RESISTANCE A FROID DES COLONNES EN PROFILS CREUX EN ACIER REMPLIS DE BETON

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NOTION «INCENDIE-FEU»

Sécurité incendie

Dans le cadre de la conception, de la vérification ou la réhabilitation d’un ouvrage vis-à-vis du comportement au feu, la problématique « incendie-feu » consiste avant tout à protéger les personnes et les biens tout en limitant la propagation de l’incendie. La sécurité incendie impose donc deux priorités : évacuer et protéger les personnes.

Dans cet axe, les pouvoirs publics fixent des dispositions, des arrêtés et des exigences règlementaires afin de prévenir du risque incendie, c’est-à-dire : empêcher la création du feu et limiter sa propagation, sécuriser la protection et l’évacuation des personnes, assurer l’intervention du personnels de lutte incendie (pompiers et autres personnels) en leurs facilitant l’utilisation de leurs moyens.

A travers le monde, le feu est l’une des causes de plusieurs décès et dégâts matériels. En France, par exemple, chaque année, il provoque le décès d’environ six cents personnes (98% des décès sont provoqués par asphyxie due aux fumées toxiques) et plus de 1.22 milliard d’euros sont versés aux entreprises par les sociétés d’assurances [2].

Il est à noter que lors d’un incendie, l’effondrement d’un ouvrage n’est jamais à l’origine des pertes humaines car en cet instant, la température à l’intérieur a atteint une valeur où aucune vie n’est plus possible.

Il est donc intéressant de se préoccuper du comportement de la structure durant l’évacuation des personnes (durant l’incendie) et celui de la phase d’après, durant l’extinction du feu. Bien sur, comme le stipule la législation en termes de sécurité, il faut s’assurer que le feu ne se propage pas à d’autres locaux et bâtiments voisins. Ceci ne peut être concrétisé qu’avec une bonne conception de l’ouvrage et des matériaux utilisés dans les éléments structuraux. Dans le domaine du bâtiment, l’acier, grâce à ces qualités du point de vue comportement au feu, il est le matériau de construction qui apporte les solutions techniques compétitives. En effet, l’acier est un matériau :

• incombustible ;

• étanches aux flammes et aux gaz ;

• après extinction du feu, il est le seul matériau à retrouver sa résistance initiale. Le risque de l’effondrement à froid est donc limité, ceci est un grand avantage permettant aux sapeurs-pompiers et experts de mener en sécurité leurs travaux.

Physique de l’incendie

Un incendie est un feu violent et destructeur, c’est une réaction de combustion non maîtrisée dans le temps et l’espace. Dans le domaine de l’incendie, historiquement, la combustion était connue sous le nom de « triangle de combustion » ou « triangle du feu ». A partir des années 1980, une quatrième partie fût identifiée, connue sous le nom de « radicaux libres » et la chimie du feu est donc basée sur le « tétraèdre du feu » comme représenté schématiquement sur la figure (1-2).

Pour qu’un incendie se déclare, trois éléments sont indispensables, à savoir :

– Le combustible, matière à l’état solide, liquide ou gazeux qui a la propriété de pouvoir brûler ou de consumer. Il existe sous trois formes : les solides (bois, papiers, cartons, mobiliers…), les liquides (essence…) et les gaz (butane, gaz naturel…) ;

– Le comburant, élément chimique constitué généralement par l’oxygène de l’air (de 16 à 21%), il permet d’entretenir la combustion ;

– Et la source de chaleur qui est l’énergie d’activation (chaleur, radiations, frottement, pression, court-circuit électrique, étincelle…).

Ces trois éléments constituent le « triangle du feu ». Si l’on supprime ou l’on agi sur l’un des trois éléments principaux de l’incendie (combustible, comburant ou source de chaleur), on favorise son extinction ou on atténue son effet.

– Les radicaux libres sont des molécules crées par rupture de liaison chimique due à l’énergie thermique dégagée lors de la combustion et vont agir sur les molécules du produit. Ceci va engendrer une réaction en chaine qui durera tant que le combustible et le comburant existe.

