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Conception & dimensionnement au feu des structures en acier

Prise en compte des effets indirects dans l’évaluation

de la stabilité au feu de bâtiments industriels en acier

Leuven, 28/10/2010

jm.franssen@ulg.ac.be

2

Q1: que sont les effets indirects?

EN 1993-1-2, 2.4.3 (4)

Actions indirectes du feu:

les effets des déformations et dilatations thermiques

EN 1991-1-2, 1.5.1.7

Actions indirectes du feu:

forces internes et moments causés par la dilatation thermique

3

Pour évaluer les actions indirectes, il convient de tenir compte de ce qui suit :

de la dilatation empêchée des éléments eux-mêmes, par exemple des poteaux dans des ossatures à plusieurs étages comportant des murs rigides;

d’une différence de dilatation à l’intérieur d’éléments hyperstatiques, par exemple des dalles de plancher continues ; des gradients thermiques dans les sections droites donnant des contraintes internes ;

de la dilatation des éléments voisins due aux effets thermiques, par exemple le déplacement du sommet d’un poteau dû à la dilatation d’une dalle du plancher, ou la dilatation de câbles suspendus ; de la dilatation thermique d’éléments affectant des éléments se trouvant à l’extérieur du compartiment.

EN 1991-1-2, 4.1 (2)

4

X

Y

Z 5.0 E-01 m

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

DISPLACEMENT PLOT ( x 5)

TIME: 21.3824 sec

Beam Element

X

Y

Z 5.0 E+04 N

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

AXIAL FORCE PLOT

TIME: 21.3824 sec

N < 0

N > 0

X

Y

Z 1.0 E+05 Nm

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

BENDING MOMENT PLOT

TIME: 21.3824 sec

X

Y

Z 5.0 E-01 m

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

DISPLACEMENT PLOT ( x 5)

TIME: 751.6736 sec

Beam Element

X

Y

Z 1.0 E+05 N

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

AXIAL FORCE PLOT

TIME: 751.6736 sec

N < 0

N > 0

X

Y

Z 1.0 E+05 Nm

Diamond 2009.a.5 for SAFIR

FILE: Frame_dynamic

NODES: 61

BEAMS: 30

TRUSSES: 0

SHELLS: 0

SOILS: 0

BEAMS PLOT

BENDING MOMENT PLOT

TIME: 751.6736 sec

Déplacement du sommet d’un poteau dû à la dilatation d’une dalle du plancher

t = 0

t = 750

Déplacements Efforts normaux Moments de flexion

5

Q2: Faut-il tenir compte des effets indirects

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EN 1991-1-2: 4.1 (4)Il n’est pas nécessaire de prendre en compte les actions indirectes dues à des éléments voisins lorsque les exigences de sécurité concernent les éléments soumis aux conditions de l’incendie normalisé.

R1. Eurocodes: NON si feu ISO

EN 1993-1-2: 2.4.1 (3), Note 2Pour la vérification des exigences de résistance au feu normalisé, une analyse par élément est suffisante.2.4.2 (4) Seuls les effets de déformations thermiques provoquées par les gradients thermiques en section transversale sont à prendre en compte. Les effets des dilatations axiales ou dans le plan peuvent être négligés.

Acier

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R2. J-M Franssen: NON si feu ISO

Pourquoi? Un calcul élément par élément, sous feu ISO, n’est pas censé nous dire ce qui se passera dans la structure réelle lors d’un feu réel. Il est censé nous dire ce qu’on obtiendrait si on faisait un essai de laboratoire sur chacun des éléments séparés, sous feu ISO. Cela n’a pas de sens d’essayer de mieux prédire le comportement mécanique de l’ensemble de la structure, dès lors qu’on conserve la sollicitation arbitraire qu’est le feu ISO. Faire des calculs de structures entières avec prise en compte des effets indirects mais sous feu ISO n’a de sens qu’en recherche, pas lors d’application à des bâtiments concrets. Il n’y a de sens à faire des calculs de structures entières réelles avec prise en compte des effets indirects que si on utilise des scénarios d’incendie naturels.

8

Feu conventionnel

Feu naturel

classification

Ingénierie du comportement au feu

Ingénierie du comportement au

feu

Ingénierie du

comportement au feu

OUI

OUI

NON

NON

9

Feu conventionnel

Feu naturel

classification

Ingénierie du comportement au feu

Ingénierie du comportement au

feu

Ingénierie du

comportement au feu

OUI

OUI

RECHERCHE

OUI

RECHERCHE

OUI

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R3. Normes de base

Annexe 1

La classification dans le domaine de résistance au feu … peut être basé(e)…

Soit sur un essai…

Soit par une méthode de calcul, agréée par le Ministre de l’Intérieur selon la procédure et les conditions qu’il détermine.

11

Une méthode de calcul, agréée par le Ministre de l’Intérieur selon la procédure et les conditions qu’il détermine.

Actuellement,

28 octobre 2010,

pas de méthode de calcul agréée.

Anticipons et supposons: Méthode agréée = Eurocodes

=> De par la réponse 2, pas d’effets indirects pris en compte si calculs sous feu ISO

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Normes de base: pas d’effets indirect sous feu ISO ?

OK pour annexe 2 (bâtiments bas),

annexe 3 (bâtiments moyens) et annexe 4 (bâtiments élevés).

Pas pour annexe 6, bâtiments industriels.

