Résistance à la compression : fondamentaux et applications

La résistance à la compression est un niveau contraint de contrainte de compression causant une rupture ductile (flux théorique infini) ou une rupture fragile (propagation de fissure ou glissement le long d'un plan faible). Elle est mesurée sur matériaux, pièces et structures. Par définition, la résistance à la compression ultime est la contrainte de compression uniaxiale atteinte lors de la rupture totale du matériau.

Les procédures d'essai et conditions de mesure influencent les mesures de résistance à la compression. Généralement, les résistances à la compression sont fournies selon une norme technique particulière.

Contrairement aux matériaux à forte résistance à la traction, le béton et les céramiques ont souvent des résistances à la compression substantiellement plus élevées. Les résistances à la traction sont fréquemment supérieures aux résistances à la compression dans les matériaux composites comme les composites époxy renforcés de fibres de verre.

Qu'est-ce que la résistance à la compression ?

En mécanique, la résistance à la compression est la capacité d'un matériau ou structure à supporter des charges tendant à réduire sa taille. La résistance à la traction résiste à la tension, la résistance à la compression résiste à la compression. La résistance à la traction, à la compression et au cisaillement peuvent être étudiées séparément.

La capacité d'un élément structural à supporter des charges le faisant rétrécir est sa résistance à la compression. Un éprouvette est soumise à une force sur ses faces supérieure et inférieure jusqu'à rupture ou déformation. La fracture survient pour la roche et le béton, matériaux fréquemment analysés ainsi.

Les essais de compression peuvent être faits sur l'acier ; la déformation est fréquente avec les matériaux ductiles. Un matériau ductile s'adapte d'abord à la charge par réorganisation interne de sa structure : l'écoulement plastique. L'écoulement plastique cesse quand la déformation se concentre en un point, et le matériau se rompt. La résistance à la traction est généralement l'indicateur choisi pour mesurer et comparer les métaux ductiles, car la contrainte de traction, mieux adaptée au phénomène d'écoulement plastique, mesure les forces pour arracher un matériau.

Quelle est la formule de la résistance à la compression ?

La formule est F = P/A, où :

• F = Résistance à la compression (MPa)
• P = Charge maximale (ou charge jusqu'à la rupture) appliquée au matériau (N)
• A = Section transversale de la zone du matériau résistant à la charge (mm²)

Quel matériau a la résistance à la compression la plus élevée ou la plus faible ?

Les matériaux comme la roche ont souvent des résistances à la compression élevées, autour de 140 MPa pour les matériaux fragiles. Les variétés plus tendres comme le grès ont souvent 60 MPa ou moins. Pour la plupart des applications structurales, les matériaux ductiles comme l'acier doux ont une résistance à la compression d'environ 250 MPa.

Contrairement aux matériaux à forte résistance à la traction, le béton et les céramiques ont souvent des résistances à la compression beaucoup plus élevées. Les composites comme le verre-époxy ont fréquemment des résistances à la traction supérieures à la compression.

Le béton est généralement renforcé par des matériaux résistants à la traction. La résistance à la compression sert souvent pour l'assurance qualité et les spécifications du béton. Les ingénieurs connaissent les exigences objectives de traction (flexion) et les expriment en termes de résistance à la compression.

Pour le béton résidentiel, les besoins en résistance à la compression varient de 2 500 à 4 000 psi, et plus pour les constructions commerciales. Certaines applications nécessitent des résistances supérieures à 10 000 psi.

La résistance à la compression est généralement bien supérieure à la résistance à la traction pour matériaux fragiles et ductiles. Exception : les composites renforcés de fibres (fibre de verre), résistants en tension mais facilement écrasables. Le béton, composite à particules, est beaucoup plus résistant en compression qu'en traction ; il doit être armé d'acier s'il subit des contraintes de traction.

Quels matériaux nécessitent une résistance à la compression haute ou faible ?

Pour le béton, le béton ultra-haute performance peut construire des ponts d'autoroute supportant charges et contraintes énormes, tandis qu'un béton de 30 MPa suffit pour un pavage domestique standard.

Contrainte d'ingénierie vs contrainte réelle

Les professionnels utilisent principalement la contrainte d'ingénierie dans la pratique de la conception. La contrainte réelle diffère de la contrainte d'ingénierie. Ainsi, calculer la résistance à la compression avec les formules ci-dessus ne donne pas une réponse exacte. La section transversale A₀ varie et dépend de la charge A = f(F).

L'écart de valeur s'explique ainsi :

L'éprouvette raccourcit sous compression. Le matériau a tendance à s'étaler latéralement, augmentant la section transversale.

L'éprouvette est serrée aux extrémités lors de l'essai. Une force de frottement s'oppose à l'étalement latéral, nécessitant de l'énergie supplémentaire et faussant la mesure de contrainte.

La force de frottement n'est pas constante sur toute la section. Minimum au centre, maximum vers les bords serrés. L'éprouvette prend une forme de tonneau : le phénomène de "barrelling".

En résumé

La résistance à la compression est la capacité d'un matériau ou élément structural à supporter des charges le faisant rétrécir. Un éprouvette est compressée jusqu'à rupture ou déformation. Cet article a abordé : définition, formule, matériaux à résistance haute/basse, choix selon applications, et différence contrainte d'ingénierie vs réelle.