Diagnostic de La Résistance Au Feu Des Structures [PDF]

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DIAGNOSTIC DE LA RÉSISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS GUIDE METHODOLOGIQUE CONFORME AUX EUROCODES Laurent-Pierre CULMINE

Eurocodes Calculs de structures Béton, acier, bois Règlement de Sécurité Ingénierie de la Sécurité Incendie Diagnostic d’ouvrages Réparation après incendie

DIAGNOSTIC DE LA RÉSISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS – GUIDE METHODOLOGIQUE CONFORME AUX EUROCODES. RÉSUMÉ Les Eurocodes sont applicables. D'un bout à l'autre de l'Europe, les bâtisseurs emploieront désormais le même langage, les mêmes codes de calculs. L'ingénieur européen a besoin d'un outil pour diagnostiquer la résistance au feu d'ouvrages existants aux Eurocodes. Dans chaque pays, les règlements de sécurité contre l'incendie imposent des résistances au feu minimales. Ce mémoire expose et explique les règlements français, ce qu'est un incendie et son développement. Les Eurocodes sont ensuite abordés, les généraux dont celui spécifique aux structures exposées au feu, puis les Eurocodes Béton, Acier et Bois. Le calcul à froid et en cas d'incendie de chacun de ces matériaux est présenté. Les méthodes de calcul rapides avec leurs abaques d'application sont expliquées, permettant de vérifier efficacement la stabilité au feu d'une structure. Pour chaque matériau, des exemples de calculs au feu sont détaillés. Les anciennes règles de calcul sont rappelées et comparées. L'ouvrage expose différentes méthodes d'auscultation et de réparation après un incendie. Des cas concrets de sinistres récents sont présentés. Une réflexion sur l'avenir de l'ingénierie de la sécurité incendie est aussi proposée. L'ingénieur dispose ainsi d'un soutien pour son projet de sécurité incendie, de la prise en compte des paramètres réglementaires jusqu'aux techniques constructives. Mots clés : Eurocode, incendie, structure, acier, béton, bois, diagnostic, réparation DIAGNOSIS OF THE FIRE RESISTANCE OF EXISTING BUILDINGS - METHODOLOGICAL GUIDE BASED ON EUROCODES SUMMARY The Eurocodes are applicable. Throughout Europe, the builders will use henceforth the same language, even codes of calculations. The European engineer needs a tool to diagnose the fire resistance of buildings existing in the Eurocodes. In every country, the security regulations against the fire impose minimal fire resistances. This report exposes and explains the French regulations, what is a fire and its development. The Eurocodes are then approached, the generals of whom that specific in the structures exposed to fire, then the Eurocodes Concrete, Steel and Wood. The calculation in normal temperature and in case of fire of each of these materials is presented. The fast methods of calculation with their abacuses of application are explained, allowing verifying effectively the stability on the fire of a structure. For every material, examples of calculations on the fire are detailed. The former rules of calculation are called back and compared. The work exposes various methods of auscultation and repair after a fire. Concrete cases of recent disasters are presented. A reflection on the future of the engineering of the fire safety is also proposed. The engineer so has a support for his project of fire safety, the consideration of the statutory parameters up to the constructive techniques. Keywords: Eurocode, fire, structure, steel, concrete, wood, diagnosis, repair

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REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier en tout premier lieu le CNAM, honorable institution créée en 1794 par l’abbé GRÉGOIRE et dont le but, splendide, est depuis son origine de diffuser au plus grand nombre le savoir scientifique : il enseigne à tous et partout (docet omnes ubique). Merci à Messieurs KERN et MATHIEU pour votre constance et le sérieux de votre enseignement. Un immense merci à vous et aux autres enseignants du CNAM pour ces innombrables soirées et ces samedis passés à nos cotés, à nous éclairer sur la théorie, l’art et la pratique. Merci à mes parents pour leurs valeurs. Et je les remercie affectueusement pour les promesses à tenir… Merci à Marie-Lou et à Maxence, mes enfants, pour leur compréhension et pour la joie qu’ils distillent dans nos maisons. Enfin, un doux merci à Marjorie, mon épouse, pour sa confiance et son soutien. Merci de m’avoir épaulé, aiguillonné quand il le fallait et toujours, toujours, de m’avoir aidé à croire.

Laurent-Pierre Culmine [email protected]

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LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS

AFNOR

Association Française de NORmalisation

BAEL

Béton Armé aux États Limites

BET

Bureau d’Etudes Technique

CdT

Code du Travail

CEE

Communauté économique européenne

CEN

Comité européen de normalisation

CF xh

Coupe Feu « x » heure

CSTB

Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

CT

Contrôle Technique

CTICM

Centre Technique Industriel de la Construction Métallique

DTU

Document Technique Unifié

EC

Eurocode

ELS

État Limite de Service

ELU

État Limite Ultimes

ICPE

Installation Classée pour la Protection de l’Environnement

ERP

Établissement Recevant du Public

IGH

Immeuble de Grande Hauteur

ISO

Organisation internationale de normalisation

FCBA

Institut technologique Forêt Cellulose Bois-construction Ameublement

JO

Journal Officiel

NF EN

Norme Européenne et Française

PV

Procès Verbal

SF xh

Stable au Feu « x » heure

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TERMINOLOGIE

Analyse linéaire Calcul prenant pour hypothèses que les matériaux respectent la loi de Hooke et qu’ils sont soumis à des déplacements de faible amplitude. Construction

Tout ce qui concerne ou résulte des opérations de construction. Ce terme recouvre les bâtiments et les ouvrages de génie civil. Il désigne les constructions entières, incluant leurs éléments structuraux, non structuraux et géotechniques

Contrôle Technique Rendu obligatoire pour certains ouvrages par la Loi Spinetta du 4 janvier 1978, il vise à prévenir les aléas techniques susceptibles d'entraîner des sinistres, et de vérifier le respect des règles de l'art en matière de construction. Eurocodes

Normes européennes de conception, de dimensionnement et de justification des structures de bâtiment et de génie civil.

Flash-over

Embrasement généralisé éclair qui se produit dans un local alimenté en oxygène de façon continue. Le feu se propage soudainement d’un point à l’ensemble du local. Il est à différencier du backdraft (retour de flammes) qui s’obtient par un afflux soudain d’oxygène.

Massiveté

Le facteur de massiveté est le rapport entre la surface exposée au feu et le volume d’un élément

Ouvrage

Résultat d’une construction

Public

Ensemble de personnes pouvant évoluer librement dans un lieu considéré et susceptibles de ne pas connaitre ce lieu.

Stabilité au feu Ce critère s’exprime uniquement en termes de temps. C’est la durée pendant laquelle un élément résiste à un feu conventionnel sans ruine ou déformation dommageable. Structure

Assemblage de pièces conçu pour supporter des charges et assurer un degré suffisant de rigidité

A noter que l’on trouve un glossaire spécifique aux termes employés dans l’industrie du bois au chapitre 6.1 de ce document et que l’Eurocode 0, rappelé en annexe, définit les expressions utilisées aux Eurocodes. DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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Sommaire

Résumé

.................................................................................................................... 2

Remerciements................................................................................................................. 3 Liste des sigles et abréviations .......................................................................................... 4 Terminologie .................................................................................................................... 5 Introduction .................................................................................................................. 10 Chapitre 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Le feu. L’incendie........................................................................................ 12

Le triangle du feu ....................................................................................................... 12 Développement du feu dans un local........................................................................ 13 Les étapes du feu ....................................................................................................... 14 Les incendies célèbres ............................................................................................... 18 Les incendies en France en 2009 ............................................................................... 22

Chapitre 2

Résistance et réaction au feu ...................................................................... 24

2.1 Évacuer et protéger… ................................................................................................ 24 2.2 Résistance au feu et Réaction au feu ........................................................................ 25 2.2.1 Avant l’harmonisation européenne ................................................................... 26 2.2.2 Depuis l’harmonisation européenne ................................................................. 26 2.3 Réaction au feu .......................................................................................................... 27 2.3.1 Les Euroclasses ................................................................................................... 27 2.3.2 Les essais de réaction au feu .............................................................................. 28 2.4 Résistance au feu ....................................................................................................... 30 2.5 Performance en résistance au feu............................................................................. 31 2.5.1 Justification de la résistance au feu par le calcul ............................................... 31 2.5.2 Justification de la résistance au feu par essais .................................................. 32 2.6 Les résistances au feu minimales réglementaires ..................................................... 35 2.6.1 Établissements recevant du Public (ERP) ........................................................... 36 2.6.2 Bâtiments soumis au Code du Travail avec dernier plancher à plus de 8m ...... 37 2.6.3 Bâtiments d’habitations ..................................................................................... 38 2.6.4 Immeubles de grande hauteur (IGH) ................................................................. 38 2.6.5 Tunnels routiers ................................................................................................. 39 2.6.6 Tunnels autorisés au transit des matières dangereuses .................................... 39 2.7 Une nouvelle approche. L'ingénierie de la sécurité incendie ................................... 40 Chapitre 3 3.1 3.2

presentation des eurocodes ....................................................................... 41

Un peu d’histoire récente .......................................................................................... 41 Nomenclature des Eurocodes ................................................................................... 41

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3.3 Mise en application des Eurocodes – Obligation de leur application ....................... 42 3.4 Principe de conception .............................................................................................. 42 3.4.1 Une démarche Qualité ....................................................................................... 43 3.4.2 Durée de vie - Durabilité .................................................................................... 44 3.4.3 Méthodes probabilistes et semi-probabilistes .................................................. 44 3.5 L’Eurocode 0 – Eurocodes structuraux ...................................................................... 46 3.5.1 EUROCODE 0 : EUROCODES STRUCTURAUX ...................................................... 46 3.5.2 Termes et définitions ......................................................................................... 46 3.5.3 Les noms des variables ....................................................................................... 47 3.5.4 Exigences de base............................................................................................... 48 3.6 Combinaisons de calcul. Méthode des coefficients partiels ..................................... 49 3.6.1 Calculs aux ELU ................................................................................................... 50 3.6.2 Calculs eux ELS.................................................................................................... 51 3.7 Charges permanentes / Charges d’exploitation ........................................................ 53 3.7.1 Charges permanentes ........................................................................................ 53 3.7.2 Charges d’exploitation ....................................................................................... 53 3.8 L’Eurocode 1 partie 1-2. Actions sur les structures exposées au feu ........................ 54 3.8.1 Principe fondamental des calculs au feu............................................................ 55 3.8.2 Feu normalisé – Courbe ISO 834 ........................................................................ 55 3.8.1 Combinaison de calcul au feu ............................................................................ 56 3.8.2 Combinaison de calcul simplifiée ....................................................................... 57 Chapitre 4

