Pourquoi les matériaux se dilatent
Quand un matériau se réchauffe, ses atomes vibrent davantage et s’écartent légèrement : il s’allonge. Quand il refroidit, il se rétracte. L’effet est faible, mais il s’accumule sur de grandes longueurs et de forts écarts de température. C’est pourquoi les ponts ont des joints de dilatation, les voies ferrées des rails soudés précontraints et les canalisations des manchons ou des lyres de dilatation.
La formule
ΔL = α × L × ΔT
- α : le coefficient de dilatation linéaire, en millionièmes par °C (10⁻⁶/°C)
- L : la longueur initiale
- ΔT : l’écart de température, en °C
Pour le volume, le coefficient vaut environ 3 × α pour un solide qui se dilate de la même façon dans toutes les directions. Le calculateur affiche la variation de longueur, la longueur finale et la variation de volume.
Coefficients courants
| Matériau | α (10⁻⁶/°C) |
|---|---|
| Bois dans le sens du fil | 3 à 5 |
| Verre | 9 |
| Béton | 10 à 12 |
| Acier | 12 |
| Cuivre | 16,5 |
| Acier inoxydable | 17,3 |
| Laiton | 19 |
| Aluminium | 23,1 |
| PVC | 50 à 54 |
Exemple
Une descente d’eaux usées en PVC de 10 m, posée à 10 °C, voit passer de l’eau chaude qui la porte à 50 °C, soit 40 °C d’écart.
ΔL = 0,000052 × 10 m × 40 = 0,0208 m ≈ 20,8 mm.
Le même tube en acier ne s’allongerait que de 4,8 mm. Le PVC se dilate plus de quatre fois plus que l’acier : sans manchon de dilatation ni colliers permettant le glissement, le tube se cintre ou un raccord se fend. Les règles de pose des canalisations d’évacuation en PVC (DTU 60.33) prévoient d’ailleurs ces dispositifs.
Conséquences pratiques
- Les dalles et chapes en béton sont fractionnées par des joints réguliers.
- Les lames de terrasse et les bardages doivent garder un jeu aux extrémités, sinon ils gondolent au soleil.
- Les canalisations d’eau chaude en ligne droite nécessitent des lyres ou des compensateurs.
- Un rail en acier de 100 m s’allongerait d’environ 6 cm pour 50 °C d’écart : les rails longs soudés sont posés précontraints pour encaisser cet effort.
- Un couvercle de bocal bloqué se libère sous l’eau chaude, car le métal se dilate plus que le verre.
Limites
Le coefficient varie légèrement avec la température, et les composites, le bois dans le sens transversal et certains plastiques ne se dilatent pas de la même façon dans toutes les directions. Pour un dimensionnement, utilisez les données du fabricant pour votre matériau et votre plage de température.