Soutenance mémoire
En cas d’incendie les structures de bâtiment ont deux fonctions principales : une fonction de compartimentage et une fonction porteuse. La première consiste à délimiter et à séparer les volumes à l’intérieur du bâtiment. Les éléments de structure participant à cette fonction sont les planchers, les murs, les cloisons, les façades et les toitures. La deuxième a un but de résistance, recevoir les efforts apportés par les différents éléments du bâtiment et les transmettre au sol. Pour ce deuxième rôle, les poteaux des bâtiments civils et industriels jouent un rôle principal vu que la ruine d’un poteau entraîne dans la plus part des temps la ruine du bâtiment. L’analyse de la résistance au feu de ces éléments est couramment l’objet de nombreuses études. Cette résistance au feu a pour but de préserver la stabilité des édifices et de s’opposer à la propagation rapide du feu pendant le temps nécessaire à l’alarme et à l’évacuation des occupants. Elle se mesure, pour un élément structurel, par le temps de ruine de cet élément. Nous avons pour but l’analyse paramétrique de colonnes en acier et en béton armé en utilisant le logiciel SAFIR (qui est un logiciel universitaire dynamique en cours de développement consacré aux structures soumises à l’incendie, il a été réalisé au laboratoire ArGenCO, université de Liège en Belgique, par le professeur J-M Franssen). D’une part, nous étudions trois types de sections : carrée, circulaire et en I, d’un poteau en acier chargé par un effort de compression centré et soumis à un feu normalisé. D’ autre part, nous considérons des colonnes en béton armé chargées par des efforts de compression excentrés en présence d’incendie (feu normalisé). Une vérification au flambement, selon les Eurocodes partie 1-1 de la stabilité, à température ordinaire sous les charges verticales, est effectuée pour les colonnes en aciers. L’analyse commence par la détermination des températures à chaque instant et à chaque point des poteaux, en résolvant les équations transitoires de transfert de chaleur par la méthode des éléments finis. Pour ce faire, les sections des poteaux sont discrétisées en éléments bidimensionnels de type quadrilatère ou triangulaire. Une fois que le champ de température est connu en chaque point et à chaque instant, nous réalisons le calcul mécanique de résistance. Lors de ce calcul, nous prenons en considération la variation des propriétés physiques de l’acier et du béton et de leur comportement non linéaire matériel et géométrique. Le travail a été réalisé au département de Génie civil de l’Université de Annaba sous la direction du professeur Mohamed GUENFOUD, enseignant à l’Université de Guelma et directeur du Laboratoire LGCH. Nous avons bénéficié de quelques stages de courtes durées à l’étranger. Ce qui nous a permis de compléter et d’enrichir notre étude de recherche. Nous avons eu l’occasion de passer trois semaines au CTICM. Pendant notre premier stage, nous avons rencontré dans ce centre technique de recherche des chercheurs dans le domaine de l’incendie tels que : J. Kruppa, B. Zaho et C. Renaud… Nous avons passé les trois autres stages en Bèlgique à l’Université de Liège au département ArGenCo, ce qui a permis a notre travail d’être suivi par le professeur Jean Marc Franssen.
Physique de l’incendie -notions de base
Naissance de l’incendie
L’incendie prend naissance en un point sous forme d’un foyer localisé qui résulte de la concomitance de trois éléments [HEL, 05]: un combustible, un comburant et un apport calorifique. Dans le jargon de l’incendie, ces trois éléments sont universellement connus sous le nom de triangle du feu. Le triangle du feu est un moyen simple et didactique pour expliquer une combustion. Cette explication n’existe que depuis environ 200 ans, depuis que Lavoisier mit en évidence l’existence de l’oxygène pour expliquer le phénomène de combustion. Avant cette époque, la notion même de triangle du feu était impensable car la combustion s’expliquait par la présence de « phlogistique » dans les matières qui pouvaient brûler. La théorie du phlogistique, déjà chère aux alchimistes, s’est maintenue encore très longtemps après Lavoisier car elle était très solidement ancrée auprès des plus grands savants de l’époque.
