Guide client: Questions clés pour la résistance au feu de la structure Ce document présente une vue d'ensemble des diverses approches pouvant être adoptées dans la conception de la résistance au feu des bâtiments. Il souligne les avantages relatifs des différentes méthodes et illustre comment celles-ci ont été employées dans le cadre de projets spécifiques. Sommaire 1. Introduction 2 2. Résistance au feu et normes 3 3. Autres approches de conception 7 4. Récapitulatif 14 Page 1
1. Introduction La sécurité incendie relève d'une considération de conception très importante pour n importe quel bâtiment. Il est nécessaire d'observer des exigences réglementaires minimales pour assurer une protection adéquate contre toute perte de vies humaines en cas d'incendie. Les usagers du bâtiment peuvent, quant à eux, souhaiter protéger leur propriété et la poursuite de leurs activités. Ceci peut augmenter sensiblement les coûts d'un bâtiment ; l'optimisation de la conception de la protection incendie peut donc permettre de réaliser des économies tout à fait valables. Les objectifs détaillés sont les suivants : assurer des voies d'évacuation sûres et une lutte efficace contre l'incendie permettre une détection précoce des fumées ou de la chaleur maîtriser l'incendie et les fumées empêcher la propagation du feu empêcher l'effondrement prématuré de la structure principale Il est possible de prendre tout un éventail de mesures pour parvenir à ces objectifs qui, jusqu'à récemment, étaient traités indépendamment les uns des autres à l'aide d'approches très simplifiées. Bien qu'il en soit encore très souvent ainsi, il est de plus en plus fréquent de faire appel, lors de la conception de bâtiments, à une stratégie de sécurité incendie intégrée, adaptée à la nature du bâtiment et qui présente une approche plus rationnelle. Par exemple, dans les bâtiments publics de grande taille et d'un seul tenant, comme les centres commerciaux par exemple, des systèmes de détection, de contrôle de la fumée et de sprinklers sont souvent installés pour assurer la sécurité des vies humaines ; certains d'entre eux peuvent en outre réduire la sévérité d'incendies potentiels ; il est, dans ces cas-là, possible d'assouplir les exigences de protection incendie de la structure. 1.1 Sécurité des vies humaines La fumée, qui peut se dégager en grosses quantités aux tous premiers stades d'un incendie, est la principale cause de décès. Lorsqu'il s'agit d'envisager la sécurité des vies humaines, il est primordial que les occupants menacés par un incendie puissent évacuer le bâtiment très rapidement. Il est donc fondamental de prévoir des voies d'évacuation appropriées, de largeur adéquate et dépourvues d'obstacles, clairement délimitées et visibles en cas d'incendie. Lors de l'évaluation de la sécurité incendie, il est essentiel de déterminer le nombre de personnes présentes dans le bâtiment, leur mobilité et l'importance des issues de secours. Pour cette raison, les mesures de précaution peuvent varier entre les bâtiments destinés à une occupation humaine, comme les bureaux, hôtels, magasins, cinémas et hôpitaux, et ceux où se trouve très peu de monde, comme les entrepôts. Il est tout à fait capital que la structure reste stable pendant cette période d'évacuation et que les voies d'évacuation ne soient pas elles-mêmes compromises par le feu ou par la fumée. Par ailleurs, tout pompier pénétrant dans le bâtiment doit bénéficier de la même protection pendant une durée raisonnable, pour lui permettre d'effectuer ses activités de recherche et de sauvetage. Page 2
Toutes ces considérations peuvent en outre dépendre de la façon dont sont divisés les espaces internes en compartiments ignifuges séparés, empêchant le feu de se propager au reste du bâtiment. 1.2 Sinistres matériels La perte du contenu d'un bâtiment et l'interruption des activités commerciales sont les plus grosses sources de pertes financières en cas d'incendie. La stratégie la plus efficace pour réduire ces pertes consiste à prendre des mesures qui empêchent des incendies majeurs de se déclarer. Il s'agit de dispositifs de protection incendie active, tels que les détecteurs de fumée et les sprinklers automatiques qui limitent la propagation et la sévérité d'un incendie, et un compartimentage efficace qui limite la propagation de l'incendie. 