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COMPORTEMENT DES STRUCTURES METALLIQUES SOUS L'EFFET D'INCENDIE: APPLICATION DU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES PROFILES …

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1er 

Séminaire National de GénieCivil sur les Matériaux et Protection de l’Environnement  Université Hassiba Benbouali de Chlef /

Département de génie Civil COMPORTEMENT DES STRUCTURES METALLIQUESSOUS

L’EFFETD’INCENDIE: APPLICATIONDU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES

PROFILES METALLIQUESSELON L’EUROCODE 3 BENLAKEHAL Nourredine

1, KADA Abdelhak 1, LAMRI Belkacem1et ACHOUR Belkacem2

 1 Département de Génie Civil, Université Hassiba Benbouali , Chlef,2

 Département de Génie Civil, Université Abdelhamid Ibn Badis, Mostaganem RESUME : L

es récents accidents àla suite d’incendies, à Skikda dans le complexe deSonatrach

(Algérie), àLondres dansdes dépôts de carburant (UK), et aux Etats Unis

provoquant l’effondrement des tours jumelles, ouen mer du nord dans des

plateformes pétrolières (Scotland), montrent quele risque potentiel d’un incendie

doit être une préoccupation majeure.Cette communication présente les

mécanismes de transfertde chaleur dans les éléments en acier dans lecas d’un incendie

et porte aussi sur laprospection de différents types de protection et leurs impacts sur 

l’évolutionde la températuredes profilés métalliquesexposés à de

s courbes temps-températuresconventionnelles.Un programme de

simulation du processus pour des sections d’acier non-protégées et  protégée

s a été développé. MOTS- CLES : transfert thermique, sécurité incendie,

hautes températures, constructions métalliques1. 

IntroductionLe comportementdes structures exposées au feu dépend

de la vitesse à laquelle ceséléments sontéchauffés et de la répartition des

températuresen section et sur la longueur deséléments. Les propriétésmécaniques des

matériaux diminuent avec l’augmentation de la températureet, par

conséquent,larésistance mécanique des élémentset donc la structure

diminue également.L’effondrement se produitau moment où la résistance

devient égale à l’action des chargesappliquées.Ceci peut se pro

duireen un temps très court lorsque la montée de la températureest rapide.

A cet égard, les élémentsmétalliques non protégés présentent,dans

certaines situations,un comportement défavorableen

raison de la très forte conductivité de l’acier [1]. En co

mparaison, les éléments mixtes ou protégés par un système isolant

présentent un meilleurcomportement, car l’inertie thermique des

éléments est plus importante et la conductivité thermiquedu matériauisolant est

plus faible.L’Eurocode 3 ENV 1993-1-2 « Règlesgénérales – 

Calcul du comportementau feu » [2], donne desimples règles pour calculer

l’évolutionde la températuredans les éléments métalliques soumis à un

feustandard (ISO 834, fig 1). Ces règles sont basées sur les principes généraux du

transfert thermique.Cependant, lescaractéristiques thermiques sont donnéesselon des

formules semi empiriques dont le butest la convergence des résultats de

calcul avec les résultats des tests conventionnels utilisantdes feuxstandard

s.Cette étude traitedes mécanismes de transfert de chaleur

dans les éléments enacier dans le cas d’unincendie. Unprogrammede simulation

du processus pour des sections d’acier nonprotégées et protégées

a été établi.2. Les processus du

transfert de chaleurLors d’un in cendie, la température

de l’acier augmentede la même façon que latempérature des gazchauds mais avec un

décalage (fig. 1). Ce décalage dépend de l’inertie thermique de

l’élément aussi bienque l’intensitédu transfert thermique s’effectuan

t à sa surfaceextérieure. Si l’élément est protégé, le

décalage estplus important. En ce qui concerne leséléments nonprotégés, le

décalage dépend de lamassivité de l’élément(Am /V où Am

[m²/m] : surface ducontour par unité de longueur exposé au feu etV [m²]:

la section transversale de l’élément). 

