0 200 400 600 800 1000 1200 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Te m pé ra tu re (° C) Temps (min)
ULC S101 (ASTM E119) ISO 834
23
L’organigramme des concepts de sécurité incendie de la NFPA (Figure 0.8) présente les éléments qui devraient être examinés pour assurer la sécurité incendie dans les bâtiments et établir les rapports entre eux. Il se divise en deux grandes branches, soit par la prévention de l’inflammation et la gestion de l’impact de l’incendie. Cette dernière branche présente la gestion de l’incendie qui se subdivise en trois branches présentant deux modes de protection, soit l’extinction de l’incendie par le mode de protection active, puis le contrôle du processus de combustion ainsi que le confinement du feu par la construction par le mode de protection passive.
Alors que la protection active est principalement dynamique et vise à secourir les victimes et à éteindre un feu aussi vite que possible après sa détection, la protection passive contre l’incendie dans les bâtiments est essentiellement préventive. Elle représente l’ensemble des mesures constructives permettant à un ouvrage ou une partie d’ouvrage de résister à un incendie pendant un temps prédé- terminé tel mentionné dans la section 1.3.4. La principale spécificité de la protection passive est que dès le début d’un incendie, elle fonctionne sans aucune intervention humaine ni aucun apport exté- rieur d’énergie.
Contrôler le processus de combustion implique de contrôler le comportement intrinsèque d’un incen- die (Figure 0.8a), c’est-à-dire par la caractérisation du taux de dégagement de chaleur et de fumée des matières combustibles ou de l’environnement. Essentiellement, il concerne les propriétés de combus- tion d’un matériau ou d’un environnement discuté dans la section 1.3. Le confinement du feu par la construction implique de contrôler la propagation d’un incendie au moyen d’éléments de construction utilisés afin de diviser un bâtiment en plusieurs compartiments résistants au feu (Figure 0.8b).
1.4.1 Confinement de l’incendie
La limitation de la combustibilité et du potentiel de propagation de la flamme des matériaux ne suf- firont pas à empêcher que le feu dépasse le stade de l’inflammation. Il faut donc avoir recours à d’autres moyens de confiner le feu, dans la mesure du possible, à l’intérieur de son lieu d’origine. La compartimentation est l’un des concepts utilisé pour contrôler les risques d’un feu en pleine évolution (CWC, 1997).
Séparation coupe-feu
Une séparation coupe-feu est une barrière avec ou sans degré de résistance au feu. Elle est conçue pour limiter la propagation d'un feu. Lorsque celles-ci confèrent une résistance au feu, elles permet- tent la subdivision des compartiments dans un bâtiment afin d'obtenir une certaine résistance au feu (Lévesque, 2017). Elle peut être illustrée comme une boîte à l’intérieur d’un bâtiment servant à
24
contenir le feu pendant un temps limité. La Figure 0.9 illustre la propagation d’un incendie dans un bâtiment avec ou sans séparation coupe-feu.
25
26
Figure 0.9 Propagation du feu dans un bâtiment a) avec séparation coupe-feu b) sans séparation coupe-feu
Coupe-feu
À même égard que les séparations coupe-feu qui permettent de contenir pendant un temps donné le feu dans une pièce, un coupe-feu est un système de protection contre l'incendie et est constitué de divers composants utilisés pour sceller les ouvertures et les joints des compartiments, mais également dans les murs ou les planchers pour résister au mouvement des flammes (American Wood Council, 2007). Les techniques de charpentes traditionnelles créent de nombreux vides de construction entre les éléments et les parois de part et d’autre des murs. Si ces vides se prolongent sur toute la hauteur du bâtiment ou se joignent à ceux du plafond, les gaz chauds et les flammes peuvent se propager loin dans ces espaces sous l’effet du mouvement d’air. C’est pourquoi le CNBC exige que des éléments massifs soient installés à intervalles réguliers dans ces vides de construction. Ces coupe-feux font partie des règles de l’art dans les constructions combustibles et incombustibles. La Figure 0.10 montre la propagation du feu dans les structures avec et sans séparations coupe-feu entre les étages.
27
Figure 0.10 De gauche à droite, propagation du feu dans une ossature de type plate-forme et à claire-voie
1.4.2 Influence des panneaux de gypse
Un moyen efficace et facile d'augmenter la résistance au feu est d'utiliser une membrane ayant une bonne performance thermique au-dessus des éléments à protéger. La résistance au feu des assem- blages à ossature de bois (murs et planchers) dépend presque entièrement des panneaux de gypse utilisés pour protéger les éléments de charpente en bois contre les effets de la chaleur. Lorsqu'il est exposé au feu, le gypse absorbe de grandes quantités de chaleur lorsque sa teneur en eau est libérée (CWC, 2002). Il existe différents types de panneaux de gypse sur le marché, mais la construction d'assemblages à ossature de bois avec degré de résistance au feu nécessite des panneaux spécialement fabriqués.