La chaleur provoquée dans un matériau en combustion se propage selon trois modes qui agissent séparément ou simultanément : la convection, la conduction et le rayonnement.

• Pour la convection, l’énergie thermique est transmise par les fluides en mouvement. Dans le cas de l’incendie, les échanges de chaleur par convection se font essentiellement à partir des gaz de combustion vers l’air ambiant. La transmission par convection peut être naturelle ou libre quand l’air chauffé de déplace par lui-même du fait qu’il est devenu plus léger. Elle peut être forcée dans le cas ou le déplacement de l’air chaud se fait mécaniquement comme par exemple le principe du sèche-cheveux.

• La transmission de la chaleur par conduction se fait par contact direct entre solides ou fluides par une interaction moléculaire, des zones chaudes vers les zones plus froides. La quantité d’énergie transmise dépend de la source de chaleur, de la conductibilité du matériau du corps récepteur et de la surface de contact. Ce transfert peut se réaliser au sein d’un seul corps ou par contact entre deux corps. Comme exemple, en touchant une marmite chaude, la chaleur se transmet à notre main par conduction.

• Le transfert de chaleur par rayonnement permet à l’incendie de transmettre son énergie à tous les corps environnants par propagation d’ondes électromagnétiques, par infrarouge. Dans un élément récepteur, une partie de la chaleur est réfléchie tandis que l’autre est absorbée et va le chauffé et éventuellement l’enflammer. Le soleil par exemple, transmet son énergie à la terre et la réchauffe.

La figure (1-3) montre schématiquement l’effet d’une source de chaleur sur un mur à deux parois, produisant simultanément une transmission de chaleur par conduction, par rayonnement et par convection.

Dans le domaine des incendies, sous l’action du vent, un autre mode de transmission de feu est à noter, c’est l’effet « Brandon » caractérisé par la propagation de petits fragments incandescents transportés par l’air. L’effet « Brandon » est généralement constaté à l’air libre dans les feus de forets.

Modes de propagation de l’incendie

Un incendie évolue généralement selon quatre phases distinctes comprenant une période de développement avec une élévation de température, suivie d’une période de régression caractérisée par une diminution de température. La figure (1-4) montre schématiquement les quatre phases de l’évolution d’un incendie réel. Le développement du feu dépend du combustible (quantité, répartition et vitesse de combustion), des conditions de ventilation (ouvertures) et du compartiment (géométrie et propriétés thermiques des parois).

Phase I : démarrage de l’incendie

La phase de démarrage du feu est caractérisée par un premier dégagement des gaz et fumées. Durant cette phase, le feu est dit « couvant ». La rapidité de cette phase et son intensité dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels, la nature du combustible, la ventilation du local et la source d’allumage. La température est localisée au point d’ignition ou les éléments du triangle du feu sont tous présent.

Phase II : déclenchement de l’incendie

Durant cette phase, malgré que le feu soit encore localisé, les flammes atteignent les matières proches du foyer du feu, la température augmente, les gaz chauds se dégagent et se répandent dans le compartiment.

Phase III : embrasement généralisé

Une fois les gaz chauds remplissent le local ou l’incendie s’est déclarer, la température augmente et entraine l’inflammation des combustibles présents. L’ensemble du compartiment s’embrase avec une température qui augmente très rapidement de 500 °C jusqu’à un maximum pouvant dépasser les 1000 °C et l’incendie atteint son plein développement, c’est l’embrasement généralisé connu sou le nom de « flash-over » en anglais.

Phase IV : retombée du feu

Durant cette phase ou il y a une retombée du feu, l’incendie décroît progressivement jusqu’à son extinction totale, soit par diminution du combustible ou sa consommation totale, soit par l’intervention des services de secours tels que les sapeurs-pompiers. Il est à noter que la température des gaz dans le compartiment baisse dès que le combustible est consommé à 70% [2]. Malgré que l’extinction du feu ait été totale, les éléments structuraux des ouvrages et bâtiments continuent à s’échauffer et les risques d’effondrement sont toujours possible.