L’Eurocode 2 - Calcul des structures en béton ............................................. 58

4.1 Les matériaux............................................................................................................. 58 4.2 Comparaison BAEL / EUROCODES ............................................................................. 58 4.3 Enrobages .................................................................................................................. 59 4.4 Principe de calcul aux états limites ........................................................................... 59 4.4.1 Calcul aux ELU .................................................................................................... 60 4.4.2 Calcul aux ELS ..................................................................................................... 60 4.5 Calcul du comportement au feu ................................................................................ 61 4.5.1 Analyse par éléments ......................................................................................... 62 4.5.2 Combinaison de calcul........................................................................................ 63 4.6 Méthode tabulée de calcul d’un poteau ................................................................... 63 4.7 Méthode tabulée pour le calcul d’un poteau ............................................................ 64 4.7.1 Dimensionnement des poteaux. Méthode A. Exemple de calcul. ..................... 64 4.7.2 Dimensionnement des poteaux. Méthode B ..................................................... 67 4.8 Dimensionnement des voiles .................................................................................... 68 4.8.1 Voiles non porteurs ............................................................................................ 68 4.8.2 Voiles porteurs ................................................................................................... 69 4.9 Vérification des poutres ............................................................................................ 69 Chapitre 5 5.1 5.2 5.3

L’Eurocode 3 - Calcul des structures en acier ............................................... 72

Détermination de la température des structures métalliques ................................. 72 Détermination du flux thermique net ....................................................................... 72 Détermination de la stabilité au feu .......................................................................... 73

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5.4 Présentation des méthodes de résolution ................................................................ 73 5.5 Facteur de massiveté (≠ massivité) ........................................................................... 74 5.6 Calcul de la température d’échauffement ................................................................ 76 5.6.1 Propriétés thermiques de l’acier ........................................................................ 76 5.6.2 Équations générales de l’échauffement de l’acier non protégé ........................ 76 5.6.3 Résolution graphique ......................................................................................... 77 5.7 Méthode de la température forfaitaire..................................................................... 78 5.8 Méthode du taux de chargement.............................................................................. 79 5.8.1 Taux de chargement en situation d’incendie µ0 ................................................ 79 5.8.2 Taux de chargement en conditions normales d’utilisation µELU. Exemple de calculs. ............................................................................................................................ 79 5.9 Exemples d’utilisation des méthodes ........................................................................ 83 5.9.1 Exemple d’utilisation de la méthode de la température forfaitaire .................. 84 5.9.2 Exemples d’utilisation de la méthode du taux de chargement ......................... 84 Chapitre 6

L’Eurocode 5 - Calcul des structures en bois ................................................ 86

6.1 Les termes et abréviations des charpentiers ............................................................ 86 6.2 Un matériau sensible à l'humidité............................................................................. 87 6.3 Classes d'emploi – Classes de service ........................................................................ 88 6.4 Principe de calculs ..................................................................................................... 88 6.4.1 Classes de durée de chargement ....................................................................... 89 6.4.2 Classes de services ............................................................................................. 89 6.4.3 Influences de l'humidité et de la durée de chargement sur la résistance ......... 90 6.5 Calculs aux Etats Limites ............................................................................................ 91 6.5.1 Calcul du bois aux ELU ........................................................................................ 91 6.5.2 Calcul du bois aux ELS......................................................................................... 91 6.6 Incendie ..................................................................................................................... 91 6.6.1 Principe du calcul au feu .................................................................................... 92 6.6.2 Calcul de la résistance mécanique R d ............................................................... 93 6.6.3 Calcul de la profondeur de carbonisation .......................................................... 94 6.6.4 Calcul de la résistance mécanique ..................................................................... 95 6.6.5 Calcul des actions. Exemple de calcul ................................................................ 96 Chapitre 7

Présentation des règles anciennes de calcul au feu ..................................... 97

7.1 Anciennes règles béton. Règles FB ............................................................................ 97 7.1.1 Une méthode de calcul basée sur l'expérimentation ........................................ 98 7.1.2 Méthode de calcul .............................................................................................. 99 7.1.3 Méthode de la distribution de la température dans le béton ........................... 99 7.1.4 Règles simples : ................................................................................................ 100 7.2 Anciennes règles acier. Règles FA............................................................................ 101 7.2.1 Une méthode de calcul basée -elle aussi- sur l'expérimentation .................... 101 7.2.2 Principe de la justification ................................................................................ 103 7.3 Anciennes règles bois. Règles BF ............................................................................. 104 7.3.1 Un matériau combustible ................................................................................. 104 7.3.2 Une vitesse de combustion connue ................................................................. 105 DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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7.3.3 7.3.4

Méthode de calcul ............................................................................................ 106 Exemple de calcul ............................................................................................. 107

Chapitre 8

Méthodes d’auscultation et de réparation apres un incendie .....................108

8.1 Les méthodes d’auscultation du béton ................................................................... 108 8.1.1 Les méthodes destructives d’investigation du béton ...................................... 108 8.1.2 Les méthodes non destructives d’investigation du béton ............................... 108 8.2 Les méthodes de réparation du béton .................................................................... 109 8.2.1 Projection de béton – Réparation du tunnel sous la manche ......................... 109 8.2.2 Reprise par fibres de carbone ou plats collés .................................................. 112 8.3 Les méthodes de réparation de l’acier .................................................................... 112 8.4 Les méthodes de réparation du bois ....................................................................... 112 Chapitre 9

Analyse de sinitres recents ........................................................................114

9.1 Copropriété l'Îlot au 78 rue Paul Chevalier à Marseille. Structure Béton Armé. .... 114 9.1.1 Contexte réglementaire ................................................................................... 114 9.1.2 L’incendie ......................................................................................................... 114 9.1.3 Les mesures conservatoires ............................................................................. 115 9.1.4 Le diagnostic de la structure ............................................................................ 115 9.1.5 Étude structurelle de la reconstruction ........................................................... 116 9.1.6 Comparaison Eurocodes et DTU. ..................................................................... 116 9.2 Cinéma du 72,74 et 76 La Canebière à Marseille. Structure Acier.......................... 119 9.2.1 Contexte réglementaire ................................................................................... 119 9.2.2 L’incendie ......................................................................................................... 119 9.2.3 Les mesures conservatoires ............................................................................. 120 9.2.4 Le diagnostic de la structure ............................................................................ 121 9.2.5 Étude structurelle de la reconstruction. Exemples de calculs ......................... 122 9.2.6 Comparaison des solutions .............................................................................. 126 9.3 Immeuble du 38 bd Gambetta à Nîmes. Structure Bois.......................................... 128 9.3.1 Contexte réglementaire ................................................................................... 128 9.3.2 L’incendie ......................................................................................................... 129 9.3.3 Les mesures conservatoires ............................................................................. 129 9.3.4 Le diagnostic de la structure ............................................................................ 129 9.3.5 Étude structurelle de la reconstruction ........................................................... 132 9.3.6 Comparaison des solutions .............................................................................. 134 Conclusion

.................................................................................................................139

Liste des annexes ...........................................................................................................141 Bibliographie .................................................................................................................177 Liste des figures .............................................................................................................178 Liste des tableaux ..........................................................................................................179 DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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INTRODUCTION

Les Eurocodes sont disponibles et, pour l'essentiel, applicables. L'ingénieur européen dispose ainsi d'un outil permettant de calculer les structures des ouvrages de façon uniforme dans tous les pays d'Europe. A quelques coefficients nationaux près, issus des habitudes fortes locales, le langage et le code de calcul des ingénieurs sera le même à travers toute l'Europe.

Il reste toutefois une spécificité que l'harmonisation européenne n'a pas abordée : c'est le champ de la sécurité incendie. Chaque pays, par ses Autorités de protection contre le feu, a encore son propre règlement de sécurité, imposant des mesures différentes pour chaque type d'exploitation. A la charge du Maitre d'Ouvrage ou de l'Exploitant de s'assurer que ce règlement est respecté.

Une partie primordiale du règlement français de sécurité contre l'incendie est axée sur la résistance au feu que doivent respecter les ouvrages. Que l'ouvrage abrite des logements, des établissements recevant du public ou des locaux pour travailleurs, chaque activité est recensée par le règlement qui impose des valeurs de résistance minimales dans le but d’évacuer et de protéger.

Le but de ce mémoire est de proposer à l'ingénieur un outil lui permettant de diagnostiquer la résistance au feu d'un ouvrage vis-à-vis des Eurocodes. Ce document lui permettra de répondre à ces deux questions : quelle stabilité au feu est requise et comment atteindre cette stabilité au feu?

Une première partie est consacrée au feu ainsi qu'à la Sécurité Incendie. On y trouve des données sur les incendies et comment un feu se développe. La différence entre la réaction et la résistance au feu est expliquée ainsi que les méthodes d'essais. Les différents Règlements de Sécurité contre l'incendie existants en France (ERP, bureaux, logements, IGH, tunnels routiers) sont détaillés et pour chacun, les stabilités au feu minimales sont énoncées.

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La seconde partie traite des codes de calculs européens : les Eurocodes 0 et 1 qui expliquent comment déterminer les actions sur les structures et plus précisément la partie 1.2 qui traite des éléments exposés au feu. Puis l'Eurocode 2-Béton, l'Eurocode 3-Acier et l'Eurocode 5Bois sont présentés de façon à ce que l'ingénieur dispose des bases pour dimensionner des éléments par les méthodes simplifiées. Des abaques et des exemples de calculs sont mis à la disposition pour des vérifications rapides. Les anciennes méthodes de calculs sont également rappelées pour les cas où l'ingénieur aurait à comprendre les calculs effectués par ses aînés.

La troisième partie de ce mémoire est destinée à la pratique : on y trouve différentes méthodes d'auscultation et de réparation des structures béton, acier et bois après un incendie. Trois exemples réels d'incendie ayant eu lieu récemment sont exposés. Ils sont l'occasion de donner des exemples complets de calculs menés aux Eurocodes, de dimensionner des solutions de réparation et de comparer les Eurocodes avec les anciennes règles de calcul.

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Chapitre 1 1.1

LE FEU. L’INCENDIE

Le triangle du feu

La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion… La réaction chimique de combustion ne peut se produire que si l'on réunit trois éléments : un combustible, un comburant, une énergie d'activation en quantités suffisantes. On représente de façon symbolique cette association par le triangle du feu.

