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Protection des fenêtres contre le feu à l’aide de gicleurs
Kim, A. K.; Lougheed, G. D.
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Les propriétaires et les concepteurs de bâtiments sont loin d’avoir toute la
latitude voulue pour utiliser les vitrages dans les séparations coupe-feu.
Cet article expose les résultats de travaux de recherche accomplis par l’IRC
concernant l’utilisation de systèmes de gicleurs spécialisés pour protéger les
vitrages lors des incendies, et il présente des lignes directrices qui assureront
une protection efficace dans différentes situations.
S o l u t i o n c o n s t r u c t i v e n o 1 2
L’u tilisation d es vitrages d an s les sép aration s cou p e-feu et d an s l’en velop p e d u bâtim en t con n aît u n e faveu r d e p lu s en p lu s gran d e p ou r d es raison s d ’esth étiqu e, d e sécu rité et d ’écon om ie. Le verre ord in aire n e p eu t être em p loyé à cette fin p arce qu ’il volerait en éclats ap rès seu lem en t qu elqu es m in u tes d’exposition au feu, sous l’effet des contraintes th erm iqu es. C’est p ou rqu oi, au ch ap itre d es éléments classés au feu, les codes modèles du bâtim en t n ord -am éricain s fixen t à 1 400 m m la d im en sion m axim ale d u vitrage vertical en verre armé maintenu par un cadre métallique. Cela con stitu e u n e restriction sérieu se p ou r les arch itectes et les in gén ieu rs.
Pou r affran ch ir les con cep teu rs d e cette con train te san s com p rom ettre la sécu rité in cen d ie, d es ch erch eu rs d e l’In stitu t d e rech erch e en con stru ction (IRC) d u CNRC on t m is au p oin t u n e m éth od e d e p rotection p ar systèm e sp écialisé d e gicleu rs au tom a-tiqu es qu i p rojette u n film d ’eau su r le vitrage [1]. Ils on t m on tré qu e le verre trem p é ou sem i-trem p é (qu i n ’assu re, p ar lu i-m êm e, qu ’u n e p rotection p assive m in im ale con tre l’in cen d ie) p rotégé p ar u n tel systèm e d e gicleu rs p eu t rester in tact p en d an t p lu s d ’u n e h eu re. Su r la base d e ces étu d es, certain es au torités en m atière d e cod es on t accep té l’u tilisation d u systèm e d e p rotection p ar gicleu rs d an s les sép aration s cou p e-feu , d an s les bâtim en ts, p ou r d es ap p lication s p articu lières.
Choc t he rm ique
Des essais réalisés avec u n p an n eau rad ian t à échelle réduite ont montré que l’application d ’eau froid e su r u n vitrage ch au d p eu t cau ser le bris prématuré du verre [2]. Sans protection par l’eau, les vitrages trempés et semi-trempés p eu ven t su p p orter u n e tem p ératu re d e p lu s d e 350 °C su r le côté exp osé. Tou tefois, lorsqu ’on a vap orisé d e l’eau su r le vitrage ch au d , celu i-ci s’est brisé à d es tem p ératu res beau cou p p lu s basses. Les tem p ératu res critiqu es p ou r les vitrages sem i-trem p és et trem p és son t resp ectivem en t d e 150–165 et 200 °C [2]. La tem p ératu re critiqu e, d an s le cas d u verre ord in aire (80–90 °C), est trop basse p ou r p erm ettre u n e p rotection efficace au m oyen d ’u n systèm e d e gicleu rs. Les rech erch es d e l’IRC on t m on tré qu e p ou r
Protection des fenêtres contre
le feu à l’aide de gicleurs
Figure 1.Section du local d’essais
a
a
aaa
a a a aaa
aaaaaaa
aaa
aa
aaa
a
Déflecteur Gravier Feu Vitrage Entrée de la cheminée d’aération Gaz Air
Ouest Brûleur au propane linéaire Est Thermocouples
de contrôle
2
assu rer u n e p rotection efficace, le gicleu r d oit se d éclen ch er avan t qu e la tem p ératu re d u vitrage n e d ép asse son n iveau critiqu e. L’a spe c t c onc e pt ion
Voici u n certain n om bre d e règles visan t la con cep tion d ’u n systèm e sp écialisé d e p ro-tection p ar gicleu rs p ou r d es fen êtres p lein e h au teu r (d u p lan ch er au p lafon d ). Elles con -cern en t la largeu r d e la fen être, l’ép aisseu r d es m en eau x et les systèm es m u ltigicleu rs.
