisés. Comme Nomex, elles créent un intérieur faible densité.

Avantages des poutres composites sandwich

Elles offrent d'importants avantages ingénierie : en associant peaux extérieures rigides à cœurs faible densité, elles délivrent résistance supérieure en réduisant poids global. Design résultant en haute résistance et rigidité à la flexion relative au poids. Selon matériaux, peuvent offrir isolation thermique, résistance corrosion, stabilité. Aussi supériorité en crashworthiness (absorption énergie impact collisions).