Problèmes de construction : Expansion des métaux

Article et photos de Gregory Havel

"L'acier se dilatera de 0,06 % à 0,07 % de longueur pour chaque augmentation de température de 100 oF. Le taux d'expansion augmente à mesure que la température augmente. Chauffé à 1 000 oF, un élément en acier se dilatera de 9½ pouces sur 100 pieds de longueur…. la maçonnerie, entraînant un effondrement partiel ou total." (Brannigan's Building Construction for the Fire Service, Fourth Edition, page 206) Si les murs de maçonnerie ou de béton qui retiennent la poutre sont suffisamment massifs pour ne pas être déplacés, la longueur croissante de la poutre et son affaiblissement par la chaleur la feront flamber et se rompre au milieu de la portée. Cette information nous a été transmise à partir de nos cours Pompier I et II.

La photo 1 montre un assemblage de murs en maçonnerie et en béton, de colonnes en acier, de fermes à poutres en acier et de solives à barres. Les poutres en treillis et les solives à barres sont retenues soit par une connexion aux murs, soit par des soudures et des boulons les unes aux autres. Il n'y a aucune tolérance dans la conception pour l'expansion de l'acier de construction, puisque le changement de température entre le jour et la nuit ou l'hiver et l'été est considéré comme insignifiant. Dans un bâtiment climatisé, la plage de température normale peut être inférieure à 20oF. Dans un bâtiment non chauffé dans un climat froid, la plage de température est susceptible d'être inférieure à 100oF. L'expansion et la contraction de l'acier deviennent un problème lorsqu'il y a un incendie à l'intérieur du bâtiment.

Dans tout grand bâtiment, les tuyaux métalliques soutenus par de l'acier de construction peuvent mesurer des centaines de pieds de long. Lorsque ces tuyaux transportent de l'eau chauffée ou refroidie pour le chauffage et la climatisation, leurs températures internes peuvent varier de 40oF à 200oF. Lorsqu'ils transportent de la vapeur, leurs températures internes peuvent aller de la température ambiante à plus de 300oF. Lorsqu'ils transportent de l'eau chaude et froide domestique, leurs températures internes peuvent varier de 40oF à 150oF. Les codes du bâtiment et autres exigent que ces tuyaux soient isolés pour économiser l'énergie.

(1) Cliquez pour agrandir

Les tuyaux en acier se dilatent lorsqu'ils sont chauffés au même rythme que l'acier de construction. Les tuyaux en cuivre se dilatent lorsqu'ils sont chauffés à un taux d'environ 40 % supérieur à celui de l'acier. Bien que l'expansion et la contraction dans la plage de température de fonctionnement normale du tuyau ne soient pas suffisamment élevées pour provoquer la défaillance des parois ou le flambage du tuyau, cela peut être bruyant et finira par provoquer des fuites au niveau des joints de tuyau s'il n'est pas contrôlé.

Une façon de contrôler la dilatation des tuyaux est l'utilisation de joints de dilatation. Un type utilise une section de tuyau flexible en métal ondulé ou de tube en caoutchouc à intervalles réguliers sur la longue longueur du tuyau. Un autre type est un raccord à joint coulissant avec un joint mécanique ou des joints toriques. Ces deux éléments fonctionnent bien lorsqu'ils sont neufs, mais les deux finiront par fuir et devront être remplacés.

Une autre méthode consiste à utiliser des boucles d'expansion, utilisées depuis plus de 100 ans. La photo 2 montre des boucles d'expansion dans deux tuyaux en acier, qui transporteront de l'eau chaude pour le chauffage en hiver et de l'eau réfrigérée pour la climatisation en été. Cette installation utilise des raccords Victaulic® avec des joints en caoutchouc à température plus élevée que ceux utilisés dans les systèmes automatiques de gicleurs d'incendie. Dans ce bâtiment, les tronçons de tuyauterie seront retenus au milieu du parcours entre les boucles de dilatation.

(2) Cliquez pour agrandir

La photo 3 montre des boucles de dilatation dans un groupe de tuyaux isolés transportant de l'eau chaude et froide sanitaire, de l'eau chaude pour le chauffage et de la vapeur. Dans ce système, les contraintes sont au centre des boucles d'expansion plutôt qu'au milieu des longueurs de tuyau.

(3) Cliquez pour agrandir

Aujourd'hui, les joints de dilatation sont généralement utilisés là où il n'y a pas d'espace pour les boucles de dilatation. Bien qu'ils nécessitent moins de main-d'œuvre à installer que les boucles d'expansion, ils coûtent souvent plus cher que les matériaux des boucles d'expansion. De plus, ils doivent être remplacés périodiquement.

Les boucles de dilatation sont plus coûteuses à installer que les joints de dilatation en raison de la main-d'œuvre requise, mais ont généralement une durée de vie beaucoup plus longue entre les pannes. Lorsque des réparations sont nécessaires, elles nécessitent moins de main-d'œuvre et des matériaux moins coûteux que le remplacement des joints de dilatation, surtout si les boucles de dilatation utilisent des raccords Victaulic®.

Un tuyau plein d'eau peut représenter une charge importante sur la structure du bâtiment.

Un groupe de boucles d'expansion comme celles illustrées sur la photo 3 peut charger une structure comme un climatiseur de toit, surtout si les tuyaux sont gros comme ceux illustrés sur la photo 2. Nous devons garder à l'esprit que l'acier de construction supportant une charge plus lourde échouera plus tôt dans des conditions d'incendie qu'un élément structurel similaire avec une charge plus légère.

Sujets : Expansion des métaux de construction, construction de bâtiments pour les opérations de pompiers, risques de construction