Cotes de comportement au feu

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Digeste de la construction au Canada, 1968-02

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Cotes de comportement au feu

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 71F

Cotes de comportement au feu

M. Galbreath

Veuillez noter

Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.

Avec l'édition de 1965 du Code national du bâtiment du Canada, le Comité associé sur le Code national du bâtiment a publié un Supplément n° 2 révisé, intitulé Cotes de comportement au feu. Le document original, fournissait les renseignements nécessaires qui permettraient d'appliquer les dispositions du Code national du bâtiment visant la résistance au feu; ce document consistait en une longue liste de taux de résistance, chacun se rapportant à un essai au feu.

Un changement important a été effectué dans la façon de présenter les renseignements relatifs au comportement au feu, dans la nouvelle édition du Supplément n° 2. Elle comprend maintenant des taux de résistance qui sont pour la plupart des valeurs minimales, qui seront égalées ou dépassées par une grande partie des constructions comprises dans les catégories décrites. Le Comité associé sur le Code national du bâtiment recommande l'usage de ces valeurs lorsqu'aucun renseignement spécifique au sujet d'un essai ou d'un taux n'est disponible relativement à la construction en cause.

La Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches est en voie de publier des résumés d'essais particuliers de résistance au feu, d'une façon plus détaillée que dans l'ancien Supplément, en guise de renseignements généraux, qui ne se rapportent pas spécifiquement aux dispositions du Code national du bâtiment - (C.N.B.).

L'ancien Supplément n° 2

L'usage répandu de l'ancien Supplément n° 2 a révélé quelques-unes des limitations inhérentes à la compilation de brefs résumés d'essais de résistance au feu. Il s'est avéré impossible, même dans une longue liste d'essais de résistance au feu particuliers, d'inclure toutes les combinaisons possibles de matériaux de construction auxquelles la pratique pourrait avoir recours. Il se peut aussi qu'il en découle des résultats contradictoires, puisque deux assemblages d'une construction qui est essentiellement la même peuvent ne pas avoir la même résistance au feu au cours d'un essai. Au cours des années, la Division des recherches en bâtiment a reçu un grand nombre de demandes de renseignements au sujet de l'effet des variations de matériaux, de la forme des éléments creux, des méthodes d'attache, etc., et elle

a trouvé qu'il était difficile de répondre à ces questions en se fondant sur les résultats d'essais particuliers.

Le Comité associé sur le Code national du bâtiment, se rendant compte de ce besoin, a formé la Commission d'étude sur les essais au feu, un petit comité technique, dont le but est d'examiner les cas et de préparer des recommandations en vue de réviser le Supplément n° 2. A la suite d'une étude soignée des problèmes en cause et d'un relevé de toutes les données relatives aux essais de résistance au feu, la nouvelle forme de publication a pris naissance. Elle diffère de l'ancienne publication sous plusieurs aspects importants.

Changements au Supplément n° 2 de 1965

Voici quelques-uns des changements de l'approche générale:

1. Les valeurs comprises dans le Supplément n° 2 sont des cotes fondées sur une comparaison des résultats d'un certain nombre d'essais semblables. Ils ne sont pas, à quelques exceptions près, le résultat d'essais particuliers. Les renseignements sont présentés de façon à offrir une certaine souplesse dans la détermination du comportement au feu des combinaisons de matériaux, et l'emphase porte sur les caractéristiques plus significatives d'un assemblage.

Dans la construction à charpente légère, il a été découvert que l'ossature non protégée fait défaut en quelques minutes au cours d'un essai régulier de résistance au feu. La valeur de la résistance au feu doit donc dépendre de la paroi-membrane exposée aux flammes et en particulier, de son pouvoir de rester en place. Pour cette raison, et pour suivre l'exemple de quelques études faites en Grande-Bretagne, la résistance au feu d'une construction à ossature légère jusqu'à une heure et demie, a été répartie comme suit: (1) l'apport de la paroi-membrane exposée au feu, (2) l'apport de l'ossature et (3) l'apport de l'isolant ou de l'armature supplémentaire. Le préposé aux calculs peut alors évaluer la résistance au feu d'une variété d'assemblages à ossature et étudier l'emploi le plus efficace des matériaux dans une construction à ossature légère du point de vue de la résistance au feu.

