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Sécurité incendie

4. Méthodes de détermination

4.1. Bilan

Après que les exigences pour la construction aient été fixées, c’est la résistance au feu de la construction qui doit être déterminée. Selon les normes de base, la résistance au feu doit être démontrée d’une des manières suivantes :

4.2. Essais au feu

Un essai au feu consiste à placer un échantillon de grandeur réelle dans un four dans un laboratoire. En Belgique, deux laboratoires reconnus sont disponibles, à l’université de Gand et à l’université de Liège. Le labo de Gand a récemment été rendu indépendant et fait désormais partie du centre de recherche sur le feu WarringtonFireGent. Dans un essai au feu, l’incendie auquel s’attendre dans un bâtiment est schématisé par un ‘feu normalisé’.

Il va de soi qu’il est impossible d’effectuer un essai pour chaque structure. D’une part ce serait beaucoup trop coûteux, et d’autre part ce serait techniquement irréalisable car les fours dans lesquels la résistance au feu est définie ont tout simplement des dimensions restreintes. Des parois d’une hauteur de plus de 3 mètres et d’une largeur de plus de 3-4 mètres ne peuvent pas être testées. Des planchers avec des travées de plus de 4 à 6 m ne peuvent pas non plus être testés et pour les colonnes d’une longueur de plus de 4,5 mètres, il n’y a pas non plus de résultats d’essais disponibles. Ceci signifie que dans la pratique, chaque bâtiment contient plusieurs structures dont la résistance au feu est démontrée sur base de calculs.

4.3. Calculs

4.3.1. Aperçu

L’existence d’une méthode de calcul adéquate pour la résistance au feu ne coule pas toujours de source. Cela dépend du critère considéré, à savoir la stabilité, l’isolation thermique ou l’étanchéité aux flammes et le type de construction.

Le critère d’isolation thermique est, dans l’ensemble, facile à calculer, à condition que la construction ne puisse pas se désintégrer de façon imprévue. Pour les planchers mixte acier-béton, les raiders de béton ordinaires et les parois il est facilement possible de calculer l’isolation thermique. L’isolation thermique de panneaux sandwich avec des plaques en plâtre résistantes au feu ou des plaques de silicate de calcium peut aussi être calculée simplement.

Le critère de l’étanchéité aux flammes est quant à lui moins prévisible. Pour certaines structures, des calculs sont faits pour extrapoler des résultats d’essai. On peut penser par exemple aux panneaux sandwich. La mesure dans laquelle l’extrapolation est possible est définie dans les normes européennes par type d’élément de construction. L’extrapolation exige souvent des mesures complémentaires dans l’essai de déformations. Heureusement, pour les planchers collaborants, l’étanchéité aux flammes est garantie grâce à la tôle en acier.

Les possibilités de réaliser un calcul pour le critère stabilité dépendent fort de la manière dont la construction s’effondre. Ainsi, les matériaux avec une faible capacité de déformation et des modes de ruine fragiles sont très difficiles à prévoir car les variations de la dilatation thermique et les conditions d’appui de l’élément ne sont généralement pas connues de manière précise, mais peuvent par contre jouer un très grand rôle dans le comportement de rupture.

Pour les structures en acier, il est par contre tout à fait possible de calculer la stabilité car l’acier est un matériau très ductile et prévisible et que les caractéristiques du matériau et les modes de ruine sont bien connus. Les structures en acier peuvent subir d’importantes déformations thermiques sans rompre grâce à la possibilité de grandes déformations plastiques. Parce que dans le passé les constructions en acier avaient mauvaise réputation par rapport à la résistance au feu, des recherches ont été menées durant des décennies sur le comportement au feu des structures en acier. Ceci a mené à une série complète de méthodes fiables et précises pour calculer la stabilité des constructions en acier. Ces méthodes de calcules sont insérées aux normes de calcul européennes, qu’on appelle les Eurocodes. Il n’y a presque plus d’essais, sauf dans le cadre d’une étude scientifique pour élaborer des méthodes de calcul pour de nouveaux types de constructions.