Développement de l’incendie [HEL, 05]
Le développement de l’incendie est conditionné par la facilité d’inflammation des produits combustibles entourant son point de naissance. En d’autres termes il faut que le foyer initial se développe d’une façon incontrôlée pour donner naissance à l’incendie et, une fois ce stade atteint, que la quantité de chaleur dégagée par ce foyer puisse enflammer les objets environnants susceptibles d’alimenter l’incendie. Cette réaction peut être évaluée conventionnellement par des essais en laboratoire appelés essais de réaction au feu. Elle intervient donc lors de la naissance et lors du développement de l’incendie. Elle concerne principalement les matériaux de construction et d’aménagement intérieur. Le développement de l’incendie est donc conditionné par la combustibilité ou la non combustibilité des matériaux environnants, évaluée par leur pouvoir calorifique supérieur (PCS) ainsi que par leur facilité d’inflammation. Mais ces critères ne suffisent pas. Le concept le plus important qui conditionne le développement de l’incendie est la charge d’incendie ou charge calorifique (MJ). Elle permet d’évaluer la quantité de chaleur qui pourrait être dégagée par la combustion des produits qui entourent le foyer d’incendie. Cette charge calorifique est le principal élément chiffrable du risque d’incendie. Elle se calcule aisément: chaque produit est caractérisé par son pouvoir calorifique (MJ/m3 , en MJ/l ou en MJ/kg) qui va être défini plus loin pour les gaz, les liquides et les solides. Il suffit d’en définir la quantité en mètres cubes, en litres ou en kilogrammes et de les multiplier. On obtiendra ainsi la charge calorifique (MJ). En divisant ce nombre par la surface de plancher on obtiendra la densité de charge calorifique (MJ/m2 ) de plancher. Un nombre trop élevé de MJ/m2 peut constituer un danger. On distingue la charge calorifique immobilière qui se rapporte à l’immeuble et la charge calorifique mobilière qui se rapporte au contenu. Et le législateur peut imposer des mesures de sécurité à partir d’une valeur donnée et, même, interdire le dépassement d’un certain seuil.
Terminologie : feu et incendie
Un feu est une combustion [DEN, 07]. On le trouve dans des fours, des chaudières sous forme de combustion contrôlée. Dans le domaine de l’incendie, il devient une combustion incontrôlée. Il prend alors une dimension telle qu’il peut provoquer un incendie. Il y a une différence fondamentale entre feu et incendie. Les experts du feu maîtrisent une combustion contrôlée qui répond au scénario défini par un programme thermique prédéterminé. On les trouve dans l’industrie du verre, celle de la céramique et autres, dans les laboratoires d’essai également, tous lieux où des feux sont réalisés dans des fours ou enceintes d’essai, où les fumées sont canalisées pour ne pas incommoder les opérateurs. Les experts de l’incendie que sont les sapeurs pompiers doivent, eux, tenter de maîtriser une combustion incontrôlée qui répond à un scénario parsemé d’imprévus, avec des vies humaines qui doivent être secourues.
L’incendie : risques, facteurs, origine et propagation
Dans un bâtiment bien protégé, il existe un équilibre entre danger et protection. Le risque se définit donc par le rapport entre danger et protection. Le danger est plus grand dans les bâtiments élevés puisque, plus encore que pour les autres bâtiments, l’attaque du feu doit se faire par l’intérieur. Il est également plus grand dans les bâtiments abritant des personnes à mobilité réduite [ZHA, 09], dont l’évacuation est plus difficile. Plus le danger est élevé, plus les règles de sécurité doivent être sévères. Les facteurs [HEL, 05] à considérer dans le développement d’un incendie sont :
– la probabilité de la naissance d’un incendie ;
– l’intensité du feu ;
– la vitesse d’extension possible de l’incendie ;
– l’existence de risques particuliers (produits toxiques).
La probabilité de naissance d’un incendie est fonction :
– des installations de chauffage et appareils électriques ;
– de la présence de gaz inflammable ;
– de certains procédés de chimie industrielle ;
– de la présence de poussières pouvant générer des explosions.
Relativement au dernier point, des déchets comme les copeaux de bois, les poussières etc. doivent être régulièrement évacués pour contrer un sérieux danger d’incendie. Citons aussi la combustion spontanée de chiffons pleins d’huile, l’auto inflammation de laines de fer par des piles…L’origine du danger incendie peut être [HEL, 05], [ZHA, 09]: – interne, liée :
• au bâtiment lui‐même et à son contenu ;
• aux activités qui s’y déroulent (activités industrielles) ;
• aux personnes occupant le bâtiment (fumeurs, déchets).
