La « Fire Safety Engineering » pour les constructions en béton

L’arrêté royal « Normes de base » détermine les prescriptions légales auxquelles les nouveaux bâtiments doivent satisfaire en matière de sécurité incendie. Il est possible de déroger à ces prescriptions à condition de ne pas dépasser le niveau minimal de sécurité incendie prescrit. Ces dérogations nécessitent l’accord de la « Commission de dérogation » du Service Public Fédéral (SPF) « Intérieur ».

On applique régulièrement la « Fire Safety Engineering » ou FSE dans les constructions en acier et en bois, afin de compenser une insuffisance inhérente de résistance au feu et de proposer une alternative plus économique aux prescriptions en vigueur. Les éléments en béton ne nécessitent généralement pas ce genre d’alternative en raison de leur importante résistance intrinsèque au feu. La FSE peut néanmoins s’avérer utile pour les constructions en béton. Il suffit, par exemple, de penser à des structures extrêmement complexes ou à des analyses susceptibles de renforcer la concurrence avec les constructions en acier et en bois. Cet article vous permettra de découvrir un aspect important de la FSE, à savoir l’évaluation du comportement des constructions.

Quelques explications sur la « Fire Safety Engineering »

La « Fire Safety Engineering » (FSE) est une méthodologie de conception dans laquelle on tente d’utiliser toutes les connaissances scientifiques et techniques disponibles en matière de sécurité incendie. Cette méthodologie permet de répondre aux exigences en matière de sécurité incendie sur la base d’objectifs de sécurité plutôt que sur la base de règles strictes. La FSE analyse le comportement effectif d’un incendie et son impact sur la construction et sur les utilisateurs. Elle examine aussi les systèmes actifs de protection contre l’incendie et les dispositifs d’évacu­ation nécessaires. Le but est de donner une idée aussi claire que possible de l’impact d’un incendie susceptible de se produire dans un bâtiment. Le maintien en état des issues de secours pendant un certain laps de temps, le compartimentage incendie et la construction jouent un rôle majeur en matière de FSE. Se limiter aux règles légales n’offre absolument aucune garantie quant à la possibilité de restaurer la construction après l’incendie. La FSE permet aussi d’éclaircir cet aspect de la sécurité incendie. Elle offre également des alternatives à l’approche normative usuelle en termes de performances, moyennant un degré élevé d’expertise. Seules des personnes qualifiées peuvent dès lors appliquer la FSE.

La norme ISO 24679-1 [2] offre une méthode d’évaluation des performances des structures en cas d’exposition au feu, en ce compris des directives pour la conception pratique de structures, la quantification des performances des structures et l’utilisation de différentes méthodes de quantification. Cette norme internationale représente aussi le cadre de référence du fib Bulletin « Performance based fire design of concrete structures » en cours d’élaboration.

Feu standard

La résistance au feu d’éléments structurels est déterminée de manière expérimentale sous la charge thermique conformément à la courbe d’un feu standard ISO 834. Cette courbe illustre l’évolution de la température dans un four au cours d’un feu standard et représente une base conventionnelle pour l’évaluation de la résistance au feu d’un bâtiment. En fait, ce feu standard ne se produit pas dans des espaces réels, notamment parce qu’il se caractérise par la combustion d’une quantité illimitée de matériau combustible (fig. 1). Le feu standard ne donne pas non plus toujours une idée fiable de la réalité. Ainsi, une construction en bois présentant une certaine résistance au feu se comporte, par exemple, généralement moins bien dans la réalité qu’une même construction en béton présentant la même résistance au feu [8][9].