1er Séminaire National de GénieCivil sur les

Matériaux et Protection de l’Environnement  Université Hassiba Benbouali de Chlef / Département de génie Civil

 Dans l’incendie conventionnel ISO 834[3], la température T (°C) est

définie par :T = 345log10(8t + 1) + T0Où t [min] est le tempset T0

[°C] est la température ambianteLe transfert dechaleur entre l'environnement en feu

et l'élémentse produit par les trois processus deconduction, convection

et rayonnement.2.1.  Echauffement par conduction

En régime permanent, le transfertde chaleur par conduction est proportionne

l au gradient thermique entredeux points et à la conductivitéthermique

asuivant la relation [4]:Où : le flux de chaleur par unité de

surface [W/m²]a: la conductivitéthermique [W/m K]T : la

température [°C ou K]x :la distance dans la direction duflux de chaleur [m]Le calcul

en régime permanent neprend pas enconsidération le taux dechaleur nécessaire pour changer

la températurede l’élément chauffé.2.2. 

 Echauffement par convectionLa convection est le transfert dechaleur par mouvement

des fluides (gaz ou liquide). Ilest un facteurimportant dans l’étendue

du feu par la montée de la fuméeet des gaz chauds au plafond ou hors d’une

pièce en feuà travers une fenêtre.Le transfert dechaleur par convection est

proportionnel à la différence de température entreles deux matériaux

(solide et fluide) et le flux de chaleur par unité de surface est donné par larelation [4]

:Où h : coefficient de transfertthermique par convection

T : différence de température entre la surface du solide et lefluide

environnantPour les conditions habituelles de convection, h peut être

prise égale à 25 W/m² K. dxdT=qa" .

t.hq " ."q 

.Figure 1 :Echauffement d’un profilé en acier en fonctiondu type de protection thermique 

100050003060

température [°C]temps [min]Incendie conventionnel [ISO 834]profilé non protégé (a)profilé protégé (b)

 

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Matériaux et Protection de l’Environnement  Université Hassiba Benbouali de Chlef / Département de génie Civil

 2.3.  Echauffement par rayonnement Le rayonnement

est très important dans la propagation des feuxcar c’est le mécanisme

principal dans letransfert de chaleur des flammes vers les surfaces du combustible,

ou de la fumée chaudevers des objetsd’uneconstructionou

enfin d’uneconstruction en feu vers une construction adjacente.

Le flux de chaleur par rayonnement''q(W/m²)d’une surface

d’émission vers une surface de réceptionest donné par [4] :( )

( )4a4f ''

273+T273+T=q  avec : 

: facteur deconfiguration égal à 1: émissivitédes deux surfaces égale à 0.5

dans EC1 (1995): constante de Stefan-Boltzmann égale à : 5.67 x 10-8

(W/m²K4)3. Calcul de la températur

e des sections métalliqueslors d’un feuconventionnel

A partir des actionsthermiques définies par un modèle feu (ISO 834), l’échauffem

ent des éléments destructures (poteaux, poutres, assemblages,..) est déterminé à

partir des méthodes analytiques (méthode pasà pas) dites

méthodes decalculs simplifiéesdes parties « feu » des EUROCODES [2],[3] pourles

cassuivants :Eléments métalliques non protégés, 

Eléments métalliquesprotégés sur le contour de l’élément et prot

ection par écran3.1. Sections métalliques non protégées

Sous des conditions de feu, la quantité de chaleur transférée sur la surface Am

 de l’élément en acier dansl’intervalle de temps

t (s) est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter latempérature

del'acier parT (°C) en supposant que latempératureest

uniforme sur la section de l’élément.On peutécrire :TVC=tAq aam''

 oùa est la densité de l’acier (Kg/m3

), Ca est la chaleur spécifique de l’acier (J/kg K),A

mest la surfacedu contour par unité de longueurexposé au feu (m²/m),V est la

section transversale de l’élément(m²), et"qest la quantité de

chaleur transférée sur la surface de l’élément (W/m²), donnée par :

( )( )( )[ ]4a4f af ''

273+T273+T+TTh=q

 Où : Tf est la température des gaz

chauds (ou feu K), et Ta est la températurede l’acier pendantl’in

tervalle detempst (s).Les deux équations peuvent êtreréarrangées

pour donner [2] :( )( )( )( )[ ]

t273+T273+T+TTh C1VA=T4a4f af aam

 La solutionde cette équation donne, pas

à pas, l’évolutionde la température de l’élément métalliquea

u cours de l’incendie.3.2. Sections métalliques protégées

Les élémentsmétalliques protégés chauffent lentementque d’autres

sans protection àcause del'isolement thermique appliquée qui protège l'acier de

l'absorptionrapide de lachaleur.Il existe deux grands groupes de systèmes de

protection [6]: les protections rapportées autour des éléments

métalliques ; les protections par écrans formant des cavités dans

lesquelles sont situés les éléments.......

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