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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).
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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" .
.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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