13

Annexe 6, bâtiments industriels.

Si l’effondrement vers l’intérieur est garanti par la conception (quel que soit l’incendie et le comportement de la structure), il n’y a pas de problème.

Si l’effondrement vers l’intérieur dépend des déplacements des façades, il faut évaluer ces déplacements => effets indirects

Solution: LUCA

LabeinUniversité de LiègeCTICMArcelorMittal

1)

14

Annexe 6, bâtiments industriels.

Si l’effondrement vers l’intérieur dépend des déplacements des façades, il faut évaluer ces déplacements => effets indirects

Solution: LUCA va donner les déplacements maximum en sommet des façades.

15

2)

Solutions:

1) Typologies types reprises dans le projet TETRA.

Pour donner une représentation simple des différentes typologies, des symboles clairs ont été utilisés.

Compartment wall

Diaphragm: Type I

Diaphragm: Type II

Bracing : Type I

Bracing : Type II

Columns-beam : Type IColumns-beam : Type II

Fixed connection

Hinged connection

Rolled connection

Spring connection

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Représentation schématique en 3D de deux typologies

18

1.1.1

IWT-TETRA-project (): Brandveilig Constructief Ontwerp

Typologie 001 Enkelvoudig compartiment

Voorstelling grafisch Dwars Langs

Beschrijving structuur en gebruikte materialen

Liggers en kolommen: toepasbaar voor alle materialen Randvoorwaarden: Toepasbaar voor alle types verbinding met fundering (ingeklemd, veerstijfheid, scharnierend,); Toepasbaar voor alle types verbinding ligger-kolom (continu, semi-continu, eenvoudig).

Indeling Type I II van de verschillende onderdelen

Daar het om één enkel compartiment gaat, zijn alle onderdelen per definitie van Type II

afwerking Type II

Secundaire onderdelen

Type II

Primaire onderdelen

Type II

Dwarse stabiliteit

Langse stabiliteit

Verwijzing naar achtergrond §6.3

Verwijzing naar literatuur

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Template

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1.1.1 Typologie 002 – dubbele beuk – 2 compartimenten – stalen portiek

IWT-TETRA-project (): Brandveilig Constructief Ontwerp

Typologie 002 Dubbele beuk – 2 compartimenten – stalen portiek

Voorstelling grafisch Dwars Langs

Beschrijving structuur en gebruikte materialen

Liggers en kolommen: staal Randvoorwaarden: Verbinding met fundering: scharnierend; verbinding ligger-kolom: continu.

Indeling Type I II van de verschillende onderdelen

Afwerking Type II, wanneer voldaan aan: dakbedekking voldoende beschermd zodat deze bij brand geen aanleiding geeft tot schade aan brandwand.

Secundaire onderdelen

Type II – gordingen en wandregels kruisen de brandmuur niet en behoeven geen bijkomende bescherming.

Primaire onderdelen

Type II – kolommen en liggers (dwarse stabiliteit) - Windverbanden (langse stabiliteit)

Dwarse stabiliteit

Door de compartimenteringswand behoort de middenkolom tot het koude gedeelte van de structuur bij brand in één van beide compartimenten de middenkolom is voldoende brandwerend beschermd. De koude structuur is stabiel bij bezwijken van de warme structuur (compatibel met optredende krachten en verplaatsingen).

Langse stabiliteit

Windverbanden in koude gedeelte blijven in staat om de langse stabiliteit te garanderen voor de accidentele belastingcombinatie in laterale richting die aangrijpt op het koude gedeelte.

Verwijzing naar achtergrond §6.3

Verwijzing naar literatuur RFS2-CR-2007-00032 [2007]

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Solutions:

1) Typologies types reprises dans le projet TETRA

2) LUCA va donner les efforts maximum exercés sur la partie non affectée par l’incendie.

21

Qu’est ce que LUCA ?

Recherches R.F.C.S. coordonnées par ArceloMittal1. Etude paramétrique par éléments finis sur portiques en acier.2. Définition de règles simples donnant des résultats sécuritaires.3. Programmation de ces règles dans un petit logiciel avec

interface graphique pour un usage facile => LUCA

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29

3)

30

Donc, pour calculer la durée de résistance au feu R, il faut tenir compte des effets indirects dans les bâtiments industriels (mais pas dans les bâtiments élevés!).

Ich frage mich: warum

Camillo Felgen, 1960

31

Donc, pour calculer la durée de résistance au feu R, il faut tenir compte des effets indirects dans les bâtiments industriels.

Q3: Comment ?

Idée 1: calcul thermo-élastique s( E(T) ; eth) < fy(T)

Ca ne marche pas (bridage très surévalué)

Idée 2: calcul thermo-élastique partiel s( E(T) ; keth) < fy(T)

Ca ne marche pas (pas possible de trouver un k unique, certains effets indirects favorables pas pris en compte)

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Seule solution: modèle de calcul général

Eléments finis matériellement et géométriquement non linéaires (+ prise en compte des termes dynamiques dans l’équation d’équilibre)

Programmes commerciaux: ANSYS, ABAQUS…Programmes spécialisés: SAFIR (Ulg), VULCAN (Sheffield)

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35

36

Détermination de R

Pour tout nouveau bâtiment industriel

Annexe 6

Utilisation de méthode avancée

Anticipons (groupe de travail « Eurocode ») Utilisation de méthode avancée

=> Commission de dérogation.

Thank you