Abstract :
[en] Greenhouse gas emissions from industry are a major contributor to climate change and the catastrophic consequences the world has been facing for several years. The construction sector has a significant responsibility since it represents about 42% of global CO2 emissions. The recent communication from the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) is unambiguous: significant measures must be taken without delay to achieve the objective of limiting global warming to 1.5°C, as set out in the Paris Agreement. Faced with this situation, construction stakeholders must reinvent themselves to meet the growing demand for solutions that will reduce the carbon footprint of buildings while keeping the same level of comfort and safety.
Among the existing solutions, the steel market is continuously witnessing the emergence of new, ever-stronger steels. This is driven by improvements in the operational capabilities of the steelmaking process, which have enabled the production of much heavier and thicker sections with improved material properties. Indeed, it is now feasible to manufacture wide flange sections without any significant reduction in the yield strength, with good toughness and weldability performance. The development of high-strength steels, which exhibit the highest strength-to-weight ratio among existing steel grades, contributes to the optimisation of structural designs with the potential for substantial weight, cost and carbon savings. Hot-rolled steel sections with a yield strength of up to 500 MPa in Europe and 80 ksi (550 MPa) in the United States already exist and comply with the product standards for civil engineering applications. Nevertheless, the use of high-strength steels remains quite marginal. This can be explained by a lack of information on existing high-performance products and the advantages they offer, as well as a lack of availability resulting from the current low demand for these grades. Furthermore, the use of a higher steel grade is frequently associated with an increase in the unit material cost, accompanied by a larger carbon footprint and an increased risk of local and global buckling instabilities. Consequently, the designer is frequently reluctant to employ such materials, lacking recommendations to assess their economic and environmental benefit in specific designs.
The objective of this thesis is to provide insights that may contribute to the reduction of material use and thus contribute to the optimisation of future structures. The sustainability of high-strength steels is initially addressed to establish reliable trends for relative prices and carbon emissions as a function of the yield strength. Based on these trends, a comparative study is conducted on the use of the right steel at the right place for individual members, and reference member slendernesses are established allowing the identification of the relevant field of application for the different considered steel grades. In addition, the establishment of appropriate design rules for flexural buckling and the consideration of intrinsic sources of structural stabilisation are also addressed, as they also contribute to the achievement of efficient designs. This doctoral thesis demonstrates the necessity for collaboration between the various stakeholders in the construction sector (designers, researchers and manufacturers) in order to develop the optimal structural solution for each application, thereby collectively contributing to a more sustainable future.
[fr] Les émissions de gaz à effet de serre provenant de l’industrie contribuent largement au changement climatique et aux conséquences catastrophiques auxquelles le monde est confronté depuis plusieurs années. Le secteur de la construction a une responsabilité importante dans cette situation, puisqu’il représente environ 42% des émissions mondiales de CO2. La récente communication du GIEC (Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat) a été sans ambiguïté ; des mesures significatives doivent être prises sans délai afin de limiter le réchauffement climatique à 1.5°C, tel que prévu dans l’accord de Paris. Face à cette situation, les acteurs de la construction doivent se réinventer pour répondre à la demande croissante de solutions permettant de réduire l’empreinte carbone des bâtiments tout en conservant le même niveau de confort et de sécurité.
Parmi les solutions existantes, le marché de l’acier assiste continuellement à l’émergence de nouveaux aciers, toujours plus résistants. Cette évolution est due à l’amélioration des capacités opérationnelles du processus de production de l’acier, qui a permis de produire des sections plus épaisses et donc plus massives avec des propriétés matérielles améliorées. En effet, il est désormais possible de fabriquer des profilés à larges ailes sans réduction significative de la limite d’élasticité, tout en conservant de bonnes performances en termes de ténacité et de soudabilité. Le développement d’aciers à haute limite d’élasticité, présentant le rapport résistance – poids le plus élevé parmi les nuances d’acier existantes, contribue à l’optimisation des dimensionnements structuraux, ce qui peut conduire à des économies substantielles en termes de poids, de coûts et d’empreinte carbone. Des profilés laminés à chaud présentant une limite d’élasticité allant jusqu’à 500 MPa en Europe et 80 ksi (550 MPa) aux Etats-Unis, existent d’ores-et-déjà et sont conformes aux normes produit relatives aux applications du génie civil. Cependant, l’utilisation de ce type de nuance reste assez marginale. Cela peut s’expliquer par un manque d’information sur les produits à haute limite d’élasticité existants et sur les avantages qu’ils offrent, ainsi qu’au manque de disponibilité résultant de la faible demande actuelle pour ce type de nuances. En outre, l’utilisation d’une nuance d’acier plus élevée est souvent associée à une augmentation du coût unitaire du matériau, à une augmentation de l’empreinte carbone ainsi qu’à un risque accru par rapport aux différentes instabilités (locales ou globales). Par conséquent, le concepteur est souvent réticent à utiliser de tels matériaux, car il ne dispose pas de recommandations permettant de déterminer si ces aciers présentent un avantage économique et environnemental pour une application donnée.
L’objectif de cette thèse est donc de fournir des informations susceptibles de contribuer à la réduction de matière utilisée et d’ainsi contribuer à l’optimisation de futures structures. La durabilité des aciers à haute limite d’élasticité est premièrement abordée afin d’établir des tendances fiables en matière de prix relatifs et d’émissions relatives en fonction de la limite d’élasticité. Sur base de ces tendances, une étude comparative est menée sur l’utilisation du bon acier au bon endroit pour des éléments isolés, et des élancements limites de référence sont établis permettant d’identifier les domaines d’application adéquats en fonction de la nuance d’acier. De plus, l’établissement de règles de dimensionnement appropriées pour le flambement par flexion et la prise en compte de sources intrinsèques de stabilisation sont également abordées, car elles contribuent également à la réalisation de dimensionnements optimisés. Cette thèse de doctorat démontre la nécessité de synergies entre les différents acteurs du monde de la construction (concepteurs, chercheurs et producteurs) afin de développer la solution structurale optimale pour chaque application, et d’ainsi contribuer collectivement à la création d’un avenir plus durable.
