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Analyse de la tenue au feu des structures. Tests ou simulations

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Academic year: 2021

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Texte intégral

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1 1 Pour quels types de matériaux peut‐on faire des simulations? Quels tests dois‐je envisager pour mes structures et où? Quelles sont les données d’entrées nécessaires pour faire de la simulation? Pour quels types de matériaux peut‐on faire des simulations?

Quels testsdois‐je envisager pour mes structures et où?

Quelles sont les données d’entrées nécessaires pour faire de la simulation? Pour quels types de matériauxpeut‐on faire des simulations?

Quels tests dois‐je envisager pour mes structureset où?

Quelles sont les données d’entrées nécessaires pour faire de la simulation? Quels types d’essais sont possibles pour valider les simulations?

Quels types d’essaissont possibles pour valider les simulations? Quels types d’essais sont possibles pour valider les simulations?

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d

Tenue au feu des structures

ISMANS, 19/01/2011

Jean-Marc FRANSSEN Jm.franssen@ulg.ac.be

Analyse de la tenue au feu des structures.

Tests ou simulations?

3 Quels types de matériaux peut‐on simuler? A priori tous Quoique Quels types de structures peut‐on simuler? Pratiquement aucune, sauf si…

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3 Quels types de matériaux peut‐on simuler? A priori tous à condition de connaître leurs propriétés.p p Quelles propriétés? Celles du matériaux? NON. Celles du modèle . Exemples Calculs thermique avec modèle conductif dans un solide => conductivité thermique, chaleur spécifique, masse volumique. OK pour les métaux. Résistance de contact? Résistance de contact? Effet des grands déplacements?

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Changements de géométrie: Conbustion (bois) Ablation Expansion (peintures intumescentes)  l (bé ) Eclatements (béton) 8

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5 Si phénomènes chimiques endothermiques ou exothermiques, prise  en compte: ¾ dans l’équation d’équilibre thermique ou, ¾ dans la chaleur spécifique? 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000 20 000 S p ecif ic Heat [ J /kg K ] 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Temperature [°C] Plâtre Acier Si présence d’eau libre (= évaporable), comme dans les matériaux à  matrice cimentaire, dans le plâtre ou dans le bois. ƒ Conductivité = f(teneur en eau (en phase liquide/en phase vapeur) ) ƒ Energie d’évaporation M t d’ li id d ( ité é bilité) ƒ Mouvements d’eau liquide, de vapeur (porosité, perméabilité) ƒ Recondensation ƒ Si interaction structure/thermique, porosité et perméabilité sont  fonction du champ de contrainte (fissuration discrète)

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Modèle de matériaux hétérogène ou homogène équivalent? Béton:  pâte, granulat, vides… Bois: aubier/duramen,  bois parfait/noeuds,  bois de printemps/bois d’été Fibre de roche = tubes enchevêtrés  conduction conduction,  rayonnement,  convection. ⇒ Bien connaître son modèle et ses limites. ⇒ Déterminer les propriétés du modèle. ! Si refroidissement, les propriétés (et les phénomènes physiques)  ne sont pas nécessairement réversibles.

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7 Propriétés mécaniques D’abord construire son modèle Lister les paramètres du modèlep Mesurer ces paramètres Quels types de structures peut‐on simuler? Pratiquement aucune, sauf si… on a déjà testé une structure similaire.

(8)

(contr)exemples

1) Plancher mixte acier‐béton sur tôles trapézoïdales

Diamond 2009.a.6 for SAFIR FILE: T100_120

NODES: 765 ELEMENTS: 1323

SOLIDS PLOT

Diamond 2009.a.6 for SAFIR FILE: T100_120 NODES: 765 ELEMENTS: 1323 SOLIDS PLOT TEMPERATURE PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 5400 sec >Tmax 1000.00 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100 00 X Y Z X Y Z 100.00 78.10 Quid du décollement de la tôle? (contr)exemples 2) Colonne mixte acier‐béton Désolidarisation entre le béton et le profilé métallique

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9 (contr)exemples 3) Cloisons en panneaux sandwiches: acier‐isolant‐acier

I

>

I

Emissivité de la tôle   >  Emissivité de la tôle (contr)exemples 4) Voiles en béton. Eclatements  Pas d’éclatements Fabrication: face exposée au sol ou à l’air libre

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2

2 2

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Section_GA_F NODES: 750 ELEMENTS: 1255

SOLIDS PLOT FRONTIERS PLOT Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Section_GA_F NODES: 750 ELEMENTS: 1255 SOLIDS PLOT FRONTIERS PLOT (contr)exemples 5) Poutre en acier intégrées. 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 STEELEC3EN USER1 X_GYPSUM FISO 1 F20 2 FRONTIERS PLOT CONTOUR PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 sec >Tmax 1000.00 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 1 111111111111111111111111111 1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X Y Z 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 X Y Z 200.00 100.00 20.10 Intégrité du bord de la protection en plâtre? 20 Window frame (courtesy: Permasteelisa)

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11 X Y Z Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Biospeedhome

Biospeedhome –– ProvProv. de Luxembourg . de Luxembourg ‐‐ ValboisValbois

(contr)exemples 6)  Face non exposée avant l’essai Face non exposée avant l’essai Face non exposée pendant l’essai (75 minutes) Face non exposée pendant l’essai (75 minutes)

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Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Face exposée après l’essai Face exposée après l’essai Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Résistance au feu d’une paroi en bois empilés Braises dans le four après l’essai Braises dans le four après l’essai

(13)

13 YAKA simuler tous les phénomènes avec des éléments solides,  des éléments de contact, etc.

Bon courage!