On pense généralement qu'il existe deux types de panneaux de gypse: les panneaux réguliers et les systèmes à résistance au feu (ou type X). Une caractéristique majeure des panneaux de gypse est sa capacité à résister au feu. Cela se fait par sa composition chimique. Le gypse contient de l'eau chimi- quement combinée. Lorsqu'il est exposé au feu, l'eau, en raison de la chaleur, se transforme partielle- ment en vapeur en absorbant de l’énergie, ce qui ralenti efficacement le transfert de chaleur. Les panneaux de gypse réguliers, une fois que l'eau s’est évaporée, diminue de volume, développe de grosses fissures et finit par tomber laissant les éléments structuraux exposés au feu. Le type X a un noyau de gypse renforcé de fibres de verre. Les fibres réduisent l'étendue et la gravité des fissures dans le carton lorsqu'elles sont exposées à la flamme et à la chaleur, augmentant ainsi le temps d'exé- cution sans défaillance. Il existe un troisième type de panneaux de gypse : le type C. Sa composition est similaire à celle du Type X, sauf qu'il a plus de fibres de verre et qu'il contient un autre ingrédient dans le noyau de gypse. Cet ingrédient est un additif compensateur de retrait. Lorsqu'il est exposé à
28
une chaleur élevée, le noyau de gypse rétrécit, mais l'élément compensateur de retrait se dilate à peu près au même rythme que le rétrécissement du gypse s’appauvri en eau. Le noyau de gypse est alors plus stable dans un incendie et reste en place même après que l'eau combinée du gypse a été évacuée (Construction Dimensions, 1983).
Les panneaux de gypse de type X ou C peuvent fournir une résistance au feu de 1 à 2 h, selon la configuration de l’assemblage (Forest Products Laboratory, 2010). Dans certains assemblages, une deuxième couche de panneau de gypse peut augmenter la résistance au feu par 78% pour une structure avec des solives en bois massif et de 71% pour une structure avec des poutrelles en I comparativement à un seul panneau de gypse (Sultan, 1998).
Réaction de déshydratation et propriété thermique
Les panneaux de gypses sont constitués de sulfate de calcium et d’eau libre à équivalence de 3% et d’eau chimiquement lié à environ 20% (T. Gerlich, C. R. Collier and H. Buchanan, 1996). L’eau présente dans les panneaux de gypse contribue significativement à sa bonne performance au feu. Lorsqu’exposée, la température à la surface du panneau augmente rapidement jusqu’à atteindre 100 ℃ puis plafonne puisque l’énergie est absorbée pour évaporer l’eau interne (équations 11 et 12). Ce phénomène est observé sur différents panneaux de gypse lors de tests sous une courbe temps-température effectuée par Sivakumar et Mahen (2015). Cette caractéristique des panneaux de gypse contribue énormément à la résistance au feu des structures. CaSOJ∙ 2HMO → CaSOJ∙OMHMO +MQHMO (11) CaSOJ∙OMHMO → CaSOJ+OMHMO (12)
Le carbonate de calcium dans les panneaux de gypse se décompose à une température de 670 °C tel qu’indiqué à l’équation 13 (Ghazi Wakili et al., 2007). Les équations 11 à 13 requièrent une quantité considérable d’énergie pour réagir. La température à laquelle ces réactions chimiques se produisent et l’énergie absorbée dans ces réactions sont des informations essentielles pour comprendre le com- portement des panneaux de gypse à température élevée, tant au niveau la protection que ceux-ci pro- curent qu’à des fins de modélisation numérique.
CaCOQ→ CaO + COM (13)
L'énergie consommée par ces réactions est incorporée dans les valeurs de chaleur spécifique des pan- neaux de gypse.
