Calcul réglementaire de la résistance au feu des structures en bois – utilisation standard de l’Eurocode et calculs avancés

Journée technique ISMANS-EFECTIS sur

les méthodes avancées de la résistance

au feu des structures et ouvrages

Le Mans, 24 Mars 2016

Jean-Christophe Mindeguia

I2M, Université de Bordeaux

jean-christophe.mindeguia@u-bordeaux.fr

L'ingénierie feu doit permettre de sortir des préjugés sur le bois

Résistance au feu et structures en bois

2

1666

"Grand incendie de Londres"Artiste inconnu

2002Centre de secours d'Epagny (74)

Maître d'ouvrage : SDIS 74, Architecte : Richard Plottier

L'ingénierie feu doit permettre d'accompagner le développement de nouveaux produits / nouvelles structures

Résistance au feu et structures en bois

3

4

Contenu de la présentation

Contexte réglementaire (en France)

Grands principes de l'Eurocode 5 partie feu

Carbonisation du bois

Développement d'un modèle de carbonisation

Cas d'étude

Arrêté du 22 Mars 2004 relatif à la résistance au feu des produits, éléments de construction et d'ouvrages, modifié par l'arrêté du 14 Mars 2011.

Contexte réglementaire

5

Art. 12 : "La justification des performances de

résistance au feu selon l’annexe 2 est apportée

par le concepteur...

…l’un ou l’autre des référentiels suivants cités en

annexe 2 peut être utilisé :

- les Eurocodes et leurs annexes nationales

respectives indiquant leurs conditions

d’application ;

- les normes nationales de la série P 92."

NF EN 1995-1-2 (septembre 2005) :

“Eurocode 5 : conception et calcul des

structures en bois. - Partie 1-2 :

généralités. - Calcul des structures au

feux” conjointement avec son annexe

nationale objet de la norme NF EN 1995-

1-2/NA (avril 2007)

Annexe 2 :

Organigramme général de calcul

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

6

Approche

prescriptive

Courbe de

feu standard

ISO 834-1

Courbe de

feu standard

ISO 834-1

Approche

performantielle

Modèles de

feux

"naturels"

Modèles de

feux

"naturels"

Approche prescriptive

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

7

Pilotée par le taux de carbonisation du bois

Taux de carbonisation β :

rapport entre l'épaisseur

de charbon dchar et la

durée du feu t

Approche prescriptive

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

8

Taux de carbonisation β :

rapport entre l'épaisseur

de charbon dchar et la

durée du feu t

Approche prescriptive

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

9

Prise en compte d'une protection thermique

Approche performantielle

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

10

Modèles de feux "naturels"

� Caractéristiques du compartiment (dimensions, ouvertures,

nature des parois, ventilation, extraction fumées …)

� Caractéristiques du feu (nature et quantité des combustibles,

localisation du foyer, surface du feu …)

NF EN 1991-1-2 : Eurocode 1 : actions sur les structures -

Partie 1-2 : actions générales - Actions sur les structures

exposées au feu

� Aspects probabilistes (mesures actives contre l'incendie, risque

d'activation du feu …)

Approche performantielle

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

11

NF EN 1991-1-2 :

Eurocode 1 : actions

sur les structures -

Partie 1-2 : actions

générales - Actions

sur les structures

exposées au feu

Approche performantielle

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

12

NF EN 1991-1-2 :

Eurocode 1 : actions

sur les structures -

Partie 1-2 : actions

générales - Actions

sur les structures

exposées au feu

Arrêté du 22 Mars 2004 relatif à la résistance au feu des produits, éléments de

construction et d'ouvrages, modifié par l'arrêté du 14 Mars 2011.

Articles 6, 15 & 16 : "Les actions thermiques, autres que prédéterminées,

sont établies à partir de l’examen de scénarios d’incendie. Les scénarios

d’incendie utilisés pour l’évaluation des performances de résistance au feu

sont retenus en accord avec les autorités publiques, locales ou

nationales, compétentes…l’étude doit faire l’objet d’une appréciation

favorable d’un laboratoire agréé avant son application à la construction ou

à l’ouvrage…un cahier des charges fixant les conditions d’exploitation doit

être fourni, afin d’assurer que les paramètres liés aux scénarios d’incendie

retenus seront respectés. L’exploitant doit s’engager à appliquer les

dispositions de ce cahier des charges."

NF EN 1991-1-2/NA :

Annexe Nationale

Approche performantielle : retour sur l'Eurocode 5 partie feu

Grands principes de L'Eurocode 5 – partie feu

13

Feu localiséFeu

paramétrique

Modèles

à zonesCFD

Structures non protégées � � � �

Structures protégées � � � �

� L'EC5 donne des indications sur la carbonisation du bois pour les

cas suivants :

� Pour ces cas, pas de modèle de carbonisation : recours à

des calculs plus avancés (simulations thermomécaniques,

modélisation de la carbonisation…)

Aspects généraux de la carbonisation du bois

Carbonisation du bois

14

BOIS =

- 40 à 50 % cellulose

- 10 à 30 % hémicellulose

- 15 à 30 % lignine

- eau (≈ 10 %)

Aspects généraux de la carbonisation du bois

Carbonisation du bois

15

La carbonisation est le résultat de la pyrolyse de ses 3 principaux constituants

- cellulose : 240 – 360 °C

- hemicellulose : 200 – 300 °C

- lignine : 225 – 450 °C

Cellulose Hemicellulose Lignine

Modèle de dégradation thermique du bois

Développement d'un modèle de carbonisation

16

�� ������� ��⁄ �

ρC� �T

�t� � λ�T � Q�Q� �

���

��· ∆H� · ρ�T�� en W/m3

Calcul des degrés de

réaction par résolution

de lois d'Arrhenius

Calcul des sources de chaleur

associées à chaque réaction

Résolution de la diffusion de la

chaleur avec second membre

Pilote l'épaisseur de

charbon dans le modèleG. Cueff, thèse Université de Bordeaux en

collaboration avec Efectis France, 2014

Modèle de dégradation thermique du bois

Développement d'un modèle de carbonisation

17

!"#" � !$#�% ∗ '1 � )* + , 1 � - 1 , ). /

01"#" �1 , )* · 01$#�% � )* · + · 01*234 � - · 1 , ). · 01.