Figure 1 – Triangle de feu

Le combustible peut être, selon la classe : Classe A : un solide formant des braises (bois, papier, carton, tissu, PVC, …) Classe B : un liquide ou solide liquéfiable (essence, gazole, huile, kérosène, polyéthylène, polystyrène, …) Classe C : un gaz (butane, propane, méthane, dihydrogène, …) Classe D : un métal (fer, aluminium, sodium, magnésium, …) Classe F : une huile (huile ou graisse végétale de cocotte minute ou friteuse) Ces quatre points correspondent respectivement aux quatre principales classes de feux A, B, C, D et F. On retrouve cette classification des classes de feu dans le Règlement de Sécurité contre l’incendie des Établissements Recevant du Public (ERP) [1] à son article MS38 §2. Le comburant est l’autre réactif de la réaction chimique. La plupart du temps, il s’agit de l’air ambiant, et plus particulièrement de l’un de ses composants principaux, le dioxygène. La réaction est déclenchée par une énergie d’activation. Il s’agit généralement de chaleur. Par exemple, ce sera l'échauffement du frottement dans le cas de l’allumette, le câble électrique qui chauffe, ou une autre flamme (propagation du feu), étincelle. Mais il y a d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : électricité, radiation, pression… qui DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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permettront toujours une augmentation de la température. La production de chaleur permet à la réaction de s’auto-entretenir dans la plupart des cas, voire de s'amplifier en une réaction en chaîne. La température à partir de laquelle un liquide émet suffisamment de vapeurs pour former avec l'air un mélange inflammable dont la combustion peut s'entretenir d'elle-même est appelée point d'inflammation. 1.2

Développement du feu dans un local

Edward Hartin, dans sa série d’articles intitulée “Fire Behavior Indicators and Fire Development” [2] explique dans le détail le développement d’un feu dans un local :

Lorsqu'un feu n'est pas confiné, une grande partie de la chaleur produite par le combustible qui brûle s'échappe par rayonnement et convection. Pensez à une pile de palettes en bois, en feu sur une aire de stationnement ouverte (parking par exemple). Alors que vous pouvez sentir la chaleur radiante lorsque que vous vous approchez du feu, la convection éloigne la fumée et les gaz chauds vers le haut, loin des palettes en feu. Qu'est ce qui change lorsque le feu se produit dans un compartiment?

Dans un local, des éléments tels que les murs, le plafond et le plancher, absorbent une partie de la chaleur radiante produite par le feu. L'énergie calorifique radiante qui n'est pas absorbée est donc réfléchie, et continue ainsi à augmenter la température du combustible et la vitesse de combustion. La fumée et l'air sont chauffés par le feu et s'élèvent, pour entrer en contact avec des matériaux plus frais tels que le plafond et les murs du local. La chaleur est transférée par conduction, aux matériaux plus frais, augmentant ainsi leur température. Ce procédé de transfert thermique augmente la température de tous les matériaux présents dans le compartiment. Lorsque qu'un élément est chauffé, il commence à se décomposer par la chaleur (il pyrolyse). Le taux de pyrolyse peut atteindre le point où la combustion avec flamme pourra être possible et le feu se propagera. En plus du fait qu'ils contiennent de l'énergie calorifique, les feux en compartiments sont influencés par le profil de ventilation. La taille du local, le nombre et la taille des ouvertures qui peuvent fournir une source d'oxygène pour permettre une combustion continue, influencent également le développement du feu.

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1.3

Les étapes du feu

Bien que les « étapes du feu » soient décrites différemment suivant les manuels des Services Incendie, le phénomène de développement du feu est toujours le même. En ce qui nous concerne, nous décrirons les étapes de développement du feu dans un local, par les termes suivants: Naissance Croissance / Flashover Plein développement Déclin. Bien que nous divisions le développement du feu en quatre «phase», le processus réel est en fait continu, avec des «étapes» allant de l'une vers la suivante. Bien qu'en laboratoire il soit sans doute possible de définir clairement ces transitions, sur le terrain, il est souvent difficile de dire quand une phase est finie et quand la prochaine commence.

Figure 1 - Les différentes courbes d'évolution de feu

Naissance : Cette étape du développement du feu peut être définie de deux manières. La définition la plus simple est celle d'un petit feu qui n'a pas encore significativement affecté l'environnement intérieur du compartiment (chaleur, toxicité, visibilité). Les règlements de l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) traitant de la protection contre les incendies (OSHA, 1993) identifient un feu naissant en termes de risques. Ce règlement indique qu'un feu dans son étape initiale ou «de commencement» est un feu qui peut être contrôlé ou éteint avec des extincteurs portatifs ou une petite DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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ligne d'eau (Ndt : Robinet Incendie Armé «RIA» que l'on trouve dans les magasins par exemple) sans avoir besoin de vêtements de protection ou d'appareil respiratoire. Revenons aux bases du comportement du feu : l'allumage exige de la chaleur, du combustible, et de l'oxygène. Dès que la combustion commence, le développement d'un feu naissant dépend en grande partie des caractéristiques et de la configuration du combustible impliqué (le feu est contrôlé par le combustible). L'air dans le compartiment fournit suffisamment d'oxygène pour permettre le développement du feu. Pendant cette première phase du développement du feu, la chaleur radiante chauffe le combustible proche et permet ainsi de poursuivre le processus de pyrolyse. Une colonne de gaz chauds et de la flamme monte du feu et se mélange à l'air plus frais de la pièce. Ce transfert d'énergie commence à augmenter la température globale de la pièce. Lorsque cette colonne thermique atteint le plafond, les gaz chauds commencent à se propager horizontalement au plafond. Il est difficile de définir précisément la transition qui suit la phase de naissance. Cependant, lorsque les flammes sont proches du plafond et que la couche de gaz chauds devient mieux définie et augmente en volume, on estime que le feu s'est déplacé au-delà de sa phase naissante et (si la quantité d'oxygène est suffisante) continuera à se développer plus rapidement. A cet instant le feu est alors une menace immédiate, dangereuse pour la vie et la santé (condition de type IDHL = Immediately Dangerous to Life and Health). Dès lors les conditions de sécurité définie par l'OSHA doivent s'appliquer, avec la mise en place de binôme et du principe «2 qui entrent pour 2 qui sortent».

Figure 2 - Répartition des masses d'air

Croissance : Comme le feu continue à se développer, le taux d'énergie libéré par le combustible en feu continue également à augmenter (si la quantité d'oxygène est suffisante). Bien qu'en réalité cela soit plus complexe, les températures des gaz dans le compartiment peuvent cependant être décrites comme existant sous forme de deux DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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couches: une couche chaude qui s'étend (descend) à partir du plafond et une couche plus fraîche au niveau du plancher. En plus des effets liés au transfert de chaleur par le rayonnement et la convection décrit précédemment, le rayonnement de la couche de gaz chauds contribue également à chauffer les surfaces intérieures du compartiment et de son contenu (voir figure ci-dessus). Le volume et la température de la couche chaude de gaz augmentent et la pression fait de même. La pression plus élevée de cette couche chaude a tendance à la pousser vers le bas et à la faire sortir par les ouvertures. La pression de la couche de gaz plus froid étant moins importante, il en résulte un mouvement d'air vers l'intérieur du compartiment, en provenance de l'extérieur. A l'endroit où ces deux couches se rencontrent et que les gaz chauds sortent par une ouverture, la pression est neutre. L'interface des couches chaudes et fraîches de gaz est généralement désignée sous le nom de «plan neutre». Le feu peut continuer à se développer soit par propagation de la flamme ou par l'allumage d'autres éléments combustibles, présents dans le compartiment. Lorsque les flammes de la colonne de thermique atteignent le plafond, elles se plient et commencent à se répandre horizontalement. Les produits de pyrolyse et les sous-produits inflammables issus de la combustion incomplète, présents dans la couche de gaz chauds, prendront feu et prolongeront cette propagation horizontale au niveau du plafond. Ce phénomène, connu sous le nom de roll-over, et l'indicateur de l'imminence d'un Flashover (Ndt : il est bien question ici de l'inflammation des gaz et non pas du simple étalement des flammes au plafond). Le Flashover : C'est la transition soudaine d'un feu qui se développe vers un feu pleinement développé. Le compartiment subit alors un embrasement généralisé. Lorsque le Flashover se produit, il y a une transition rapide vers tous les matériaux combustibles contenus dans le compartiment. Les conditions pour le Flashover sont définies par une multitude de moyens différents. Cependant, en général la température dans le compartiment doit atteindre entre 500 à 600°C ou le flux de chaleur (mesure du transfert thermique) au plancher du compartiment doit atteindre 15 - 20 kW/m2. Il faut rappeler qu'une couche de gaz chauds à 500°C émet un flux thermique voisin de 20 kW/m2 et à 700°C d'environ 50 kW/m2 ; pour de telles conditions les brûlures vont apparaître en moins de 1 minute. En général, il est admis que le seuil de tenabilité pour les personnes est de 2,5 kW/m². DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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Quand le Flashover se produit, les gaz en feu s'échappent par les ouvertures du compartiment (tel qu'une porte menant à une autre pièce) à une vitesse importante. Mais le Flashover ne se produira pas systématiquement. Deux facteurs, en corrélation, ont une influence importante sur le développement d'un feu dans un compartiment. D'abord, le combustible doit avoir une énergie calorifique suffisante pour atteindre les conditions du Flashover. Par exemple, l'inflammation de plusieurs feuilles de journal dans une petite corbeille à papiers en métal a peu de chance de produire l'énergie calorifique suffisante pour développer des conditions de Flashover dans une chambre garnie de panneaux résistants au feu ! Par contre, l'inflammation d'un divan avec des coussins en mousse de polyuréthane, placé dans la même salle, permettra certainement d'atteindre ce seuil. Le deuxième facteur est la ventilation. Un feu doit avoir suffisamment d'oxygène pour se développer et atteindre le Flashover. Il est intéressant pour l’ingénieur généraliste ou le préventionniste de préciser le travail suivant : En modélisant le développement d'un feu dans une salle d'hôtel, Birk (cité par Grimwood, Hartin, McDonough, et Raffel, 2005) a déterminé que la fermeture de la porte empêche la pièce d'atteindre le Flashover (à condition que les autres ouvertures telles que les fenêtres demeurent intactes). Si la ventilation existe, mais qu'elle est insuffisante, le feu peut néanmoins entrer dans la phase de croissance et ne pas atteindre le pic de dégagement de chaleur d'un feu en plein développement. Plein développement : À cette étape de post Flashover, le dégagement d'énergie est à son maximum, mais est généralement plus ou moins limité par la ventilation. Les gaz imbrûlés s'accumulent au niveau de plafond et brûlent fréquemment lorsqu'ils sortent du compartiment, produisant alors des flammes visibles par les portes ou les fenêtres. La température moyenne des gaz dans un compartiment pendant un feu en plein développement s'étend de 700° à 1200°C. Déclin : Lorsque le combustible disponible est consommé, le taux de dégagement de chaleur diminue et le feu peut alors retourner à un état de contrôle par le combustible en cherchant un équilibre avec la disponibilité en oxygène. Edward Hartin, dans sa série d’articles intitulée “Fire Behavior Indicators and Fire Development” [2]

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1.4

Les incendies célèbres

L’histoire est ponctuée d’incendies célèbres et, malheureusement, toujours meurtriers : - 1184 : Troie

Figure 3 - Miquel Bestard (1592-1633) L’Incendie de troie. Majorque

- 480 : Incendie de l'Acropole d'Athènes -47 : Incendie de la bibliothèque d'Alexandrie 64 : Grand incendie de Rome. Quatre quartiers seulement sur quatorze furent épargnés ; cet incendie fut si violent qu'il déclencha des phénomènes seulement reproduits par les bombes incendiaires de la Seconde Guerre mondiale, comme les tempêtes de flammes.

