Contexte et Application
Daniel JOYEUX
Efectis France
Etude de comportement au feu : ERP
Etude de comportement au feu : Parc de stationnement
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
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 »
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
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
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
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)
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
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
Scénarios d’incendie
compartiment bibliothèque (étage 1)
éléments de compartimentage
Scénario
1
éléments decompartimentage
Scénario
2
compartiment bâtiment principal(étages 2 à 9)
élément de compartimentage
Scénario 3
Maison des sciences de l’homme
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
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
Calculs mécaniques
Déformée de la structure à la ruine du poteau
θcritique = 660 °C
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
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
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
• 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
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
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
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
Développement
Développement
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
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
Zénith de Clermont Ferrand :
Étude du comportement sous incendie réel de la charpente métallique vis a vis de la cloison périphérique
Résistance au feu
Ingénierie de la Sécurité Incendie
Résistance au feu
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
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
∆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
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
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
Salle de spectacle : Modèle de champs (FDS)
Transferts thermiques vers les éléments de structureCTA : Modèle Éléments Finis (ANSYS) Outils
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
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)
Modélisation des éléments et de la
protection avec ANSYS
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
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)
Salle de spectacle : Désenfumage de la salle
Désenfumage mécaniqueExtraction en partie haute (225 000 m3/h)
Soufflage en partie basse (155 000 m3/h)
Portes ouvertes pendant l’évacuation du public
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
Comportement thermomécanique de la structure
structure coupant la cloison
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°
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
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
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
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
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