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Tenue au feu des éléments de structure en béton haute résistance
Kodur, V. K. R.
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Le problè m e de l’é c la t e m e nt
Habituellement, les éléments de structure en béton se com p orten t bien d an s d essitu ation s d ’in cen d ie. Cep en d an t, d es étu d es m on tren t qu e le BHR p résen te gén éralem en t u n e ten u e d ifféren te d e celle d u BRN et qu e sa résistan ce au feu p eu t laisser à d ésirer. L’u n d es gran d s risqu es qu e p ose le BHR est l’effritem ent sous l’effet du feu, lequ el est d û à son faible rapport eau-ciment1. L’éclatement
d u béton a été observé en laboratoire et d an s des conditions d’incendie réel (voir figure 1). Ainsi, un incendie survenu dans le tunnel sous la Manche, en 1996, a gravement endommagé les an n eau x en raison d e l’effritem en t d u béton , a fait h u it blessés et cau sé d es d égâts m atériels d e 50 m illion s £2. L’effritem en t a
été attribu é à la gran d e résistan ce d u béton . Lors d ’u n in cen d ie, l’éclatem en t p rovoqu e la d ésin tégration rap id e d es cou ch es su p erfi-cielles d u béton . Il exp ose le n oyau d u béton au x tem p ératu res d ’in cen d ie, au gm en tan t ain si la vitesse d e tran sm ission d e la ch aleu r au noyau et à l’armature. Comme l’effritement se p rod u it au d ébu t d e l’in cen d ie, il p eu t p oser u n risqu e au n iveau d e l’évacu ation d es occu p an ts et p ou r les p om p iers.
L’éclatem en t est attribu é à la m on tée d e la p ression in terstitielle lors d e l’éch au ffem en t. On croit qu e le BHR est p lu s sen sible à la m on tée d e la p ression en raison d e sa faible p erm éabilité, p ar rap p ort au BRN3,4. La très
forte p ression d e vap eu r d ’eau p rod u ite lors d e l’exp osition au feu n e p eu t s’éch ap p er à cau se d e la gran d e m asse volu m iqu e (et d e la faible p erm éabilité) d u BHR. Elle attein t sou ven t le d egré d e p ression d e vap eu r
Tenue au feu des éléments
de structure en béton
haute résistance
p a r V.K.R. Kod ur
L’utilisation croissante du béton haute résistance dans les bâtiments et autres
ouvrages suscite des interrogations concernant sa tenue au feu, en particulier
en raison du danger d’effritement (ou éclatement). Cet article expose les résultats
des recherches menées à ce sujet, comparant la résistance au feu des poteaux
en béton haute résistance et celle des poteaux à résistance normale, et il
indique les règles à suivre pour accroître la résistance au feu des éléments
de structure en béton haute résistance.
Figure 1.Vue a) d’un poteau en béton à résistance normale et b) d’un poteau en béton haute résistance après des essais de tenue au feu
a
b
2
satu ran te, qu i est d ’en viron 8 MPa à 300 °C. Cette p ression in tern e est sou ven t trop forte p ou r le BHR, d on t la résistan ce à la traction est d ’en viron 5 MPa.
Te nue a u fe u du BH R e t du BRN
L’Institut de recherche en construction (IRC) d u CNRC m èn e actu ellem en t d es rech erch es en vu e d ’évalu er la ten u e au feu d u BHR, et d e m ettre au p oin t d es solu tion s qu i p erm et-tront de réduire le plus possible l’effritem ent et d ’accroître la résistan ce au feu .Les figu res 2 et 3 fon t voir les résu ltats typiques d’un essai de résistance au feu réalisé p ar l’IRC su r d eu x typ es d e p oteau x en BRN et en BHR sem blables et su p p ortan t d es ch arges com p arables3,4.
La figu re 2 m on tre qu e les tem p ératu res, relevées à différentes profondeurs par rapport à la su rface, à m i-h au teu r d u p oteau , son t généralement plus basses dans le cas du poteau en BHR qu e d an s celu i d u p oteau en BRN, tou t au lon g d e l’exp osition au feu . Ce fait est attribu able en p artie à la d ifféren ce qu i existe au n iveau d es caractéristiqu es th er-m iqu es d es d eu x béton s, ain si qu ’à la p lu s gran d e com p acité (p orosité p lu s faible) d u BHR. La p lu s faible p orosité d e ce d ern ier retard e la m on tée en tem p ératu re ju squ ’à ce qu e les fissu res s’élargissen t et qu e l’éclate-m en t se p rod u ise. De grosses fissu res son t ap p aru es d an s le p oteau d e BHR ap rès en viron trois h eu res d ’exp osition au feu .
