Chapitre4 Rsistance au feudes btons

4.1 - Comportement aux tempratures leves

4.2 - Conductivit thermique

4.3 - volution des rsistances du btonet de lacier en fonction de la temprature

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Les risques lis aux incendies ne sont pas lesmmes dun pays lautre. Aux tats-Unis, parexemple, le feu tue tous les ans prs de 6000 per-sonnes, soit un peu plus de 2,4 pour 100000 habi-tants, alors quen France ce taux est de lordre de1 pour 100000. Impliques dans le suivi desrisques, les compagnies dassurances imputent cetcart la diffrence entre les modes constructifsdans les deux pays. Les tats-Unis ont, en effet,une tradition de construction lgre principalementen bois et en acier, alors quen France la majeurepartie du patrimoine est construite en lourd et,plus particulirement depuis la Seconde Guerremondiale, en bton.

Si lon suit le dveloppement dun incendie, oncomprend comment matriaux et techniques deconstruction participent directement la propaga-tion et lalimentation du feu. Une cause ext-rieure accidentelle est pratiquement toujours lorigine dun incendie : court-circuit lectrique,cigarette mal teinte, fonctionnement dfectueuxdun appareil mnager, etc. Le feu couve et lin-cendie nentre, en fait, dans son premier tat, dit de dmarrage , que si des matires combustiblesse trouvent proximit, tissus, papier, mobilier,etc., mais galement certains matriaux de cons-truction. Pour que le feu se dveloppe, il faut dansle mme temps un apport suffisant doxygne :loxygne contenu dans le local, mais aussi celuifourni par les ventilations et les ouvertures(1).

Au cours de lincendie, la temprature atteint fr-quemment 1000 C en surface des lments de laconstruction. Les matriaux doivent donc treincombustibles pour ne pas alimenter lincendie ensenflammant. Par ailleurs, laptitude des structureset des lments de construction conserver leurrle principal durant lincendie et sopposer lextension du feu est caractrise par : leur rsistance au feu ; ils peuvent tre stables au

feu (SF), coupe-feu (CF) ou pare-flamme (PF) pourdes temps dtermins (de 1/4 h 6 heures) ;

leur raction au feu, classe de M0 M4 (2).

4.1 - Comportementaux tempratures leves

Le tableau ci-dessous indique que plusieurs phno-mnes physico-chimiques se succdent lorsque latemprature du bton volue de 100 1000 C etplus. Ils correspondent des modifications sensi-bles de la pte cimentaire et des granulats partirde 500 C, modifications qui se traduisent par unaffaiblissement des qualits du bton (rsistancemcanique, modules de dformation, etc.).Lexprience montre pourtant que la rsistance aufeu des structures en bton est couramment assurealors que le bton situ dans une ambiance plusde 1000 C devrait subir des transformations rdhi-bitoires. Que se passe-t-il donc concrtement?

Si une altration de louvrage est visible en surface,on constate quelle ne se retrouve pas dans sonpaisseur. De fait, la temprature dans la masse esttrs infrieure la temprature de surface ; elle neslve ni instantanment ni de faon homognedans les lments en bton. Celui-ci prsente, eneffet, une inertie la propagation du flux de cha-leur dans sa masse et la temprature ne sy lveque lentement. On se sert de cette qualit pour li-solation thermique des btiments. De plus, lexp-rience individuelle permet une comprhensionintuitive du phnomne : en t, aprs une journedexposition au soleil, on remarque que la surfaceextrieure dun mur en bton est chaude au tou-cher alors que lambiance lintrieur de la piceest reste frache si lon a pris soin de locculter. Leflux de chaleur reu par la face extrieure du murne la pas travers intgralement. Cela rsulte de laconductivit thermique du matriau.

Chapitre Rsistance au feu des btons4

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1. Le mode de propagation du feu est dcrit plus haut dans le chapitre Scurit incendie .2. Voir le classement des matriaux au chapitre Scurit incendie .

