Modélisation thermique des structures

Dans l’analyse du comportement d’une structure sous l’action du feu, la première étape est le calcul thermique pour trouver le champ de température dans la structure. Ce champ est la donnée pour le calcul analytique ou numérique de la structure. Quand une structure est exposée au feu, le transfert thermique se produit par convection et radiation. La convection a lieu au contact entre la structure et le feu ou l’air ambiant ou l’air dans les espaces vides de la structure. La radiation a lieu entre le feu et la face exposée de la structure ou entre les surfaces de la structure qui sont opposées. L’objet de ce chapitre est de proposer une méthode performante dans ANSYS qui est capable de considérer tous les phénomènes ci-dessus pour n’importe quel type de structure. Les structures étudiées au CERIB peuvent être une paroi d’un tunnel, une cheminée, une dalle …La structure choisie dans ce chapitre est une dalle alvéolée. Elle est suffisamment complexe pour considérer tous les phénomènes cités ci-dessus. De plus, les dalles alvéolées, avec leur grande utilité dans l’industrie, ont été beaucoup étudiées au CERIB ces dernières années. 

Description de la structure testée au CERIB

Figure 4.1 Schéma du four d’essai avec la dalle testée La dalle modélisée a une épaisseur de 28cm. Sa largeur est de 78cm et sa longueur est de 180cm (y compris le dépassement des torons sur 15 cm en about). Aux deux abouts, la section est pleine sur une longueur de 15cm. Dans les autres positions de la dalle, la section est alvéolée comme sur la Figure 4.2. La dalle est placée horizontalement dans le four d’essai du CERIB (face chauffée au dessus, c’est-à-dire à l’envers par rapport à leur configuration en réalité) (voir la Figure 4.1). Un isolant en laine minérale est interposé sur la périphérie. Il assure l’étanchéité au feu autour de la dalle et permet d’isoler la face latérale comme dans le cas d’une configuration réelle (présence de dalles adjacentes). Deux éléments isolants de béton cellulaire de hauteur de 10 Modélisation thermique des structures 115 cm sont ajoutés au niveau des chaînages d’about, côté face exposée afin de simuler la présence d’un voile porteur ou d’une retombée de poutre. L’essai ne représente pas totalement la configuration réelle en particulier l’effet de pincement des torons dépassants. Figure 4.2 Section transversale DAP 28 Figure 4.3 Plan de la dalle de l’essai du CERIB Pour les chaînages d’about, des armatures en forme de U sont mises en place afin de confiner la dalle testée et garder les fissures bien fermées. A une extrémité de la dalle, le béton de chaînage remplit les alvéoles sur 2 cm. A l’autre extrémité, le béton de chaînage remplit les alvéoles sur 10 cm (voir la Figure 4.3). Le four d’essai est muni de quatre brûleurs à gaz de 100 kW pilotés de manière automatique au moyen de thermocouples à plaque placés à 10 cm de la face exposée de la dalle. 116 L’augmentation de la température de l’air en contact avec la face exposée suit la courbe de feu ISO 834.

Généralités sur la modélisation

Figure 4.4 Modèle numérique et section transversale modélisée La section transversale de la dalle est périodique, le feu est constant sur toute la largeur de la dalle. C’est pourquoi, un volume élémentaire de la dalle qui contient une alvéole est modélisé. Dans la modélisation, la face exposée est la face inférieure, contrairement à l’essai (voir la Figure 4.4). En ce qui concerne les conditions limites, les faces inférieures (ligne rouge) sont exposées au feu. La face supérieure (ligne bleue) est en contact avec l’air de l’environnement. Les quatre faces latérales (ligne en marron) peuvent être considérées isolées thermiquement. Il n’y a donc pas de flux thermique traversant ces quatre faces. Quand aux matériaux, il y a trois différents matériaux utilisés dans cette modélisation : le béton de la dalle, le béton cellulaire et l’acier du toron. Les propriétés à déclarer sont la conductivité, la chaleur spécifique et la masse volumique. Pour le béton cellulaire, ces valeurs sont prises constantes par simplification : conductivité thermique = 0,125 W.m.K, chaleur spécifique = 1110 J/kg/K, masse volumique = 400 kg /m3 . Pour le béton de la dalle, ses propriétés sont définies dans l’Eurocode II. Leurs illustrations sont présentées dans les figures : Figure 4.5, Figure 4.6 et Figure 4.7. 117 Figure 4.5 Conductivité thermique du béton de la dalle [28] Figure 4.6 Chaleur spécifique du béton de la dalle [28] 118 Figure 4.7 Masse volumique du béton [28] Pour l’acier de toron, la masse volumique est constante et égale à 7800 kg/m3 . Les autres propriétés sont définies dans l’Eurocode II et sont illustrées sur les figures : Figure 4.8 et Figure 4.9.