La figu re 3 m on tre qu e la d éform ation d u p oteau en BHR est beau cou p m oin s im p or-tan te qu e celle d u p oteau en BRN. Cela est imputable en partie à la plus faible dilatation th erm iqu e d u BHR et à la p lu s len te m on tée en température du poteau en BHR, au début de l’exposition au feu, en raison de la compacité d e ce typ e d e béton .
Au fu r et à m esu re qu e la tem p ératu re s’élève, l’arm atu re d ’acier d es p oteau x en BHR et en BRN cèd e p eu à p eu et les p oteau x se con tracten t. Le béton p ren d alors la relève et su p p orte u n e p art d e p lu s en p lu s gran d e d e la ch arge. La résistan ce d u béton diminue aussi avec le temps et, à terme, lorsqu e le p oteau n e p eu t p lu s su p p orter la ch arge, il cèd e.
À ce stad e, le com p ortem en t d u p oteau d ép en d d e la résistan ce d u béton (figu re 3). Il se p rod u it d an s le p oteau en BRN u n im p ortan t retrait qu i en traîn e à term e sa ru p tu re d u ctile. Le p lu s faible retrait observé d an s le cas d u p oteau en BHR p eu t être attribu é au fait qu ’à tem p ératu re élevée ce m atériau se fragilise et p erd sa résistan ce p lu s rap id em en t qu e le BRN.
Les travau x d e rech erch e on t p erm is d e faire u n e con statation im p ortan te : il n ’y a p as eu d ’effritem en t d an s le cas d u p oteau en BRN, m ais il y en a eu beau cou p , ju ste avan t la ru p tu re, au x coin s d u p oteau en BHR. On a au ssi observé d e l’effritem en t d an s le cas d u p oteau en BHR, au d ébu t d e l’exp osition au feu . La figu re 1 fait voir l’état d es d eu x typ es d e p oteau x ap rès les essais d e résistan ce au feu . Dan s le cas d u p oteau en BHR, l’arm atu re (lon gitu d in ale et latérale) est exp osée com p lètem en t et il y a effritem en t con sid érable.
La résistance au feu des poteaux en BRN a été d’environ 366 minutes et celle des poteaux en BHR, d e 225 m in u tes. La m oin d re résis-tance au feu du poteau en BHR est attribuable aux caractéristiques thermiques et mécaniques d u m atériau . Le p h én om èn e d ’éclatem en t, qu i a eu p ou r effet d e réd u ire la section d u p oteau , a au ssi con tribu é à faire d im in u er la résistan ce au feu d es p oteau x en BHR. L’IRC p rocèd e actu ellem en t à d es étu d es exp érim en tales et
numériques afin de définir des règles de conception d’éléments d e stru ctu re résistan t au feu , lesqu elles seron t in tégrées au x cod es et n orm es. Su r le p lan d e l’exp érim en tation , 20 p oteau x en BHR vraie gran d eu r su p p ortan t u n e ch arge et u n certain n om bre d e blocs en BHR son t exp osés au feu d an s u n fou r con -stru it à cette fin , le bu t étan t d ’étu d ier l’in flu en ce d e d ifféren ts p aram ètres su r la ten u e au feu d e ce typ e d e béton . Les travau x son t accom p lis en collaboration avec la Portlan d Cem en t Association , l’Association can ad ien n e d u cim en t Portlan d , Béton Can ad a, CANMET, MOBIL et la Nation al Ch iao Tu n g University de Taïwan.
Figure 3.Déformation axiale de poteaux en béton à résistance normale ou en béton haute résistance pendant l’exposition au feu
Figure 2.Distribution des températures à différentes profondeurs, lors de l’exposition au feu de poteaux en béton à résistance normale (BRN) et en béton haute résistance (BHR)
3
Fa c t e urs influa nt sur le
c om port e m e nt a u fe u
Les rech erch es m en ées à l’IRC et ailleu rs m on tren t qu e la ten u e au feu d u BHR, en gén éral, et l’effritem en t, en p articu lier, son t in flu en cés p ar les facteu rs su ivan ts : • la résistan ce in itiale d u béton à la
com p ression
• sa ten eu r en h u m id ité • sa m asse volu m iqu e • l’intensité du feu
• les dimensions et la forme des échantillons • l’arm atu re latérale
• les con d ition s d e ch argem en t • le typ e d e gran u lat
Les études en cours à l’IRC visent à quan-tifier l’influence de ces facteurs et à permettre la m ise au p oin t d e m oyen s p ou r am éliorer le com p ortem en t au feu d u BHR. Voici les con clu sion s qu i on t été tirées à ce p rop os.
Résistance du béton
Il est difficile de définir, à partir d e l’infor-m ation d on t on d isp ose, u n e p lage d e résis-tan ce p récise, m ais les béton s ayan t u n e résistan ce su p érieu re à 55 MPa son t p lu s sujets à s’effriter et il est possible qu’ils résisten t m oin s bien au feu .
