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8.5 Comportement au feu d’une sélection de parties de construction et de systèmes porteurs

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8.5.1 Constructions en acier

Un échauffement de l’acier provoque d’une part une diminution de la limite élastique, et d’autre part, une réduction du module d’élasticité. La diminution de la capacité portante qui en découle ainsi que les déformations qui se forment influencent le comportement du système porteur des constructions en acier de manière déterminante. Comme la conductivité thermique de l’acier est très élevée comparativemnt à d’autres matériaux de construction, en première approximation on peut admettre qu’une répartition de température uniforme s’établit rapidement sur toute la section transversale de l’acier.

La quantité de chaleur, par mètre de longueur, pénétrant dans l’élément en acier se détermine comme suit:

(8.7)

alors que la quantité de chaleur accumulée, par mètre de longueur, dans l’élément en acier se calcule par:

(8.8)

Pour l’élévation de température ΔθAc durant l’intervalle de temps Δt ou pour , on obtient en première approximation:

Evolution temporelle de la température
Fig. 8.10: Evolution temporelle de la température

(8.9)

La résistance au feu des constructions en acier peut être améliorée en choisissant une plus grande section transversale qui peut également supporter la charge existante lorsque la capacité portante est réduite (→ surdimensionnement!). En outre, on peut éviter un réchauffement rapide et ainsi augmenter la durée de résistance au feu par:

  • une forme de section transversale présentant une moindre surface par unité de masse linéique (les éléments de construction laminés élancés se réchauffent plus rapidement que les éléments compacts)
  • l’isolation thermique de la partie de construction (p. ex. revêtement avec des plaques de fibres-ciment ou de plâtre, pose de couches d’isolation, coulage en béton)
  • des peintures intumescentes (matériaux qui, en moussant sous l’effet de la chaleur, forment une couche isolante à la chaleur)
  • refroidissement de la partie de construction par de l’eau (la chaleur de vaporisation de l’eau dispersée sur la surface métallique, p. ex. par une installation sprinkler, évacue la chaleur de l’acier).
Température moyenne de l'acier pour des éléments en acier avec et sans revêtement sous l'effet d'un incendie d'après la courbe d'incendie normalisé ISO
Fig. 8.11: Température moyenne de l’acier pour des éléments en acier avec et sans revêtement sous l’effet d’un incendie d’après la courbe d’incendie normalisé ISO (ISO 834) en fonction du facteur de profil U/G= l/ρ · U/A en m2 · kg, d/λ (revêtement) 0,1 m2 · K/W, (hc ~ 2,5 W/m2 K); F12 (acier) ~ 0.5)

Tab. 8.8: Influence de l’enrobage des poteaux en acier sur la résistance au feu: épaisseur minimale d en mm du revêtement (plaques de plâtre cartonné, λ ~ 0,2 W/(m · K) pour des poteaux en acier avec U/A ≤ 300 m–1 [8.6]

Tab. 8.9: Exigences pour les structures porteuses en acier [8.13]

8.5.2 Constructions en béton

Les mortiers de ciment et la plupart des additifs ont en soi une bonne stabilité thermique. Les fers d’armature sont protégés d’un échauffement rapide par une épaisseur suffisante de recouvrement par le béton. Néanmoins, le béton subit des dégâts quand l’échauffement est important et surtout quand il est rapide. Les causes sont:

  • relâchement de la structure par les diverses dilatations thermiques (les dilations thermiques différentes du mortier de ciment et des additifs d’une part, ainsi que certains additifs d’autre part, conduisent à des tensions internes qui détendent la structure)
  • éclatement et écaillage à cause des grandes différences de température (la conductivité thermique relativement faible du béton provoque une chute de température importante à l’intérieur des constructions en béton soumises à un échauffement rapide. Les tensions qui apparaissent alors entre les couches échauffées externes et les couches froides internes entraînent l’éclatement de couches entières).
Répartition de la température dans un mur en béton de 20 cm exposé à un feu selon la courbe d'incendie normalisé ISO 834
Fig. 8.12: Répartition de la température dans un mur en béton de 20 cm exposé à un feu selon la courbe d’incendie normalisé ISO 834

  • éclatement par pression de vapeur (l’eau présente dans le béton s’évapore à la température appropriée et la surpression qui s’ensuit alors à l’intérieur de l’élément de construction peut également conduire à l’éclatement de couches entières).