Les deux premières phases d’un incendie sont très importantes dans la mesure où il est encore à son état de démarrage. Des mesures actives peuvent être prises par les services de sécurités pour sauver les vies et les biens mais aussi pour empêcher le développement de l’incendie. Durant les phases III et IV, l’incendie devient dévastateur et les mesures passives mises en place dans l’ouvrage ne suffisent plus. Il est donc impossible de combattre l’incendie dans le compartiment complètement embrasé et les efforts des services de sécurités s’orientent pour essayer d’éviter la propagation du feu dans d’autres compartiments ou vers les bâtiments et ouvrages situés dans le voisinage.

La figure (1-5) montre une représentation schématique de deux types de feu réel : un non maitrisé avec ses quatre phases de développement, depuis le déclenchement jusqu’à l’extinction totale, comme indiqué sur la figure (1-4) et un maitrisé par les mesures actives mises à la disposition du personnel de secours ou l’on remarque, une diminution de la température dans le compartiment après le flash-over, suivit d’une retombée très rapide des températures entrainant l’extinction de l’incendie.

Modélisation d’un incendie

Après avoir donné un aperçu sur le feu réel et son développement avec ses quatre phases, depuis son démarrage jusqu’à son extinction totale (figures 1-4 et 1-5), il est bien clair que sa modélisation par une loi décrivant réellement l’évolution des températures des gaz, dans un compartiment, en fonction du temps est difficile, voire impossible.

Pour la justification de la résistance au feu des éléments structuraux d’un ouvrage, quelque soit sa nature, en béton armé, en acier, mixtes acier béton ou autres, il est indispensable de connaitre l’évolution de la température en fonction du temps dans un compartiment en feu.

A partir de cela, les normes et règles proposent certains modèles de feu donnant l’évolution de la température des gaz en fonction du temps dans un compartiment. Concernant la justification des structures vis-à-vis du feu, parmi les normes adoptées en Europe et dans d’autres pays, on notera les normes Eurocodes 2, 3 et 4 respectivement pour les structures en béton armé, en acier et mixtes acier béton. Puisque le feu est considéré comme étant une action accidentelle, la norme Eurocode 1, dans sa partie 1-2 noté EN 1991-1-2, traite les actions sur les structures exposées au feu.

Pour le dimensionnement et la justification du comportement au feu des structures, les scénarios de feu pris en compte doivent inclure les conditions d’embrasement généralisé (post-flash-over). Les photos de la figure (1-6) montrent le développement d’un feu dans un local.

L’Eurocode EN 1991-1-2 propose de prendre en compte les scénarios des modèles de feu basé sur les courbes nominales température/temps (courbe de feu normalisée, courbe de feu extérieur et courbe de feu hydrocarbure) et les scénarios des modèles de feu naturel comprenant les modèles de feu simplifiés (feux de compartiments et feux localisés) et les modèles de feux avancés. Concernant le feu normalisé, une courbe nommée ISO 834 [3] a été adoptée au niveau international. Elle matérialise l’action des incendies dans des compartiments afin de réaliser des essais de résistance au feu des éléments structuraux tels que poutres, poteaux, murs, portes et autres.

Courbe nominales température/temps

L’Eurocode EN 1991-1-2 propose les courbes nominales température/temps suivantes où θ g est la température des gaz dans le compartiment en [°C] et t le temps en [min].

Courbe de feu normalisé ISO 834 (norme internationale)

Dans le domaine du bâtiment, vis-à-vis du comportement de la résistance au feu, tous les règlements européens se réfèrent à la courbe standard ISO 834 dont l’évolution de la température en fonction du temps est donnée par la relation (1-1).

Cette équation met en évidence deux phases lors d’un incendie : une première période caractérisée par un embrasement généralisé ou l’on remarque une augmentation très rapide de la température pouvant atteindre 450°C après seulement 2 minutes de feu, 650 °C après 8 minutes et plus de 800 °C après 25 minutes, suivit d’une période avec une augmentation moins rapide de la température, avec un pas de 100°C à chaque fois que l’on double le temps, jusqu’à environ 1200°C où l’incendie est entièrement développé. En termes de matériaux, la courbe température-temps ISO 834 représente les feux de produits de type cellulosiques.