On a u tilisé u n gicleu r à rép on se rap id e lors d e tou s les essais [1,2,4]. Un gicleu r a été in stallé h orizon talem en t au m ilieu et en haut du vitrage. L’axe du déflecteur de gicleur était à 50 m m sou s la p artie su p érieu re d u cad re d e fen être et le d éflecteu r était à
13 m m d u verre (voir figu re 2). Le gicleu r a été d éclen ch é p ar le feu et la p ression d ’eau au gicleu r a été m ain ten u e à 145 kPa.
Largeur de la fenêtre
On a réalisé d es essais afin d e d éterm in er la largeu r m axim ale d e vitrage qu i p eu t être protégée à l’aide d’un seul gicleur. Dans le cas d e vitrages d e 3 000 m m d e largeu r, le jet p roven an t d ’u n gicleu r u n iqu e cou vrait bien tou te la su rface d u vitrage et d u cad re, le p rem ier étan t bien p rotégé p ar u n film d ’eau (voir figu re 3). Les tem p ératu res d u vitrage atteign aien t u n état stable en m oin s d e 10 m in u tes et la fen être con servait son in tégrité pendant toute la durée de l’essai, soit 2 heures.
Épaisseur du meneau
On a effectu é d es essais avec d es m en eau x d e 10 m m et d e 25 m m d ’ép aisseu r. Les résu ltats on t in d iqu é qu e les m en eau x ayan t u n e ép aisseu r d e 25 m m ou p lu s faisaien t obstacle au jet d ’eau d irigé vers le vitrage, d e p art et d ’au tre d es m en eau x. On en a con clu qu ’u n gicleu r u n iqu e n e p eu t assu rer ad équ atem en t la p rotection d ’u n tel vitrage. Par con séqu en t, d an s le cas d e fen êtres p ou rvu es d e m en eau x d e p lu s d e 25 m m d ’ép aisseu r, on d oit en visager d es systèm es d e p rotection m u ltigicleu rs. [4]
Systèmes multigicleurs
Lorsqu ’on u tilise u n systèm e m u ltigicleu rs p ou r p rotéger u n e fen être large ou d otée d e m en eau x ép ais, il est p ossible qu e le jet d ’eau p roven an t d u p rem ier gicleu r d éclen ch é retard e le d éclen ch em en t d ’u n I nst a lla t ion d’e ssa is du CN RC
Les essais d e résistan ce au feu en vraie gran d eu r su r d es fen êtres p rotégées p ar gicleu rs on t été réalisés d an s u n local ayan t u n e su rface u tilisable d e 3 600 su r 3 300 m m et u n e h au teu r d e p lafon d d e 3 300 m m [2]. La figu re 1 fait voir u n sch ém a d e l’in stallation d ’essais.
L’exp osition au feu était assu rée p ar u n brû leu r au p rop an e lin éaire p lacé p rès d u p lan ch er ad jacen t au m u r ou est d u local d ’essais. L’air d e com bu stion était fou rn i p ar u n e con d u ite d ’acier p erforée situ ée en d essou s d u brû leu r. Les p rod u its d e la com bu stion et la vap eu r étaien t évacu és d e la salle p ar ven tilation n atu relle au m oyen d e d eu x con d u its ayan t u n e section d e 600 su r 450 m m .