4.3.2. Eurocodes

Avec l’achèvement des Eurocodes, un grand nombre de normes européennes standardisées est a été rendu disponible avec des méthodes de calcul par type de matériel de construction. Un calcul de la résistance au feu se compose de trois étapes :

Les Eurocodes offrent différentes possibilités de modélisation d’un incendie, chacune ayant son propre domaine d’application. Un aperçu des modèles d’incendie dans l’Eurocode 1 (EN 1991-1-2: 2002, Eurocode 1: Actions on structures – Part 1-2: General Actions – Actions on structures exposed to fire, CEN, Brussel) est donné dans le tableau ci-dessous.

Aperçu des modèles d’incendie dans l’Eurocode 1 et leurs caractéristiques.

Pour les modèles de zone, l’Université de Liège a développé le logiciel OZone facile à utiliser, qui permet de calculer un incendie naturel sur la base de lois physiques fondamentales.

L’incendie normalisé est la courbe incendie conventionnelle la plus connue pour déterminer la résistance au feu. Cette courbe nominale ne dépend pas de paramètres qui influencent le feu réel dans le compartiment d’incendie comme la charge au feu, les conditions de ventilation et les mesures de prévention d’incendie actives comme les installations de sprinkler. La courbe d’incendie normalisé se trouve avec d’autres courbes incendie nominales dans la figure ci-dessous. A titre comparatif, un exemple arbitraire d’une courbe incendie naturelle est donné. Une courbe incendie naturelle est une courbe qui est calculée sur base des paramètres les plus importants qui définissent la progression du feu dans le compartiment. Une courbe incendie naturelle est caractérisée par la phase de croissance, la phase d’incendie et la phase d’extinction. Dans la phase de croissance le feu est encore local. Il existe alors de grandes différences de température dans le compartiment. Lors du passage de la phase de croissance à la phase d’incendie, le feu se propage rapidement vers l’entièreté du compartiment. Ceci est appelé flash-over ou embrasement généralisé. Durant la phase d’incendie, il peut être supposé que la température est répartie de manière uniforme dans le compartiment. Lorsque la charge au feu est brûlée en grande partie, le feu s’éteint. Un calcul au feu naturel exige beaucoup plus de travail qu’un feu normalisé.

Un incendie naturel ne mène cependant pas à un niveau de sécurité plus bas que l’incendie normalisé. Au contraire, un incendie normalisé peut tant être une charge plus légère que plus lourde pour une construction que l’incendie normalisé. D’une part, l’incendie naturel peut être plus léger parce que le feu s’éteint à un certain moment, ce qui fait que la durée du feu est limitée. D’autre part, la température atteinte peut, dans cette période de temps plus courte, être considérablement plus haute que dans l’incendie normalisé. Cette dernière provoque de plus grandes tensions thermiques dans la construction, ce qui peut justement mener à une rupture précoce. Ceci ne doit pas nécessairement ressortir d’une analyse sur base d’un incendie normalisé. Heureusement, les structures en acier ne sont pas beaucoup contraintes par ces tensions thermiques car l’acier est un matériau conducteur et déformable. Mais pour d’autres matériaux de construction, une augmentation rapide de la température d’un incendie naturel peut mener à une résistance au feu considérablement plus basse que selon l’incendie normalisé.

Ce qui est important à savoir, c’est que l’incendie naturel appréhende mieux la réalité que l’incendie normalisé. Par le fait que les paramètres du feu du compartiment ne sont pas pris en compte dans l’incendie normalisé, il est pour chaque projet incertain de savoir si l’incendie normalisé est une approche sûre ou dangereuse. L’incendie naturel n’a pas cette incertitude, car la courbe incendie est caractéristique pour le compartiment considéré.

Par un modèle de feu, naturel ou conventionnel, l’Eurocode indique comment arriver à un scénario de projet et des valeurs indicatives sont données pour les paramètres nécessaires.

Pour les réactions thermique et mécanique, les Eurocodes donnent des modèles de calcul ainsi que les caractéristiques de l’acier et d’autres matériaux de construction. Pour chaque modèle, le domaine d’application est clairement décrit. Pour les modèles mécaniques, les Eurocodes donnent en outre les charges qui doivent être prises en compte sur une construction (vent, neige, etc) et les critères de rupture. Avec cela, les Eurocodes donnent une série complète de données pour pouvoir réaliser un calcul univoque.