1.3 Résistance au feu de la structure Il est par ailleurs nécessaire de veiller à ce que la structure présente suffisamment de résistance au risque d'effondrement afin de laisser assez de temps pour l'évacuation et la lutte contre l'incendie, de protéger les bâtiments adjacents et de réduire les dommages indirects. Lorsqu'ils firent pour la première fois leur apparition à la fin du XIXe siècle, l'un des principaux attraits des bâtiments à ossature métallique tenait à ce qu'ils présentaient une construction incombustible. Par exemple, leur emploi dans les manufactures de coton anglaises permit de réduire très nettement les pertes dues aux incendies et beaucoup de bâtiments détruits lors du grand incendie de Chicago furent remplacés par des bâtiments à ossature métallique. Cependant, tous les matériaux de construction ordinaires sont affectés par les températures élevées et on a fini par reconnaître que les incendies dans les bâtiments pouvaient provoquer leur effondrement, même si des matériaux incombustibles étaient utilisés. Il a donc fallu concevoir et construire les éléments structuraux pour prendre cela en compte. Dans le cas des ossatures métalliques, la méthode traditionnellement adoptée consiste à enrober les poutres et les poteaux pour une certaine forme de protection contre les incendies. Des approches plus évoluées commencent maintenant à être utilisées. 2. Résistance au feu et normes Les exigences de compartimentage et de stabilité structurale entre les bâtiments sont généralement décrites par l'expression «résistance au feu». Pour pouvoir définir les exigences minimales, des procédures d'essai normalisées, utilisant un «feu conventionnel» ont été élaborées. Celles-ci restent à la base de la plupart des évaluations de résistance au feu, malgré les hypothèses simplifiées qui leur sont inhérentes. La résistance au feu s'exprime en durées normalisées (par exemple 30, 60 ou 90 minutes), qui se rapportent aux résultats obtenus lors d'un essai de résistance avec un feu conventionnel. Les feux réels se caractérisent par trois phases distinctes : le développement initial, où la température augmente lentement jusqu'à l embrasementéclair l après embrasement-éclair, lorsque la température augmente très rapidement la phase de décroissance, lorsque le combustible commence à s'épuiser et que les températures baissent. Page 3
L embrasement-éclair décrit le point auquel la température du compartiment est devenue tellement élevée que tout son contenu se met à brûler simultanément. Le feu conventionnel est une représentation du taux de hausse de la température lors de la phase de l après embrasement-éclair, mais il ne prend en compte aucune décroissance. T C A C B D 1 2 t Légende Explication A Avant embrasement-éclair : allumage et feu couvant B Embrasement-éclair C Après embrasement-éclair - échauffement D Refroidissement T C Température des gaz t temps 1 Courbe du feu conventionnel ISO 834 2 Courbe d un feu naturel Figure 2.1 Développement d'un feu conventionnel par rapport à un feu naturel 2.2 Approches traditionnelles de la résistance au feu structurale pour les structures à ossature métallique L acier étant un matériau très résistant, les profils des éléments tels que poutres et poteaux sont généralement de petites dimensions. Cela a pour conséquence qu'ils chauffent plus rapidement que ceux d'autres matériaux tels que le béton armé, et ce faisant, le matériau se ramollit. Les essais réalisés sur de petits spécimens du matériau acier révèlent qu'à une température d'environ 600 C, la résistance a été réduite à un niveau tel que le facteur de Page 4
sécurité implicite dans le processus de conception et calcul normal a effectivement disparu. Cette température étant atteinte quelques minutes seulement après l'embrasement généralisé, il a été conclu que l'ossature métallique devait être protégée par un système d'isolation pour l'empêcher de s'effondrer. Cette approche hautement simplifiée ignore un certain nombre d'influences très importantes, mais elle n'en reste pas moins le fondement d une prescription simple de la protection incendie appliquée. Les matériaux d une protection incendie passive isolent les structures en acier des effets des hautes températures qui peuvent se produire lors d'un incendie. Ceux-ci se répartissent en deux types : les matériaux non réactifs, dont les plus courants sont les panneaux et les produits projetés, et les matériaux réactifs, dont les revêtements intumescents sont le meilleur exemple. 