Tenue au feu. Note de calculs. Tunnel Belliard Bruxelles. Poutres préfabriquées précontraintes. Zones. Version : A

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1 Tenue au feu Note de calculs?? Zones Tunnel Belliard Bruxelles Poutres préfabriquées précontraintes Etabli le : 16 mars 2010 : Version : A Établi le 16/03/2010 Ann 2-1 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

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3 Acronymes, abréviations et symboles BA... Béton Armé CETU... Centre d Études des Tunnels CN... Courbe Normalisée ELS... État Limite de Service HA... Haute Adhérence HCM... courbe d Hydrocarbures Majorée Établi le 16/03/2010 Ann 2-3 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

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5 Sommaire 1 - OBJET DE LA NOTE DESCRIPTION DE LA STRUCTURE ZONE ETUDIEE DESCRIPTION DE LA STRUCTURE MATERIAUX CALCUL THERMIQUE NIVEAU DE PROTECTION AU FEU CALCUL DE LA TOITURE DU TUNNEL METHODE DE CALCUL CALCUL DE LA POUTRE B CALCUL DE LA POUTRE B CALCUL DE LA POUTRE B CONCLUSION 21 Établi le 16/03/2010 Ann 2-5 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

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7 1 - OBJET DE LA NOTE Cette note de calcul a pour objet de déterminer le niveau de tenue au feu des différents types d éléments préfabriqués précontraints utilisés en toiture du tunnel Belliard. Les hypothèses générales sont décrites dans le document «Note d hypothèses Tenue au feu Ind A». Seules les hypothèses particulières à la configuration étudiée sont rappelées dans cette note. 2 - DESCRIPTION DE LA STRUCTURE ZONE ETUDIEE La toiture du tunnel Belliard a été réalisée en éléments précontraints sur plusieurs tronçons. Le plan de zonage ci-dessous permet de situer les zones intéressées par cette note.?? Zone étudiée Zones concernées par la note Figure 1 Vue en plan de la zone étudiée Liste des plans de l époque utilisés pour cette étude : [1] Plan 4 E Tunnel routier Belliard-Schuman Cum à Poutre préfabriquées 15 septembre 1989 [2] Plan 1 Tunnel routier Belliard-Schuman Cum 375 à 400 Poutre préfabriquées 15 septembre 1989 [3] Plan 2 G Tunnel routier Belliard-Schuman Cum 400 à 531 Poutre préfabriquées 15 septembre 1989 [4] Plan 107 D Tunnel routier Belliard Schuman Coupe transversale Cum 460 (rue Froissart) 15 septembre 1989 [5] Plan 1 A Poutre B1 Cum à septembre 1989 [6] Plan 2 Poutre B2/B3 Cum 375,5 à 400 à septembre 1989 [7] Plan 179 Poutre B60 Cum à septembre 1989 Établi le 16/03/2010 Ann 2-7 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

8 2.2 - DESCRIPTION DE LA STRUCTURE Au niveau des zones étudiées, la toiture du tunnel a été réalisée en poutres préfabriquées précontraintes, posées sur des appuis néoprènes. Les poutres sont donc de type isostatiques biappuyées. On retrouve différentes géométries de poutres : - Poutres en I avec un seul lit d armatures actives - Poutres en I avec plusieurs lits d armatures actives - Poutres rectangulaires avec plusieurs lits d armatures actives Ces poutres sont soit appuyées sur des corbeaux ancrés aux piédroits, soit directement appuyées sur les piédroits. La portée des poutres est variable. La figure 2 est une coupe de la structure au niveau du tronçon Belliard, où la toiture est réalisée avec des poutres en I. Figure 2 Coupe transversale au cum 460 (tronçon Belliard) MATERIAUX Les caractéristiques des matériaux de l ouvrage sont les suivantes (d après [1], [2] et [3]) : béton C50/60f ck = 50 MPa enrobage des armatures e = 5-6 cm Établi le 16/03/2010 Ann 2-8 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

9 3 - CALCUL THERMIQUE NIVEAU DE PROTECTION AU FEU Suivant les préconisations de l instruction technique Française (circulaire n du 29 mars 2006 ) reprises par le référentiel technique retenu pour les tunnels de la région Bruxelles-Capitale, le niveau N2 s applique pour les structures qui supportent une voie routière dont il n est pas possible d en interdire en un temps court la circulation. Le niveau de résistance au feu N2 signifie, pour un tunnel dont le gabarit est supérieur à 3,50 m, une justification de la structure sous un feu HCM120. La toiture du tunnel Belliard est donc vérifiée sous un incendie HCM120. Pour le calcul des températures, on suppose que le béton de l ouvrage présente une teneur en eau de 2,0 %. En l absence de données sur les caractéristiques physique du Pyrock, nous avons effectué les calculs avec les données du matériau Promat (conductivité thermique λ = W/m.K, effusivité a = K - 1 ) Calcul des températures dans le béton : Les conséquences d un incendie sur la structure peuvent être de deux sortes : Développement de sollicitations thermiques : non rencontré dans notre cas car la structure est isostatique et donc sa déformation est libre. Diminution de la résistance des armatures due à l élévation de température : cette conséquence de l incendie est bien réelle et est maximale lorsque la température du béton a atteint son maximum. Etant donné que nous effectuons les calculs sous feu HCM120, la température qui nous intéresse est celle développée 120 minutes après le début de l incendie. Les températures obtenues dans le béton sous feu HCM 120 (à 120 minutes) sont reproduites dans l abaque ci-après (seuls les trente premiers centimètres de béton sont représentés) : Établi le 16/03/2010 Ann 2-9 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