– externe, lié :
• aux bâtiments adjacents (par les fenêtres par exemple) ;
• aux installations voisines (gaz liquéfié) ;
• à des conduites de gaz sous la voirie.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE – I : NOTIONS DE BASE, FEU ET INCENDIE
1. INTRODUCTION
2. GENERALITE
2.1. Physique de l’incendie -notions de base
2.1.1 Naissance de l’incendie
2.1.2 Développement de l’incendie
2.1.3 Terminologie : feu et incendie
2.1.4. L’incendie : risques, facteurs, origine et propagation
2.1.5. Le comburant
3. INCENDIE NORMALISE ET INCENDIE REEL
3.1 Différents modèles de l’action thermique
3. 2 Courbes nominales
3. 3 Courbes paramétriques
3.4 Modèles numériques
4. ACTIONS SUR LES STRUCTURES EN SITUATION D’INCENDIE
4. 1. Actions mécaniques
4.2. Actions thermiques
4.3. Incendies nominaux
5. CONCLUSION
REFERENCES
PARTIE II COMPORTEMENT DES COLONNES EN ACIER VIS-A-VIS DU FEU
CHAPITRE 1 : CARACTERISTIQUES THERMO-PHYSIQUES MECANIQUES DES ACIERS (A HAUTES TEMPERATURES)
1. CARACTERISTIQUES THERMO-PHYSIQUES DES ACIERS
1.1. Chaleur spécifique de l’acie
1.2. Conductivité thermique de l’acier
1.3. Masse volumique
1.4. Dilatation thermique de l’acier
1.5. Facteur de massivité
2. CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES ACIER
2.1 Déformation mécanique dans l’acier
2.2 Relation contrainte – déformation de l’acier au carbone aux températures élevées
2.3 Facteur de réduction (Ec 3 partie 1-2)
2.4 Facteur de réduction pour les profiles en acier de type IPE
2.5 Facteur de réduction des aciers inoxydables
2.6 Relation contrainte – déformation de deux types d’acier à 600 ° C
2.7 Conclusion
CHAPITRE 2 : EVOLUTION DES TEMPERATURES DANS LES ELEMENTS EN ACIERS, CAS DES COLONNES
1. TEMPERATURES DES ÉLEMENTS EN ACIER ETUDE BIBLIOGRPHIQUE
1.1 Températures des Éléments en acier non protégé
1.2 Températures des Éléments protégés en acier
1.2.1 Par protection directe
1.2.2 Détermination graphique de l’épaisseur de protection
1.3. Température des profiles en aciers protégés, étude expérimentale
1.3. 1 Détermination des Température
1.3.2 Température des profiles en aciers non protégé, étude numérique
2. DETERMINATION DES TEMPÉRATURES DANS LES COLONNES EN ACIERS CAS DE NOTRE ETUDE – RESULTATS DE SIMULATIONS
2.1 Méthodes employées
2.2 Cas de notre étude de simulation
2.3 Calcul du Facteur de massivité de colonnes considérées
2.4 Résultats de simulations
2.5 Conclusions
CHAPITRE 3: MODELISATION MULTI PHYSIQUE NON LINEAIRE DU COMPORTEMENT DES COLONNES EN ACIER VIS-A-VIS DE LA RESISTANCE AU FEU
1. INTRODUCTION
2. ETUDE DE LA STABILITE A FROID DES COLONNES EN ACIER (EUROCODE3
PARTIE1-1
2.1 Notion théoriques
2.2. Eléments uniformes
2.3. Eléments non uniformes
2.4. Flambement par flexion
2.5. Longueur de flambement
3. VERIFICATION DE LA STABILITE A FROID DES COLONNES CAS DE TROIS TYPES DE SECTION : CREUSE CARREE, CREUSE CIRCULAIRE ET EN I
3. 1 Détermination de l’effort de résistance
3. 2 Tableaux récapitulatifs
3. 3 Conclusion
4. MODELISATION MULTI PHYSIQUE NON LINEAIRE DU COMPORTEMENT DES COLONNES EN ACIER VIS-A-VIS DE LA RESISTANCE AU FEU
4.1. Modélisation des échanges conductifs
4.2. Eléments finis
4.2.1 Eléments solides
4.3 Eléments solides 2d
5. DISCRETISATION
5.1 Elément poutre
5.1.1 Formulation
5.2. Champ de déplacement et champ de déformation
6. DISCRETISATION DES POTEAUX PAR ELEMENTS FINIS
6.1 Discrétisation transversale
6.2 Discrétisation longitudinale
7. ANALYSE THERMIQUE POUR LES TROIS SECTIONS
7. 1. Résultats de l’analyse thermique
7.1.1 Variation des températures en fonction du temps des trois types de poteau
8. ANALYSE MECANIQUE
8. 1. Résultats de l’analyse mécanique
8. 2. Influence de la température sur le type de section
8. 3. Déplacements des nœuds
8. 4. Rotations des nœuds
8. 5 Influence de la température sur le module tangent
8. 6. Moment fléchissant pour trois éléments du poteau circulaire
8. 7. Influence du type de section sur la résistance au feu
8. 8. Influence de la dimension de section sur la résistance au feu
9. CONCLUSIONS
REFERENCES
CONCLUSION GENERALE