2.2.1 Béton ou maçonnerie Les premières méthodes de protection incendie consistaient à enrober la structure métallique dans le béton ou la maçonnerie. Ces matériaux sont devenus chers et rallongent considérablement les délais de construction. Des profilés en I et en H partiellement enrobées, utilisant du béton ou de la maçonnerie de remplissage entre les semelles, confèrent un certain degré d'isolation au profilé tout en s'avérant plus économiques. L'ajout de barres d'armature à l'intérieur du béton peut accroître davantage la résistance au feu. Certains systèmes utilisent des méthodes en usine pour minimiser l'impact sur les délais de construction, mais il s'agit là d'options qui coûtent relativement chères. Ces systèmes présentent toutefois une bonne résistance aux impacts et peuvent tirer parti du comportement mixte pour augmenter la résistance de l élément composite. Ils sont donc particulièrement adaptés aux poteaux dans les zones de forte circulation. 2.2.2 Panneaux et matelas Les systèmes brevetés de protection par panneaux sont fréquemment utilisés et sont particulièrement attrayants là où l'élément est visible. Les panneaux en silicate de calcium, en gypse et en vermiculite sont durs et d'aspect lisse, alors que les panneaux en fibres minérales sont mous. Il est possible de fixer les panneaux au moyen de techniques très variées, y compris des chevilles en acier, des clous, des vis spéciales torsadées ou de la colle. Les systèmes de protection incendie par matelas sont bon marché et souples d'utilisation mais peu attrayants. Ces matelas sont fixés à l'ossature métallique au moyen de chevilles en acier soudées, de rondelles anti-retour et de liens en fil métallique. Ces panneaux et matelas peuvent fournir jusqu'à 240 minutes de résistance au feu. Ils offrent l'avantage d'une application à sec et (pour les panneaux) des finis attrayants de grande qualité. La protection par panneaux est particulièrement adaptée pour les poteaux. 2.2.3 Matériaux projetés Les matériaux projetés à base de ciment ou de gypse contiennent des fibres minérales, de la vermiculite expansée, de la perlite expansée et/ou d'autres agrégats ou éléments de remplissage légers. Ils constituent généralement les formes les moins chères de protection incendie. Ils ne sont toutefois guère esthétiques et sont donc rarement utilisés lorsqu'ils sont Page 5
visibles. Le processus de projection est salissant et les éclaboussures nécessitent parfois de nettoyer les zones recouvertes involontairement. Les systèmes de protection par projection peuvent fournir jusqu'à 240 minutes de résistance au feu et peuvent s'appliquer facilement sur n'importe quel profil. Ils sont donc particulièrement adaptés à des profils complexes non visibles. Ils sont vulnérables aux dommages par impact mais certains matériaux sont plus robustes que d'autres. 2.2.4 Revêtements intumescents Les revêtements intumescents sont des substances semblables à de la peinture qui sont inertes à des températures normales mais qui gonflent à des températures aux alentours de 200-250 C pour présenter une couche carbonisée de matériaux de faible conductivité, qui peut alors servir d'isolation thermique pour l'acier. Ce sont eux qui présentent la plus grande souplesse d'utilisation et permettent à l'acier de s'exprimer visiblement. Un développement récent a vu l'application en usine de revêtements intumescents. Cela signifie que l'ossature métallique peut être livrée sur le chantier déjà munie de sa protection incendie, ce qui réalise une économie de temps considérable sur le chantier. Les matériaux intumescents modernes à fine pellicule sont à base d'eau ou de solvant hydrocarboné. Lorsqu'ils sont utilisés dans des environnements secs, une couche de finition n'est pas nécessaire, hormis à des fins de décoration. Les coûts sont concurrentiels, surtout pour des durées de résistance au feu de 30 et 60 minutes, et le deviennent de plus en plus pour des durées plus longues. Ils présentent un fini de haute qualité, ils améliorent l'efficacité de la construction s'ils sont appliqués en usine et ils peuvent être utilisés sur des sections complexes. Page 6
Figure 2.2 L'immeuble de bureaux Swiss Re à Londres L'immeuble a été conçu pour une résistance au feu de 90 minutes. Cet assouplissement, par rapport à la norme de 120 minutes pour les immeubles de cette nature, se justifie sur la base d'une analyse de feu naturel. L'ossature en acier a été protégée par un dispositif de protection passive avec des panneaux de fibres minérales pour les poutres de plancher et des matelas souples pour les poteaux tubulaires. 3. Autres approches de conception Reconnaissant l'importance de la résistance au feu et des coûts associés et tout en tenant compte des hypothèses simplifiées inhérentes à sa spécification, de nouvelles approches de conception ont été développées. Celles-ci comprennent : l'emploi d'autres systèmes structuraux, qui offrent à l'ossature métallique une protection inhérente au feu, une analyse structurale plus avancée, pour modeler bien plus précisément la manière dont répondra la structure à des températures élevées, Page 7
