Dilatation de l'acier, de l'inox et de l'aluminium : calcul et jeux à prévoir

La formule et les trois coefficients

L'allongement d'une pièce métallique se calcule en multipliant sa longueur par son coefficient de dilatation et par la variation de température : allongement = longueur x coefficient x écart de température. Il n'y a rien d'autre dans le calcul.

Le coefficient de dilatation linéaire s'exprime par degré Celsius, en millionièmes. Pour l'acier, il vaut environ 12 millionièmes par degré, ce qui signifie qu'un mètre d'acier s'allonge de 12 microns quand il gagne un degré. C'est peu, et c'est bien le problème : l'ordre de grandeur paraît négligeable jusqu'à ce qu'on le multiplie par une longueur et par un écart de température réalistes.

Deux rapports à retenir de ce tableau. L'aluminium se dilate près de deux fois plus que l'acier, et l'inox environ 1,4 fois plus. Le polycarbonate, lui, se dilate plus de cinq fois plus que l'acier, ce qui explique une bonne part des désordres sur les couvertures de pergola.

Ce que ça donne en millimètres sur des pièces réelles

Le calcul devient parlant dès qu'on l'applique à des longueurs de chantier. Voici des cas courants, avec un écart de température annuel réaliste pour une pièce exposée.

Ces valeurs expliquent directement les pathologies observées. Un portail de 4 m qui gagne 2,4 mm en largeur n'a plus son jeu de battement si celui-ci avait été réglé au millimètre en hiver. Une main courante de 10 m qui gagne 8,3 mm pousse sur ses supports d'extrémité jusqu'à les déformer ou fissurer leur scellement.

Le piège des assemblages mixtes

Quand deux matériaux de coefficients différents sont assemblés rigidement, ils ne s'allongent pas de la même quantité, et la différence se transforme en effort sur la fixation. C'est ce qu'on appelle la dilatation différentielle.

Le cas le plus courant en métallerie est l'aluminium fixé sur une ossature acier. Sur 5 m et 60 °C d'écart, l'aluminium gagne 6,9 mm quand l'acier n'en gagne que 3,6 : la différence de 3,3 mm doit être absorbée quelque part. Si les fixations sont rigides aux deux extrémités, elle se reporte en cisaillement sur les vis, qui se desserrent ou ovalisent leur trou.

Le cas du remplissage en polycarbonate dans un cadre acier est plus sévère encore, avec un rapport de plus de cinq entre les deux coefficients. Un panneau posé sans jeu périphérique se voile ou fissure dès le premier été.

À l'inverse, l'acier dans le béton est un cas favorable et ce n'est pas un hasard : les deux matériaux ont des coefficients très proches, environ 12 et 11 millionièmes. C'est précisément ce qui rend le béton armé possible, l'armature et le béton se dilatant de concert sans se désolidariser.

Les six ouvrages où ça coince vraiment

La dilatation ne pose problème que si le mouvement est empêché. Six configurations la bloquent, et ce sont celles qu'on retrouve en réclamation.

• Portails et portillons : le jeu de battement et le jeu au sol se règlent à la saison de pose. Réglés au plus juste en hiver, ils disparaissent en été. Le guide du portail métallique battant ou coulissant détaille les jeux de pose à prévoir.

• Bardage et habillage de façade : des fixations rigides à chaque point empêchent la tôle de glisser, et elle gondole entre les points. Le comparatif du bardage métallique traite les systèmes de pose.

• Mains courantes et garde-corps longs : ce sont les pièces les plus longues d'un ouvrage, donc celles qui bougent le plus. Les principes de pose figurent dans le guide de la main courante acier.

• Pergolas, carports et verrières : ossature métallique et couverture de nature différente, donc dilatation différentielle garantie. La conception de la structure est détaillée dans le guide de la pergola métal.

• Rails de portail coulissant : un rail scellé sur toute sa longueur ne peut plus bouger, et la dilatation se traduit par un flambage local qui fait sauter le galet. Le rail se pose par segments avec un jeu entre eux.

• Planchers et passerelles métalliques : les nappes posées bord à bord sans jeu se chevauchent et soulèvent leurs fixations. Les agrafes de maintien doivent brider sans interdire le glissement.

Le point commun des six : ce sont des ouvrages longs, exposés, et dont les extrémités sont tenues. Une pièce courte ou libre d'un côté ne pose aucun problème.

Les trois solutions de conception

On ne combat pas la dilatation, on lui laisse de la place : un point fixe unique, des fixations glissantes ailleurs, et un jeu calculé aux extrémités. Ce principe règle la quasi-totalité des cas.

Le point fixe unique est la règle de base. Un ouvrage long se bloque en un seul endroit, généralement au centre ou à une extrémité, et tous les autres points le laissent coulisser. Deux points fixes aux deux bouts, c'est la configuration qui garantit le désordre.

Les trous oblongs ou surdimensionnés matérialisent cette liberté. Un trou de passage légèrement plus grand que la vis, avec une rondelle large, permet au métal de glisser sous la tête sans contrainte. L'ordre de grandeur du jeu se déduit du calcul : il doit couvrir l'allongement total, pas la moitié.

Le jeu de pose aux extrémités enfin. Il se réserve en butée, et il se calcule dans le sens le plus défavorable. Une précaution simple y aide : noter la saison et la température approximative au moment de la pose, parce qu'une pièce posée par 5 °C n'a plus les mêmes cotes qu'une pièce posée par 35 °C.

Dernier levier, souvent le plus efficace : réduire la longueur continue. Deux éléments de 3 m avec un joint entre eux bougent chacun deux fois moins qu'un élément de 6 m. Commander les pièces déjà découpées aux cotes voulues, en tube carré acier ou dans les autres profils de la gamme acier, permet de prévoir ce découpage dès la conception.

Dilatation et soudure : le retrait au refroidissement

La soudure est un cas particulier de dilatation, mais inversé et beaucoup plus brutal. Le métal est porté localement à la fusion, donc fortement dilaté, puis il refroidit et se contracte en tirant sur tout ce qui l'entoure.

C'est l'origine des déformations après soudage : un cadre qui n'est plus d'équerre, une tôle qui a gondolé, un assemblage qui s'est refermé de quelques millimètres. Et le retrait est d'autant plus marqué que l'apport de chaleur a été concentré.

Trois pratiques limitent le phénomène. Souder par points alternés plutôt qu'en un cordon continu, de façon à répartir la chaleur. Brider la pièce pendant toute la durée du refroidissement et non seulement pendant la soudure. Et anticiper le retrait en préparant la pièce légèrement ouverte, pour qu'elle se referme à la bonne cote. La préparation et l'ordre des passes sont détaillés dans le guide pour souder un tube acier.

Pour les ouvrages dont le dimensionnement est en jeu, les notions de portée, de flèche et de reprise d'effort figurent dans le guide de la résistance et charge admissible de l'acier, et la logique d'ensemble d'une ossature dans celui de la charpente métallique.

Questions fréquentes sur la dilatation du métal

Deux chiffres et une règle

Les deux chiffres à retenir sont 0,6 mm par mètre et par 50 °C pour l'acier et 1,15 mm pour l'aluminium. Ils suffisent à estimer de tête l'ordre de grandeur du mouvement sur n'importe quelle pièce, et donc à savoir s'il faut s'en préoccuper ou non.

La règle, elle, tient en une phrase : un ouvrage long et exposé se bloque en un seul point et glisse partout ailleurs. Tout le reste, trous oblongs, rondelles larges, jeux en butée, segmentation, n'est que la mise en œuvre de ce principe.