2. Les normes minimales relatives aux matériaux et à l'exécution des travaux sont celles qu'exigent les dispositions générales du Code national du bâtiment.

3. Les renseignements présentés se rapportent directement aux exigences de comportement au feu du Code national du bâtiment; par exemple, les cotes de résistance au feu sont exprimées en périodes de ½, ¾, 1, 1½, 2, 3 et 4 heures que le Code national du bâtiment exigent. L'interpolation entre les résultats des essais provient de ce genre de classification des cotes de résistance au feu, ce qui permet au préposé aux calculs de choisir l'épaisseur de matériau qui se rapproche le plus de ses besoins.

4. Seuls sont mentionnés les matériaux et les assemblages de construction qui se prêtent à l'identification et à la reproduction appropriées; aucun matériau ou produit breveté n'est décrit. Il a été jugé nécessaire de faire cette distinction entre les matériaux identifiables et les matériaux brevetés. En général les matériaux brevetés sont décrits à l'aide d'une marque de commerce; ce sont les produits d'un particulier ou d'une compagnie qui ne veulent peut-être pas dévoiler tous les renseignements nécessaires à une description satisfaisante du matériau. Les matériaux identifiables sont ceux qui peuvent être désignés avec une précision qui permet de reproduire tous les détails essentiels d'un assemblage.

Il existe heureusement une autre méthode permettant au manufacturier d'un produit breveté de faire étalonner son produit. Ce service est celui que fournit les "Underwriters' Laboratories of Canada" qui effectuent les essais de résistance au feu, décrivent les assemblages dans leur Liste de construction de bâtiments, font régulièrement l'inspection des usines et émettent des étiquettes qui servent à identifier un produit. Par exemple, la norme de l'Association canadienne de normalisation décrit le placoplâtre du genre X (produit spécial retardant la propagation des flammes) comme produit ayant une âme à formule spéciale et qui offre une

résistance au feu plus grande que le placoplâtre courant de la même épaisseur. Le Supplément n° 2 ne mentionne pas ce genre de panneau mural, mais la Liste de construction de bâtiments - Canada, des "Underwriters' Laboratories of Canada" contient les cotes des assemblages qui incorporent ce matériau.

Dispositions du Code national du bâtiment

Il y a maintenant trois moyens de répondre aux exigences du Code national du bâtiment relativement au comportement au feu.

1. Au moyen d'un assemblage qui a toutes les caractéristiques essentielles d'un assemblage ayant subi l'essai. Le rapport type de l'essai, qui sert de preuve, indiquera les détails de la construction et du comportement au feu;

2. Au moyen d'un assemblage, qui n'a pas fait l'objet d'un essai, composé de matériaux de construction communs assemblés conformément aux dispositions du Code national du bâtiment, auquel peut être attribuée une cote en se fondant sur le Supplément n° 2, Cotes de comportement au feu;

3. Au moyen d'un assemblage tel qu'il est décrit dans la Liste des constructions de bâtiments des Underwriters' Laboratories of Canada et en se servant des matériaux étiquetés y décrits.

Essais courants de résistance au feu

Les méthodes courantes d'essai au feu reconnues par le Code national du bâtiment sont ASTM E 119-61, BS 476-53 et CSA B54.3-64. Elles se ressemblent toutes quant à leurs aspects les plus significatifs. M. G. W. Shorter a décrit l'essai courant de résistance au feu dans CBD 53, "Résistance des bâtiments à l'incendie." De grands échantillons de mur, de plancher, de toit, de poutre ou de poteau sont exposés à un fourneau dont la température atteint 1,000° F en 5 minutes, 1,700° F en une heure, et 2,000° F en quatre heures. Les critères de l'insuccès à l'essai dans le cas d'un mur ou d'un plancher, sont:

1. l'effondrement;

2. la hausse de température de 250° F en moyenne ou de 350° F sur une partie de la surface non exposée;

3. la formation de fentes ou de fissures par lesquelles les flammes ou les gaz chauds peuvent passer.