Par rapport à un incendie naturel, la courbe ISO présente les particularités suivantes :

– elle est théorique et les températures calculées peuvent être dépassées dans un incendie réel ;

– la température est toujours croissant, elle est supposée la même dans tout le compartiment, alors qu’en réalité elle varie selon l’endroit et commence à diminuer avec la consommation du combustible ;

– elle est la même pour tous les types d’ouvrages, quelques que soient les types de dimensions, d’ouvertures, de ventilation et de quantité de charge calorifique.

Il est à noter que lors des essais réalisés au four, les brûleurs sont disposés de telle façon à éviter que les flammes attaquent directement les spécimens testés. C’est donc les températures des gaz chauds qui sont prisent en compte et non l’agression de l’attaque directe des flammes.

A titre d’information, la norme américaine ASTM E119 [4] et la norme canadienne ULC S101 [5] adoptent une courbe nominale températures/temps selon la relation (1-2) ou t est le temps en minutes.

La figure (1-7) montre la comparaison entre les courbes ISO 834 et ASTM E119. Il est évident que ces deux courbes sont sensiblement les mêmes. On notera au passage que d’autres courbes normalisées températures/temps existent et sont presque identique à la courbe ISO 834 comme par exemple la norme australienne AUSTRALIAN STANDARD AS1530 (4) [6], et la norme britannique BS476 (20-23) [7].

Le feu extérieur est utilisé pour les éléments extérieurs tels que les murs et cloisons jouant un rôle de séparation et de coupe-feu. D’après l’Eurocode 1 (EN 1991-1-2), le feu est appliqué à la face externe des murs extérieurs susceptibles d’être exposés au feu à partir de différentes parties de la façade, soit de l’intérieur du compartiment concerné soit d’un compartiment se trouvant au dessous ou à côté de .mur extérieur concerné.

Dans la courbe température-temps d’un feu extérieur, les températures sont très inférieures à celles de la courbe ISO 834. Elles atteignent les 600°C après environ cinq à six minutes de feu pour se stabiliser à 680°C après environ quinze minutes de feu.

Courbe de feu hydrocarbure

La courbe température/temps de feu d’hydrocarbure est donnée par la relation (1-4) suivante : θg 20 1080(1 0.325e0.167t 0.675e2.5t ) (1-4)

Le scénario d’un feu d’hydrocarbure est utilisé pour les ouvrages et structures sollicités à des incendies provenant de liquides de type hydrocarbures, tels que les ponts (convois routiers pétroliers) et les réservoirs (stockage de produit liquide inflammable). Dans la courbe température-temps d’un feu hydrocarbure, les températures augmentent plus rapidement que celles de la courbe standard ISO 834 avec environ 900°C dans les trois premières minutes et 1000°C après dix minutes pour se stabiliser à 1100°C après environ 20 minutes de feu.

Modèles de feu naturel

Pour les modèles de feu naturel, l’Eurocode EN 1991-1-2 propose deux modèles : un modèle de feu simplifié et un modèle de feu avancé.

Modèles de feu simplifié

Les modèles de feu simplifiés sont basés sur des paramètres physiques spécifiques avec une limitation dans leur domaine d’application en prenant comme coefficient de transfert thermique par convection αc la valeur de 35 W/m2K. Pour le calcul de la densité de charge calorifique de calcul qf,d, une méthode est donnée dans l’annexe E. Il existe le feu localisé et le feu de compartiment. La répartition de la température en fonction du temps est supposée uniforme pour le feu de compartiment et non uniforme pour le feu localisé. Pour les modèles de feu simplifiés, l’annexe nationale peut proposer une procédure de calculs des conditions d’échauffement.

Feux localisés

Les modèles de feux localisés sont généralement utilisés pour le calcul des actions thermiques sur les éléments structuraux horizontaux des planchers et toitures tels que les poutres.