Teneur en humidité
La teneur en humidité, exprimée en humidité relative (HR), influe sur le degré d’effritement. Un taux d’HR plus élevé provoque un effrite-ment plus important. Les essais de résistance au feu au xqu els on t été sou m is d es p oteau x en BHR vraie gran d eu r on t m on tré qu ’il y a effritem en t su bstan tiel lorsqu e l’HR est su p érieu re à 80 % . Le d élai n écessaire p ou r attein d re u n n iveau d ’HR accep table (m oin s de 75 % ), dans le cas des pièces de charpente en BHR, est p lu s lon g qu e d an s celu i d es élém en ts d e stru ctu re en BRN en raison d e la faible p erm éabilité d u BHR. Dan s certain s cas, p ar exem p le d an s les con stru ction s en m er, les n iveau x d ’HR p eu ven t rester élevés tou t au lon g d e la p ériod e d e service d e l’ou vrage; il fau t d on c en ten ir com p te lors d e la con cep tion .
Masse volumique du béton
L’IRC a étu d ié l’effet d e la m asse volu m iqu e du béton en soumettant à des essais de tenue au feu d es blocs en BHR ayan t u n e m asse volumique normale (comportant du granulat de poids normal) et des blocs légers (comportant d u gran u lat léger)5. Il a con staté qu e
l’effrite-m en t est beau cou p p lu s l’effrite-m arqu é lorsqu ’on u tilise d u gran u lat léger. Cela est su rtou t d û au fait que ce dernier renferme plus d’humidité libre, ce qu i occasion n e u n e p ression d e vap eu r p lu s forte lors d e l’exp osition au feu .
Intensité du feu
Le BHR s’effrite beau cou p p lu s lors d es in cen d ies caractérisés p ar d es vitesses d’échauffement élevées ou la grande intensité du feu. À cet égard, les feux d’hydrocarbures con stitu en t u n e m en ace sérieu se. Lorsqu e le
BHR d oit être u tilisé d an s d es ou vrages où se trouvent des combustibles hydrocarbonés, p ar exem p le d an s d es con stru ction s d e forage en m er ou d an s d es tu n n els rou tiers, il fau t ten ir com p te, lors d e la con cep tion , d es p robabilités d ’éclatem en t d u béton .
Dimensions des échantillons
L’exam en d e la d ocu m en tation révèle qu e le risqu e d ’effritem en t th erm iqu e exp losif au g-m en te avec la taille d e l’éch an tillon . Cela est d û au fait qu e les d im en sion s d e celu i-ci on t u n rap p ort d irect avec le tran sfert d e ch aleu r et d ’h u m id ité au sein d e la stru c-tu re, ain si qu ’avec la cap acité d es gran d s ou vrages à stocker p lu s d ’én ergie. Il fau t d on c p orter u n e gran d e atten tion à la taille d es éch an tillon s lorsqu ’on évalu e le p ro-blèm e d e l’éclatem en t; les essais d e ten u e au feu son t sou ven t effectu és su r m aqu ette, ce qu i p eu t d on n er d es résu ltats trom p eu rs.
Armature latérale
L’espacement et la configuration des attaches on t tou s d eu x u n effet im p ortan t su r la p er-formance des poteaux en BHR. En rapprochant les attach es (d u qu art d e la d istan ce exigée d an s le cas d es p oteau x en BRN) et en les rep lian t à 135 ° vers l’in térieu r d u n oyau d u p oteau , com m e le m on tre la figu re 4, on am éliore la ten u e au feu . La m ise en p lace d ’attach es tran sversales accroît au ssi la résistan ce au feu . Les essais d e ten u e au feu auxquels ont été soumis des poteaux en BHR, u n con fin em en t ad d ition n el étan t assu ré p ar le rep liem en t d es attach es vers le n oyau d es p oteau x et p ar l’u tilisation d ’attach es tran s-versales, ont révélé que l’effritement est ainsi réd u it con sid érablem en t et qu ’il est p ossible d ’obten ir u n e résistan ce au feu d e 266 m i-nutes, même sous charge de service maximale3.
Importance de la charge
Un élément de structure en BHR qui supporte u n e ch arge s’effritera p lu s qu ’u n e p ièce d e ch arp en te n on m ise en ch arge. La ch arge ajou te au x con train tes d u es à la p ression in terstitielle p rod u ite p ar la vap eu r. Par ailleu rs, p lu s la ch arge est gran d e, m oin s la ten u e au feu est bon n e, car la p erte d e résistan ce qu i accom p agn e la m on tée en tem p ératu re est p lu s gran d e d an s le cas d u BHR qu e d an s celu i d u BRN.