Les Eurocodes offrent la possibilité de juger la structure élément par élément, une partie de la structure ou encore l’entièreté de la structure.
En plus de cela, les Eurocodes donnent trois niveaux de complexité pour calculer la résistance au feu des constructions:

Tableaux et graphiques

Quelques graphiques dérivés des méthodes de calcul simples des Eurocodes sont utilisés pour la construction en acier. Ainsi, une méthode graphique est reprise dans la publication n°89 du CECM ; elle permet de déterminer rapidement l’isolation nécessaire en fonction du taux de charge.
Aucun tableau n’est disponible pour la construction en acier. Il existe toutefois des tableaux donnant l’épaisseur de matériau isolant nécessaire en fonction du facteur de profilé et de la température critique. Des tableaux sont également disponibles pour déterminer le facteur de profilé des profilés standards en fonction du mode d’échauffement.

Méthodes de calcul simple


Les Eurocodes donnent des règles de calcul simples pour déterminer la résistance au feu d’éléments de construction en acier. Tout d’abord, il faut déterminer la charge mécanique supposée présente en cas d’incendie (partie EN 1991-1-2). Ensuite, on peut déterminer la température critique sur la base de cette charge (partie EN 1993-1-2). Enfin, on peut déterminer, au moyen d’un tableau facile d’emploi, le délai pour atteindre cette température en fonction de l’isolation éventuellement présente.

Pour éviter tous les calculs à l’utilisateur, l’Université de Liège et l’Université d’Aveiro au Portugal ont développé le programme ELEFIR. Ce programme est disponible gratuitement et calcule la résistance au feu selon les règles des Eurocodes. Un must pour tout bureau d’études !

Méthodes de caclul avancées

Ces modèles avancés désignent des modèles informatiques basés sur les lois physiques fondamentales. En général, il faut résoudre une ou plusieurs équations d’équilibre. Ces modèles permettent le calcul du comportement de la construction, par exemple par la méthode des éléments finis (FEM), mais aussi le calcul du déroulement de l’incendie naturel, par exemple avec OZone .
Grâce à la prévisibilité des constructions en acier, le comportement des structures portantes peut être déterminé de manière très fiable. Cette prévisibilité a été démontrée et largement validée dans les années 1990 sur la base d’essais au feu à grande échelle à Cardington. (FIRE SAFE DESIGN A new approach to multi-storey steel framed buildings ).
Un calcul par modèle avancé prend plus de temps qu’une méthode de calcul simple, mais il permet d’avoir une meilleure compréhension du comportement de la structure. Ainsi, un modèle FEM ne calcule pas seulement si une construction cède, mais également les déformations qui s’y produisent. L’effet des déformations sur la redistribution des charges est rendu visible et on peut contrôler si la capacité de déformation de la structure est suffisante. Cela signifie que la structure doit parfois être renforcée, par rapport à une simple évaluation, puisque les modèles peuvent mettre au jour les points faibles. Mais on peut souvent réduire fortement les coûts puisque toutes les poutres ne doivent pas obligatoirement être isolées. Malgré les températures élevées dans les poutres non isolées, le plancher ne cède pas grâce à la redistribution des charges et l’action diaphragme du plancher. L’Université de Manchester a développé un programme , accompagné d’un manuel , pour concevoir le plancher.

Contrairement à l’Angleterre par exemple, ce genre de modèle n’est pas encore très répandu en Belgique. Cependant, ces modèles ont pris un grand essor ces dernières années à l’étranger ; ils permettent de concevoir les structures en acier avec un maximum de sécurité et d’économie.

En principe, les tableaux doivent livrer des réponses plus conservatives que les règles de calcul simples pour donner des solutions tout aussi sûres malgré les simplifications. A leur tour, les règles de calcul simples sont plus conservatives que les modèles avancés, et ce pour la même raison. Ceci ne signifie donc pas que chaque calcul mène à la même conception. Inversement, différentes solutions peuvent cependant bien mener au même niveau de sécurité.

 

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