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!$#�%278

!$· - · �1 , ).� · 6.

�� ������� ��⁄ �

χ� � 1 , ��9·"

Calcul de l’avancement des réactions χ:

Calcul des propriétés thermiques avec une loi des mélanges

χ; et χ<connus des lois

d’Arrhenius

Calibration du modèle

Développement d'un modèle de carbonisation

König J. and L. Walleij. 1999. “One-

Dimensional Charring of Timber Exposed

to Standard and Parametric Fires in

Initially unprotected and Postprotection

Situations”. SP Technical Research Institute

of Sweden, Wood Technology, Stockholm,

Sweden.

Feu ISO Feu paramétrique

Bois non protégé 4 essais3 essais (170/0.04)

3 essais (510/0.12)

Bois protégé – panneau de bois2 essais (1 x panneau ep. 16 mm)

1 essai (2 x panneaux ep. 16 mm)�

Bois protégé – plaques de plâtre 2 essais (2 x plaques ep. 15.4 mm) �

18

Calibration du modèle

Développement d'un modèle de carbonisation

19

Calibration du modèle

Développement d'un modèle de carbonisation

20

Calibration du modèle

Développement d'un modèle de carbonisation

21

Propriétés du compartiment

Cas d'étude

22

3 m

8 m8 m

ParoisSurface

d'ouverturesNature

Mur 1 4.8 m²

Briques ep. 20 cm +

1 plaque de plâtre ep.

13 mm

Mur 2 1.44 m²

Mur 3 4.45 m²

Mur 4 1.44 m²

Sol 0 Béton ep. 20 cm

Plafond 0Structure bois non

protégée

- Occupation : bureaux

- Pas de ventilation forcée

� Facteur d'ouverture O = 0.051 m1/2

Plancher bois

Cas d'étude

23

- Poutres principales en lamellé collé GL24 h

- Portée 8 m, entraxes 4 m

- Non protégées, exposées 3 faces

- Dimensionnement à 20 °C selon l'EC5 : 24 x 54 cm

24 cm

54 cmParquet bois

ep. 2 cmPlancher CLT ep. 20 cm

Code Cast3M, CEA, cast3m.cea.fr

Propriétés du feu

Cas d'étude

24

- Surface de feu : 64 m²

- Pas de dispositif de sécurité active contre l'incendie (sprinkler, détection du feu, signalement

automatique aux pompiers …)

Fire growth

rate

Max. quantity of energy released by

unit area of fire

RHRf (kW/m²)

Combustion

efficiency

Fire load

density

qf,k (MJ/m²)

Combustion heat

of fuel (MJ/kg)

Medium 250 0.8 511 17.5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60 70 80

RH

R (

MW

)

time (min)

� Courbe de puissance

du feu RHR

3 Modèles de feu retenus

Cas d'étude

25

� Courbe de feu standard ISO 834-1

� Modèle de feu paramétrique calculé selon l'annexe A de l'Eurocode 1

� Modèle de feu à 2 zones implanté sur le soft "Ozone"

Cadorin J.F. and J-M. Franssen. 2003. “A tool to design steelelements submittedto compartment fires—OZone V2. Part 1: pre- and post-flashover compartment firemodel”, Fire Safety Journal, 38(5):395-427.

3 Modèles de feu retenus

Cas d'étude

26

� Température des gaz chauds et températures dans la poutre

Phase de

feu localisé

Phase de

refroidissement

Pleine puissance

Epaisseur de charbon et moment résistant

Cas d'étude

27

Phase de feu localisé

Phase de

refroidissement

Pleine puissance

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 20 40 60 80 100 120 140

Ch

arri

ng

dep

th (

mm

)

Time (minutes)

ISOPARAMOZONEEC5_ISOEC5_PARAM

Le cadre réglementaire permet une utilisation du bois dans tout type de structure. En matière de feu, la réglementation permet un recours (contrôlé) à l'ingénierie incendie.

Conclusions

28

Cela ouvre la porte au développement de modèles numériques appuyant les données de l'Eurocode 5 (données "prescriptives"). Doit permettre d'accompagner le développement de nouvelles pratiques / nouveaux produits.

En ce sens, les échanges entre la recherche et l'ingénierie sont nécessaires.

Un modèle numérique de carbonisation a été couplé à différents modèles de feux. Les cinétiques de feu peuvent influencer la résistance au feu de l'élément de structure.

29

Merci de votre attention

Jean-Christophe Mindeguia

I2M, Université de Bordeaux

jean-christophe.mindeguia@u-bordeaux.fr

Mindeguia J.C., Cueff G., Dréan V., Auguin G., "Simulation of charring depth of wooden-based products when exposed tonon-standardized fire curves", 9th International Conference on Structures in Fire, Princeton, 8th-10th June 2016.