Ex posit ion a u fe u
On a établi l’exp osition au feu au m oyen d ’u n essai p rélim in aire san s gicleu rs actifs afin d e d éterm in er le d ébit d e p rop an e n écessaire p ou r m ain ten ir la tem p ératu re m oyen n e régn an t d an s le com p artim en t ferm é au ssi p rès qu e p ossible d e la cou rbe typ e tem p s-tem p ératu re u tilisée p ou r d éterm in er la résistan ce au feu d es en sem bles d e bâtim en t [3].
Le d ébit d e p rop an e d éterm in é lors d e l’essai d ’étalon n age a en su ite été u tilisé p ou r les essais avec p rotection p ar gicleu rs. Les seu ls gicleu rs qu i fon ction n aien t lors d es essais étaien t ceu x u tilisés p ou r p rotéger la fen être. Ce systèm e est d estin é à être u tilisé dans des bâtiments dotés d’une installation généralisée de gicleurs, mais on suppose que le système de protection des fenêtres en serait u n sp écialisé et d istin ct d e l’in stallation gén éralisée.
Figure 3.Emplacement du gicleur unique servant à protéger une fenêtre pleine hauteur (élévation)
max. 3 000 1 500 3 300 Gicleur unique 50
Figure 2.Emplacement du gicleur par rapport à la fenêtre pleine hauteur (section)
13 mm
50 mm
Afin d ’assu rer u n e p rotection ad équ ate, le gicleu r à rép on se rap id e d oit avoir u n e cote d e tem p ératu re d e 74 °C et u n in d ice d e tem p s d e rép on se (ITR) d e 22,7 m1/ 2s1/ 2ou m oin s.
protéger les vitrages présente un intérêt esthé-tique p ou r les con cep teu rs. Un e étu d e visan t à d éterm in er l’efficacité d ’u n tel systèm e a fait ressortir d eu x su jets d e p réoccu p ation : le tem p s d e d éclen ch em en t d es gicleu rs et la form e d u jet d ’eau su r la su rface d u vitrage.
Temps de déclenchement des gicleurs. Les
gicleu rs m on tés au p lafon d , ord in aires ou à rép on se rap id e, n e se d éclen ch aien t p as à tem p s p ou r p rotéger u n vitrage trem p é p lein e h au teu r con tre u n p etit feu brû lan t su r le p lan ch er, à p roxim ité [4]. Ceci lim ite l’u tilisation d e gicleu rs m on tés au p lafon d p ou r la p rotection d es vitrages. Ces gicleu rs p eu ven t tou tefois être em p loyés d an s les cas où la base d u vitrage se trou ve à au m oin s 1 000 m m au -d essu s d u p lan ch er. En effet, les ch an ces qu ’u n feu localisé tou ch e d irectem en t le vitrage son t alors faibles.
Forme du jet d’eau. Une série d’essais
por-tan t su r la form e d u jet d ’eau a m on tré qu e la p robabilité d e bris d u verre sou s l’effet d ’u n e exp osition au feu croît gén éralem en t avec l’au gm en tation d e l’ép aisseu r d e l’ap p u i d e fen être, d e la h au teu r d u gicleu r au -d essu s d u h au t d u vitrage et d e la d istan ce d u gicleu r à la fen être [2]. Ces con clu sion s son t fon d ées su r les d im en sion s d e la p artie sèch e observée su r le vitrage, p ou r ch aqu e con fi-gu ration . Plu s la p artie sèch e est gran d e, p lu s la p robabilité d e bris d u verre sou s l’effet d ’u n e con train te th erm iqu e est forte. Ces étu d es on t p erm is d ’établir les valeu rs m axim ales su ivan tes p ou r ch aqu e
p aram ètre (voir figu re 5) :
• ép aisseu r d ’ap p u i d e fen être : 150 m m , • h au teu r d u gicleu r au -d essu s d e la
fen être : 450 m m ,
• d istan ce en tre le gicleu r et la fen être : 600 m m . [4]
Aux fins de la conception, les trois paramètres son t in terreliés. Le con cep teu r d evrait ch oisir d es d istan ces qu i p erm ettron t au jet d ’eau d e cou vrir tou te la su rface d u vitrage.
