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1er Séminaire National de Génie Civil sur les Matériaux et Protection de l’Envi

1er Séminaire National de Génie Civil sur les Matériaux et Protection de l’Environnement Université Hassiba Benbouali de Chlef / Département de génie Civil COMPORTEMENT DES STRUCTURES METALLIQUES SOUS L’EFFET D’INCENDIE: APPLICATION DU TRANSFERT DE CHALEUR DANS LES PROFILES METALLIQUES SELON L’EUROCODE 3 BENLAKEHAL Nourredine 1, KADA Abdelhak 1, LAMRI Belkacem 1 et ACHOUR Belkacem 2 1Département de Génie Civil, Université Hassiba Benbouali , Chlef, 2Département de Génie Civil, Université Abdelhamid Ibn Badis, Mostaganem RESUME : Les récents accidents à la suite d’incendies, à Skikda dans le complexe de Sonatrach (Algérie), à Londres dans des dépôts de carburant (UK), et aux Etats Unis provoquant l’effondrement des tours jumelles, ou en mer du nord dans des plateformes pétrolières (Scotland), montrent que le risque potentiel d’un incendie doit être une préoccupation majeure. Cette communication présente les mécanismes de transfert de chaleur dans les éléments en acier dans le cas d’un incendie et porte aussi sur la prospection de différents types de protection et leurs impacts sur l’évolution de la température des profilés métalliques exposés à des courbes temps-températures conventionnelles. Un programme de simulation du processus pour des sections d’acier non-protégées et protégées a été développé. MOTS- CLES : transfert thermique, sécurité incendie, hautes températures, constructions métalliques 1. Introduction Le comportement des structures exposées au feu dépend de la vitesse à laquelle ces éléments sont échauffés et de la répartition des températures en section et sur la longueur des éléments. Les propriétés mécaniques des matériaux diminuent avec l’augmentation de la température et, par conséquent, la résistance mécanique des éléments et donc la structure diminue également. L’effondrement se produit au moment où la résistance devient égale à l’action des charges appliquées. Ceci peut se produire en un temps très court lorsque la montée de la température est rapide. A cet égard, les éléments métalliques non protégés présentent, dans certaines situations, un comportement défavorable en raison de la très forte conductivité de l’acier [1]. En comparaison, les éléments mixtes ou protégés par un système isolant présentent un meilleur comportement, car l’inertie thermique des éléments est plus importante et la conductivité thermique du matériau isolant est plus faible. L’Eurocode 3 ENV 1993-1-2 « Règles générales – Calcul du comportement au feu » [2], donne de simples règles pour calculer l’évolution de la température dans les éléments métalliques soumis à un feu standard (ISO 834, fig 1). Ces règles sont basées sur les principes généraux du transfert thermique. Cependant, les caractéristiques thermiques sont données selon des formules semi empiriques dont le but est la convergence des résultats de calcul avec les résultats des tests conventionnels utilisant des feux standards. Cette étude traite des mécanismes de transfert de chaleur dans les éléments en acier dans le cas d’un incendie. Un programme de simulation du processus pour des sections d’acier non protégées et protégées a été établi. 2. Les processus du transfert de chaleur Lors d’un incendie, la température de l’acier augmente de la même façon que la température des gaz chauds mais avec un décalage (fig. 1). Ce décalage dépend de l’inertie thermique de l’élément aussi bien que l’intensité du transfert thermique s’effectuant à sa surface extérieure. Si l’élément est protégé, le décalage est plus important. En ce qui concerne les éléments non protégés, le décalage dépend de la massivité de l’élément (Am/V où Am [m²/m] : surface du contour par unité de longueur exposé au feu et V [m²] : la section transversale de l’élément). 1er Séminaire National de Génie Civil 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 = 345 log10(8t + 1) + T0 Où t [min] est le temps et T0 [°C] est la température ambiante Le transfert de chaleur entre l'environnement en feu et l'élément se produit par les trois processus de conduction, convection et rayonnement. 