Les propriétés thermiques de l’acier

L’acier, en tant que métal, est un excellent conducteur de chaleur. Par conséquent, il n’est pas un matériau efficace pour l’isolation thermique. Les ponts thermiques dans les bâtiments à ossature métallique et les façades métalliques doivent être systématiquement analysés, car ils peuvent provoquer d’importantes déperditions énergétiques. Par conséquent, l’utilisation de l’acier en construction doit toujours s’accompagner de matériaux isolants. On peut citer : les laines minérales ou les isolants biosourcés.

De plus, sa conductivité élevée rend l’acier sensible aux variations de température. Des températures de température importantes génèrent des changements de contraintes dans l’acier, provoquant une dilatation et des déformations des pièces métalliques. Il est essentiel de prévoir et quantifier ces effets pour ajuster la conception. Par exemple en introduisant des articulations de dilatation ou des liaisons adaptées.

Conductivité thermique

Petit rappel : Définition globale

Par définition, la conductivité thermique λ exprimée en W/m.K (Watt / mètre Kelvin) est la grandeur introduite pour quantifier l’aptitude d’un corps à conduire de la chaleur. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par unité de temps sous l’action d’une différence de température entre les deux extrémités d’un échantillon de ce corps, donc en présence d’un gradient de température.

Exemple : soit une paroi d’épaisseur e dont les deux surfaces externes, planes et d’aires S, sont maintenues à des températures uniformes constantes T₁ et T₂ avec T₂>T₁., alors la puissance thermique Φ, exprimée en watts (W), transférée à travers la paroi s’exprime par la loi de Fourier, soit :

                        Φ = λ * S * (T₂ – T₁) / e      {\displaystyle \Phi =\lambda \,{\frac {S}{e}}\,(T_{2}-T_{1})}

Afin d’avoir un exemple concret et complexe, nous vous invitons à lire cet article.

Conductivité thermique de l’acier

La conductivité thermique de l’acier de construction est d’environ 46 W/mK, tandis que celle de l’inox est d’environ 26 W/mK. Étant donné que l’acier est un matériau homogène et isotrope, cette valeur reste constante dans ses éléments. Contrairement au bois, qui voit sa conductivité varier en fonction de la direction de ses fibres, l’acier n’a pas de direction privilégiée pour sa conductivité thermique. En général, l’acier ne favorise pas l’isolation thermique et contribue plutôt à la formation de ponts thermiques.

Un pont thermique est une zone ponctuelle ou linéaire qui, dans l’enveloppe d’un bâtiment, présente une variation de résistance thermique. Il s’agit d’un point de la construction où la barrière isolante est rompue. Un pont thermique est donc créé si :

• il y a changement de la géométrie de l’enveloppe
• il y a changement de matériaux et ou de résistance thermique
• il y a une discontinuité de l’isolant à travers la paroi ou la jonction mur-sol / mur-toiture

Les principaux types de ponts thermiques :

Il existe trois principaux types de ponts thermiques :

• les ponts thermiques linéaires, liés à la jonction de deux parois. Par exemple, la jonction entre plancher et mur extérieur et entre mur extérieur et mur de refend ;
• les ponts thermiques ponctuels, liés à la jonction de trois parois. Par exemple, un angle entre un plancher et deux murs ;
• Les ponts thermiques structurels sont liés à la technique d’installation d’un isolant. En effet, une paroi composée de plusieurs éléments assemblés par collage, vissage ou assemblage mécanique peut créer des ponts thermiques en raison de la manière dont ces éléments sont réunis.

Les ponts thermiques sont une cause principale des déperditions thermiques des bâtiments. Ces pertes de chaleur nécessitent une quantité de chauffage supplémentaire et donc une consommation énergétique plus élevée. De plus, si on ne tient pas compte des déperditions dues aux ponts thermiques, l’installation de chauffage peut être sous-dimensionnée.

Explication des valeurs

Le coefficient de transmission thermique d’une paroi est noté ”U” (ou anciennement ”k”). Cette valeur caractérise la quantité de chaleur traversant une paroi en régime permanent. Elle se caractérise par unité de temps, par unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d’autre de ladite paroi.