l'étude de feux réels et de la manière dont certaines conditions influent sur les températures du feu des approches intégrées qui prennent en compte toute une variété d'aspects tels que ceux cités ci-dessus et qui permettent de tirer un parti rationnel d'installations telles que des sprinklers. Dans certains bâtiments, tout particulièrement lorsque l'évacuation est facile, comme dans les petits immeubles ou les immeubles présentant un faible risque d'incendie, il est possible d'utiliser de l'acier non protégé sans avoir recours à des méthodes de calcul avancées. 3.1 Autres systèmes structuraux Des poutres de plancher mince et des poteaux encastrés dans un mur en maçonnerie sont des exemples de systèmes structuraux qui offrent une protection inhérente au feu de l'ossature métallique. Dans les deux cas, une partie importante de la section transversale structurale est à l'abri des effets directs de l'incendie. En conséquence, la température reste relativement basse et il est possible de ne pas protéger l'acier pour des durées de protection au feu d un maximum de 60 minutes. Les poutres de plancher mince sont contenues dans l'épaisseur de la dalle de plancher ; l'épaisseur globale de construction du plancher s'en trouve ainsi minimisée. La semelle inférieure de la poutre qui soutient la dalle de plancher est plus large que la semelle supérieure, pour faciliter l'installation. Ceci peut être réalisé en soudant une plaque sur la semelle inférieure d'une section de poutrelle standard ou en utilisant une section asymétrique laminée, conçue spécifiquement pour présenter une résistance optimale au feu. La dalle de plancher peut être construite à partir d'unités préfabriquées alvéolées en béton ou à partir d'une dalle mixte épaisse. Il est généralement possible d'obtenir une résistance au feu de 60 minutes sans autre protection supplémentaire. Les poteaux en acier non protégés insérés dans une façade en brique ou dans un mur creux peuvent présenter une résistance au feu de 60 minutes car ils sont moins exposés au feu. 3.2 Sections tubulaires La résistance au feu des sections tubulaires peut être améliorée en les remplissant de béton, laissant ainsi l'ossature métallique visuellement exposée. Les sections remplies de béton, renforcées au moyen de barres d armature ou de fibres d'acier, peuvent présenter une résistance au feu allant jusqu'à 120 minutes et possèdent en outre une capacité élevée de support des charges. Ce système de protection incendie est très robuste et très résistant aux dommages. Page 8
Figure 3.1 Le Innovation Centre, à Adlershof, Berlin Le bâtiment nécessitait une résistance au feu de 90 minutes. Pour les poteaux, cela a été réalisé en utilisant des sections creuses remplies de béton armé. 3.3 Analyse structurale avancée Face à l'augmentation des innovations dans les domaines de la conception, de la construction et de l'utilisation des bâtiments modernes, les méthodes normatives peuvent ne pas suffire pour satisfaire les règlements. La reconnaissance de ces faits et une meilleure connaissance de la façon dont se comportent les structures réelles en cas d'incendie, a mené de plus en plus à l utilisation d approches analytiques. Dans les essais normalisés, la résistance au feu est liée implicitement au comportement des poutres et poteaux individuels soumis à la charge de calcul nominale totale. Elle ne représente donc pas forcément les éléments structuraux qui font partie d'un bâtiment où plusieurs effets bénéfiques peuvent entraîner des performances sensiblement améliorées. Le plus important de ceux-ci est l'interaction entre la dalle de plancher et l'ossature en acier. Elle ne tient pas compte non plus des conditions particulières qui peuvent exister, par exemple en termes de niveaux de charge ou d'exposition à la température. Tout un éventail de méthodes analytiques a désormais été élaboré pour venir remplacer l'approche normative qui se contente d'associer l'exigence de protection au temps requis de résistance au feu. Page 9
