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Flux net sur paroie froide (kW/m²)

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Academic year: 2022

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Texte intégral

(1)

Contexte et Application

Daniel JOYEUX

Efectis France

(2)

Etude de comportement au feu : ERP

(3)
(4)

Etude de comportement au feu : Parc de stationnement

(5)
(6)

Maison des sciences de l’homme :

stabilité au feu des structures métalliques situées à l’extérieur de l’ouvrage

Ingénierie de la Sécurité Incendie

Résistance au feu

(7)

Exemple : Maison des Sciences de L’homme

Objet : Mise en sécurité de l’établissement – Demande de PC

Demande de la commission de sécurité :

« Conférer une stabilité au feu de 1 heure aux structures porteuses du bâtiment. A cet effet, procéder au

préalable à une étude visant à définir

l'actuelle stabilité au feu des structures porteuses rejetées à l'extérieur du

bâtiment et faire parvenir cette étude à

la Préfecture de Police, direction de la

protection du public »

(8)

Chronologie

Analyse du dossier : 1

semaine

Définition des objectifs :

Définition des critères : 1 semaine Définition des scénarios :

● Validation en commission Etude :

Cahier des charges : 5

semaines

Présentation de l’étude :

Maison des sciences de l’homme

(9)

Etude d’ingénierie incendie selon l’arrêté du 22 mars 2004

Contexte

• ERP – 2 tours (R+9 et R+5)

• Locaux de type bibliothèque – bureaux – classes de cours

• Bâtiment datant des années 60

• Projet de mise en conformité des bâtiments

Exigence règlementaire : stabilité au feu 1 heure pour l’ensemble de la structure porteuse des

bâtiments

Etude particulière pour les éléments dits

« extérieurs », situés au-delà des façades

(10)

Méthodologie

• Phase 1 : Vérification de la stabilité au feu des éléments en considérant qu’ils ne sont pas protégés (méthode de calcul de l’échauffement des structures extérieures –

Eurocode)

• Phase 2 : Pour les éléments à protéger, détermination du niveau de protection nécessaire pour assurer leur stabilité au feu sous incendie réel

• Phase 3 : Avis sur étude (réalisé par le CSTB)

Maison des sciences de l’homme

(11)

Objectifs

• Phase 1 : Stabilité au feu en condition stationnaire (durée de stabilité au feu infinie avec temps d’application de

l’action thermique infinie)

• Phase 2 : Stabilité au feu pendant toute la durée du feu (durée de stabilité au feu infinie avec temps d’application de

l’action thermique défini par le scénario)

(12)

Critères

• Phase 1 : Température d’échauffement <

température critique des éléments

• Phase 2 : Température maximale

d’échauffement < température critique des éléments

Maison des sciences de l’homme

(13)

Méthodologie pour la phase 2

• Définition des scénarios d’incendie réel

• Validation des scénarios par les autorités

• Calcul des sollicitations thermiques sous feu réel (modèle de champ FDS)

• Calcul de l’échauffement des éléments protégés par peinture intumescente (logiciel FEM Ansys)

• Calcul thermo-mécaniques (modèles de calculs simplifiés et avancés avec le logiciel FEM Lenas)

• Vérification de la stabilité au feu des éléments protégés

(14)

Scénarios d’incendie

compartiment bibliothèque (étage 1)

éléments de compartimentage

Scénario

1

éléments de

compartimentage

Scénario

2

compartiment bâtiment principal

(étages 2 à 9)

élément de compartimentage

Scénario 3

Maison des sciences de l’homme

(15)

Développement du feu

Scénario 1

z

x y z

x y

Iso surface 900°C t=40 minutes

x z

y x

z

y Champs de t°C

t=40 minutes 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Temps (min)

Flux net sur paroie froide (kW/m²)

Flux1 Flux 2 Flux 3 Flux 4 Flux 5 Flux 6

(16)

Echauffement des éléments protégés

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

temps (min)

température (°C)

Moyenne - 0,5 mm Moyenne - 0,6 mm Moyenne - 0,7 mm Moyenne - 0,8 mm Moyenne - 0,9 mm Moyenne - 1 mm Moyenne - 1,1 mm Moyenne - 1,2 mm Moyenne - 1,3 mm Moyenne - 1,5 mm Moyenne - 1,7 mm Moyenne - 2 mm Moyenne - 2.5 mm Moyenne - 3 mm Moyenne - 3.5 mm

Maison des sciences de l’homme Maison des sciences de l’homme

(17)

Calculs mécaniques

Déformée de la structure à la ruine du poteau

θcritique = 660 °C

(18)