En raison du coût élevé des essais au feu et de leur limite en termes de longueur des éléments d’essai, des méthodes de calcul ont été élaborées afin de déterminer la résistance au feu. En vertu de l’arrêté ministériel du 17 mai 2013, il y a lieu – d’une part – d’utiliser la méthode de calcul simplifiée ou les données sous forme de tableau de la norme NBN EN 1992-1-2+ANB [5] et – d’autre part – la courbe d’un feu standard (ISO 834) de la norme NBN EN 1991-1-2+ANB [4] pour déterminer la résistance au feu des différents éléments de la construction (poutre, colonne, plancher, …). Une résistance au feu (R60 par exemple) n’est en fait qu’une simple étiquette et ne dit pas grand-chose sur le comportement dans un véritable incendie. Une approche alternative, plus réaliste, basée sur une méthode de calcul de pointe est permise moyennant l’accord de la Commission de dérogation du SPF « Intérieur ». L’application d’une telle méthode de calcul alternative fait partie de la FSE.

Sur www.febefast.be, vous trouverez des documents techniques expliquant la méthode de calcul simplifiée et la méthode basée sur des données sous forme de tableau pour les poutres et les colonnes. Ces documents indiquent les différentes étapes à parcourir obligatoirement pour définir la résistance au feu, en ce compris les paramètres à appliquer dans ce cadre. Outre le renvoi aux articles de la norme NBN EN 1991-1-2+ANB [4] et de la norme NBN EN 1992-1-2+ANB [5], vous y trouverez également quelques remarques critiques à titre explicatif. Les documents ont été établis par la Commission technique de la FEBE à l’issue d’une analyse approfondie des normes précitées.

Incendies naturels

Dans l’application de la FSE, on recourt à des feux naturels plutôt qu’à des feux standard, afin d’évaluer le comportement au feu de constructions complètes (ou de parties de celles-ci). On entend par « feu naturel », la variation de température dans un espace, en situation réelle. Cette variation de la température est différente d’une situation à l’autre et dépend, par exemple, de la géométrie de l’espace, des propriétés thermiques des cloisons, de la quantité et du type de matériau combustible et des conditions de ventilation (entrée d’oxygène et évacuation des gaz de combustion par les ouvertures). Alors qu’un feu standard ne tient compte que d’un incendie en plein développement (incendie de compartiment), un feu naturel présente également une phase d’expansion et une phase d’extinction au cours desquelles la température diminue assez rapidement (fig. 1).

Les modèles de feu offrent un aperçu de l’évolution d’un incendie dans des circonstances spécifiques. La norme NBN EN 1991-1-2+ANB [4] fait une distinction entre les modèles de feu naturel simplifiés et avancés. Ces derniers sont subdivisés en modèles à zone unique, à deux zones et modèles à flux numérique. Dans un modèle à zone unique, on observe une répartition uniforme de la température dans l’espace. Dans un modèle à deux zones, on part d’une séparation horizontale entre une couche supérieure extrêmement chaude, la couche de fumée et une couche inférieure froide, la couche exempte de fumée. Au fur et à mesure que le feu se développe, la couche de fumée s’épaissit et la température augmente au niveau de la couche de fumée. La couche exempte de fumée diminue progressivement. Lorsque l’embrasement se produit, le modèle à deux zones se transforme en modèle à zone unique. Les modèles à zones sont utilisés pour les plus petits espaces, tels que les bureaux et les écoles. Le progiciel OZONE ¹, développé par l’Université de Liège, permet de les simuler. Les modèles de flux numériques (Computational Fluid Dynamics ou CFD) permettent de se faire une idée des flux d’air et de fumée (fig. 6). Il est possible de déterminer la température au niveau de tout point quelconque de l’espace en divisant le volume de l’espace en un nombre élevé de petits éléments au niveau du volume. Le modèle de flux numérique, également appelé modèle de champ, peut être simulé grâce à des logiciels de pointe, tels que FDS, SMARTFIRE et FLUENT ². Le modèle de champ est utilisé pour de plus grands espaces, tels que des halls industriels et des parkings.

Un atout de la FSE est la possibilité de déterminer l’effet de mesures actives de sécurité incendie sur la charge thermique. À titre d’exemple, dans une installation automatique d’extinction par eau diffusée bien conçue et entretenue il est possible de tenir compte d’une moindre ampleur de l’incendie et dès lors de températures plus basses. Le secteur de la construction métallique y recourt régulièrement, afin de renforcer sa compétitivité. Il faut être attentif à tout changement d’affectation du bâtiment pouvant entraîner une modification de la charge thermique par rapport à la conception initiale. Dans ce cas, le choix d’une autre courbe que la courbe ISO peut nécessiter une adaptation de la construction pour atteindre le niveau de sécurité requis.