Pour un feu localisé, en l’absence d’un embrasement général, l’annexe C de l’Eurocode (EN 1991-1-2) propose deux approches simplifiées pour la détermination des actions thermiques. La première, basée sur la méthode d’Hasemi, concerne le cas ou la flamme touche le plafond et la deuxième traite la situation ou la flamme ne touche pas le plafond, basée sur la méthode d’Heskestad. Les figures (1-8)a et (1-8)b montrent schématiquement les deux situations de feux localisés.

Selon la section (3.3.2) de l’Eurocode 1 (EN 1991-1-2), pour un calcul plus précis sur la répartition thermique le long d’un élément structural, il est admis de combiner les résultats obtenus avec de l’approche du modèle de feu localisé et l’approche du modèle de feu deux zones (voir paragraphe 1.2.4.2.2.1.2). A chaque emplacement le long de l’élément, on peut prendre l’effet maximal du champ thermique obtenu par les deux modèles de feu.

L’application de ces deux approches impose la connaissance des données suivantes :

• Le débit calorifique Q en [W] avec Q 50 MW ;

• La distance H en [m] entre le foyer d’incendie et le plafond et le diamètre du feu D en [m] avec D 10 m (voir figure (1-8)a et (1-8)b) ;

Cas ou la flamme ne touche pas le plafond (Figure (1-8)a) : Lf < H

Lorsque le feu ne touche pas le plafond, la relation (1-6) permet de calculer la température θg(z) à différentes hauteurs « Z » le long de l’axe vertical de symétrie de la flamme.

o Q est le débit calorifique en [W] calculé selon l’annexe E4 de l’Eurocode EN 1991-1-2 ;

o D et H respectivement le diamètre du feu en [m] et la distance en [m] entre le foyer d’incendie et le plafond (voir figure (1-8)a) ;

o Qc est la composante de convection en [W] du débit calorifique Q. Par défaut, on peut prendre Qc = 0,8Q ;

o Z est la hauteur en [m] suivant l’axe de la flamme ou on veut calculer la température θg(z) (voir figure (1- 8)a) ;