Type de granulat
Des d eu x gran u lats u tilisés cou ram m en t p ou r faire d u béton , le gran u lat carbon até
Figure 4.Configurations d’attaches pour poteaux en béton armé : a) configuration traditionnelle; b) configuration modifiée
(su rtou t le calcaire) et le gran u lat siliceu x (su rtou t le qu artz), c’est le premier qui assure la meilleure tenue au feu et la p lu s gran d e résistan ce à l’éclatem en t3. Cela est su rtou t d û
au fait qu e le gran u lat carbon até a u n e cap acité calorifiqu e (ch aleu r sp écifiqu e) beau cou p p lu s gran d e, ce qu i con tribu e à em p êch er l’effritem en t. Cette p lu s gran d e chaleur spécifique est probablement cau sée p ar la d issociation d e la d olom ie d an s le béton à gran u lat carbon até.
Renfort fibreux
L’ajou t d e fibres d e p olyp rop ylèn e réd u it l’effritem en t d es p ièces d e ch arp en te en BHR lors d ’u n in cen d ie1. L’u n e d es th éories les
p lu s rép an d u es à ce p rop os veu t qu ’en fondant à une température relativement basse de 170 °C, les fibres de polypropylène créent des « can au x » p erm ettan t à la p ression d e vap eu r d e s’éch ap p er d u béton , em p êch an t ain si les p etites
« explosion s » qui provoquent l’éclatem en t. L’étu d e d e l’IRC a m on tré qu ’il fau t en viron 0,1 à 0,25 % (en volume) de fibres de poly-propylène pour réduire l’effritement du béton. L’Institut poursuit ses rech erch es en vu e d e d éterm in er la ten eu r en fibres op tim ale p ou r différents bétons. La figure 5, qui fait voir des blocs de BHR après deux heures d’exposition au feu, illustre l’effet des fibres de polypropylène sur l’éclatement5.
Les fibres d ’acier réd u isen t au ssi l’effrite-m en t d u BHR et au gl’effrite-m en ten t sa résistan ce au feu . Elles ren forcen t la résistan ce en traction du béton, même à haute température, et aident à résister à la pression interstitielle produite sou s l’effet d e la vap orisation d e l’eau , lors d ’u n in cen d ie. La résistan ce à la traction est alors p ortée à 5-7 MPa, ce qu i d an s bien d es cas su ffit à assu rer u n e résistan ce au feu d e deux à trois heures sans effritement important. Des essais en vraie gran d eu r on t m on tré qu e l’in corp oration d e fibres d ’acier d an s le BHR am éliore sen siblem en t la ten u e au feu d e p oteau x d ’acier tu bu laires rem p lis d ’u n tel béton6. Cep en d an t, lorsqu e la p ression in
ter-stitielle d ép asse la résistan ce en traction d u béton , il p eu t y avoir effritem en t.
Rè gle s à suivre pour a m é liore r
la t e nue a u fe u
Le béton haute résistance est un matériau très p erform an t qu i offre u n certain n om bre d’avantages. Les ingénieurs peuvent renforcer
sa ten u e au feu en su ivan t ces règles : • Afin de réd uire l’effritem ent, utiliser d u
gran u lat d e p oid s n orm al (au lieu d u gran u lat léger)
• Ajou ter d es fibres d e p olyp rop ylèn e au m élan ge p ou r d im in u er l’éclatem en t • Ajou ter d es fibres d ’acier p ou r accroître
la résistan ce à la traction et réd u ire l’effritem ent
• Em p loyer d u gran u lat carbon até (au lieu d u gran u lat siliceu x) p ou r réd u ire l’éclatem en t
• Rap p roch er les attach es et u tiliser d es attach es tran sversales p ou r am éliorer la résistan ce au feu
• Utiliser d es attach es à extrém ités recou r-bées (à 135° vers l’in térieu r d u n oyau ) au lieu d ’attach es d roites
• Pren d re les p récau tion s n écessaires p ou r em p êch er l’effritem en t lorsqu e la résis-tan ce d u béton d ép asse 55 MPa.
Ré sum é
Il fau t m ettre d an s la balan ce les attraits d u béton h au te résistan ce et les in terrogation s qu e su sciten t sa résistan ce au feu et sa sen sibilité à l’effritem en t au x tem p ératu res élevées. Les travau x d e rech erch e en trep ris p ar l’IRC se p ou rsu iven t, et ils se trad u iron t p ar d es règles d e con cep tion p lu s p récises.
Ré fé re nc e s
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V.K.R. Kod ur, Ph.D., est agen t d e rech erch e au sein d u p rogram m e Gestion d es risqu es d’incendie, à l’Institut de recherche en construction d u Con seil n ation al d e rech erch es.
Figure 5.Vue de blocs en béton haute résistance exposés pendant deux heures à un feu d’hydro-carbures : a) bloc sans fibres de polypropylène; b) bloc avec fibres de polypropylène
a
b
© 1999
Con seil n ation al d e rech erch es d u Can ad a Décem bre 1999
ISSN 1206-1239
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