Réponse thermique et mécanique de la construction

Le modèle de feu indique la charge thermique à laquelle la construction est exposée. La réponse thermique et mécanique de la construction peut être déterminée en partant de là. La première étant le développement et la répartition de la température dans la construction (fig. 2). La deuxième est le comportement mécanique de la construction pendant l’incendie, au cours duquel on évalue si la capacité porteuse de la construction (et donc sa résistance au feu) est suffisante pendant l’incendie.

La norme NBN EN 1992-1-2+ANB [5] offre la possibilité d’appliquer une méthode de calcul avancée, afin de déterminer la réponse mécanique de la construction. En vertu de la norme, la méthode doit être basée sur un comportement physique fondamental menant à une estimation fiable du comportement prévu de la construction. L’Université de Liège a développé le progiciel SAFIR³, qui permet tout à la fois de déterminer la réponse thermique que la réponse mécanique d’une construction. Il existe d’autres progiciels, tels que DIANA et ANSYS³, par exemple. Par rapport aux essais au feu et à la méthode de calcul simplifiée, ils permettent donc de simuler le comportement effectif d’une construction. Celui-ci peut en effet être différent du comportement observé au cours de l’essai au feu. Pendant l’essai au feu, on n’empêche effectivement pas la partie de la construction testée de se dilater et de se déformer. Il s’agit aussi des bases des calculs simplifiés. Qui plus est, la partie de la construction testée n’est pas en interaction avec les éléments de la construction avec lesquels elle est reliée en réalité et l’on ne peut donc se faire aucune idée du changement de l’impact de la force dans la construction au cours de l’incendie. Le comportement réel est parfois plus favorable et il l’est parfois moins.

L’Université de Liège a réalisé une étude thermique sur 12 poutres en I. À cette occasion, la réponse thermique des poutres a systématiquement été déterminée sur la base d’un feu standard au moyen du progiciel SAFIR. Vous pouvez télécharger ce rapport sur www.febefast.be.

Cas : Analyse d’un immeuble de bureaux en béton

L’Université de Liège et le CERIB (le centre de recherche de l’industrie du béton préfabriqué en France) ont présenté une communication à l’occasion d’un congrès en Croatie en 2015 [6]. On y donne des explications sur l’analyse d’un bâtiment en béton exposé à un feu naturel. Cette analyse a servi de base à l’établissement du rapport technique ISO/TR 24679-6 en 2017 [7]. Le bâtiment étudié est un immeuble de bureaux de type open-space de 6 étages en surface et de 2 étages souterrains servant de parking. Il se compose d’une charpente avec des poutres et des colonnes continues en béton armé, qui soutiennent les planchers porteurs en béton armé à double sens. Le bâtiment a été conçu sur une trame de 6 m x 7,15 m (fig. 3).

La courbe de température/temps critique a été déterminée à l’aide d’OZONE. La température maximale s’élève à 990°C après 116 minutes. La réponse thermique et mécanique a été analysée au moyen de SAFIR. Aucun effondrement ne se produit au bout de 600 minutes d’exposition au feu. La déformation des planchers atteint une valeur maximale de 200 mm dans la phase de refroidissement au bout de plus ou moins 160 minutes et rediminue ensuite pour atteindre une flexion résiduelle de plus ou moins 140 mm au bout de 400 minutes. Les poutres fléchissent à maximum 134 mm après plus ou moins 160 minutes avec une valeur résiduelle de plus ou moins 105 mm au bout de 300 minutes. La force longitudinale dans les colonnes centrales augmente et atteint une valeur maximale après plus ou moins 60 minutes. Cette augmentation résulte du fait que les poutres environnantes empêchent la dilatation thermique des colonnes. La force longitudinale est inférieure à la valeur initiale après plus ou moins 120 minutes. Nous constatons par ailleurs que la partie externe de la colonne se dilate lorsqu’elle est exposée au feu, alors que la partie interne est encore froide. Les contraintes de compression dans la partie interne se transforment alors en contraintes de traction. Même au cours de la phase de refroidissement, le gradient thermique évolue davantage vers l’intérieur et réchauffe la partie interne, tandis que la partie externe commence à se refroidir. Ce qui induit une traction dans la partie externe, tandis que la partie interne se retrouve à nouveau sous pression. Au bout de plus ou moins 300 minutes, les cornières sont soumises à des contraintes de traction, tandis que les autres poutres continuent à travailler sous pression (fig. 4).