Cahier des charges

Hypothèse de base : feu généralisé Ventilation : analyse paramétrique Seul paramètre : charge incendie (effet sur la durée)

Utilisation de fort potentiel pour ne pas limiter l’exploitation

Maison des sciences de l’homme

(19)

Définition d’une "cartographie" des zones de protection (épaisseur de protection

fonction de la position des éléments) Mise en évidence des niveaux de

protection :

une zone à ne pas protéger (derniers niveaux peu chargés)

Une zone avec protection voisine de celle de l’exigence réglementaire

Une zone avec une protection renforcée (niveau bas très chargé ou potentiel très important)

Conclusion de l’étude

(20)

Impact économique et de sécurité de l’approche d’ingénierie incendie pour le Maître d’Ouvrage

Protection adaptée

Coût réduit

Coût de la Protection calculée = 60 - 70 % protection calculée si SF 1h ISO

(enveloppe initiale de 700 000 € de protection)

• Avis sur étude favorable du CSTB

Maison des sciences de l’homme

Conclusion de l’étude

(21)

• Validation du logiciel FDS pour les éléments extérieurs

• Comportement de la peinture intumescente sous feux réels

• Validation de certaines hypothèses de calcul pour les modèles simplifiés

Remarques du CSTB dans le

cadre de l’avis sur étude

(22)

Validation FDS

Version FDS adaptée et validée par le CTICM sur de nombreux cas

Validation en particulier lors d’une recherche européenne sur les

simulations de flammes extérieures

● Benchmark des outils

● Comparaison avec résultats expérimentaux

Développement

(23)
(24)

Comportement au feu de peintures intumescentes sous flammes

extérieures

Classement feu conventionnel Essai de vieillissement accéléré

Etude expérimentale sous flammes extérieures :

● Essai Pompidou

● Essai Chatenay Malabry

Essai recherche structures

Développement

(25)

Comparaison Essai / calcul

Tim e [m in ]

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

T C 6 6 T C 6 7 T C 6 8 T C 6 9 T C 7 0

T m in calc u lated T m ax calcu lated

(26)

Développement

(27)
(28)

Développement

(29)

Validation de certaines hypothèses de calcul

Température critique :

● Utilisation de méthodes simplifiées de l’Eurocode 3 partie 1.2

● Confrontation avec un calcul en

éléments finis

(30)

Conclusion globale

Très peu d’applications de l’ingénierie du

comportement au feu des structures dans les ERP par an (3 cas/ an)

Fonctionnement cadré mais lourd

Pourquoi se limiter aux laboratoires ?

● Souvent accompagnée d’une étude

expérimentale (existante ou à réaliser)

● Forte connaissance des matériaux

● Analyse pluridisciplinaire

● Large expérience

Conclusion

(31)

Zénith de Clermont Ferrand :

Étude du comportement sous incendie réel de la charpente métallique vis a vis de la cloison périphérique

Résistance au feu

(32)

Ingénierie de la Sécurité Incendie

Résistance au feu

(33)

Cloison MEGASTIL Membrure inférieure

Charpente métallique :

Membrure inférieure 2 x HEA 180

Membrure supérieure 2 x HEA 300

Diagonales entre membrures Tubes (section 33 cm²)

Diagonales basses

Tubes (section 12 cm²)

Poteaux métalliques

(34)

Problème du déplacement

de la cloison en cas d’incendie

Degré CF de la cloison en partie haute de la salle exigée : 1 h Avis de chantier favorable à condition que les déplacements de la

structure traversant la cloison ne portent pas préjudice à la cloison

Étude du CTICM pour déterminer les déplacements de la structure au

voisinage de la cloison en cas d’incendie et définir s’ils sont acceptables ou non, voire adapter le système constructif

Critères d’endommagement de la cloison :

Déplacements radiaux et verticaux définis en fonction du critère

d’utilisation du bâtiment (prenant en compte les charges mécaniques ou

(35)

v

r

A ppui

C loisons

S tructure m étalliqu e

C loisons après déform ation

S tructure m étallique après déform atio n M ur en parp ain gs

Déplacement radial admissible : 24 mm Déplacement vertical admissible : 26 mm

(36)

Contexte de l’étude et description du bâtiment

CTA Sud CTA Nord

Salle de spectacle

Salle de spectacle :

Charpente métallique non protégée

Potentiel calorifique important

Locaux CTA :

Charpente métallique protégée par flocage Potentiel calorifique

(37)