Figure 3.2 Hôpital Nuffield, Leeds Une analyse structurale avancée a prouvé qu'il était possible d'éliminer la protection incendie globale sur la plupart des poutres alvéolaires secondaires de longue portée et de réduire l épaisseur des poutres protégées, ce qui permet de réaliser des économies d environ 40 % sur les coûts de protection incendie. Il est possible d'utiliser de l'acier non protégé dans les bâtiments qui ont une exigence de résistance au feu de courte durée, comme par exemple les parkings sans parois extérieures. Ceci est dû au fait que la plupart des profilés en I ou en H peuvent offrir une résistance au feu de 15 minutes, même à pleine charge et dans des conditions de feu ordinaires. En cas de charge faible (par exemple pour les poutres dont le calcul est gouverné par les limites de service ou par des considérations pratiques) ou lorsque la section en acier a été délibérément surdimensionnée, la résistance au feu réelle sera accrue. Des méthodes de calcul simples sont maintenant disponibles, qui mettent en corrélation la performance en cas d'incendie avec les niveaux de contrainte et les répartitions des températures à l'intérieur de la section. Les projeteurs ont ainsi la possibilité d'utiliser soit un acier plus résistant, soit une taille de poutre plus importante que nécessaire pour réduire la quantité requise de protection incendie. Dans certains cas, une telle approche peut être employée pour fournir une méthode économique afin de parvenir à une résistance au feu de 30 minutes sans protection incendie appliquée. L'ossature métallique externe peut être conçue pour faire en sorte que les températures qu'elle atteint restent basses en cas d'incendie. L'emplacement soigneusement étudié du poteau et de la poutre à l'extérieur de la façade réduit leur exposition aux flammes sortant par les fenêtres. L'acier chauffe moins et la section conserve une plus forte proportion de sa résistance. En conséquence, la structure métallique peut souvent être conçue et calculée avec peu ou pas de protection incendie. Des méthodes plus avancées présentent encore plus de possibilités. Les observations obtenues lors d'essais au feu à grande échelle et les analyses sur des bâtiments réels ont révélé que la dalle produit une action de membrane avec des flèches importantes, permettant ainsi de maintenir l'intégrité structurelle du plancher, en dépit de la perte d'appui effective d'au moins une partie des poutres d'acier. De là sont apparues des approches de conception faisant appel Page 10
soit à des méthodes de calcul simplifiées, soit à des analyses plus complexes par éléments finis. L utilisation de ces méthodes permet de laisser sans protection un nombre important de poutres dans des bâtiments exigeant une résistance au feu d'une durée pouvant aller jusqu'à 60 minutes. Figure 3.3 Poutres en acier non protégées dans les essais de Cardington Les poutres ont atteint des températures de plus de 1 000 C, et pourtant la structure est restée stable grâce à l'action de la traction de membrane dans la dalle de plancher mixte. Un avantage supplémentaire de l'emploi de ces méthodes plus avancées est qu'elles peuvent donner une certaine indication de la manière dont réagira réellement un bâtiment en cas de catastrophe extrême. Depuis l'effondrement des deux tours du World Trade Center à New York, il s'agit bien là d'un aspect auquel les usagers de bâtiments s'intéressent de plus près. Page 11
Figure 3.4 Modèles informatisés types en trois dimensions des déformations structurales en cas d'incendie De tels modèles sont de plus en plus utilisés pour démontrer les réductions d'exigences en matière de protection incendie. 3.4 Scénarios d incendie réalistes Les charges calorifiques de beaucoup de bâtiments modernes sont relativement faibles. Cela signifie que le risque d'incendie est réduit et que les températures atteintes dans le compartiment seront plus faibles que celles implicites du feu conventionnel. Les températures rencontrées dans des «incendies réels» sont fonction des facteurs suivants : quantité et répartition du matériau combustible (charge calorifique) rapidité de combustion de ces matériaux conditions de ventilation (ouvertures) géométrie du compartiment propriétés thermiques des murs avoisinants Il est possible d'adopter différentes approches analytiques, y compris des courbes d'incendie paramétriques, de simples équations mettant en corrélation les influences citées ci-dessus à la hausse de température de l'incendie et donc de la structure. Les sprinklers constituent des systèmes de protection active pour éteindre un incendie aux premiers stades de son développement. Le fonctionnement efficace d'un système à sprinklers Page 12