Il ressort également de l’analyse qu’une action de compression et de traction est activée sur la membrane dans les planchers porteurs par la dilatation thermique des planchers entravée par les poutres environnantes. Mais la rotation angulaire partiellement entravée au niveau des bords des planchers en raison de leur flexion active également l’action membranaire. Des forces membranaires de traction, réfrénées par des forces membranaires de compression, se produisent au milieu des surtensions des planchers. La répartition des forces membranaires est représentée dans la fig. 5. Les forces de compression sont représentées par de grosses lignes foncées et les forces de traction par de fines lignes claires. L’action de la membrane exerce un impact positif sur la capacité de charge du plancher, qui ne peut être démontrée par une méthode de calcul simplifiée. L’action membranaire assure une redistribution des forces et offre une capacité de charge de secours. Une autre possibilité existe à savoir, par exemple, évacuer la charge pesant sur une colonne exposée au feu vers des colonnes voisines par le biais d’une poutre continue. Ce qui prévient tout effondrement progressif.

Nous pouvons conclure que la « Fire Safety Engineering » est applicable sur les constructions en béton. La FSE peut surtout s’avérer intéressante au niveau des bâtiments avec de grands espaces ouverts, les bâtiments exposés à une faible charge thermique, les bâtiments aux façades ouvertes – comme les parkings – et les bâtiments dont la structure porteuse est complexe. La FSE devrait être de plus en plus utilisé pour évaluer la sécurité incendie de ce type de bâtiments. (BHE)

 Références/sources :

[1] FEBELCEM, Sécurité incendie et constructions en béton, 2007

[2] ISO 24679-1:2019, Fire Safety Engineering – Performance of structures in fire – Part 1: General

[3] Performance criteria for performance based fire design of concrete and composite structures, Proceedings of the International Conference of Applications of Structural Fire Engineering, 9-11 June 2021, Ljubljana, Ruben Van Coile et al.

[4] NBN EN 1991-1-2:2003+ANB:2008

[5] NBN EN 1992-1-2005+ANB:2010 ⁴

[6] Analysis of a concrete building exposed to natural fire, Proceedings of the International Conference of Applications of Structural Fire Engineering, 15-16 October 2015, Dubrovnik, Jean-Marc Franssen et al.

[7] ISO/TR 24679-6:2017, Fire safety engineering – Performance of structures in fire – Part 6: Example of an eight-storey office concrete building

[8] Fire resistance and burnout resistance of reinforced concrete columns, Elsevier Fire Safety Journal 104 (2019), Thomas Gernay

[9] Fire resistance and burnout resistance of timber columns, Elsevier Fire Safety Journal 122 (2021), Thomas Gernay

 1 Pour OZONE, veuillez consulter https://www.uee.uliege.be/cms/c_2383494/fr/ozone-v2

2  Pour FDS, veuillez consulter: https://fdstutorial.com/ Pour Smartfire, veuillez consulter https://fseg.gre.ac.uk/smartfire/Pour Fluent, veuillez consulter https://www.ansys.com/products/fluids/ansys-fluent

3 Pour SAFIR, veuillez consulter https://www.uee.uliege.be/cms/c_6331644/en/safir Pour ANSYS, veuillez consulter https://www.ansys.com/Pour DIANA, veuillez consulter https://dianafea.com/

4  La NBN EN 1992-1-2 ANB:2021 est entre-temps publiée en tant que norme par la NBN. Elle sera bientôt reprise dans la législation incendie.