Structures en béton en situation d’incendie > Échauffement des éléments

Méthode de calcul

Lorsque les actions thermiques sont décrites par la courbe normalisée, il est possible de faire appel à des distributions de température simplifiées telles que celles données dans l’Annexe A de l’Eurocode 2 partie 4-2, sous réserve de vérifier le domaine d’emploi de ces isothermes. Dans le cas de calculs de type feu naturel, l’échauffement de la section est calculé en résolvant l’équation de la chaleur, à partir des conditions aux limites de température imposée. On tient compte des transferts thermiques entre l’élément et son milieu gazeux par radiation et par convection.

Pour les actions thermiques les calculs d’échauffement sont réalisés avec le logiciel SAFIR. Dans le cas d’éléments dont la stabilité au feu est vérifiée sous la courbe ISO, on peut également utiliser le logiciel CIM’FEU.



Hypothèses

On réalise un calcul de transfert thermique en deux dimensions, en tenant compte des caractéristiques thermo-physiques du béton conformément à l’Eurocode 2 partie 1.2 ( EN 1992-1-2). L es éléments cibles de la structure sont situés loin du foyer dans une zone de fumée. On considère donc que la sollicitation thermique est uniforme sur la périphérie des éléments. Conformément à l’Eurocode 1 partie 1.2 (EN 1991-1-2) le calcul thermique est réalisé en fixant le coefficient de convection à h = 35 W/m²K sur les surfaces exposées et h = 4 W/m²K sur les surfaces non exposées, le coefficient d’émissivité équivalent est fixé à 0,7 pour le béton.

Pour rappel, dans le cas de l’action thermique conventionnelle, fixant le coefficient de convection à h = 25 W/m²K sur les surfaces exposées et h = 9 W/m²K sur les surfaces non exposées, le coefficient d’émissivité équivalent est fixé à 0,7 pour le béton.

D’autre part, on retient une teneur en eau de 1.5 % en masse, et la masse volumique du béton est prise égale à 2 300 kg/m³.

En fonction du type d’élément et de sa position dans la cellule, le nombre de faces exposées peut varier. La figure ci-dessous représente les différentes configurations possibles.



Le tableau ci-après fait la synthèse des conditions aux limites. Les faces non exposées sont en contact avec l’air à température ambiante, prise égale forfaitairement à 20 °C.

Les poutres peuvent être considérées exposées sur 4 côtés parce que les pannes créent un espace entre la couverture et la poutre qui permet le passage des gaz chauds. Cependant, le cas exposé sur 3 côtés doit être également étudié, car il conduit à un gradient de température plus sévère dans la section. Il est difficile de représenter les conditions d’expositions réelles, mais l’étude des deux cas donne une enveloppe satisfaisante.

Le cas des poteaux situés dans le mur coupe-feu présente la particularité de tenir compte des panneaux du mur. Leur caractère coupe-feu fait écran à la sollicitation thermique sur la moitié de la section. Le cas des poteaux situés en façade est assez similaire à celui des poutres vues précédemment. En effet, les panneaux de façades n’ont pas de caractère coupe-feu. En début d’incendie, ils restent en place et font écran à la sollicitation thermique. Les poteaux sont donc exposés sur 3 côtés partiellement. Ce cas donne le gradient maximal. Ensuite, si ces panneaux s’effondrent, les poteaux peuvent être exposés sur 4 côtés. Ce cas donne l’échauffement maximal. Les deux configurations sont étudiées pour obtenir une enveloppe du comportement réel.

Résultats des calculs d’échauffement

Les figures 29 et 30 montrent à titre d’illustration les champs de température calculés sous l’action thermique conventionnelle (ISO R834), pour une durée de 2 heures, dans le cas de la poutre de type IE105, exposée sur 3 côtés, et dans le cas d’une section de poteau incluse dans le mur coupe-feu (PO5050 avec feuillure).





La figure 31 montre le maillage des sections inférieures et supérieures des poteaux de façade.



Les graphiques suivants détaillent l’évolution des températures dans les armatures des poutres pour différentes actions thermiques. Les armatures repérées sur la figure ci-dessous ont des températures représentatives de l’échauffement du talon de la poutre.

On note sur les courbes ci-contre que l’échauffement résultant du feu de cellule est du même ordre que celui obtenu avec la courbe conventionnelle ISO R834. Pour ce qui est du feu localisé et du feu de canton, les échauffements restent très limités, et peu préjudiciables pour le comportement des structures.





Pour la panne PP5230, l’échauffement sous feu ISO 2 h est le suivant.



Le graphe ci-dessous présente l’évolution des températures dans les torons pour les 50 premières minutes.