Les conséquences des incendies sur les structures en béton armé

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1 Les conséquences des incendies sur les structures en béton armé Loïc DIVET Colloque «Le Pont» - Toulouse les 8 et 9 octobre 2013

2 Introduction Les dégradations de béton par incendie sont rares pour les ouvrages d art et affectent davantage les bâtiments Il existe néanmoins quelques cas d incendie de camions sous des ponts en béton qui ont provoqué un endommagement significatif du matériau Ponts réseau concédé (~10/an - P. Trouillet) Les poids lourds (avec les matières inflammables qu ils transportent) constituent le facteur déterminant du risque incendie

3 Introduction Des incendies importants dans les tunnels : La Manche (1996), Mont Blanc (1999), Tauern (1999), Gothard (2001), Fréjus (2005), La Manche (2008)

4 Température ( C) Comportement des structures aux incendies Le domaine de la construction utilise des courbes normalisées pour vérifier le comportement des structures Courbe CN : courbe normalisée utilisée dans le bâtiment (15 T=750 C) Courbe HCM : Courbe dite Hydrocarbure Majorée pour prendre en compte les feux d hydrocarbures (15 T=1300 C) Courbes normalisées Montée en température des gaz au cours d un incendie Temps (min) CN HCM

5 Comportement des structures aux incendies Le transfert de chaleur se fait de l incendie vers le matériau par l intermédiaire d un flux de chaleur Ce flux entraîne une élévation de température du matériau liée à sa capacité calorifique et à sa conductivité thermique Dalle béton de 20 cm soumise à un incendie «CN» Profil de température toutes les 10 min Température ( C) Profondeur (mm)

6 Les désordres sur ouvrages Selon la durée de l incendie les dégâts apparents sur un élément en béton prendront successivement les aspects suivants : un écaillage superficiel de profondeur centimétrique se propageant plus ou moins profondément jusqu aux armatures une chute des caractéristiques mécaniques des armatures de surface, leur dilatation et ses conséquence : perte d adhérence éclatement du béton d enrobage une décohésion généralisée du béton et la ruine totale de l ouvrage.

7 Classification des désordres sur ouvrages Dépôts de suie

8 Classification des désordres sur ouvrages Ecaillage superficiel

9 Classification des désordres sur ouvrages Disparition du béton d enrobage Armatures visibles

10 Classification des désordres sur ouvrages Armatures totalement dégagées

11 Le diagnostic Mesures in situ scléromètre (dureté superficielle) auscultation sonique Essais en laboratoire mesure de la fréquence de résonnance (module d élasticité) analyses minéralogiques

12 Auscultation sonique Profil de dégradation cartographie iso-vitesses - Béton sain Vitesse : 4500 m/s - Béton très dégradé proche du foyer Vitesse : 1000 m/s

13 Comportement du béton à l incendie L élévation de température du béton suite à un incendie entraîne un certain nombre de transformations : - physico-chimiques - minéralogiques - microstructurales Ces transformations vont alors conduire à un changement des propriétés du béton : - mécaniques - de transfert (porosité et perméabilité) Les conséquences sur le béton sont : - Un écaillage et un éclatement du béton

14 Transformations physico-chimiques 3 composantes : l eau, la pâte de ciment et les granulats 20 C Début du départ de l eau libre contenue dans les pores 80 C Début du départ de l eau de constitution des hydrates du ciment 450 C Fissuration de certains granulats siliceux (silex puis granite) 570 C Fissuration des granulats de quartz (dilatation) 700 C Décarbonatation des granulats calcaires (CaCO 3 CaO + CO 2 ) 1100 C Début de la fusion de certains granulats avec la pâte de ciment

15 Transformations physico-chimiques Aspect normal d une pâte de ciment n ayant pas subi d échauffement Matrice cimentaire d aspect vitreux et forte porosité T > 1000 C

16 Transformations physico-chimiques Perte de masse au cours de l échauffement du béton Perte de masse importante entre 150 et 400 C un transfert d eau élevé (vaporisation) coïncide avec les fortes pressions Perte de masse d échantillons de béton chauffé à une vitesse de 1 C/min (Noumowé, 1996)

17 Evolution des propriétés de transfert Elles augmentent avec la température Porosité Perméabilité aux gaz Evolution de la porosité en fonction de la température (Noumowé et al., 1995) BO : Rc = 38 Mpa BHP : Rc = 61 MPa Evolution de la perméabilité apparente aux gaz avec la température (Tsimbrovska, 1998)

18 Résistance en compression du béton Evolution des propriétés mécaniques Résistance à la compression Module d élasticité Température critique Evolution de la résistance résiduelle à la compression selon Pliya et al., 2012 Evolution du module résiduel relatif d élasticité selon Pliya et al., 2012

19 Mécanisme d altération par incendie Le comportement au feu : un phénomène d écaillage et d éclatement du béton lié à un problème thermo-hygro-mécanique

20 Mécanisme d altération par incendie 2 processus à l origine de l écaillage et de l éclatement du béton : L échauffement du béton entraîne sa dilatation et la vaporisation de l eau d abord libre puis chimiquement liée Établissement d un gradient de pression de vapeur d eau dans le réseau poreux appelé processus thermohydrique Harmathy 1965, Anderberg 1997 La présence d un gradient thermique conduit à un empêchement de dilatation partiel, générateur de contraintes mécaniques internes Appelé processus thermomécanique Bazant 1197, Ulm 1999

21 Conclusion En cas d échauffement, le béton subit : Une évolution physico-chimique (changement des phases, mouvements d eau) Une évolution microstucturale (augmentation de la porosité et de la perméabilité) Une évolution des propriétés mécaniques (diminution) La dégradation du béton se caractérise par : Le détachement d écailles L éclatement d éléments de structure

22 Conclusion Le comportement du béton à l incendie est fonction de : la sollicitation thermique (vitesse d échauffement et température atteinte) la forme de l élément la densité d armatures la compacité du béton l état hydrique du béton la nature des granulats

23 Conclusion Des solutions existent pour améliorer la tenue des bétons aux incendies : Mise en place d une protection (couche isolante) matériaux à forte chaleur lente endothermique (déshydratation ou décarbonatation) Gypse (150 C), Hydroxyde de calcium (400 C), carbonate de calcium (900 C) Sous forme d enduits ou en panneaux préfabriqués Modification de la microstructure du materiau par ajout de fibres organiques fibres de polypropylène température de fusion = 160 C La chaleur fait fondre les fibres et l espace qu elle occupaient constitue un réseau de drains permettant à l eau libre du béton de s échapper sous forme de vapeur