Construction de bâtiments exposés au feu

Les propriétés requises d'une construction exposée au feu sont:

1. intégrité: la construction doit rester intacte et en place, et appuyer toutes les charges qui y sont imposées durant l'exposition au feu;

2. résistance thermique: il peut être requis que la construction obvie au transfert de la chaleur au moyen d'un membre de séparation tel qu'un mur ou un plancher ou qu'elle fasse fonction de revêtement protecteur d'une pièce de charpente sensible à la chaleur.

Les matériaux les plus couramment utilisés dans les assemblages de charpente sont la brique, le béton, l'acier ou le bois. La brique et les autres produits d'argile cuite, ayant été exposés à des températures élevées durant leur fabrication, sont relativement stables durant les essais de résistance au feu. La brique présente aussi un comportement thermique assez bon.

Le béton dont le comportement thermique est semblable à celui de la brique, perd graduellement de sa résistance lorsqu'il est exposé au feu; il conserve environ la moitié de sa résistance originale à 950° F et un tiers, à 1300° F. Cette perte de résistance est irréversible puisqu'elle est associée à la détérioration du ciment liant et dans certains cas, de l'agrégat.

L'acier possède une haute conductibilité thermique et perd une partie significative de sa résistance à des températures excédant 1,000° F. Il est donc habituellement protégé des flammes par un rang isolant d'un autre matériau.

Le bois est un bon isolant, mais il brûle jusqu'à la destruction lorsqu'il est exposé au feu. Après avoir mesuré la pénétration de la carbonisation de surface, la profondeur de carbonisation des surfaces exposées à la température ordinaire d'un four s'établit à environ 1/40 de pouce par minute.

En général, un assemblage de petites pièces qui présentent une grande surface aux flammes est plus vulnérable qu'un assemblage de grandes pièces formant des plans plats qui exposent une surface minimale au feu.

Éléments creux de maçonnerie

Un des facteurs les plus importants de la résistance au feu d'un élément creux de maçonnerie est la quantité de matériau massif dans l'épaisseur du mur. L'hypothèse selon laquelle l'endurance au feu est directement proportionnée à la quantité de matériau massif est une approximation vague mais suffisamment précise dans l'application des exigences du Code national du bâtiment. Le dispositif commode appelé "épaisseur équivalente" à été adopté en guise de mesure d'endurance au feu de la maçonnerie d'éléments creux. L'épaisseur équivalente, représente l'épaisseur du matériau massif de l'unité ou de l'élément constituant, et elle est obtenue en multipliant l'épaisseur totale par le pourcentage du constituant massif de l'élément. Afin de venir en aide au préposé aux calculs, le rapport entre l'épaisseur nominale, le pourcent du massif et l'épaisseur équivalente est indiqué dans le graphique n° 1 contenu dans "Commentary on the National Building Code of Canada," NRC 9193, par M. Galbreath.

Les éléments creux dont les parois extérieures et les âmes sont minces, sont sujettes à des contraintes résultant de l'expansion thermique inégalement distribuée. La tendance à s'épaufrer et à se fracasser a été observée dans le béton contenant un agrégat de quartz et dans les blocs d'argile creux. La paroi extérieure peut cependant être protégée efficacement au moyen d'un enduit sur la face exposée au feu. A condition que les blocs d'argile creux et les éléments de béton à agrégat siliceux soient enduits sur la face exposée au feu, l'épaisseur équivalente est employée afin de comparer la résistance au feu de divers éléments massifs et creux. L'épaisseur de l'enduit est prise en compte lorsque la résistance au feu est évaluée. L'épaisseur équivalente fournit un moyen flexible d'évaluer la résistance au feu des éléments creux suivant la quantité de matériau massif fournie comme protection contre le feu.

