Poutres en fibre de verre et en acier : la rigidité décide

Réponse courte. Les poutres en fibre de verre ne sont pas des poutres en acier plus faibles ; ce sont des poutres bien moins rigides, bien plus légères, inoxydables et non conductrices. Dans la plupart des conceptions réelles, c’est la flèche qui fixe la taille de la section : comparez donc la rigidité, pas seulement la résistance.

L’acier a un module d’élasticité d’environ 200 GPa. Un profilé pultrudé verre/polyester typique a un module longitudinal de l’ordre de 17–30 GPa, selon la section et la teneur en fibres. À section égale, une poutre en fibre de verre fléchit donc environ sept à douze fois plus que l’acier sous la même charge.

Profilés en I en fibre de verre gris et jaune
Poutres en I en fibre de verre pultrudées.

Ce que cela donne en pratique

  • Dimensionnez d’abord selon la flèche. Vérifiez la limite de service (une limite typique est portée/200 à portée/250, fixée par la norme du projet) avant de vérifier la résistance.
  • Tenez compte de la flèche due à l’effort tranchant. Contrairement à l’acier, le PRFV a un faible module de cisaillement ; aux courtes portées, la part de cisaillement dans la flèche est donc significative.
  • Tenez compte du fluage. Sous charge permanente, le PRFV continue de fléchir avec le temps ; les charges permanentes exigent des taux de contrainte plus faibles.
  • Rupture fragile. Le PRFV ne plastifie pas, donc aucune ductilité n’avertit ; les calculs emploient des coefficients de sécurité plus grands et suivent une norme de calcul de la pultrusion (par exemple l’EN 13706 ou le manuel de conception du fournisseur).
  • Assemblages. Boulonnez et collez ; ne soudez pas. Vérifiez l’appui et les distances aux bords avec les données du fournisseur.

À rigidité égale : de combien le PRFV est-il vraiment plus léger ?

La masse volumique du PRFV est environ un quart de celle de l’acier, mais pour égaler la rigidité d’une poutre en acier, la section en PRFV doit être plus grande. À titre d’illustration, prenez une poutre en acier (200 GPa, 7,85 g/cm³) et une poutre en PRFV de même forme (1,9 g/cm³) agrandie jusqu’à obtenir la même flèche. Pour des sections géométriquement semblables, la rigidité croît avec la puissance quatre de la dimension et le poids avec son carré :

Module du PRFV Rigidité nécessaire (rapport des E) Agrandissement dans chaque dimension Poids du PRFV obtenu
20 GPa 10,0× 1,78× 77 % du poids de la poutre en acier
30 GPa 6,7× 1,61× 62 % du poids de la poutre en acier

À rigidité égale, le gain de poids est donc réel mais bien inférieur à ce que le rapport des masses volumiques laisse penser (ici environ 25–40 %). Les sections réelles ne sont pas géométriquement semblables ; n’utilisez donc ceci que pour cadrer vos attentes et demandez une comparaison calculée pour votre portée et votre charge.

Là où le PRFV l’emporte encore

Facteur Poutre en fibre de verre Poutre en acier
Masse volumique environ 1,8–2,0 g/cm³ environ 7,85 g/cm³
Corrosion Ne rouille pas ; résine choisie selon le milieu chimique Exige un revêtement ou une galvanisation et un entretien répété
Électrique Non conductrice Conductrice
Conductivité thermique Très faible Élevée
Manutention Assez légère pour poser à la main de nombreuses sections Exige plus tôt un engin de levage
Rigidité (module) environ 17–30 GPa environ 200 GPa
Feu Exige un système ignifugé ou phénolique pour les applications classées Perd de la résistance à haute température mais ne brûle pas
Coût initial Généralement plus élevé au mètre Généralement plus bas

Choisissez le PRFV quand …

  • la structure est exposée aux produits chimiques, aux embruns salins, à l’humidité ou au lavage, là où l’acier exige un entretien constant ;
  • la neutralité électrique ou magnétique est une exigence de sécurité ou d’équipement ;
  • le poids à l’installation ou l’accès est le facteur limitant ;
  • la portée et la charge sont modérées et qu’une section plus haute est acceptable.

Choisissez l’acier quand …

  • de longues portées, de fortes charges ou des limites de flèche très serrées dictent la conception ;
  • une tenue au feu élevée est exigée sans systèmes particuliers ;
  • l’environnement est sec et doux et que le coût initial le plus bas prime.

Le coût sur le cycle de vie ne favorise le PRFV que si l’entretien, l’arrêt d’exploitation ou le remplacement sont réellement coûteux dans l’environnement ; dans un bâtiment sec et propre, l’acier est normalement aussi moins cher sur sa durée de vie. Demandez un devis pour les deux avant de décider.

Voir nos poutres en I en fibre de verre et profilés structurels. Un exemple de dimensionnement apparenté pour les sections creuses : exemple de dimensionnement d’un tube carré PRFV et le guide de choix des résines.

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