Où effectuer des tests pour mes structures? Dans un laboratoire accrédité ISO 17025 «Exigences générales  concernant la compétence des laboratoires d’étalonnages et d’essais»,  i ibl d é i si possible ayant une grande expérience.

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Pour des structures trop grandes, il faut sortir du laboratoire. L’accréditation reste un gage de compétence.

ISO/TR 15658 – Essais de résistance au feu– Lignes directrices pour la  conception et la conduite d’essais et de simulations à large échelle  non basés sur les fours

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27

Bâtiment mixte acier béton Cardington ‐ UK

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Protected

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Effet membranaire: bâtiment ArcelorMittal, Flémale, B

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Result ?

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Full scale fire test (Ulster)

RFCS research « FICEB »

•Natural fire in a compartment of 9m by 15m •Composite slab supported by two central unprotected beams •Peripheral protected beams

Fire development

First step: to model the fire that will develop in the compartment  (Ozone) Fire load by 45 standard wooden crips  (33 kg/m²)

(33)

33

Fire development

OZone software This calculation gives the gas  temperature as a function of  time in the compartment.

Thermal analysis of the beams

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Diamond 2009.a.4 for SAFIR

FILE: unpr1 NODES: 793 ELEMENTS: 683 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 11 111 1111111111 1 1 1 11 11 111 11 11 11 11 11 11 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ELEMENTS: 683 FRONTIERS PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 sec >Tmax 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 40.90 Central beams (1) are unprotected 11 11 1 1 11 1 111 1 1 1 1 11 11 11 11 11 11 11 11 1 11 11 1 1 1 1 11 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 X Y Z

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Thermal analysis of the beams

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: prot1 NODES: 1317 ELEMENTS: 1176 1 1 111 11111 1 1 111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 111 1 1 1 1 1 11 11 1111 1 1111 1111 111111111111 1 1 Y FRONTIERS PLOT CONTOUR PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 sec >Tmax 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 20.00

•Edge beam (1) is protected

•Attacked by the fire only on one side 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 111111111111111111111111111111 X Y Z

Thermal analysis of the beams

1 1 1 1 1 1 1111111111111111111111111111 1 1 1 1 1 11111

Diamond 2009.a.4 for SAFIR

FILE: prot3board NODES: 1225 ELEMENTS: 1021 FRONTIERS PLOT CONTOUR PLOT 2 2 2 2 2 22222222222222222222222 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 222222222222222222222222222 X Y Z TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 sec >Tmax 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 20.20 •Edge beam (3) is protected •Attacked on one side

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Thermal analysis of the beams

1 1 1 1 1 111111111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1111 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2222 2 2 2 2

Diamond 2009.a.4 for SAFIR

FILE: prot2 NODES: 1683 ELEMENTS: 1523 FRONTIERS PLOT CONTOUR PLOT TEMPERATURE PLOT TIME: 3600 sec 2222222222222222222222222 222222222222222222222222222 22 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 222 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 222 X Y Z

TIME: 3600 sec>Tmax 900.00 800.00 700.00 600.00 500.00 400.00 300.00 200.00 100.00 20.00 •Beams (2) are protected •Attacked on one side

Thermal analysis of the slab

•Composite slab with steel deck •The steel deck is not modeled  and the geometry of the slab is and the geometry of the slab is  simplified

(36)

Thermal analysis of the slab

•The concrete in the ribs is partially considered for  thermal analysis because it absorbs part of the heat  ( h l l ff h k ) (thermal analysis => effective thickness) •Only the cover part of the slab is considered for  structural analysis (structural analysis => only the  cover thickness)

Structural analysis – room temperature

•Beam elements were used for the beams  and shell elements for the slab •The uniformly distributed load is  F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 y increased until collapse. •The structural behaviour is a bending  mode F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0

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37

Structural analysis – fire situation

F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 Structural behaviour totally  different compared to the cold  case: the unprotected beams lose

‐300 ‐200 ‐100 0 tio n  (mm) Mid‐span deflection F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 Y case: the unprotected beams lose  their stiffness and the slab develops  a tensile membrane action. ‐700 ‐600 ‐500 ‐400 0.0 30.0 60.0 90.0 120.0 150.0 180.0 De fle ct Time (min) p

Cellular beam in case of fire : example

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