2.1. Echauffement par conduction En régime permanent, le transfert de chaleur par conduction est proportionnel au gradient thermique entre deux points et à la conductivité thermique a suivant la relation [4]: Où : le flux de chaleur par unité de surface [W/m²] a : la conductivité thermique [W/m K] T : la température [°C ou K] x : la distance dans la direction du flux de chaleur [m] Le calcul en régime permanent ne prend pas en considération le taux de chaleur nécessaire pour changer la température de l’élément chauffé. 2.2. Echauffement par convection La convection est le transfert de chaleur par mouvement des fluides (gaz ou liquide). Il est un facteur important dans l’étendue du feu par la montée de la fumée et des gaz chauds au plafond ou hors d’une pièce en feu à travers une fenêtre. Le transfert de chaleur par convection est proportionnel à la différence de température entre les deux matériaux (solide et fluide) et le flux de chaleur par unité de surface est donné par la relation [4] : Où h : coefficient de transfert thermique par convection T : différence de température entre la surface du solide et le fluide environnant Pour les conditions habituelles de convection, h peut être prise égale à 25 W/m² K. dx dT = q a "  . t . h q"   . " q . Figure 1 : Echauffement d’un profilé en acier en fonction du type de protection thermique 1000 500 0 30 60 température [°C] temps [min] Incendie conventionnel [ISO 834] profilé non protégé (a) profilé protégé (b) 1er Séminaire National de Génie Civil sur les 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 feux car c’est le mécanisme principal dans le transfert de chaleur des flammes vers les surfaces du combustible, ou de la fumée chaude vers des objets d’une construction ou enfin d’une construction en feu vers une construction adjacente. Le flux de chaleur par rayonnement ' ' q (W/m²) d’une surface d’émission vers une surface de réception est donné par [4] : ( ) ( )4 a 4 f ' ' 273 + T 273 + T = q  avec :  : facteur de configuration égal à 1  : émissivité des 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 température des sections métalliques lors d’un feu conventionnel A partir des actions thermiques définies par un modèle feu (ISO 834), l’échauffement des éléments de structures (poteaux, poutres, assemblages,..) est déterminé à partir des méthodes analytiques (méthode pas à pas) dites méthodes de calculs simplifiées des parties « feu » des EUROCODES [2],[3] pour les cas suivants :  Eléments métalliques non protégés,  Eléments métalliques protégés sur le contour de l’élément et protection par écran 3.1. Sections métalliques non protégées Sous des conditions de feu, la quantité de chaleur transférée sur la surface Am de l’élément en acier dans l’intervalle de temps t (s) est égale à la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température de l'acier par T (°C) en supposant que la température est uniforme sur la section de l’élément. On peut écrire : T V C = t A q a a m ' '    où a est la densité de l’acier (Kg/m3), Ca est la chaleur spécifique de l’acier (J/kg K), Am est la surface du contour par unité de longueur exposé au feu (m²/m), V est la section transversale de l’élément (m²), et " q est la quantité de chaleur transférée sur la surface de l’élément (W/m²), donnée par : ( ) ( ) ( ) [ ] 4 a 4 f a f ' ' 273 + T 273 + T + T T h = q  Où : Tf est la température des gaz chauds (ou feu K), et Ta est la température de l’acier pendant l’intervalle de temps t (s). Les deux équations peuvent être réarrangées pour donner [2] : ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] t 273 + T 273 + T + T T h C 1 V A = T 4 a 4 f a f a a m     La solution de cette équation donne, pas à pas, l’évolution de la température de l’élément métallique au cours de l’incendie. 3.2. Sections métalliques protégées Les éléments métalliques protégés chauffent lentement que d’autres sans protection à cause de l'isolement thermique appliquée qui protège l'acier de l'absorption rapide de la chaleur. 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. . . . . . . 1er Séminaire National de Génie Civil sur les Matériaux et Protection de l’Environnement Université Hassiba Benbouali de Chlef / Département de génie Civil Pour les protections rapportées, l’échauffement de l’acier est régi par les uploads/Ingenierie_Lourd/ benlakehal-nourredine-2011.pdf