10 Figure 3 Températures sous feu HCM à 120 minutes, sans protection Promat Figure 4 : Température sous feu HCM à 120 minutes, avec protection Promat de 20mm Établi le 16/03/2010 Ann 2-10 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

11 4 - CALCUL DE LA TOITURE DU TUNNEL METHODE DE CALCUL Nous supposons que le dimensionnement des poutres préfabriquées précontraintes a été réalisé avec les coefficients de sécurité usuellement retenus dans les codes aux coefficients partiels (dont l Eurocode 2) et allons calculer la perte de moment capable des poutres sous action d un feu HCM120. Pour cela, nous allons calculer la température des armatures à partir de la courbe de température du béton. Puis nous en déduirons un coefficient de minoration de la contrainte maximale admissible dans les armatures à partir du tableau 3 présenté dans la note d hypothèses jointe en annexe 1. Pour le calcul de perte de résistance des poutres sous l effet d un incendie HCM120, nous distinguons trois cas : Le mortier de protection au feu résiste-t-il à l écaillage? (cas d un feu HCM) NON OUI Ecaillage du mortier. Le béton résiste-t-il à l écaillage? OUI NON CAS 1 : Limitation de la température dans le béton Le béton est protégé vis-à-vis de l écaillage CAS 2 : Pas de Protection thermique du béton par le mortier Pas d écaillage du béton CAS 3 : Pas de Protection thermique du béton par le mortier Ecaillage du béton. Hypothèse forfaitaire 3cm à confirmer par essai) CALCUL DE LA POUTRE B2 Les poutres B2 et B3 sont des poutres en I où les armatures sont en majorités situé sur un seul et même lit. La largeur de la poutre B2 varie de 1173 mm à 889 mm. Dans le calcul, nous prendrons la Établi le 16/03/2010 Ann 2-11 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

12 valeur moyenne correspondant à la mi-longueur de la poutre, zone où le moment à reprendre est probablement de plus important. Figure 5 Coupe de la poutre B2 Calcul de la force totale pouvant être reprise dans les armatures actives : La poutre est précontrainte avec 22 torons Ǿ1/2 soit 22 torons T13. La force utile est environ de 100 kn/toron. Ftotale = 22 x 100 = 2200 kn Calcul de l épaisseur comprimée de béton permettant d équilibrer les moments dans la poutre : f bu = 0,85 x 50 / 1,5 = 28,5 MPa Surface de béton comprimée = 2,2 / 28,5 = 7, m² Avec une largeur de poutre de 1030mm, nous obtenons une épaisseur de béton comprimé : e = 7,5 cm 8cm Établi le 16/03/2010 Ann 2-12 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

13 Température des armatures suivant les différents cas étudiés : 800 Echauffement Echauffement des des armatures aciers suivant dans les les différents cas pour les poutres B2-B3 Température des aciers Froid Cas1 Cas2 Cas Nombre d'aciers Figure 6 : Echauffement des aciers suivant les différents cas étudiés [Poutres B2-B3] NB : 300 C est un seuil à partir duquel la résistance des aciers est extrêmement diminuée Calcul du moment capable de la poutre préfabriquée, avec un bras de levier des torons calculé à 4 cm de la surface de la poutre : Établi le 16/03/2010 Ann 2-13 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

14 Le tableau ci-dessous présente en pourcentages la diminution du moment capable de la poutre B2 suivant les différents cas : Établi le 16/03/2010 Ann 2-14 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

15 4.3 - CALCUL DE LA POUTRE B1 Les poutres B1 sont des poutres rectangulaires à plusieurs lits d armatures. La largeur de la poutre est de 880 mm et la hauteur de 1200 mm. Figure 7 : coupe de la poutre B1 Calcul de la force totale pouvant être reprise dans les armatures actives : La poutre est précontrainte avec 44 torons Ǿ1/2 soit 44 torons T13. Deux d entres eux sont positionnés en fibre supérieure de la poutre et ne seront donc pas pris en compte dans le calcul étant donné leur bras de levier nul. La force utile est environ de 100 kn/toron. Ftotale = (44-2) x 100 = 4200 kn Calcul de l épaisseur comprimée de béton permettant d équilibrer les moments dans la poutre : f bu = 0,85 x 50 / 1,5 = 28,5 MPa Surface de béton comprimée = 4,2 / 28,5 = 14, m² Avec une largeur de poutre de 880 mm, nous obtenons une épaisseur de béton comprimé : e = 16,7 cm 17cm Établi le 16/03/2010 Ann 2-15 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