Les essais d e ten u e au feu u tilisan t u n gicleu r m on té au p lafon d avec u n systèm e d e vitrage en verre trem p é d e 1 800 m m d e largeu r, d an s le resp ect d e ces d istan ces m axim ales, on t m on tré qu e le jet d ’eau était su ffisan t p ou r assu rer u n e p rotection d e 1 h eu re con tre le feu .
Si on p lace u n gicleu r à rép on se rap id e m on té au p lafon d à u n en d roit id éal (à 300 m m d e la su rface d u vitrage et à 300 m m au -d essu s d u h au t d ’u n e fen être d on t l’ap p u i a 50 m m ou m oin s d ’ép aisseu r), le jet d ’eau assu re, p en d an t au m oin s 1 h eu re, u n e p ro-tection suffisante à un vitrage en verre trempé ayan t u n e largeu r m axim ale d e 2 600 m m (voir figu re 6) [2]. Dan s le cas d ’u n e fen être gicleu r ad jacen t. On a réalisé d es essais
p ou r étu d ier cette qu estion .
Dan s le cas d e fen êtres très larges san s m en eau x, les tem p s d e d éclen ch em en t d es gicleu rs, situ és à 2 000 m m d ’u n gicleu r fon ction n an t sou s u n e p ression d e 145 kPa, se situ aien t d an s la p lage 5–7 m in u tes. Tou tefois, la tem p ératu re critiqu e d u vitrage n ’était p as attein te avan t 10 à 11 m in u tes. Le secon d gicleu r d evrait d on c n orm alem en t se d éclen ch er avan t qu e les con d ition s cri-tiqu es n e soien t attein tes. Par con séqu en t, u n e fen être large ou san s m en eau x p eu t être p rotégée p ar u n systèm e à d eu x gicleu rs (san s qu e l’on ait à s’in qu iéter d u retard d e
d éclen ch em en t d u secon d gicleu r) lorsqu e ceu x-ci son t d istan cés d ’au m oin s 2 000 m m (voir figu re 4). [4]
Lorsqu ’il y a u n m en eau cen tral (d ’au m oin s 50 m m d ’ép aisseu r) en tre les gicleu rs, l’influence du jet d’eau provenant d ’u n gicleu r ad jacen t est n égli-geable; d an s ce cas, le secon d gicleu r s’est d éclen ch é en m oin s de 40 secondes, lors des essais. [2]
Le tem p s d e d éclen ch em en t d u secon d gicleu r d ép en d d e son orien tation et d e son em p lacem en t. Si on m od ifie la géom étrie d es gicleu rs, il fau t évalu er l’en sem ble d e l’in stalla-tion d e p rotecstalla-tion p ou r d éter-m in er l’efficacité d u systèéter-m e sp écialisé d e gicleu rs. Gic le urs m ont é s a u pla fond
L’u tilisation d e gicleu rs m on tés au p lafon d (typ e p en d an t) p ou r
3
Figure 4.Emplacement des gicleurs dans un système destiné à protéger les fenêtres larges
plus de 3 000
au moins 2 000 max. 1 500
Gicleurs
Figure 5.Distances limitatives dans le cas des gicleurs montés au plafond (section)
max. 450
1 000
max. 600
p lu s la rge, on d evrait u tiliser u n systèm e m u ltigicleu rs. Le reta rd d e d éclen ch em en t d ’u n gicleu r en raison d u fon ction n em en t d ’u n gicleu r ad jacen t n e p ose p as d e p roblèm e si les gicleu rs son t esp acés d ’au m oin s 1 800 m m .
