Vérification de la résistance au feu selon EN 1993-1-2 (comportement thermique)

Article technique

Avec RF-/STEEL EC3, vous pouvez appliquer des courbes nominales température-temps dans RFEM/RSTAB. C’est pourquoi la courbe standard temps-température (ETK), la courbe de feu extérieur et la courbe de feu hydrocarbures sont implémentés dans le programme. À partir de ces diagrammes, le module peu calculer la température dans la section en acier et ainsi réaliser la vérification au feu. Cet article explique le comportement des sections en acier protégées et non-protégées.

Comportement général de l’acier en réchauffement

L’acier est composé d’une grille de cristal avec cristaux individuels en mouvement autour d’un point immobile à température normale. Ce mouvement diminue lorsque la température du zéro absolu (-273°C) est atteinte et augmente lorsque la température monte. Ce mouvement des cristaux autour du point immobile provoque l’augmentation de la ductilité de l’acier avec la température ascendante. D’un autre côté, la résistance de l’acier diminue.

La diminution de la résistance rend difficile la protection des composants non-préparés pour lutter contre les effets du feu sans mesures additionnel. En effet l’acier a déjà perdu 50 % de sa résistance lorsque les 600°C sont atteints et il se retrouve donc en surcharge. Les réserves plastiques de la structure sont considérées par matériau dans les constructions en acier modernes. Par exemple, si l’acier travaillé à froid ou à chaud est sujet à des contraintes thermiques, il aura perdu sa résistance à 400°C dans le cadre de la méthode de calcul mentionnée ci-dessus.

De plus, dans le cas de l’acier, l’expansion thermique s’applique dès que la température augmente, ce qui est très rapide par rapport aux autres matériaux de construction, ce qui est un inconvénient considérable. Ceci peut mener à des effets dus aux maintiens dans le composant non-présents dans le calcul à température normale.

L’acier à des propriétés thermiques non-optimales pour le calcul de structure, notamment sa résistance. L’augmentation de la température dépend de l’aspect massif du composant en acier ; plus il est imposant, plus il peut absorber de l’énergie. Si la surface est plane et que le volume est augmenté, les températures du composant structural diminuent. Cette propriété de composant s’appelle le facteur Am/V, il s’agit de la relation de l’aire de surface au volume par une unité de longueur du composant.

Dans DIN 4102, ce facteur était encore désigné comme le ratio U/A et était relatif à la relation du périmètre à l’aire, qui est cependant le même si la section relative à la longueur n’est pas modifiée. L’Eurocode [5] fournit des tableaux pour faciliter le calcul de ce facteur.

Figure 01 – Facteur de massiveté Am/V pour les composants en acier non protégés (source : [5])

Comportement en réchauffement des composants en acier protégés

Dans le cas de structures en acier résistantes au feu, le comportement en réchauffement devient favorable alors que les faibles propriétés thermiques de l’acier sont absorbées ou compensées par le système de protection au feu. Les systèmes de protection au feu sont en général composés de matériaux avec une faible conductivité thermique. Autrement, de tels matériaux ont en général une capacité thermique (capacité calorifique) élevée. L’utilisation de systèmes de protection au feu passifs permet d’augmenter considérablement la durée de la résistance au feu. Ces matériaux sont souvent très lourds et doivent ainsi être considérés dans le calcul de structures.

Cependant, EN 1993-1-2 [5] ne donne pas d’informations sur les propriétés de matériau des emboîtages et revêtements, qui dépendent des fabricants. C’est pourquoi les valeurs importantes pour le calcul de structure des composants résistants au feu sont manquantes (mais ont été soumises dans DTU pour les matériaux de construction approuvés selon DIN 4102-4). Le facteur de massiveté de tels composants est composé ainsi.

Figure 02 – Facteur de massiveté Ap/V des composants en acier protégés par des matériaux résistants au feu (Source : [5])

Emboîtement creux

Un emboîtement creux est en général mieux adapté car l’emboîtement de la section réduit le périmètre du composant structural alors que l’aire reste la même. Ainsi, le facteur de massiveté diminue, ce qui augmente la massiveté du composant structural. En tant que revêtement, les plaques de plâtre résistantes au feu ou encore les plaques en silicate de calcium sont souvent utilisées. Tous les fabricants majeurs de telles plaques fournissent également des systèmes de plaques convenables avec des propriétés de résistance au feu.

Emboîtement de contour

Si l’apparence de l’appui en acier doit être préservée, nous recommandons d’utiliser l’emboîtement ou le revêtement de contour, ou encore d’appliquer un système de plâtre. L’inconvénient des emboîtements de contour est le facteur de massiveté de la section qui ne change pas. Les types de revêtements sont en général des systèmes de plâtre ou des plaques de revêtements. Des grilles de fils sont en général reliées aux poutres pour appliquer les systèmes de plâtre. Le revêtement avec systèmes de plaques est similaire au revêtement avec emboîtement creux, mais il requiert plus d’efforts car le système de plaque doit être retravaillé à la bonne taille.

L’insolation thermique par matériau intumescent est également une alternative. Il s’agit d’un emboîtement de contour et est appliqué au composant structural. Le matériau intumescent gonfle lorsque réchauffé et agit comme une couche isolante entre le composant structural et la zone environnante. Tout de même, aucune méthode de calculée n’a été développée pour ce type de revêtement car les propriétés à haute température du matériau ne sont pas encore connues, ou du moins encore trop floues.

Littérature

[1]   Eurocode 1: actions sur les structures - Partie 1-2 : Actions générales - Actions sur les structures exposées au feu; EN 1991‑1‑2:2002 + AC: 2009
[2]   National Annex - Nationally determined parameters - Eurocode 1: Actions on structures - Part 1‑2: General actions - Actions on structures exposed to fire; DIN EN 1991‑1‑2/NA:2015‑09
[3]   Eurocode 3: Calcul des structures en acier - Partie 1‑1: Règles générales et règles pour les bâtiments; EN 1993‑1‑1:2005 + AC:2009
[4]   National Annex - Nationally determined parameters - Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1‑1: General rules and rules for buildings; DIN EN 1993‑11/NA:2015‑08
[5]   Eurocode 3: Calcul des structures en acier - Partie 1‑2: Règles générales - Calcul du comportement au feu; EN 1993‑1‑2:2005 + AC:2009
[6]   National Annex - Nationally determined parameters - Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1‑2: General rules - Structural fire design; DIN EN 1993‑1‑2/NA:2010‑12

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