Jusqu 100 C simple dilatationDe 100 150 C vaporation de leau des pores

partir de 150/180 C leau dhydratation de (OH)2Ca est libre,la pte de ciment se contracte

De 400 500 Clhydroxyde de calcium se dcompose en CaO et H2OLa vapeur deau peut engendrer un phnomne dcaillage

De 570 700 C le quartz a devient quartz b (573 C)De 700 800 C le CSH devient b CSH

partir de 800 Cle calcaire se dcompose (en granulats, par exemple)et devient CO3Ca OCa + C02

De 1150 1200 C le calcaire se dcompose (en granulats, par exemple) partir de 1300/1 400 C le bton est en masse fondue

Comportement du bton en fonction de son chauffement

4.2 - Conductivit thermique

Avec une valeur moyenne de 1,5 W/mK, la conduc-tivit thermique l dun bton courant, ou son apti-tude transmettre les flux de chaleur, est faible.Lessai, dcrit ci-aprs, illustre le phnomne sui-vant : un poteau en bton et un poteau en acier de240 x 240 mm sont soumis un feu ISO (feu derfrence pour les essais). On constate que: presque instantanment, les diffrentes parties

du profil acier, peu paisses et trs conductricesde la chaleur, sont portes 550 C, tempraturede ruine de lacier, qui ne prsente plus alors decaractristiques mcaniques significatives ;

aprs quinze minutes, la surface du poteau enbton atteint cette mme temprature de 550 Cmais cur , la temprature est denviron20 C et 4 cm de la surface, zone o lon trouveles armatures, elle natteint pas 100 C. Lepoteau en bton et ses armatures prsententdonc des caractristiques mcaniques non affec-tes par lexposition au feu.

Les armatures du bton arm et du bton pr-contraint ont un rle dterminant dans la tenue desouvrages : elles assurent prioritairement, etpresque toujours seules, la rsistance ltat ultimedes parties sollicites en traction-flexion. Cestdonc leur comportement aux tempratures attein-tes pendant un incendie qui dtermine la tenue delouvrage.

4.3 - volution des rsistancesdu bton et de lacier en fonctionde la temprature

Les volutions et les altrations du bton en cas dehausse de temprature, dcrites dans le tableau Comportement du bton en fonction de sonchauffement (voir page prcdente), se tradui-sent entre autres par un affaiblissement de la rsis-tance la compression du matriau. La rsistancereste constante jusqu 250 C puis dcrot pour neplus reprsenter 600 C que 45 % de ce quelletait 20 C ; elle devient nulle 1000 C.

La courbe ci-dessous prsente les rsultats dessaismontrant cette dcroissance pratiquement linairede la rsistance dun bton courant partir de250 C. Le fuseau autour de la courbe moyenneexprime principalement les diffrences de valeursobtenues suivant la nature des granulats. Lesbtons de granulats siliceux se situent en partiebasse du fuseau alors que les btons de granulatscalcaires, rsistant mieux la temprature, enoccupent la partie haute.

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lvation de la temprature en profondeurdans les sections de bton et dacier

Profondeur de pntration de la chaleur dans des sections en acier et enbton (de 240 x 240 mm) soumises un feu ISO.* L'acier a perdu plus de 50 % de sa rsistance.

Affaiblissement de la rsistance de trois nuances dacieren fonction de la temprature par rapport leur rsistance froid

Temprature (C) 0 200 400 500 580 750Acier lisse 1 1 0,95 0,73 0,42 0

et acier HA naturelAcier HA croui

1 1 1 0,50 0,15 0

Acier1 0,95 0,515 0,30 0,20 0pour prcontrainte

(Valeurs retenues par les rgles franaises FB.)

Chapitre Rsistance au feu des btons4

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fu 0,03 fcl ou bton prcontraint classes I et II nantsi tout en cadres 1,5 2 2,5 3 3 4,50,03 fcl fu 0,1 fcl si 40 % au moins en triers ou pingles nant0,1 fcl fu 0,15 fcl il faut au moins 40 % en triers et pingles 1,5 2 2,5 3 3 3,5

Poutres rectangulairesb minimal en cm 8 11 14 17 23 29

Poutres talonb minimal en cm 12 16 20 24 32 40b0 minimal en cm 8 10 12 14 16 18h0 minimal en cm 5 8 12 20 32 50

Nombre minimal de lits infrieurs 2 2 2 3 3 4avec b minimal 2,5 2,5 3,3 4,0 5,2 9,0et avec un nombre minimal de barres de lit de : 2 2 2 3 3 4

u (en cm)avec b suprieur la plus grande des deux valeurs1 m ou 1,5 h1 et avec 10 barres par lit 1 1,5 2 2 3 4,5

0,25 0,30 0,40 0,50 0,55 0,60

Poutres rectangulairesb minimal en cm 12 16 20 24 32 40

Poutres talonb minimal en cm 16 20 24 32 40 50b0 minimal en cm 8 10 12 14 16 18h0 minimal en cm 5 8 12 20 32 50