Béton

Les propriétés d'endurance au feu du béton dépendent du genre d'agrégat, du dosage du béton et de la teneur en humidité au moment de l'exposition aux flammes. Il est donc possible d'obtenir des écarts très variés dans son comportement. La pierre employée comme gros agrégat peut avoir une influence importante sur la résistance au feu. Il a été observé que certains bétons à agrégat de quartz ou de granit ont une tendance à s'épaufrer lorsqu'ils sont exposés aux températures des fours. Cette situation peut entraîner un manque au début de l'essai de résistance au feu. D'autre part, le béton à agrégat de pierre à chaux se comporte généralement bien lorsqu'il est exposé au feu. Le Supplément n° 2 exclut les bétons qui contiennent plus de 65 p. 100 de quartz, de silex noir ou de silex. Leur taux de résistance est établi au moyen d'essais. L'épaisseur minimale du béton dans les murs et les planchers est indiquée pour divers taux de résistance au feu.

Béton armé

Deux facteurs doivent être pris en compte lorsqu'il s'agit d'évaluer la résistance au feu du béton armé. Un de ces facteurs est l'épaisseur de béton requise en vue de limiter à 250° F l'augmentation de la température sur la surface non exposée durant la période de temps désirée; l'autre est le recouvrement requis de l'armature qui permettra de garder la température de l'armature d'acier à un degré inférieur à celui où elle perdrait sa résistance efficace.

Le béton précontraint requiert un recouvrement plus épais que celui de l'armature de béton armé ordinaire, parce que la pré-contrainte est amortie à une température moins élevée, entraînant ainsi un effondrement de l'assemblage.

Acier

La résistance au feu de l'acier dans un assemblage de charpente dépend surtout de la protection thermique accordée par la présence d'autres matériaux intervenant entre l'acier et les flammes. Certains matériaux légers tels que l'enduit et les panneaux muraux offrent une protection thermique efficace. Des matériaux plus forts tels que le béton ou la maçonnerie peuvent aussi contribuer à la résistance porteuse de l'assemblage, prolongeant ainsi dans certains cas sa résistance au feu. Le nouveau Supplément n° 2 indique l'épaisseur minimale d'un certain nombre de matériaux qui peuvent servir d'enveloppe protectrice à l'ouvrage d'acier dans le cas de diverses cotes de résistance au feu. La protection peut consister à enrober les pièces particulières de charpente ou en une paroi placée sur la face d'un groupe de pièces comme dans une construction à ossature légère.

Bois

La résistance au feu d'un assemblage de bois dépend surtout de la résistance résiduelle de ses pièces. La carbonisation détruit graduellement le bois exposé au feu. La réduction de l'aire efficace de section dépend du nombre de faces exposées au feu.

Il existe deux façons de rendre les assemblages de bois plus ou moins résistants au feu. L'une consiste à disposer le bois par plans plats massifs afin de minimiser l'effet de la carbonisation. L'autre consiste à ajouter un revêtement ou une paroi protecteurs à la charpente de bois. Le Supplément n° 2 indique l'épaisseur minimale des assemblages massifs de bois dans le cas de diverses cotes de résistance au feu. Des valeurs sont aussi attribuées à divers matériaux utilisés comme paroi protectrice des assemblages à ossature de bois.

Apport de la paroi

Il ressort de l'étude des rapports disponibles sur les essais au feu des murs et des planchers à ossature légère, la possibilité d'attribuer une valeur à la paroi placée sur la face exposée aux flammes d'ajouter des valeurs appropriées à l'ossature et à la protection supplémentaire telle que celle qui est fournie par le matelas isolant.

La période de temps durant laquelle la paroi reste en place est très significative à l'endroit de la résistance au feu d'un assemblage. En conséquence, les parois à armature métallique, par exemple, un enduit sur un support métallique ou un double rang de panneau mural avec un treillis métallique entre les rangs, augmente en général davantage la résistance au feu que les matériaux qui se fracassent plus facilement. La méthode de fixation au moyen de clous, de vis ou d'attaches en fil métallique est aussi d'une grande importance surtout lorsque la paroi est un plafond protecteur. Il faudrait donc porter une attention particulière aux détails du cahier des charges s'il est nécessaire de réaliser un assemblage résistant au feu.