Figure 4 - L'Incendie de Rome (peinture d'Hubert Robert, le Havre, Musée des Beaux-Arts) DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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1423 : Incendie et mise à sac de Marseille par la flotte d'Alphonse V d'Aragon, qui ravage la ville pendant quatre jours, faisant fuir les trois-quarts de la population et anéantissant l'habitat médiéval 1577 (20 décembre) : Incendie du palais des Doges à Venise, au cours duquel est détruite la salle du Grand conseil, ainsi que de nombreuses œuvres d’art, signées notamment de Titien, Le Tintoret, Paul Véronèse, qui la décoraient. 1657 : Grand incendie de Meireki à Edo (Tōkyō), au Japon, dont les habitations en bois et les temples furent détruits par le feu, qui provoqua la mort de 30 000 personnes 1666 (2 au 5 septembre): Le Grand incendie de Londres On estime qu'il a détruit les maisons d’environ 70 000 des 80 000 habitants. Les pertes humaines furent très faibles, puisque seuls quelques décès furent consignés, mais ce bilan a récemment été contredit en vertu du fait que les morts parmi les pauvres et les membres des classes moyennes n’étaient consignées nulle part et que la chaleur du brasier a pu incinérer de nombreuses victimes sans laisser de cadavres identifiables. 1721 : Incendie de Montréal, détruisant la moitié de la ville et amenant l’intendant Michel Bégon à interdire la construction de maisons en bois : désormais, les maisons devront être construites en pierre… 1755 (1er novembre) : Grand incendie de Lisbonne (Portugal) qui a duré trois jours. Provoqué par un violent séisme, les feux de cheminées et les moyens d'éclairage de l'époque ont embrasé les structures en bois des immeubles effondrés. Tremblement de terre, raz de marée et incendie consécutifs provoquèrent la mort de 30 000 à 100 000 personnes, selon les sources. 1834 (16 octobre) : Incendie du palais de Westminster à Londres, siège du Parlement britannique. 1897 (4 mai) : Incendie du Grand Bazar de la Charité à Paris. 125 morts 1906 (18 Avril) : A San Francisco, à la suite d’un séisme de magnitude 8.5, des ruptures de canalisations de gaz alimentent un incendie qui dura 3 jours. Le bilan, officiellement 452 victimes, est de nos jours estimé à 3 000 morts et 300 000 personnes sans abris.

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Figure 5 - Incendie du palais de Westminster. William Turner

1921 (30 septembre) : Incendie des célèbres magasins du Printemps, dont l'immeuble situé boulevard Haussmann à Paris est entièrement détruit ; 1927 : Incendie du Laurier Palace à Montréal dans lequel périssent 78 enfants ; 1938 : Incendie des Nouvelles Galeries, sur la Canebière à Marseille : 75 morts ;

Figure 6 - Photographie de la Canebière à Marseille

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Figure 7 - Incendie des Nouvelles Galeries, sur la Canebière à Marseille

1942 : (28 novembre) Incendie dans la boîte de nuit Cocoanut Grove à Boston: 492 morts ; 1947 (30 août) : Incendie d'un cinema à Rueil Malmaison. Sur 600 personnes présentes dans la salle, l'incendie fit 87 morts et 27 blessés graves. 1961 : (17 décembre) : Incendie du chapiteau d'un cirque à Niterói (Brésil) : 323 morts ; 1967 (22 mai) : Incendie du magasin « Innovation » à Bruxelles (Belgique) : 322 morts ; 1970 (1er novembre) : Incendie du dancing le « 5-7 » de Saint-Laurent-du-Pont (Isère, France) : 146 morts 1973 (6 février) : incendie du collège Edouard Pailleron à Paris : 20 morts dont 16 enfants ; 1999 (24 mars) : Incendie du tunnel du Mont-Blanc, qui dura 53 heures et provoqua la mort de 39 personnes 2001 (11 septembre) : Deux avions sont projetés sur les tours jumelles du World Trade Center (WTC) à Manhattan, à New York faisant 2 595 victimes dont 343 pompiers et 60 officiers de police. DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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2004 (30 décembre) : L’incendie du night-club República Cromagnon à Buenos Aires, Argentine, tue 194 personnes et en blesse 714 autres. 2009 (1er janvier) : Un incendie dans la discothèque "Santika Club" de Bangkok provoqué par des feux d'artifice fait 59 morts et 184 blessés

Figure 8 - Les tourniquets de l'entrée, ultime vestige du « 5-7 », incendié en 1970 à St-Laurent-du-Pont.

1.5

Les incendies en France en 2009

Chaque année, la Direction de la Sécurité Publique publie les statistiques de l’activité des services d’incendie et de secours [3] : En 2008, ce sont encore 402 personnes qui ont perdu la vie lors d’incendies. 80% de ces victimes se trouvaient dans leur logement.

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Tableau 1 - Statistiques des incendies en France en 2008

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Chapitre 2

RÉSISTANCE ET RÉACTION AU FEU

Le phénomène d’incendie et ses conséquences ont entrainé de la part des pouvoirs publics la mise en place de mesures. Ces mesures diffèrent selon les pays et les époques. On a pu voir par exemple que l’incendie de 1721 à Montréal a fait interdire la construction de maisons de bois. En France, à la suite des tragédies du Grand Bazar de la Charité (1897) et surtout des Nouvelles Galeries de Marseille (1938), les Autorités ont jeté les bases de ce qui concerne la sécurité contre l’incendie : le décret du 7 février 1941 qui mettait en place la commission centrale et les commissions consultatives départementales de sécurité [4].

2.1

Évacuer et protéger…

En France, c’est de façon règlementaire (que l’on peut opposer à l’approche par l’ingénierie) que les bâtiments sont conçus vis-à-vis de la sécurité incendie. Bien que le principe soit toujours le même – évacuer et protéger – les législateurs ont différencié dans leurs textes les principes de base de la sécurité incendie :

Pour les ERP, c’est l’arrêté du 25 juin 1980 qui définit les raisons pour lesquelles une structure doit résister au feu : A son article CO11 on peut trouver au § 2 en objet que « Les structures du bâtiment abritant un établissement recevant du public doivent présenter des qualités de résistance au feu afin de préserver la stabilité de l'édifice et de s'opposer à une propagation rapide du feu en cas d'incendie pendant le temps nécessaire à l'alarme et à l'évacuation des occupants de l'établissement et des locaux tiers éventuels situés dans le même bâtiment. ». C’est donc l’exigence de la stabilité au feu qui est mise en avant pour les ERP

Pour les bâtiments soumis au Code du Travail l’article du R. 4216-2 de ce code [5] exige que « Les bâtiments et les locaux soient conçus et réalisés de manière à permettre en cas de sinistre :

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1° L'évacuation rapide de la totalité des occupants dans des conditions de sécurité maximale 2° L'accès de l'extérieur et l'intervention des services de secours et de lutte contre l'incendie 3° La limitation de la propagation de l'incendie à l'intérieur et à l'extérieur des bâtiments. Pour les Codes du Travail, c’est plutôt l’évacuation des occupants qui est privilégiée.

Pour les logements c’est l’arrêté du 31 janvier 1986 modifié qui édicte les règles. On peut y trouver en préambule le rappel des principes de base qui régissent la sécurité contre l'incendie dans les bâtiments : Celle-ci vise essentiellement à assurer aux personnes une protection efficace dans des situations critiques et tend ainsi à prévenir les victimes multiples. Les trois catégories principales de dispositions et mesures sont les suivantes : - des mesures de prévention évitant la naissance du feu, sa transmission vers d'autres locaux ou vers les tiers si le foyer initial est intérieur, ou vers l'intérieur du bâtiment si le feu provient de l'extérieur ; - des dispositions concernant l'évacuation des occupants et leur protection par des moyens incorporés au bâtiment ; - des dispositions permettant l'accès aisé et l'intervention des services de lutte contre l'incendie. Les législateurs ont tenu à rappeler deux spécificités des logements : - les occupants connaissent les locaux, ce qui atténue en principe le risque de panique généralisée - le risque est accru pendant les périodes de sommeil (découverte tardive) ; C’est la non-propagation du feu qui est mise en avant pour les logements 2.2

Résistance au feu et Réaction au feu

Il est indispensable de distinguer réaction et résistance au feu : La réaction au feu est le comportement d’un matériau et éventuellement son apport en tant qu’aliment à l’incendie. La résistance au feu est la durée pendant laquelle un élément pourra être efficace

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2.2.1 Avant l’harmonisation européenne Pendant la période de transition que nous connaissons, on constate une cohabitation entre les textes nationaux et ceux européens qui sont édités. En France il existe deux groupes de textes : Le premier groupe est composé d’arrêtés ministériels fixant, par types de bâtiment, les exigences minimales en degrés de performance au feu auxquelles doivent répondre les matériaux et les éléments de construction. Sécurité Incendie des ERP, CdT, Habitations, etc. Le second groupe est celui des arrêtés ministériels définissant les méthodes de justification de la performance au feu de ces matériaux et éléments de construction : Réaction au feu : 21 novembre 2002 (JO du 31 décembre 2002) qui abroge l’AM de 06/83 Résistance au feu : 22 mars 2004 (JO du 1er avril 2004) qui abroge l’AM de 08/99 Performance des Toitures : 14 février 2003 (JO du 14 mars 2003) qui abroge l’AM de 09/70 Jusqu’à présent prévalaient les classements français : Classement M0 à M4 pour la réaction au feu et PF-SF-CF pour la résistance au feu. 2.2.2 Depuis l’harmonisation européenne