16 Température des armatures suivant les différents cas étudiés : 900 Echauffement des des armatures aciers suivant dans les les différents cas cas pour les poutres B1 Température des aciers Froid Cas1 Cas2 Cas Nombre d'aciers Figure 8 : Echauffement des aciers suivant les différents cas étudiés [Poutre B1] NB : 300 C est un seuil à partir duquel la résistance des aciers est extrêmement diminuée Calcul du moment capable de la poutre préfabriquée, avec un bras de levier des torons calculé à 8,5 cm de la surface de la poutre : Établi le 16/03/2010 Ann 2-16 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

17 Le tableau ci-dessous présente en pourcentages la diminution du moment capable de la poutre B1 suivant les différents cas : Établi le 16/03/2010 Ann 2-17 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

18 4.4 - CALCUL DE LA POUTRE B60 Les poutres B60 sont des poutres préfabriquées précontraintes en forme de I avec plusieurs lits d armatures. Ces poutres ont une hauteur 900 mm et une largeur de 850 mm. Figure 9 : coupe de la poutre B9 Calcul de la force totale pouvant être reprise dans les armatures actives : La poutre est précontrainte avec 30 torons Ǿ1/2 soit 30 torons T13. La force utile est environ de 100 kn/toron. Ftotale = (30) x 100 = 3000 kn Calcul de l épaisseur comprimée de béton permettant d équilibrer les moments dans la poutre : f bu = 0,85 x 50 / 1,5 = 28,5 MPa Surface de béton comprimée = 3,0 / 28,5 = 10, m² Avec une largeur de poutre de 850 mm, nous obtenons une épaisseur de béton comprimé : e = 12,5 cm 13cm Établi le 16/03/2010 Ann 2-18 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

19 Température des armatures suivant les différents cas étudiés : 900 Echauffement des des armatures aciers suivant dans les les différents cas cas pour les poutres B60 Température des aciers Froid Cas1 Cas2 Cas Nombre d'aciers Figure 10: Echauffement des aciers suivant les différents cas étudiés [Poutre B60] NB : 300 C est un seuil à partir duquel la résistance des aciers est extrêmement diminuée Calcul du moment capable de la poutre préfabriquée, avec un bras de levier des torons calculé à 7,5 cm de la surface de la poutre : Établi le 16/03/2010 Ann 2-19 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

20 Le tableau ci-dessous présente en pourcentages la diminution du moment capable de la poutre B1 suivant les différents cas : Établi le 16/03/2010 Ann 2-20 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

21 5 - CONCLUSION Les calculs menés ci-avant pour chacune des sections-type rencontrées permettent d évaluer la perte de moment capable résultant de l élévation progressive de température au cours de l incendie. Remarque importante : ces calculs prennent en compte un écaillage du béton évalué forfaitairement à 3 cm (hypothèse qui devra être validée par essai). Du fait du jeu des coefficients de sécurité (sur les charges et sur les matériaux) usuellement retenus dans les règlements depuis les années 1980, il est couramment admis qu une perte de résistance de 30 à 40 % en situation accidentelle est admissible pour un élément normalement dimensionné sous charges de service normal. Au-delà de cette limite ou si aucune campagne d essais sur l écaillage des bétons et la tenue du Pyrok sous HCM n est réalisée, les poutres devront être protégées. Le tableau ci-dessous récapitule les résultats obtenus dans cette note de calculs : Type de poutres en I avec un seul lit d armatures Poutres B2-B3 Type de poutres rectangulaires avec plusieurs lits d armatures Poutres B1 Type de poutres en I avec plusieurs lits d armatures Poutres B60 Établi le 16/03/2010 Ann 2-21 / 22 - Tenue au feu Note de calculs

22 si le mortier de protection au feu Pyrok offre un niveau de protection au moins égal à celui du Promat, les différents types de poutres sont stables sous un feu HCM120. Si le mortier Pyrok éclate sous feu HCM mais que le béton ne s écaille pas, seule la stabilité des poutres possédant un seul lit principal d armatures est compromise. Par contre, si le mortier de protection éclate sous feu HCM et que le béton s écaille, c est la résistance de l ensemble de la structure réalisée avec des poutres préfabriquées qui est compromise. Or, compte tenu de la résistance relativement élevée du béton employé, l hypothèse d un écaillage du béton est probable. Or le béton employé est probablement peu résistant à l écaillage compte tenu de sa résistance relativement élevée (C50/60 d après les plans). L aptitude du Pyrok à empêcher l écaillage du béton sous feu HCM est donc absolument déterminante. La détermination précise de l étendue des zones à protéger passe donc par : l identification de toutes les zones sous poutres précontraintes et dans lesquelles le Pyrok est aujourd hui dégradé (décollement, écaillage) : dans ces zones, une protection au feu devra être systématiquement reconstituée la détermination (recherche documentaire et/ou essais) de l aptitude du Pyrok à résister aux feux de type HCM ; si celui-ci ne résiste pas, toutes les zones sous poutres précontraintes devront être protégées Établi le 16/03/2010 Ann 2-22 / 22 - Tenue au feu Note de calculs