Propagation des flammes

Le Code national du bâtiment établit certaines limites aux propriétés de propagation des flammes des matériaux de finition intérieure dans les bâtiments de rassemblement, les résidences et les institutions. Il y a également des limites plus rigoureuses pour la finition intérieure de tous les corridors et escaliers qui font partie des moyens possibles de sortie de secours. L'essai admis par le Code national du bâtiment est la norme ASTM E84-61. La méthode d'essai et les exigences du Code national du bâtiment sont décrites plus en détails dans CBD 45, "La propagation des flammes," par G. W. Shorter.

Le matériau de finition de la surface et le matériau auquel il est fixé peuvent affecter favorablement le comportement de l'assemblage eu égard à la propagation des flammes. L'apport du matériau d'appui peut ne pas être pris en compte seulement lorsque l'épaisseur de la couche de surface dépasse 1/8 de pouce. La colle utilisée dans les contreplaqués et les placages a aussi son importance. L'expérience établit que les adhésifs phénoliques se

comportent avec satisfaction lorsqu'ils sont exposés au feu, mais qu'une colle de qualité inférieure permet aux surfaces de se séparer, offrant ainsi une plus grande aire de la surface aux flammes, et partant, augmentant leur propagation. La peinture opaque réduit généralement la propagation des flammes du fond sur lequel elle est appliquée. La gomme-laque et la gomme-laque peuvent cependant, augmenter considérablement la propagation des flammes.

Les valeurs indiquées au Supplément n° 2 relativement à la propagation des flammes des matériaux de construction ordinaires sont fondées sur une étude de tous les rapports d'essais publiés et disponibles. La pénurie des données relatives aux essais selon la méthode régulière reconnue, ASTM E84, oblige également à tenir compte des renseignements provenant d'autres essais comparables. Les valeurs sont classifiées par groupes de propagation des flammes, tel que requis par le Code national du bâtiment. Le résultat de plusieurs combinaisons de finition de surface et de matériau de base y est noté.

Renseignements relatifs aux essais

Un des résultats de l'étude que comportait la préparation du Supplément n° 2 révisé, est le rassemblement et l'examen de renseignements relatifs aux essais contenus dans la documentation publiée. La Division des recherches en bâtiment publie des digestes de ces renseignements. Les renseignements fondamentaux qui sont disponibles aux usagers du Code national du bâtiment, relativement au comportement au feu des matériaux de construction, s'établissent maintenant comme suit:

1. Rapports sur les essais réguliers.

La Division des recherches en bâtiment en publie un certain nombre dans la série des études sur le feu. Des organismes de recherches à travers le monde en publient d'autres.

2. Cotes de résistance au feu.

Le Supplément n° 2 du Code national du bâtiment peut être obtenu du Comité associé sur le Code national du bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, 25¢. Cette brochure fournit les cotes de résistance de divers assemblages de matériaux courants de construction établies selon le CACNB, et qui sont acceptables selon les dispositions du Code national du bâtiment. 3. List of Equipment and Materials, Vol. 11, Building Construction, Underwriters' Laboratories of

Canada, 7 Crouse Road, Scarborough, Ontario; gratuit. Listes d'assemblages de matériaux de construction brevetés et non brevetés ayant subi des essais au feu et qui peuvent être identifiés par l'étiquette U.L.

4. Sommaires des rapports disponibles sur les essais au feu qui ont été publiés.

5. Flame Spread Performance of Common Building Materials, par M. M. Galbreath de la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, NRC 7820, avril, 1964, 75¢. 6. Fire Endurance of Protected Steel Columns and Beams par M. M. Galbreath et W. W. Stanzak de

la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, NRC 8379, avril 1965, 75¢.

7. Fire Endurance of Unit Masonry Walls, par M. M. Galbreath de la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, NRC 8740, octobre 1965, $1.

8. Fire Endurance of Concrete Assemblies par M. M. Galbreath de la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, NRC 9279, novembre 1966, $1.50.

9. Fire Endurance of Light Frame Assemblies par M. M. Galbreath de la Division des recherches en bâtiment du Conseil national de recherches, Ottawa, NRC 9085, juin 1966, $1.50.