Le coefficient de transmission thermique s’exprime en W/m²K est l’inverse de la résistance thermique totale (RT) de la paroi.

Plus sa valeur est faible et plus la construction sera isolée. A titre de comparaison : Un coefficient de 20 W/M²K (laine de roche), indique que pour compenser 1 degré de chaleur, il faudra produire 20 W. Pour l’acier (23000 W/m²K), il en faudra 23000 W. Cela illustre clairement que plus le coefficient de transmission thermique est faible, moins la quantité d’énergie nécessaire pour compenser les déperditions de chaleur sera élevée.

Inertie thermique

L’inertie thermique d’un matériau indique sa résistance aux variations de température lorsqu’il subit une perturbation de son équilibre thermique. C’est-à-dire la chaleur reçue par rapport à celle qu’il perd. Lorsque la perturbation provoque un nouveau point d’équilibre thermique, l’inertie thermique se manifeste par la lenteur avec laquelle ce nouvel équilibre est atteint.

• Si le matériau est très inerte, il atteindra cet équilibre au bout d’un temps long.
• Si le matériau est peu inerte, il attendra cet équilibre au bout d’un temps bref.

On quantifie l’inertie thermique essentiellement par la diffusivité et l’effusivité thermique

Chaleur spécifique

La chaleur spécifique de l’acier (inoxydable ou non) est de l’ordre de 502 J/(kg.K) à 20°C. Cette valeur, plus faible que celle du bois ou du béton, traduit le fait que l’acier va chauffer très vite en accumulant de l’énergie thermique, là où le bois et le béton vont accumuler plus d’énergie sans production de chaleur.

Diffusivité et effusivité thermique

La diffusivité thermique est une grandeur physique qui caractérise la capacité d’un matériau à transférer la chaleur (énergie thermique) à travers ce matériau.

L’effusivité thermique indique la compétence d’un matériau à absorber (ou restituer) plus ou moins rapidement un apport de chaleur. Si la valeur d’effusivité est élevée, le matériau absorbe rapidement beaucoup d’énergie sans se réchauffer notablement en surface (métal, pierre, faïence…)

L’acier est un matériau à la diffusivité thermique importante, de l’ordre de 12.10^-6à 15.10^-6 m²/s. A titre de comparaison, celles du verre et du béton sont de l’ordre de 0,5.10-6 m²/s, soit près de trente fois plus faibles). Son effusivité thermique est assez forte, de l’ordre de 7100 à 11000 J.m^-2.K^-1.s^-0,5 . A titre de comparaison, celle du béton est comprise entre 1200 à 2500 J.m^-2.K^-1.s^-0,5 et celle du bois entre 120 et 660 J.m^-2.K^-1.s^-0,5).

Dilatation thermique

Quand on chauffe l’acier, comme n’importe quel solide, liquide ou gaz, son volume augmente.

La dilatation de l’acier dépend de son coefficient de dilatation linéaire : α = 11 × 10^{– 6} K^-1

Ainsi, un rail d’acier de 18m de long en hiver (T₀=0°C) subira une dilatation en été (T₁  =  40°C) de :

DL =  α x L0 x (T1 – T0) = 11 × 10^{– 6} x (T_{1   –}  T₀) = 0.00792 m  soit : 0.8cm

Cet exemple illustre l’importance d’installer des joints de dilatation. Ils compensent la dilatation et la contraction de l’acier selon les variations de température.

Il est important de noter que ces joints de dilatation sont disponibles dans les magasins spécialisés.

Coefficients de dilatation linéaire α de quelques matériaux

• Acier : α = 11 × 10^{– 6} K^-1.
• Aluminium : α = 23 × 10^{– 6} K^-1.
• Béton : α = 10 × 10^{– 6} K^-1.
• Bois : α = 35 × 10^{– 6} à 55 × 10^{– 6} K^-1.
• Zinc : α = 35 × 10^{– 6} K^-1.

En résumé, l’acier n’est pas idéal sur le plan thermique. Sa grande conductivité peut provoquer des ponts thermiques dans les enveloppes de construction et engendrer des problèmes structurels dus à la dilatation thermique.