Aujourd’hui, nous sommes dans le cadre de l’harmonisation européenne. La Directive Produit de Construction (89/106 CE) a pour objectif de supprimer les entraves techniques aux échanges européens et harmoniser les dispositions et spécifications techniques en matière de construction : - Libre circulation des produits de construction - Garantir la sécurité des consommateurs et utilisateurs - Elles définissent 7 exigences essentielles, dont celle relative à la Sécurité Incendie (les autres exigences sont la stabilité et la résistance mécanique, hygiène-santé-environnement, énergie-économie, etc.) En matière de sécurité incendie, les objectifs sont : Assurer la stabilité des éléments porteurs pendant un temps déterminé Limiter l’apparition et la propagation du feu et de la fumée Faciliter l’intervention des équipes de secours Favoriser la bonne évacuation des occupants Limiter l’extension aux ouvrages voisins DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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Pour parvenir à ces objectifs, il a donc fallu adopter des méthodes identiques au sein de l’Union Européenne pour pouvoir classifier les produits, d’une part en matière de résistance au feu, et d’autre part en matière de réaction au feu

2.3

Réaction au feu

La réaction au feu peut être définie comme la contribution d’un matériau au développement d’un feu auquel il est exposé sous des conditions spécifiques : génération, propagation du feu et dégagement de fumées. Les paramètres à mesurer pour la réaction au feu sont : délai d’allumage, propagation Contribution énergétique du produit, Production de fumées et Éventuelle chute de gouttes et de débris enflammés. Jusqu’à présent les réactions au feu étaient classées de M0 à M4. Dorénavant, ce sont les euroclasses qui sont utilisées : sont définies 7 Euroclasses : A1, A2 B, C, D, E et F qui représentent la contribution énergétique sous des sollicitations thermiques graduelles. A cela s’ajoute un classement supplémentaire pour la production de fumée s1, s2, s3 On ajoute ensuite une précision concernant la production de gouttes enflammées d0, d1, d2 Pour les sols, on ajoute l’indice FL (floor) à l’euroclasse. La production de gouttes n’intervient alors pas. 2.3.1 Les Euroclasses

Les différentes euroclasses se résument ainsi : Euroclasse F : aucune performance de réaction au feu déterminée Euroclasse E : produits capables de résister à l’attaque d’une petite flamme, sans propagation substantielle Euroclasse D : résiste pendant une période plus longue à l’attaque d’une petite flamme. Capable de subir l’attaque thermique issue d’un objet isolé en feu avec un dégagement calorifique retardé et limité. Euroclasse C : Idem D, avec critères plus strictes Euroclasse B : Idem C, avec critères plus strictes

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Euroclasse A2 : classe B + faible contribution à la charge d’un incendie et au développement du feu dans le cas d’un feu très développé Euroclasse A1 : aucune contribution, y compris dans un feu entièrement développé. Censé satisfaire automatiquement aux autres classes inférieures. La production de fumée est classée : s3 : aucune limite requise s2 : production totale de fumée et débit d’augmentation de la production de fumée limités s1 : critères plus stricts que pour s2 Concernant la production de gouttes enflammées, le critère supplémentaire est : d0 : pas de gouttes enflammées d1 : pas de gouttes enflammées persistant plus de 10 s d2 : ni d0 ni d1; inflammation du papier à l’allumabilité

Figure 9 - Exemple de marquage CE

2.3.2 Les essais de réaction au feu Les Euroclasses ont été construites à partir d’un scénario de référence qui représente la situation réaliste la pire qui est définie comme le « Départ d’un feu dans le coin d’une pièce, amené à se développer et finalement conduire à un embrasement généralisé ». Les essais sont menés selon la norme ISO 9705. La chambre de combustion décrite dans cette norme est la suivante :

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Figure 10 – Chambre d’essai de combustion ISO 9705

Les essais sont menés dans la chambre ISO 9705 pendant 20 minutes. Il y a 2 niveaux d’exposition durant chacun 10 mn : 100 kW et 300 kW. Puis on atteint le Déclenchement d’un flash-over ou 1000 kW. On mesure le temps pour atteindre le flash-over : Euroclasse B : Pas de flash-over durant les 20 min Euroclasse C : flash-over après 10 mn Euroclasse D : flash-over après plus de 2 min Euroclasse E : flash-over avant 2 min Pour les euroclasses A1 et A2, d’autres critères sont mesurés tels que le potentiel calorifique supérieur.

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2.4

Résistance au feu

La résistance au feu est définie dans les normes de base comme la capacité d’un élément de construction à remplir, pendant une période de temps déterminée, les critères spécifiés pour l’essai normalisé de la sécurité incendie par rapport à la fonction portante, l’étanchéité aux flammes et/ou l’isolation thermique. La résistance au feu est exprimée selon le système de classement de la décision Européenne 2000/367/EG (Décision de la Commission du 3 mai 2000 mettant en œuvre la Directive 89/106/CEE du Conseil en ce qui concerne la classification des caractéristiques de résistance au feu des produits de construction, des ouvrages de construction ou de parties de ceux-ci) avec un symbole suivi par le temps en minutes (15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 ou 360 minutes) pour chaque critère de vérification dans la norme d’essai. Pour la fonction portante, on ne regarde que l’éventuel écroulement de la construction, indiqué par le symbole R, par exemple R60. La fonction séparatrice est déterminée par les critères de l’isolation thermique, désignée par le symbole I, et l’étanchéité aux flammes, désignée par E. Le critère pour l’isolation thermique est une augmentation de température limitée du côté non exposé au feu de l’élément séparateur de feu de 104° en moyenne et de 180° au maximum. En ce qui concerne l’étanchéité, il est regardé à la pénétration de flammes ou de gaz inflammables. Cette dernière est surtout pertinente pour les portes. Un produit qui dispose tant d’une fonction porteuse que d’une fonction séparatrice est jugé sur l’ensemble de ces 3 critères et obtient par exemple un REI60. Mais cet élément peut disposer d’une résistance au feu différente pour chacun de ces critères, par exemple R60 et EI30.

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Figure 11 - Représentation des résistances au feu [6]

2.5

Performance en résistance au feu

Il existe deux moyens pour évaluer la performance en résistance au feu d’un élément de construction : Par le calcul (avec les Eurocodes) Par des essais (dans un laboratoire agréé)

2.5.1 Justification de la résistance au feu par le calcul Cette façon de justifier les éléments fait l’objet des chapitres suivants.

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2.5.2 Justification de la résistance au feu par essais La justification par essais concerne tous les éléments qui doivent impérativement résister au feu pendant au moins une durée fixée réglementairement : Les éléments de second œuvre : cloisons et portes (éléments pleins ou vitrés), planchers, murs Les produits et systèmes destinés à protéger des éléments ou des parties d’ouvrages (par exemple des membranes (horizontales ou verticales), des produits de protection, de calfeutrement, etc) Les équipements de sécurité : ventilateurs, clapets, conduits, volets de désenfumage, etc. Les éléments de structure : poteaux, poutres, planchers, quand la justification par calcul n’est pas possible Les essais peuvent être réalisés dans des laboratoires agréés. A ce jour, seuls sont agréés les laboratoires suivants : Efectis France filiale du CTICM Le CSTB Les essais sont réalisés dans des fours de dimensions maximales 6 x 5 x 8 m (l x h x p) :

Figure 12 - Four d'essais de résistance au feu

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Figure 13 - Four d'essais de résistance au feu

Les essais sur le produit donnent lieu à des PV expliquant les protocoles précis des essais et détaillant les résultats. L’Entreprise souhaitant utiliser ce produit doit alors respecter scrupuleusement les conditions des essais pour pouvoir justifier de la résistance au feu requise. En cas de dérive par rapport au PV, l’entreprise devra demander une extension de classement ou un avis de chantier ; il s’agit d’une procédure dérogatoire pour justifier de la résistance au feu d’un ouvrage. Cette procédure est typiquement française. Elle n’est pas harmonisée au niveau européen et ne peut être menée que par un laboratoire agréé français. Il revient en général au Contrôleur Technique de vérifier que l’Entreprise a respecté les conditions de mise en œuvre de l’élément.

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Figure 14 - Essai de résistance au feu d’un poteau recouvert d'une peinture intumescente

A noter que les revêtements de tunnel, à cause des véhicules susceptibles d’y brûler, font l’objet d’une courbe spécifique :

Figure 15 - Courbe feu des revêtements de tunnel comparée à la courbe ISO 834

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Figure 16 - Essai d'un bloc-porte en bois

2.6

Les résistances au feu minimales réglementaires

Les degrés de résistance au feu des éléments de construction sont définis dans l'arrêté du 22 mars 2004 relatif à la résistance au feu des produits, éléments de construction et d'ouvrages. Voici les symboles adoptés au niveau communautaire en matière de résistance au feu : Tableau 2 – Symboles européens des résistances au feu

R

Capacité portante

E

Étanchéité au feu

I

Isolation thermique

W

Rayonnement

M

Action mécanique

C

Fermeture automatique

S

Passage des fumées

G

Résistance à la combustion de la suie

K

Capacité de protection contre l’incendie

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D

Durée de stabilité à température constante

DH

Durée de stabilité sous la courbe standard température-temps

F Fonctionnalité des ventilateurs extracteurs de fumées et de chaleur B

Fonctionnalité des exutoires de fumées et de chaleur naturels

Les classifications sont exprimées en minutes et non plus en heures, sauf indication contraire. Dans les règlements actuels, on trouve encore les anciennes notations : - SF signifie « stable au feu » - PF signifie « pare-flammes » - CF signifie « coupe-feu » Voici donc la correspondance entre l’ancienne et la nouvelle classification : Tableau 3 - Correspondance entre les résistances au feu notation française et européenne

Capacité portante

Étanchéité au feu

Isolation thermique

R

E

I

SF

x

PF

x

x

CF

x

x

x

CF : REI si éléments porteurs sinon EI PF : RE si éléments porteurs sinon E

2.6.1 Établissements recevant du Public (ERP) Un ERP est classé, en fonction du public qu’il peut admettre, de la 1ère à la 5° catégorie. La réglementation impose qu’un établissement recevant du public doive être isolé de tout bâtiment ou local occupé par des tiers afin d'éviter qu'un incendie ne puisse se propager rapidement de l'un à l'autre. Ainsi l'isolement latéral entre un établissement recevant du public et un bâtiment ou un local contigu occupé par des tiers doit être constitué par une paroi CF de degré deuxheures. Ce degré est porté à trois heures si l'un des bâtiments abrite une exploitation à risques particuliers d'incendie. DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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A l’intérieur de l’établissement, on trouve les exigences suivantes pour les éléments principaux de l’ouvrage