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 PRESENTATION DES SECTIONS MIXTES ACIER BETON
1.2 NOTION «INCENDIE-FEU»
1.2.1 Sécurité incendie
1.2.2 Physique de l’incendie
1.2.3 Modes de propagation de l’incendie
1.2.4 Modélisation d’un incendie
1.2.4.1 Courbe nominales température/temps
1.2.4.2 Modèles de feu naturel
1.2.4.3 Courbes paramétrées température/temps d’un feu naturel de compartiment (Annexe A – Eurocode 1 – EN 1991-1-2)
1.3 EXEMPLE DE DETERMINATION D’UNE COURBE INCENDIE PARAMETREE (annexe a de l’eurocode en 1991-1-2)
1.4 PROCEDURE DE CALCUL STRUCTURAL AU FEU
1.5 ACTIONS POUR L’ANALYSE THERMIQUE (ACTIONS THERMIQUES)
1.6 ACTIONS POUR L’ANALYSE STRUCTURALE (ACTIONS MECANIQUES)
1.7 CONCLUSION
1.8 PROPRIETES THERMO-MECANIQUES des MATERIAUX ACIER et BETON AUX TEMPERATURES ELEVEES
1.8.1 COMPORTEMENT DE L’ACIER DE CONSTRUCTION
1.8.1.1 Caractéristiques thermo-physiques
1.8.1.2 Caractéristiques mécaniques
1.8.2 COMPORTEMENT de L’ACIER D’ARMATURE
1.8.3 COMPORTEMENT DU BETON
1.8.3.1 Caractéristiques thermo-physiques
1.8.3.2 Caractéristiques mécaniques
1.9 INTERACTION BETON-ACIER DANS LES POTEAUX MIXTES EN PROFIL CREUX EN ACIER REMPLI DE BETON
CHAPITRE 2 RESISTANCE A FROID DES COLONNES EN PROFILS CREUX EN ACIER REMPLIS DE BETON
2.1 GENERALITES
2.2 HISTORIQUE SUR L’ETUDE DU FLAMBEMENT
2.3 RESISTANCE SOUS CHARGES CENTREES
2.3.1 Domaine d’application de la méthode de l’Eurocode 4
2.3.1.1 Vérification de la résistance à la compression simple
2.3.1.2 Résistance à une interaction de compression et flexion
2.4 INSTABILITÉ À FROID DES POTEAUX MIXTES À LA FLEXION BIAXIALE PAR LA MÉTHODE DES ÉLÉMENTS FINIS. Cas des sections rectangulaires
2.4.1 Modèles de comportement à froid des matériaux acier et béton
2.4.2 Rigidité flexionnelle «EI» des sections en tubes d’acier remplis de béton
2.4.2.1 Rigidité à partir de la relation moment-courbure
2.4.3 Détermination de la charge de ruine par la méthode des éléments finis
2.4.3.1 Analyse linéaire de la stabilité
2.4.3.2 Théorie générale du flambement biaxial
2.4.3.3 Formulation de la théorie
2.4.3.4 Procédure de détermination de la charge de ruine
2.4.3.5 Organigramme de la procédure
2.4.4 Comparaison des résultats, analyses et conclusions
2.4.4.1 Rigidité élastique d’après l’Eurocode 4
2.4.4.2 Interprétation des résultats obtenus
CHAPITRE 3 RESISTANCE DES PROFILS CREUX EN ACIER REMPLIS DE BETON, A TEMPERATURE ELEVEE
3.1 MODELE DE VALEURS TABULEES
3.1.1 Introduction
3.1.2 Vérification de la résistance au feu des éléments mixtes par valeurs tabulées selon l’Eurocode 4
3.2 MODELE DE CALCULS SIMPLIFIES ET CALCULS AVANCES
3.2.1 Stabilité au feu des poteaux non-protégés en profils creux en acier remplis de béton (Annexe G de l’Eurocode 4 – ENV 1994-1-2 et Annexe H de l’Eurocode 4 EN 1994-1-2)
3.2.2 Stabilité au feu des poteaux non-protégés, en profils creux en acier, remplis de béton (Annexe nationale française de l’eurocode 4 – EN 1994-1-2)
3.2.3 Résistance au feu des poteaux mixtes en profil creux en acier, remplis de béton, selon la méthode de KODUR
3.2.4 Méthodes de calculs avancés
CHAPITRE 4 ANALYSE PAR ELEMENTS FINIS DU COMPORTEMENT AU FEU DES PROFILS CREUX EN ACIER REMPLIS DE BETON SELON LE CODE DE CALCUL NUMERIQUE « SAFIR »
4.1 INTRODUCTION
4.2 INTERFACE GID (HTTP://GID.CIMNE.UPC.ES/)
4.3 CAPACITES DE SAFIR
4.3.1 Capacités de l’analyse thermique
4.3.2 Capacités de l’analyse de torsion
4.3.3 Capacités de l’analyse structurale de torsion
4.4 APPROCHE NUMERIQUE DE L’ANALYSE STRUCTURALE
4.5 APPROCHE NUMERIQUE DE L’ANALYSE THERMIQUE
4.6 MODELES DES FICHIERS POUR LES ANALYSES THERMIQUES ET STRUCTURALES
4.6.1 ANALYSE THERMIQUE
4.6.2 ANALYSE STRUCTURALE
CHAPITRE 5 ETUDES COMPARATIVES DES METHODES UTILISEES
5.1 MODELES DE FEUX UTILISES
5.2 COMPARAISON ENTRE LES TROIS METHODES POTFIRE, SAFIR ET KODUR
5.3 COMPARAISON DES RESULTATS DES TROIS METHODES AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX
5.4 COMPARAISON ENTRE SAFIR ET POTFIRE POUR DES CHARGES EXCENTREES
5.5 COMPORTEMENT AU FEU DES COLONNES NON PROTEGEES EN BETON ARME SOUS L’ACTION D’UN FEU NATUREL
5.5.1 Protection des structures en béton armé contre l’action du feu
5.5.2 Protection des poteaux en béton armé contre l’action du feu
5.5.3 Interprétations des résultats de l’analyse thermique
5.5.4 Résultats et interprétations de l’analyse mécanique
CONCLUSIONS
RECOMMANDATIONS
REFERENCES