Comportement en charge axiale de colonnes composites doubles en sigma formées à froid, remplies et partiellement encastrées en béton

Des colonnes de bâtiment plus robustes pour les constructions courantes

Alors que les villes montent en hauteur et que la construction s’accélère, les ingénieurs recherchent des colonnes qui soient à la fois solides, sûres, plus rapides à mettre en œuvre et moins néfastes pour le climat. Cette étude examine une nouvelle façon de fabriquer des colonnes en associant des enveloppes acier minces à un béton coulant enrichi en fibres volcaniques. Les chercheurs posent une question simple aux conséquences importantes pour les bâtiments de demain : quelle configuration de colonne offre le meilleur compromis entre résistance, ténacité et empreinte carbone réduite ?

Comment des coques d’acier minces deviennent des colonnes résistantes

Les bâtiments modernes utilisent souvent de l’acier formé à froid, obtenu en pliant des tôles minces pour obtenir des profils rigides. Ces éléments légers sont faciles à transporter et idéaux pour la construction modulaire, mais seuls ils peuvent se déformer comme une canette sous forte compression. Pour contrer cela, l’équipe a construit des colonnes en associant deux sections en sigma de deux façons : face à face fermées pour former une boîte en acier, et dos à dos ouvertes avec un espace pouvant être rempli de béton. Chaque style a été testé en trois variantes : acier nu seulement, rempli ou encastré avec un béton auto-compactant ordinaire, et rempli ou encastré avec un béton plus avancé renforcé de fines fibres de basalte.

Un nouveau type de béton fluide et riche en fibres

Le béton utilisé ici est conçu pour s’écouler et se mettre en place sous son propre poids, contournant les coins serrés et le ferraillage dense sans vibration. Les chercheurs ont amélioré ce mélange en remplaçant une partie du ciment par des cendres volantes et de la fumée de silice — des sous-produits industriels qui densifient la matrice — et en ajoutant de courtes fibres de basalte issues de roche volcanique. Au microscope, ces fibres traversent le béton durci, pontent les microfissures et accrochent la matrice environnante. Cette combinaison produit une structure interne plus dense capable de mieux résister aux fissures et de se déformer de façon plus progressive au lieu de rompre brutalement.

Soumettre les colonnes à rupture en laboratoire

Pour évaluer le comportement des différentes colonnes, l’équipe a chargé chaque spécimen axialement jusqu’à la rupture, en suivant avec soin le raccourcissement le long de la hauteur et la flèche latérale. Les versions en acier nu ont flambé rapidement, avec des parois fines qui se plient ou se tordent. L’ajout d’un béton auto-compactant ordinaire a plus que doublé la capacité portante, car le noyau en béton aide à maintenir la forme de l’acier tandis que l’acier confine le béton. La véritable performance remarquable est venue de la colonne fermée, complètement remplie de béton à fibres de basalte : elle a supporté près de trois fois la charge de la colonne en acier vide et environ un tiers de charge en plus par rapport à la version avec béton ordinaire. Elle a également présenté un moindre raccourcissement et a pu se déformer beaucoup plus après l’écoulement, montrant une ductilité bien supérieure — une marge de sécurité importante en cas de séismes ou d’événements extrêmes.

Simulations, règles de calcul et bilan carbone

Les chercheurs ont utilisé des modèles numériques détaillés pour reproduire les essais de compression, confirmant que le jumeau numérique correspondait de très près aux résistances et modes de rupture observés. Ils ont ensuite comparé leurs mesures aux prévisions des codes de calcul indiens et internationaux, en ajustant des formules initialement conçues pour de l’acier laminé à chaud et du béton ordinaire. L’approche actualisée a prédit la résistance des nouvelles colonnes de manière fiable tout en restant légèrement prudente. Parallèlement, une évaluation du carbone du berceau à la tombe a totalisé les émissions liées à la production de l’acier et du béton, au transport des matériaux, à la construction, à la maintenance et au recyclage en fin de vie. Si l’ajout de béton augmente les émissions totales par rapport à l’acier nu, le gain considérable en capacité portante signifie que chaque unité de carbone procure bien plus de performance structurelle — en particulier pour les colonnes entièrement remplies et renforcées par fibres.

Concilier sécurité et durabilité dans les bâtiments de demain

Expliqué simplement, ce travail montre que des coques d’acier finement profilées, associées à un béton intelligent riche en fibres, peuvent produire des colonnes plus légères, plus résistantes et plus tolérantes en rupture que les solutions conventionnelles, tout en utilisant moins de carbone par unité de capacité portante. Les colonnes fermées remplies de béton à fibres de basalte offrent notamment une haute résistance, un meilleur contrôle des fissures et du flambement, et une efficacité en cycle de vie améliorée. Ce mélange de sécurité, de durabilité et d’impact environnemental réduit en fait des candidats prometteurs pour la prochaine génération de bâtiments modulaires de moyenne à grande hauteur, devant résister à une utilisation intensive et à un climat en évolution.

Citation: Sharon, R.P.O., Senthilpandian, M. Axial load behaviour of concrete infilled and partially encased cold formed double sigma composite columns. Sci Rep 16, 11497 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39171-6

Mots-clés: colonnes composites, acier formé à froid, béton renforcé par fibres de basalte, béton auto-compactant, carbone incorporé