Tableau 4 – Durée de résistance au feu minimale pour un ERP

- Simple rez-de-

Établissement occupant partiellement le bâtiment Établissement à un

chaussée -

seul niveau

Établissement occupant entièrement le bâtiment

Catégorie de l'établissement

Toutes catégories

Résistance au feu

Structure SF 1/2 h Plancher CF 1/2 h

e

- Différence de hauteur

2 catégorie

- Plancher bas du

entre les niveaux

3 catégorie

niveau le plus haut

extrêmes de

4 catégorie

situé à moins de

l'établissement

8 mètres du sol

inférieure ou égale à

e

Structure SF 1/2 h

e

Plancher CF 1/2 h

re

Structure SF 1 h

1 catégorie

8 mètres

Plancher CF 1 h

e

- Plancher bas du

- Différence de hauteur

2 catégorie

niveau le plus haut

entre les niveaux

3 catégorie

situé à plus de

extrêmes de

4 catégorie

8 mètres et jusqu'à

l'établissement

28 mètres y compris

supérieure à 8 mètres

e

Structure SF 1 h

e

Plancher CF 1 h

re

Structure SF 1h1/2

1 catégorie

Plancher CF 1h1/2

2.6.2 Bâtiments soumis au Code du Travail avec dernier plancher à plus de 8m Un bâtiment soumis au Code du Travail n’a pas d’exigence en ce qui concerne la résistance au feu des ses éléments si son plancher occupé le plus haut est à moins de 8m de haut par rapport à l’accès pompiers. A contrario, l’article R. 4216-24 précise qu’afin de prendre en compte l'augmentation des risques en cas de sinistre, les bâtiments dont le plancher bas du dernier niveau est situé à plus de huit mètres du sol extérieur ont une structure d'une stabilité au feu de degré une heure et des planchers coupe-feu de même degré. Ils sont isolés de tout bâtiment ou local occupé par des tiers, au minimum par des parois coupe-feu de degré une heure ou par des sas comportant des portes pare-flammes de degré une demi-heure munies de ferme-porte et s'ouvrant vers l'intérieur du sas.

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2.6.3 Bâtiments d’habitations Les bâtiments d’habitations sont soumis à l’arrêté du 31 janvier 1986 modifié. Ces bâtiments sont classés, en fonction du nombre d’étages, de la 1ère à la 4° famille. Les articles 5, 6 et 8 indiquent les résistances au feu qui doivent être respectées Article 5. Les éléments porteurs verticaux des habitations doivent présenter les degrés de stabilité au feu ci-après Habitations de la 1ère famille :

¼ heure ;

Habitations de la 2ème famille :

½ heure ;

Habitations de la 3ème famille :

1 heure ;

Habitations de la 4ème famille :

1 ½ heure.

Article 6. Les planchers, à l'exclusion de ceux établis à l'intérieur d'un même logement doivent présenter les degrés coupe-feu ci-après Habitations de la 1ère famille :

¼ heure pour le plancher haut du sous-sol ;

Habitations de la 2ème famille :

½ heure ;i

Habitations de la 3ème famille :

1 heure ;

Habitations de la 4ème famille :

1 ½ heure.

Article 8. Les parois séparatives des habitations individuelles des première et deuxième familles jumelées ou réunies en bande doivent être coupe-feu de degré un ¼ heure. A l'exclusion des façades, les parois verticales de l'enveloppe du logement doivent être : Habitations de la 2ème et 3ème famille : Coupe-feu de degré ½ heure ; Habitations de la 4ème famille : Coupe-feu de degré 1 heure.

2.6.4 Immeubles de grande hauteur (IGH) Les immeubles de grande hauteur sont ceux dont la hauteur est ainsi définie : 50 mètres pour les immeubles à usage d'habitation. 28 mètres pour les autres immeubles. Ils sont soumis à l’Arrêté du 18 octobre 1977. L’article GH9 indique que la stabilité au feu des éléments de la structure de l'IGH (poteaux,

poutres, planchers, etc.) doit être de degré deux heures au moins.

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L’article GH10 précise, lui, que les parois séparant l'immeuble d'un parc de stationnement doivent être de degré coupe-feu quatre heures au moins et ne comporter aucune communication directe ou indirecte. 2.6.5 Tunnels routiers Pour les tunnels routiers laissant transiter des véhicules légers et des poids lourds ne transportant pas de matières dangereuses, le degré de résistance au feu vis à vis de la stabilité mécanique a pour valeur de référence une heure et demie SF référence = 1h1/2 2.6.6 Tunnels autorisés au transit des matières dangereuses Dans le cas des tunnels autorisés au transit des matières dangereuses, la résistance au feu des éléments de structure est vérifiée, quels que soient les matériaux utilisés, en utilisant à la fois : la courbe ISO 834 pendant une durée maximale de quatre heures, la courbe hydrocarbure pendant une durée maximale de deux heures ; il y a lieu alors de s’assurer du non éclatement du béton. Si celui ci n’est pas garanti, la justification de la résistance au feu sera apportée par la réalisation d’essais.(voir figure 15) L'expérience a montré qu'un incendie de voiture dans un tunnel ne provoque généralement pas de dégâts aux structures. Par contre, un incendie de camion peut entraîner la destruction par fusion ou ramollissement de chemins de câbles en aluminium (température de fusion 650 °C) et une fissuration importante au droit du ferraillage de la dalle en plafond avec mise à nu des armatures. [7]. Un incendie long d'hydrocarbures pourrait menacer la structure principale. Des essais divers ont été réalisés pour simuler des cas réels d'incendie. On peut notamment citer ceux du Memorial Tunnel aux USA (1995) ainsi que ceux développés dans le cadre du projet EUREKA-FIRETUN (1994-1995). L'incendie du tunnel sous la Manche en 1996 présente également un grand intérêt.

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2.7

Une nouvelle approche. L'ingénierie de la sécurité incendie

C’est le retour d’expérience qui a dicté les durées de stabilité au feu que l’on trouve dans les différents règlements. Il est important de préciser qu’il existe en ce moment des travaux novateurs pour mettre en place une véritable ingénierie de la sécurité incendie. Joël Kruppa, du CTICM, a publié en décembre 2008 dans le Moniteur du Bâtiment un plaidoyer très documenté engageant les pouvoirs publics à ne pas réclamer toujours plus de stabilité au feu (Voir l’annexe 2). Selon leurs promoteurs, le but de cette approche est de « développer en France la connaissance des méthodes modernes d’analyse de la sécurité des ouvrages en situation d’incendie. Ces méthodes sont qualifiées de « performancielles » par comparaison aux méthodes actuelles, essentiellement descriptives. ». On trouve de nombreuses informations concernant l’ingénierie de la sécurité incendie sur le site du CSTB dédié http://pnisi.cstb.fr.

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Chapitre 3

3.1

PRESENTATION DES EUROCODES

Un peu d’histoire récente

Les Eurocodes sont nés d’un constat très ancien: dès 1971, la directive européenne 71/305/CEE avait identifié que la disparité des règlements nationaux était une entrave à la libre circulation des biens et des services [8]. Dès 1975 un collège d’experts est créé afin d’élaborer des règles de conceptions communes. Les premiers Eurocodes sont livrés au début des années 1980. En France, le Conseil général des ponts et chaussées leur a consacré de nombreuses séances. Un comité technique spécialisé, le CEN/TC 2520, a été chargé du processus de normalisation. A partir de 1990, les premières normes sont disponibles. En France l’AFNOR propose des règles expérimentales dont le symbole est XP. Ces règles étant provisoires, elles sont notées au niveau européen en ENV. C’est ainsi que 1991 voit sortir la XP ENV 1991 Eurocode 1 : bases de calcul et actions sur les structures et Document d'Application Nationale. Lorsque les Eurocodes sont apparus suffisamment matures pour être diffusés, dans les années 1996-1998, il a été décidé que les États devaient rester souverains dans leurs applications. On a donc inclus aux Eurocodes des « paramètres déterminés au niveau national » (les NDP : nationally determined parameters)

3.2

Nomenclature des Eurocodes Eurocode 0

Eurocodes structuraux - Bases de calcul des structures

Eurocode 1

Actions sur les structures

Eurocode 2

Calcul des structures en béton

Eurocode 3

Calcul des structures en acier

Eurocode 4

Calcul des structures mixtes acier-béton

Eurocode 5

Conception et calcul des structures en bois

Eurocode 6

Calcul des ouvrages en maçonnerie

Eurocode 7

Calcul géotechnique

Eurocode 8

Calcul des structures pour leur résistance aux séismes

Eurocode 9

Calcul des structures en aluminium

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On trouve en annexe 1 l’état de leur nomenclature détaillée.

3.3

Mise en application des Eurocodes – Obligation de leur application

Une fois cet ensemble de règles élaboré, il reste à les mettre en œuvre. Les autorités françaises et allemandes ont décidé de passer à partir de 2005 à l’emploi systématique des Eurocodes pour les projets de ponts [8].

L'avant-propos de chaque Eurocode ou Partie d'Eurocode stipule que « toutes les normes nationales en contradiction devront être retirées au plus tard en mars 2010 ». Pour les marchés publics, il est obligatoire d'appliquer les normes françaises homologuées, et donc de se référer, lorsqu'elles existent, aux normes nationales transposant les Eurocodes. A ce propos l'observatoire économique de l'achat public (OEAP) vient de publier sur son site une recommandation sur l'utilisation des Eurocodes dans les marchés publics relatifs aux ouvrages de construction.

Quant aux marchés privés, l'application des Eurocodes est dans le principe volontaire. Les normes nationales transposant les Eurocodes seront pourtant un passage obligé pour diverses raisons. En particulier lorsqu'il est fait référence à la norme NF P 03-001 qui constitue le cahier des clauses administratives générales le plus utilisé en matière de marchés privés, l'application des normes françaises homologuées est rendue obligatoire. La norme s'analyse alors comme une règle imposée aux parties, c'est-à-dire qu'elles sont obligées de s'y conformer, faute de quoi leur responsabilité serait mise en jeu.

3.4

Principe de conception

Les principes généraux de conception et de calcul des constructions sont formulés dans l’Eurocode 0 : Base de calculs de structures.

La rédaction des Eurocodes distingue : les principes d’application ≠ des règles d’application.

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Dans le texte, on trouve l’indication (P) derrière le numéro de paragraphe pour les principes d’application. Ces principes sont intangibles : aucune alternative ne peut être proposée. Les règles d’application sont données en respect des principes qu’elles suivent. Elles n’ont pas le caractère intangible des principes et peuvent être remplacées par d’autres règles. La conformité au principe doit toutefois alors être démontrée et les qualités atteintes ne sauraient être inférieures à celles atteintes par les règles.