Ré sum é
Les étu d es d e l’IRC on t m on tré qu ’u n vitrage d e ve rre t rem p é ou sem i-t rem p é p ou vait êt re p rotégé p en d an t p lu s d ’u n e h eu re grâce à u n systèm e sp écialisé d e gicleu rs. Il existe tou tefois ce rtain es restriction s tou ch an t la la rgeu r d u vitrage, l’ép aisseu r d u m en eau , l’u tilisation d ’u n seu l gicleu r ou d e p lu sieu rs, et l’em p loi d e gicleu rs m on tés au p lafon d . Il fau t en ten ir com p te si l’on veu t qu e l’in stallation d e gicleu rs p rotège bien les fen êt res. Voici les règles à su iv re : • Un gicleu r sp écialisé à rép on se rap id e
p eu t se rvir à p rotéger u n e fen êt re p lein e h au teu r tan t con t re u n g ros in cen d ie d e com p a rtim en t qu e con t re u n p etit feu brûlant sur le planche r, tout près du vitrage. Le gicleu r d evrait êt re m on té p rès d u vitrage, au m ilieu et en h au t d e la fen êt e.r • On n e d evrait p as u tiliser u n seu l gicleu r
p ou r p rotéger u n vitrage d e p lu s d e 3 000 m m d e la rgeu r.
• Il n e fau t p as em p loyer u n gicleu r u n iqu e p ou r p rotéger u n e fen êt re ayan t d es m en eau x d ’u n e ép aisseu r d e 25 m m ou p lu s.
• On p eu t u tiliser u n systèm e m u ltigicleu rs p ou r p rotéger u n vitrage ayan t p lu s d e 3 000 mm de la rgeur pou rvu que les gicleurs soien t d istan ts d ’au m oin s 2 000 m m .
• Si la fen êt re com p o rte u n m en eau cen tral d ’au m oin s 50 m m d ’ép aisseu r se
trou van t en t re les gicleu rs, il n ’est p as n écessai re qu e l’esp acem en t en t re ceu x-ci soit lim ité.
• On p eu t u tiliser u n gicleu r m on té au p lafon d p ou r p rotéger u n e fen êt re d on t la base est à au m oin s 1 000 m m au -d essu s d u p lan ch e r.
• Dan s le cas d ’u n gicleu r m on té au p l a -fon d , les valeu rs m axim ales d e ce rtain s p aram èt res on t été établies com m e su i t: ép aisseu r d ’ap p u i: 150 m m ; h au teu r d u gicleu r au -d essu s d e la fen êt re : 450 m m ; d istan ce en t re le gicleu r et la fen êt re : 600 m m . Ces t rois p aram èt res étan t in te rreliés, le con cep teu r d oit ch oisir d es d istan ces qu i p e rm ett ron t au jet d ’eau d e cou vrir tou te la su rface d u vitrage. • Un gicleu r à rép on se rap id e m on té au
p lafon d , à l’em p lacem en t id éal (300 m m au -d essu s d e la fen êt re et à 300 m m d ’u n e fen êt re d on t l’ap p u i a u n e ép ai s-seu r d e 50 m m ou m oin s), p e rm et d e p ro-téger u n vitrage d ’u n e la rgeu r m axim ale d e 2 600 m m p en d an t 1 h eu re.
• Les gicleu rs m u ltip les m on tés au p lafon d devraient êt re espacés d’au moins 1 800 mm. Ré fé re nc e s bibliogra phique s 1. Rich a rd son , J.K., et Oleszkiew icz, I. Fi re
Tests on Win d ow Assem blies P rotected by Au tom atic Sp rin klers, Fi re Tech n olog y, vol. 23, no2, m a i 1987, p . 115-132. 2. Kim, A.K., et Lougheed, G.D. The P rotection
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A .K. Kim, Ph .D, et G.D. Loughe e d , Ph .D, son t agen ts d e rech erch e su p érieu rs au sein d u Program m e gestion d es risqu es d ’in cen d ie, à l’In stitu t d e rech erch e en con stru ction d u Con seil n ation al d e rech erch es.
Figure 6.Emplacement (idéal) du gicleur monté au plafond par rapport à la fenêtre (élévation)
2 600
1 000
300
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