Scénario 1 : feu dans le local CTA Sud

Scénario 2 : feu dans le local CTA Sud – limitation des amenées d’air

Scénario 3 : feu de sièges – partie basse Scénario 4 : feu de sièges – partie haute Scénario 5 : feu de scène

(38)

Détermination des sollicitations thermiques vers les éléments de structure

CTA : Modèle de zones (OZONE)

Salle de spectacle : Modèle de champs (FDS)

Transferts thermiques vers les éléments de structure

CTA : Modèle Éléments Finis (ANSYS) Outils

(39)

Géométrie simple

Désenfumage naturel

Potentiel calorifique:14 000 MJ Outil utilisé : modèle de zone

(OZONE ) Débit calorifique maximal :

Scénario 1 : 7.4 MW Scénario 2 : 4 MW Détermination de la

Température en partie haute du local

Grille de désenfumage naturel

Ouvrant en partie basse

(40)

CTA Sud : Sollicitations thermiques

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

temps (min)

puissance (MW)

CTA Sud (7.4 MW) CTA Sud (4 MW)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

température (°C)

CTA Sud (7.4 MW) CTA Sud (4 MW)

(41)

Modélisation des éléments et de la

protection avec ANSYS

(42)

CTA Sud : Températures moyenne des éléments de la structure métallique

Températures des éléments - CTA sud - scénario 1

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

0 25 50 75 100 125 150

temps (min)

températures (°C)

T101x4 T219x5 T219x8 T323x12 T244x8 T244x10 T244x12 HEA200 2HEM300 2HEA200 2HEA300 2HEA180

(43)

Surface de feu (20m x 20

m) Départ du feu

Géométrie complexe

Désenfumage mécanique

Débit calorifique maximal :

Scénario 3 : 30 MW (Feu de sièges démarrant au milieu des gradins)

Scénario 4 : 25 MW (Feu de sièges démarrant en haut des gradins)

(44)

Salle de spectacle : Désenfumage de la salle

Désenfumage mécanique

Extraction en partie haute (225 000 m3/h)

Soufflage en partie basse (155 000 m3/h)

Portes ouvertes pendant l’évacuation du public

(45)

Hauteur : 21 m

Surface : 5660 m²

Prise en compte de la

structure par modélisation des éléments principaux

gradins

désenfumage

soufflage

ouvertures charpente

métallique

zones de feu

(46)

Comportement thermomécanique de la structure

(47)

structure coupant la cloison

(48)

Exemple de résultats : Repérage pour les déplacements radiaux

θ = 90°

θ = 90°

θ = 90°

θ = 90°

θ = 180°

θ = 180°

θ = 180°

θ = 180°

θθθθ

θ = 270°

θ = 270°θ = 270°

θ = 270°

(49)

pour l’ensemble des scénarios

Évolution de la flèche au centre

de la charpente pour chaque scénario

-200.0 -150.0 -100.0 -50.0 0.0 50.0

0 10 20 30 40 50 60

Temps (min)

Déplacement vertical (mm)

S1 - CTA (7.4MW) S2 - CTA (4MW) S3 - Gradin milieu S4 - Gradin haut S5 - Scène

(50)

Exemple de résultats : Déplacements radiaux des éléments de structure coupant la cloison

Feu de scène : déplacements radiaux

-24 0 24 48 72 96 120

0 90 180 270 360

Angle (°)

Déplacement (mm)

Membrure basse Membrure haute Diagonale

∆∆∆∆r

(51)

coupant la cloison

Amplitude des déplacements des éléments traversant la cloison MEGASTIL

Feu de scène : déplacements verticaux

-65 -52 -39 -26 -13 0 13

0 90 180 270 360

Angle (°)

Déplacement (mm)

Membrure basse Membrure haute Diagonale

∆∆∆∆v

(52)

Synthèse des résultats

Scénario et résultats Critères d’utilisation

30 minutes 60 minutes

Déplacements admissibles pour la

cloison

∆r (mm)

∆v (mm)

∆r (mm)

∆v

(mm) ∆r2adm ∆v2adm

Durée d’atteinte du critère

Scénario 1 13 1 22 1 24 26 > 1 h

Scénario 2 9 1 20 1 24 26 > 1 h

Scénario 3 5 4 54 38 24 26 40 min

Scénario 4 5 2 51 33 24 26 41 min

Scénario 5 3 1 97 54 24 26 42 min

(53)

Sans modification de la jonction cloison / structure :

Endommagement de la cloison susceptible de conduire à sa ruine à 40 min

Avec modification de la jonction cloison / structure aux points précisés :

Endommagement de la cloison susceptibles de conduire à sa ruine après 1 h

Stabilité de la structure métallique > 1h

Références

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