Il faut retenir que tous les Eurocodes utilisent la méthode de vérification aux états limites. Ce sont les deux principes généraux suivants qui régissent les exigences de conception : Une structure doit, pour sa durée de vie supposée, résister à toutes les actions prévisibles et rester adaptée à l’usage défini. (2.1(1)P) Des évènements tels que chocs, explosions ou erreurs humaines ne doivent pas endommager la structure de façon disproportionnée. (2.1(4)P) Les règles ouvrent la porte à la gestion de la fiabilité : on peut baisser les valeurs des pondérations dans les calculs en améliorant, par exemple, le contrôle de la qualité du projet ou de l’exécution.

3.4.1 Une démarche Qualité Les exigences pour la construction s’expriment sous l’angle de la gestion de la qualité : ce sont les autorités publiques qui mènent une politique de gestion des risques. Ces autorités définissent des critères tels que des déformations maximales ou des occurrences de valeurs de contraintes dans la vie supposée d’un élément. La fiabilité structurale est définie comme « la capacité d’une structure ou d’un élément structural à satisfaire aux exigences spécifiées, y compris la durée d’utilisation du projet pour laquelle il a été conçu. La fiabilité s’exprime habituellement en termes de probabilités ». Les Eurocodes introduisent les notions de « niveau adéquat d'exécution des travaux » et de « gestion de la qualité ». L’assurance qualité vise en priorité à éviter les erreurs humaines, la fameuse « interface fauteuil-clavier ». La mise en œuvre d’une politique de la qualité demande qu’un PAQ (Plan DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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d’Assurance Qualité) soit élaboré, qu’il soit intégré au processus de fabrication et que l’ensemble des paramètres soit placé sous le contrôle du management du projet.

3.4.2 Durée de vie - Durabilité La notion de « durée d’utilisation du projet » (2.3) introduite aux Eurocodes prévoit que l’ouvrage bien entretenu n’a pas à être réparé durant des périodes données à titre indicatif : 10 ans pour des ouvrages provisoires 15 à 30 ans pour les bâtiments agricoles 50 ans pour un bâtiment courant 100 ans pour le génie civil

Lorsque le maitre d’ouvrage envisage une durée de vie supérieure, il devra améliorer les dispositions constructives, les protections, les propriétés des matériaux, la qualité de la main d’œuvre, le niveau des contrôles ou l’assurance qualité. La durabilité est également prise en compte. Au long cette durée, sa détérioration prévisible ne doit pas abaisser ses performances au-dessous du niveau escompté.

3.4.3 Méthodes probabilistes et semi-probabilistes Dans la démarche probabiliste, on considère qu’un ouvrage est sûr si sa probabilité de ruine avant la fin de sa durée de vie est inférieure à une certaine valeur. L’idée de sécurité à 100% est donc écartée. Dans cette méthode, il convient d’analyser les variables aléatoires concernant tous les facteurs présentant un risque d’incertitude : Caractéristiques des matériaux Dimensions des éléments construits Charges variables (exploitation, température, climatiques…) En analysant les milliers de constructions réalisées et de chantier en cours, ces fonctions aléatoires sont tout à fait caractérisables. Il faut ensuite définir la probabilité acceptable de ruine. L’ordre est 10-5 à 10-6.

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Une fois ces variables établies, et après que les Autorités concernées aient donné leur aval aux probabilités envisagées, le dimensionnement peut s’effectuer : en effet, l’Eurocode 0, à son article 3.5(5), autorise explicitement d’user d’une telle méthode : il est loisible de baser directement le dimensionnement sur des méthodes probabilistes.

La démarche semi-probabiliste se base sur des estimations des valeurs présentant des risques d’incertitudes. On tient compte des dispersions statistiques connues : par exemple la valeur caractéristique des actions climatiques est basée sur une probabilité de 0,02 de dépassement de leur partie variable avec le temps, au cours d'une durée de référence d'un an. Pour les matériaux, la valeur caractéristique correspond généralement à un fractile spécifié de la distribution statistique supposée de la propriété concernée du matériau ou du produit.

Pour les calculs, on introduit les coefficients partiels qui sont des retours d’expérience, de campagnes d’essais ou de calculs de probabilités.

Pour expliciter la démarche, posons le problème de base pour lequel un ensemble d’actions doit être inférieur à une résistance. Aux Eurocodes on note les effets des actions E et les résistances R. On cherche à avoir E 40

si λ ≤ 60

1,24

si 60 < λ ≤ 120

kh = (0,7 + 0,5 D) . (1 – 8 ρ . δ) pour D< 0,60

sinon kh = 1 ks = 1,6 – 0,6

2

πD 2 . fcd + As . fyd] 4

sinon kh = 1 ks = 1,6 – 0,65

sinon ks = 1

f yk 500

pour fyk > 500 et  λ > 30

sinon ks = 1

Avec les variables classiques suivantes : -

b = largeur du poteau rectangulaire

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-

D = diamètre de la section circulaire

-

h = épaisseur du poteau rectangulaire dans le sens du flambement

-

Lo = longueur de flambement

-

fcd = fck / 1,5

-

As = section totale des aciers situés à la distance d’ des parois, disposés en deux lits pour

;

fyd = fyk / 1,15

une section rectangulaire ou en six barres réparties pour une section circulaire -

δ= d’ / h

-

λ = Lo

enrobage relatif

12 / h élancement pour une section rectangulaire de côté h dans le sens du

flambement -

λ = 4 . Lo / D

élancement pour une section rectangulaire de diamètre D

-

ρ = As / b . h

% d’acier total pour une section rectangulaire ≤ 3 %

-

ρ = As / (

πD 2 ) % d’acier total pour une section circulaire ≤ 3 % 4

Remarque. Si l’on ne connaît pas les valeurs de ρ et δ , on peut prendre, à titre conservatoire : -

kh = 0,77

pour les sections rectangulaires lorsque h < 0.50 m

-

kh = 0,70

pour les sections circulaires lorsque D < 0.60 m.

Tableau 14 - Coefficient α pour un dimensionnement rapide des poteaux

λ=

0

20

40

60

80

100

120

α=

0.860

0.779

0.607

0.444

0.304

0.227

0.179

Une fois le poteau calculé « à froid », les Eurocodes proposent une première méthode de vérification, dite « Méthode A ». Cette méthode s’applique dans les limites suivantes : -

longueur efficace du poteau en conditions d'incendie : l 0,fi ≤ 3 m,

-

excentricité du premier ordre en conditions d'incendie : e = M 0Ed,fi / N 0Ed,fi ≤ e max =0,15h,

-

quantité d'armatures : A s < 0,04 A c .

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Tableau 15 - Conditions de stabilité au feu d'un poteau béton. Méthode A

On trouve au chapitre 9.1.6 de ce document un exemple de calcul de poteaux aux Eurocodes 4.7.2 Dimensionnement des poteaux. Méthode B On définit le niveau de chargement n=N0Ed,fi/(0,7(Ac Fcd + As Fyd)) Où N0Ed,fi est la charge axiale en conditions d’incendie. Le ratio mécanique d’armatures à température normale se calcule alors :  

ω =  

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Tableau 16 - Conditions de stabilité au feu d'un poteau béton. Méthode B

4.8

Dimensionnement des voiles

4.8.1 Voiles non porteurs Le premier cas à considérer est celui des voiles non porteurs (ou cloisons). Les seuls critères exigés sont l’isolation thermique I et l’étanchéité E. Les aciers n’étant pas nécessaires pour justifier la stabilité de l’élément, il n’y a pas d’exigence minimale concernant l’enrobage des armatures Tableau 17 - Conditions de stabilité au feu d'une cloison en béton

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4.8.2 Voiles porteurs Pour les voiles porteurs, les conditions pour un voile non porteur doivent être respectées (voir ci-dessus), ainsi que celle du tableau suivant, dans lequel μ fi est calculé de la même façon que les poteaux dans la méthode A. Tableau 18 - Conditions de stabilité au feu d'un mur porteur en béton

4.9

Vérification des poutres

La résistance au feu des poutres en béton armé ou précontraint peut être supposée satisfaite si les valeurs des tableaux et des règles suivants sont appliquées. A noter cette particularité : l'épaisseur de l'âme est désignée uniquement selon la classe WA en France. Les tableaux s'appliquent aux poutres qui peuvent être exposées au feu sur 3 côtés, c'est-àdire que la face supérieure est isolée par des dalles ou d'autres éléments qui conservent leur fonction d'isolation thermique pendant la totalité de la durée de résistance au feu.

Figure 21 - Définition de la largeur d'une poutre

Des règles plus précises s’appliquent aux poutres en I

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Tableau 19 - Conditions de stabilité au feu des poutres sur appuis simples sans moment sur appui

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Tableau 20 - Conditions de stabilité au feu des poutres sur appuis simples avec moment sur appui (poutres ontinues)

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Chapitre 5

L’EUROCODE 3 - CALCUL DES STRUCTURES EN ACIER

L’Eurocode 3 est constitué de 35 parties (voir en annexe). Chacune de ces parties permet de déterminer de façon précise des éléments particuliers : éléments à 700 MPa, ponts, pylônes, réservoirs, canalisations, palplanches…. Les parties 1.2 et 1.2/NA expliquent les façons de calculer au feu les ouvrages en acier. En France, le Centre Technique industriel de la Construction Métallique (C.T.I.C.M.), créé en 1962, est « le » grand centre de recherche national. Il est régi par les articles L342.1 à L342.13 du Code de la Recherche ; c’est un "Établissement d’utilité publique" de droit privé, dont l’objet est de promouvoir le progrès des techniques, de participer à l’amélioration du rendement et de garantir la qualité dans l’industrie de la construction métallique. Le CTICM est placé sous la tutelle du Ministère de l’Économie, des Finances et de l’Emploi. Toutefois, il est à noter que la part marchande de ses activités représente environ 40 % du chiffre d’affaires. 5.1

Détermination de la température des structures métalliques

L’Eurocode 1 Partie 2.2 «actions sur les structures en cas d’incendie» et l’Eurocode 3 Partie 1.2 «règles de calcul en cas d’incendie » permettent de vérifier les moyens à mettre en œuvre pour satisfaire un degré de stabilité au feu exigé. Daniel Joyeux, dans son article [12], rappelle que l’incendie est considéré comme une action accidentelle. L’incendie n’intervient pas comme une charge supplémentaire dans les combinaisons d’actions, mais agit de manière indirecte par réduction des propriétés des matériaux. Cette réduction ou modification des propriétés des matériaux est fonction de la température atteinte par ceux-ci.