29
Durant un incendie, la chaleur développée sera transférée aux panneaux de gypse par convection et rayonnement, puis par conduction au travers du matériau suivi d’un transfert de chaleur dans la cavité par le processus de convection et de rayonnement, si vide, ou par conduction dans le matériau isolant. La Figure 0.11 présente la chaleur spécifique à température élevée de panneaux de gypse proposé par Sultan, 1996; Feng, Wang and Davies, 2003; Bénichou and Sultan, 2005; Geoff, 2010; Keerthan and Mahendran, 2014. Les pointes dans cette figure représentent la déshydratation et la réaction de dé- composition. La Figure 0.12 présente la densité relative des panneaux de gypse en fonction de sa température (Sultan, 1996; Bénichou and Sultan, 2005; Geoff, 2010; Keerthan and Mahendran, 2014). La perte de masse des panneaux de gypse à haute température est significative qu’aux alentours de 100 ℃, puisqu’elle est essentiellement due à l’évaporation de l’eau. La Figure 0.13 présente les va- leurs de conductivité thermique modifiée ou apparente proposées par les chercheurs précédents (Sultan, 1996; Feng, Wang and Davies, 2003; Bénichou and Sultan, 2005; Geoff, 2010; Keerthan and Mahendran, 2014). Les effets des fissures de retrait et de la chute partielle des panneaux de gypse ont été implicitement pris en compte dans ces valeurs de conductivité thermique apparente à des tempé- ratures élevées. En outre, de nombreuses autres études fiables (Kontogeorgos, Mandilaras and Founti, 2011, 2015; Hopkin et al., 2012; Kontogeorgos and Founti, 2012; Semitelos et al., 2016) ont égale- ment étudié de manière approfondie les propriétés thermiques à haute température des panneaux de gypse. Dans l'ensemble, les propriétés thermiques à haute température, en particulier les valeurs de chaleur spécifique et de conductivité thermique, varient entre les panneaux de gypse principalement en raison de la différence de composition chimique et de fabrication. Cependant, toutes valeurs doi- vent être utilisées avec prudence puisque les propriétés peuvent varier entre les types de panneaux de gypses et leurs fabricants. Il est également de la plus haute importance de déterminer les propriétés thermiques à température élevée si de nouveaux panneaux de gypse résistants au feu sont fabriqués en utilisant une composition chimique et des processus de fabrication différents.
30
Figure 0.11 Chaleur spécifique des panneaux de gypse à haute température
Figure 0.12 Densité relative de panneaux de gypse à haute température
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 0 200 400 600 800 1000 1200 Cha le ur s pé ci fique [J /( kg ·K )] Temperature [°C] Sultan Thomas
Keerthan and Mahendran Feng et al.
Values obtained in NRC report IR-710
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 De ns ité re la tiv e Température [°C] Sultan Thomas
31
Figure 0.13 Conductivité thermique de panneaux de gypse à haute température
1.4.3 Méthode d’assemblage
Sans pour autant ajouter des éléments ou matériaux afin d’augmenter la résistance au feu d’un élément de construction, la méthode utilisée pour l’assembler peut avoir une influence considérable sur sa résistance face à un incendie.
Barres résilientes
Tel que mentionné plus tôt, les panneaux de gypse sont une excellente façon d’augmenter la résistance initiale d’un élément. Par contre, le gradient de température, leur déshydratation ainsi que la défor- mation de la structure crée des contraintes internes qui les font fissurer puis potentiellement tomber, laissant exposer les éléments structuraux au feu. En utilisant des barres résilientes, les panneaux de gypse restent attachés plus longtemps et ceci serait attribué à leur contribution en absorbant une partie des déformations pour ainsi réduire les contraintes appliquées sur les panneaux de gypse (Sultan, 2015).
De plus, l'effet de l'espacement des barres résilientes sur la résistance au feu des structures en bois est important. Plusieurs recherches effectuées sur le sujet ont démontré qu'augmenter l'espacement des barres résilientes au-delà de 406 mm a un effet négatif important sur le temps de chute du panneau de gypse (Elewini, Sultan and Hadjisophocleous, 2007; Sultan, 2015). Cela pourrait être attribué à l'utilisation de moins de vis pour supporter le panneau de gypse dans le cas d'un plus grand espace- ment des barres résilientes. Cet effet est d’autant plus important pour les planchers et les toits où les panneaux de gypse sont plus sollicités à cause de la force gravitationnelle.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 200 400 600 800 1000 1200 Conduc tiv ité the rm ique [W /( m ·K ] Température [°C] Sultan Thomas
32
Espacement des solives
Il a été démontré par des essais que l’espacement entre les éléments structuraux influençait la résis- tance au feu. Sultan (1998) a effectué des recherches sur divers facteurs influents sur la résistance au feu des planchers dans les habitations multifamiliales. Ses essais ont démontré qu’élargir l'espace- ment des solives de 400 mm à 600 mm d’un plancher avec une finition de plafond en panneaux de gypse augmentait la résistance au feu de 16 %. L'espacement plus large entre les solives fournirait une meilleure résistance au feu en raison de l'augmentation du refroidissement par convection à l'inté- rieur de la cavité de plancher plus grande. Ceci réduirait légèrement l'accumulation de chaleur dans les panneaux de gypse et dans le matériau isolant par rapport aux assemblages avec une plus petite cavité.
33