devrait permettre d'empêcher les éléments structuraux en acier d'atteindre des températures auxquelles leur résistance risquerait d'être amoindrie. En cas d'utilisation de sprinklers, il existe un calcul qui permet de déterminer la réduction de la sévérité de l'incendie. Alternativement il est possible d'arguer qualitativement qu'une réduction de la période requise de la résistance au feu serait appropriée. Grâce à ces méthodes, il est possible de traiter les effets de feux réels en s'appuyant sur des scénarios de calcul crédibles «du pire des cas», tout en maintenant un niveau de sécurité global acceptable. Cela peut souvent se traduire par un net assouplissement des conditions de calcul pour l'incendie, la structure devant être conçue pour des températures bien plus basses que celles qui sont indiquées par le feu conventionnel. Dans certains cas, comme par exemple dans les grands espaces ouverts comportant des zones de faible charge calorifique telles que les parkings sans parois extérieures, les stades, les aérogares, les gares ferroviaires et les atriums élevés, cette approche produit des températures d'incendie de calcul qui sont suffisamment basses pour permettre de ne pas protéger les éléments en acier. Figure 3.5 Le bâtiment Kone de 72 m de haut, en Finlande Le bâtiment abrite plusieurs sociétés. La conception de la sécurité incendie a été effectuée à partir de charges calorifiques réalistes, afin d établir des courbes de «calcul» de feu naturel. La réponse en termes de température des éléments en acier partiellement exposés a été calculée, prouvant qu'il était possible de réduire de près de 80 % l'épaisseur de la protection incendie de la structure du plancher. Les poteaux en acier tubulaire, qui sont remplis de béton, présentent une résistance au feu de 120 minutes. Ce projet a répondu aux règlements locaux en démontrant un niveau de sécurité similaire, voire supérieur, à la conception conventionnelle. Page 13
3.5 Approche intégrée Lorsque les conditions le permettent, on en vient tout naturellement à réunir les procédures cidessus en une approche intégrée d'ingénierie de la sécurité incendie, pour dégager le maximum de bénéfice des méthodes disponibles en vue d'empêcher, de contrôler ou de limiter les conséquences d'un incendie. En termes de stabilité structurelle, l'ingénierie de la sécurité incendie est destinée à adopter une approche scientifique rationnelle, qui veille à apporter la résistance/protection incendie là où elle est nécessaire et à éviter toutes dépenses inutiles. Pour certains bâtiments de grande taille et complexes, il s'agit parfois de l'unique approche viable pour assurer un niveau satisfaisant de sécurité incendie. Il ne fait pas de doute que les mesures employées pour protéger la vie et minimiser les pertes financières permettront aussi de réduire sensiblement la menace posée à la structure du bâtiment. Jusqu'à récemment, il était difficile de profiter de ce fait en réduisant la quantité de protection incendie de la structure ; mais l'acceptation de plus en plus généralisée d'une approche intégrée vis-à-vis de la sécurité incendie rend ceci maintenant plus facile. Une approche intégrée se fait en trois temps, chacun ayant été abordé plus haut : Prévoir le taux d'échauffement : cela nécessite d'évaluer la charge calorifique (c'est-àdire la quantité et le type de matériau combustible) à l'intérieur du compartiment, la ventilation disponible et les caractéristiques thermiques des revêtements du compartiment. Prédire la température de l élément en acier : cela dépend de son emplacement, du facteur de massiveté et de la présence ou non de protection appliquée. Prédire la stabilité de la structure : la stabilité de l élément dépend non seulement de la température qu'il atteint pendant l'incendie, mais aussi de la charge appliquée et des effets de toute action mixte, de maintien et de continuité provenant du reste de la structure. Une telle approche permet non seulement d'obtenir la meilleure prédiction de la manière dont se comportera le bâtiment en cas d'incendie, mais devrait également permettre de dégager d'importantes économies en termes de coûts de la construction. 4. Récapitulatif En utilisant de l'acier structural, l'ingénieur de conception est en mesure de faire appel à toute une variété de techniques pour démontrer que l'ensemble des exigences de sécurité incendie ont été satisfaites. Lors du choix de la solution optimale, l'ingénieur de conception doit trouver le juste équilibre entre les exigences de sécurité incendie et les spécifications économiques et esthétiques du bâtiment. Il existe beaucoup d'exemples de bâtiments qui ont employé de telles approches avec d'excellents résultats. Page 14
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