Protection incendie des parties en béton armé sollicitées en traction

Aux emplacements où la force de traction de l’acier d’armature est déterminante pour la capacité portante de la construction, donc en particulier dans les zones de tension des poutres de flexion, la défaillance de l’armature est décisive pour l’épuisement de la capacité portante. Tant que le béton demeure intact, l’augmentation de température se répartit relativement lentement dans les aciers d’armature. A l’instant où le recouvrement est perdu à cause de l’écaillage, les fers d’armature dénudés s’échauffent très rapidement. Pour des charges thermiques limitées un recouvrement normal en béton suffit comme protection. Pour des charges thermiques plus élevées, la résistance au feu peut être améliorée par des recouvrements plus épais. Des mesures spéciales sont toutefois nécessaires pour empêcher le décollement du recouvrement (mise en place d’armatures en treillis). Voir aussi Fig. 8.13.

Protection incendie des parties en béton armé sollicitées en compression

Si la zone de compression d’une poutre de flexion se trouve exposée au feu, la section transversale diminue suite aux écaillages et le béton est affaibli par relâchement structurel, c’est-à-dire qu’une partie de la zone de compression du béton est perdue. Ainsi le bras de levier des forces internes et le moment de rupture s’en trouvent réduits.

Une armature en treillis qui ralentit l’écaillage améliore aussi la résistance au feu (voir aussi Fig. 8.14).

Revêtement de l'acier dans la zone de tension et effet du feu; épaisseurs de revêtement minimales d pour des poutres porteuses statiques en fonction de la largeur de poutre b en comparaison avec des dalles porteuses statiques
Fig. 8.13: Revêtement de l’acier dans la zone de tension et effet du feu; épaisseurs de revêtement minimales d pour des poutres porteuses statiques en fonction de la largeur de poutre b en comparaison avec des dalles porteuses statiques (b→ ∞) pour des classes de résistance au feu F 30 à F 180 [8.6]

Affaiblissement de la zone de pression d'une poutre en flexion par suite de l'écaillage du béton
Fig. 8.14: Affaiblissement de la zone de pression d’une poutre en flexion par suite de l’écaillage du béton

Réduction par la combustion de la section transversale utile à la résistance au feu pour une poutre en bois massive. Pour les poutres en flexion, la couche protectrice peut s'écailler du côté en traction ce qui conduit à des vitesses de combustion allant jusqu'à 1,1 mm/min.
Fig. 8.15: Réduction par la combustion de la section transversale utile à la résistance au feu pour une poutre en bois massive. Pour les poutres en flexion, la couche protectrice peut s’écailler du côté en traction ce qui conduit à des vitesses de combustion allant jusqu’à 1,1 mm/min.

8.5.3 Constructions en bois

Bien que le bois soit combustible, il peut présenter une certaine résistance au feu. Le bois est d’une part un mauvais conducteur de chaleur qui fait que la chaleur ne peut se propager que lentement dans l’élément de construction. D’autre part, la combustion est ralentie par la couche carbonisée qui se forme sur la surface suite à la gazéification du bois.

L’hypothèse d’une vitesse de combustion constante permet une estimation simplifiée de la résistance au feu. Les vitesses de combustion suivantes peuvent être admises: bois de conifères ≈ 0,6 mm · min–1 à 0,8 mm · min–1, chêne ≈ 0,4 mm · min–1. Le bois scié brûle plus rapidement que le bois lamellé-collé, entre autre à cause des inévitables fissures dues au retrait. La résistance au feu résulte de la réduction de la section transversale (voir Fig. 8.15).

Des baguettes minces n’offrent aucune résistance au feu appréciable. Par contre, avec des poutres plus importantes, une résistance au feu de 30 à 45 minutes peut être atteinte. La combustion réduit également la section transversale des poteaux en bois. Il en résulte une augmentation de l’élancement qui entraîne une diminution de la contrainte admissible de flambement.

La résistance au feu du bois peut être améliorée par imprégnation minérale.


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2018-09-24T19:49:46+00:00
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