5.2

Détermination du flux thermique net

Dans le cadre de l’Eurocode 1 partie 2.2, l’action thermique déterminant la stabilité au feu d’éléments de structure selon l’incendie conventionnel est déterminé par un flux thermique net h.net,d à la surface exposée de l’élément. On définit le flux thermique net comme la valeur représentant la quantité d’énergie qui arrive à la surface de l’élément moins la

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quantité d’énergie qui repart. On différencie dans ce flux la partie convective de la partie radiative :

h .net,d = γn,ch .net,c + γn,rh .net,r Que l’on réduit, après remplacements, au flux thermique net : h .net,d = 25 . (θc – θs) + 0,5 . 5,67 10–8 [(θc + 273)4 – (θs + 273)4] équation dans laquelle : θc est la température conventionnelle (°C) θs est la température de surface de l’élément métallique (°C)

5.3

Détermination de la stabilité au feu

Plusieurs méthodes de calcul sont développées dans les Eurocodes. Trois niveaux d'approche sont possibles pour les modèles de vérification du comportement au feu des structures : les valeurs tabulées, ou la durée de résistance au feu d'un élément structural est donnée en fonction de ses dimensions géométriques, pour quelques niveaux de chargement, les méthodes de calcul simplifiées faisant appel à des formules analytiques de résolution aisée, les méthodes de calcul dites avancées, permettant, par exemple, de prendre en compte l'interaction des éléments avec l'ensemble de la structure.

5.4

Présentation des méthodes de résolution

Le CTICM a publié un ensemble d’articles réalisés par deux de ses ingénieurs Daniel JOYEUX, Chef du Département Incendie au CTICM et Christophe RENAUD Ingénieur au département Incendie du CTICM. [12] et [13]. Ces articles expliquent d’une part la méthode pour estimer l’action d’un incendie sur un élément en acier, et d’autre part une méthode permettant de dimensionner un élément sans protection pour atteindre une stabilité ¼ heure ou ½ heure. La première étape est de déterminer la température atteinte au temps voulu par le profilé métallique étudié. Pour cela il est nécessaire de connaitre le facteur de massiveté de l’élément. Une fois cela fait on peut choisir entre deux méthodes, celle de la température forfaitaire ou celle du taux de chargement : DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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Étape 1 : Détermination du facteur de massiveté de l’élément Étape 2 : Calcul de la température d’échauffement Étape 3 : Choix de la méthode Méthode de la température forfaitaire ou Méthode du taux de chargement

L’action appliquée en situation d’incendie n’est pas une action mécanique mais une action thermique produisant l’échauffement du matériau. C’est cette action thermique qui est déterminée dans ces méthodes. Les combinaisons d’actions mécaniques sont donc celles du cas accidentel. Il convient de ne pas prendre en compte la diminution des charges imposées du fait de la combustion et l’on peut évaluer individuellement les cas où il est inutile de tenir compte des charges de neige du fait de sa fonte. De plus, les actions résultant d'opérations industrielles ne doivent pas être prises en compte. Il n'est pas nécessaire de prendre en compte la simultanéité avec d'autres actions accidentelles indépendantes.

5.5

Facteur de massiveté (≠ massivité)

Le facteur de massiveté A/V exprime le rapport entre la surface exposée au flux thermique A[m²] et le volume d’un élément par unité de longueur V[m3]. Dans le cas où les éléments métalliques sont exposés sur 4 faces, le facteur de massiveté est déterminé par le rapport de son périmètre en section et la surface de la section. Quelques formulations simples pour les éléments usuellement utilisés sont données dans l’Eurocode 3 partie 1.2 (Voir tableaux n°23 à n°27). Sa valeur influence très sensiblement le comportement au feu de l’élément de structure considéré. Un élément présentant un quotient A/V [m-1] de faible valeur subira un échauffement bien plus lent qu’un élément ayant un facteur de massiveté élevé. Il aura ainsi une résistance au feu plus grande. Exemples :

profilé IPE 100 exposé 4 faces A/V = 389 profilé IPE 500 exposé 4 faces A/V = 150.

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Figure 22 - Représentation de la massiveté [6]

Il peut exister des configurations différentes telles que certaines faces ne soient pas exposées au feu. C’est en particulier le cas pour des poutres situées en sous face de plancher. Le facteur de massiveté est alors défini par le rapport de la partie du périmètre de l’élément exposée au feu par sa surface.

Par exemple, une poutre en IPE 500 localisée en sous face d’un plancher présente un périmètre total de 1,74 m, mais le périmètre exposé au feu ne représente qu’une longueur de 1,53 m. Sa surface en section étant de 116 cm2, le facteur de massiveté de la poutre sera de 132 m–1. On notera donc une réduction du facteur de massiveté de cette poutre exposée sur 3 côtés, par rapport au facteur de massiveté de 150 m–1 si celle-ci était exposée sur 4 côtés.

A noter que pour les éléments protégés par peinture ou projection, le facteur de massiveté de l’élément protégé est identique au facteur de massiveté de l’élément non protégé.

Pour les éléments protégés par des caissons, le rapport Ap/V est déterminé en utilisant pour Ap le périmètre interne exposé au feu de la protection, et V la section de l’élément métallique.

DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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5.6

Calcul de la température d’échauffement

5.6.1 Propriétés thermiques de l’acier

Afin de dérouler les calculs, il est nécessaire de déterminer les propriétés thermiques de l’acier : la première est la chaleur spécifique de l’acier, qui est fonction de la température. On rappelle que la chaleur spécifique, qu'il convient d'appeler capacité thermique massique, est déterminée par la quantité d'énergie à apporter par échange thermique pour élever d'un degré la température de l'unité de masse d'une substance. C'est donc une grandeur intensive égale à la capacité thermique rapportée à la masse du corps étudié. Le pic de chaleur spécifique à 735°C s’explique par des modifications chimiques de l’acier.

Figure 23 - Chaleur spécifique et conductivité thermique

La conductivité thermique est, elle, une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. Elle représente la quantité de chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de température. La chaleur spécifique est prise à 600 J/kg/K pour les calculs simplifiés La conductivité thermique est prise à 45 W/m/K pour les calculs simplifiés

5.6.2 Équations générales de l’échauffement de l’acier non protégé La vérification se fait par élément. L’acier étant très conducteur, l’élément métallique est considéré à température homogène en section. DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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h .net,d.Am représente le taux d’énergie apportée 

CaρaV  représente le taux d’énergie nécessaire pour l’accroissement de la température En égalisant les 2 taux, l’élévation de température de l’élément sur un intervalle de temps Δt est alors déterminée par l’équation suivante :

Δθa,t =

 /  

!"#,

%$On rappelle que pour les taux de massiveté inférieurs à 10m-1, cette équation ne s’applique plus et que l’expérimentation est obligatoire. En effet pour de tels éléments, la température dans la section ne peut plus du tout être considérée homogène. Le calcul peut alors se faire par itérations, le pas de temps devant être au maximum de 5s. Un exemple de calculs est présenté en annexe VI.1. 5.6.3 Résolution graphique Les équations générales d’échauffement permettent de définir les abaques suivants. Ceux-ci permettent de déterminer la température de l’élément étudié en fonction d’une part de sa massiveté et d’autre part de la durée d’incendie :

Figure 24 - Température d'un profilé en fonction de sa massiveté et de la durée d'incendie

Exemple d’utilisation de l’abaque :

DIAGNOSTIC DE LA RESISTANCE AU FEU DES OUVRAGES EXISTANTS

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Quelle sera la température d’un profilé IPE500 exposé sur 4 faces après 1/2 heure d’incendie ? IPE500 : Sa surface exposée au feu par unité de longueur Am est 1,74m²/m Son volume par unité de longueur V est 11.600cm3/m (0,0116 m3/m) Son facteur de massiveté est alors

&,'( ),)&&*

+ 150/0&

On lit alors sur l’abaque 800°C

5.7

Méthode de la température forfaitaire

Cette première méthode, très simple, est basée sur le principe de températures à ne pas dépasser pour un élément. Cette température critique forfaitaire n’est pas la même selon que l’élément étudié est une poutre encastrée à un ensemble hyperstatique ou bien qu’il soit une poutre isostatique ou un poteau. Les températures critiques forfaitaires suivantes sont adoptées dans l’Eurocode 3 partie 1.2 «Comportement au feu des structures en acier» et précisées dans son Document d’Application Nationale : Tableau 21 - θcritique de l'EC 3 1.2 DAN

Position de l’élément étudié

θcritique

Poutres hyperstatiques

570 °C

Poutres isostatiques et éléments tendus

540 °C

Éléments comprimés

500 °C

Éléments soumis à la flexion et à la compression 500 °C axiale Éléments de classe 4

350 °C

On rappelle que les sections transversales de Classe 4 sont celles pour lesquelles il y a un risque de voilement local avant même que les autres instabilités se soient manifestées. Par lecture inverse de l’abaque précédent, et en limitant la température d’échauffement à la température critique, on arrive au tableau suivant :

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Tableau 22 - Facteur de massiveté maximal pour atteindre la stabilité au feu

Stabilité au feu

Stabilité au feu

¼ heure

½ heure

131

41

116

37

99

32

99

32

55

19

Poutres hyperstatiques Poutres isostatiques et éléments tendus Éléments comprimés Éléments soumis à la flexion et à la compression axiale Éléments de classe 4

Ce tableau définit donc les facteurs de massiveté maximaux qu’auront à respecter les profilés non protégés devant atteindre une stabilité de ¼ heure ou ½ heure.

5.8

Méthode du taux de chargement

5.8.1 Taux de chargement en situation d’incendie µ0 Le taux de chargement en situation d’incendie µ0 est déterminé par :

1 23,

µ0= 23,

où Efi, d est l’action mécanique appliquée à l’élément en situation d’incendie et Rfi, d, 0 est la résistance de l’élément en situation d’incendie à t = 20 °C C’est le rapport entre les efforts appliqués et la capacité de résistance de l’élément

Pour déterminer les actions mécaniques en situation accidentelle d’incendie, on peut : -

Utiliser les combinaisons accidentelles Σ Gk + Ad + Ψ1 ou 2 Qk,1 + Σ Ψ2 Qk

-

Multiplier par 0.64 (0.69 pour les bâtiments de catégorie E au sens de l’Eurocode 1 partie 1.1) la charge mécanique aux ELU.

5.8.2 Taux de chargement en conditions normales d’utilisation µELU. Exemple de calculs. µELU est le taux de chargement en conditions normales d’utilisation et est égal à : 4

µELU=45, moment appliqué ou moment résistant.

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&

Alors il vient que µ0=0.64 (ou 0.69) &,& µELU

Comme pour la méthode précédente, on vérifie la stabilité d’un élément en comparant la température d’échauffement avec la température critique : θéchauffement ≤ θcritique

Au lieu d’être une valeur fixée réglementairement, dans cette méthode la température critique θcritique se calcule en fonction du taux de chargement :

θcritique=39,19.678

& ),9*'(:;