Nombre minimal de lits infrieurs 2 2 2 3 3 4avec b minimal 2,5 4 5,5 6,5 8,0 9,0et avec un nombre minimal de barres par lit de : 2 2 2 4 4 5

u (en cm)avec b suprieur la plus grande des 2 valeurs1 m ou 1,5 h1 et avec 10 barres par lit 1 2 3 4 5 6

0 0 0 0 0 0

Avec aciers sur appuis avec consoles

u (en cm) 1 1,5 2 2,5 3,5 4,5

0,25 0,3 0,4 20,5 0,55 0,6

Sans aciers sur appuis

u (en cm) 1 2 3 4 6 8

0 0 0 0 0 0

paisseur minimale 6 7 9 11 15 17,5

On opre par interpolation linaire pour u et

en fonction de la valeur de

3 Poutres

Entraxe des poutrelles au plus gal 2,5 m 5 6 8 10 14 16,5

Entraxe des poutrelles suprieur 2,5 m 6 7 9 11 15 17,5

Poutres croises avec un espacement maximal de 2,5 m dans chaque sens 4 5 7 9 13 15,5

paisseur minimale(h2 + e) cm

h + e(en cm)

1 Dalle

u1 (en cm)

Degr de rsistance au feu

1/2 h 1 h 1h30 2 h 3 h 4 h

carr 15 20 24 30 36 45

carr : une faceexpose au feu 10 12 14 16 20 26

rectangulaire 10 12 14 16 20 26

aminimum(en cm)

2 Poteau

interpolation sur laire si

carr

rectangulaire

b = Sa

h : paisseur de la dalle (en cm).e : paisseur de la chape et de son revtement (en cm).M0 : moment isostatique sous les charges permanentes

et les charges variables.

MW et Me : moments de flexion quilibrs par les aciers sur appuis de longueur libre lintrieur de la traveconsidre lsw et lse. dfaut de prescriptions diffrentes dans les documents particuliers du mar-ch, ces moments sont plafonns la valeur du moment provoqu par les seules charges perma-nentes, dans le cas o il sagit de moments de continuit isostatique (console).

Conditions respecter pour les dalles, les poteaux et les poutresafin dassurer une rsistance au feu donne (extrait de la norme P 92-701)

Pour lacier, on retiendra, daprs les donnes de lanorme P 92-701 Rgles de calcul. Mthode deprvision par le calcul du comportement au feu desstructures en bton (changement de statut du DTU,rgle de calcul FB 1987) , que sa rsistance latemprature dcrot partir de 150 200 C selonles nuances pour devenir nulle 750 C. Le tableauci-dessus donne ces rsistances la tempratureen pourcentages de leur rsistance froid pourtrois nuances daciers courants. On constate queles aciers pour prcontrainte ayant subi un traite-ment thermique lors de leur fabrication sont plussensibles la chaleur que les nuances utilises pourle bton arm.

En consquence, il est ncessaire de concevoirlouvrage et ses lments de faon que la temp-rature atteinte par les armatures lors dun incendiereste modre (de 150 200 C) et conserve la-cier une rsistance suffisante pour maintenir la sta-bilit pendant le temps requis. De mme, il estncessaire que la section de bton non altre soitsuffisante pour absorber les contraintes dvelop-pes ltat ultime de rupture. On adapte alors

lpaisseur de bton denrobage des aciers et l-paisseur des pices, en tenant compte de la go-mtrie des lments soumis au feu, du principedarmature et de la nuance dacier.

La norme P 92-701 dfinit les conditions respec-ter dans ces domaines pour assurer une rsistanceau feu donne. Le tableau ci-dessus fournit unesynthse de ces conditions. Par exemple, pourassurer une rsistance au feu de deux heures, lerecouvrement varie de 2,5 4 cm et de 2 4 cm,respectivement pour une dalle et pour une poutreen bton arm. Il est de 3 cm pour une poutre enbton prcontraint. Pour un mme degr de rsis-tance au feu, lpaisseur minimale des dalles est de11 cm, celle des poutres rectangulaires de 24 cm.Comme le bton soumis temprature va s-chauffer, sa dilatation doit tre prise en comptedans la conception des ouvrages et lments dou-vrage qui subiront la dformation correspondante.Avec un coefficient de dilatation moyen du btonde 1.10-5, la dilatation dun ouvrage est de lordrede 0,5 % 500 C.

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volution de la rsistance la compression dun bton couranten fonction de la temprature (norme P 92-701)