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CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 1/261/26
Comportement au Feu des Structures en Acier
Eurocode 3-1.2 (EN1993-1-2)
Dhionis DHIMA
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 2/262/26
• Présentation rapide de l'Eurocode 3 partie 1-2
– Exigences fondamentales– Méthodes de vérification– Propriétés des matériaux– Modèles de calcul simplifiés– Modèles de calcul avancés
• Comportement au feu de la structure d'un bâtiment ( modèle avancé)
– Actions ISO R834– Actions non prédéterminées "feu naturel"
• Conclusion
CONTENU DE LA PRESENTATION
2
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 3/263/26
EXIGENCES FONDAMENTALES
• La structure conserve la fonction porteuse (R) pendant toute la durée d'exposition au feu requise
• Les critères de déformations si : • Objectifs de protection• Influence sur les éléments séparatifs
• Pas de critère de déformation si :• efficacité de la protection évaluée selon EN 13381 (1 à 4)• élément séparatif satisfait les exigences d'un feu
conventionnel
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 4/264/26
Action thermique prédéterminée ISO R834 :
• modèles de calcul simplifiés appliqués à des élément s individuels
• modèles de calcul avancés• essais au feu• appréciation de laboratoire agréé
Action thermique non prédéterminée :
•modèles de calcul avancés
JUSTIFICATION AU FEU DES STRUCTURES EN ACIER
3
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 5/265/26
Mécaniques : EN 1990 :• Charges permanentes• Charges d'exploitations• Neige• Vent
En France : 1,1Ψ
εεεε = 0,7 ; h=35 w/m 2K
Thermiques : EN 1991-1.2 :
• ISO R834• Actions non prédéterminées
∑≥
∑>
Ψ+ΨΨ+1j 1i i,ki,21,k2,11,1j,k QQ)ou(G
εεεε = 0,7 ; h=25 w/m 2K
ACTIONS
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 6/266/26
1 - Analyse par élément :
3 - Analyse structure globale
2 - Analyse de partie de structure
dfid, EE ⋅≤ fiη)7,0( =fiη)65,0( fi =η Catégorie E :Recommandée :
METHODE DE VERIFICATION
td,fi,dfi, RE ≤
4
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 7/267/26
• Thermo-physiques : λ(θ)λ(θ)λ(θ)λ(θ), C(θ)(θ)(θ)(θ) et ρ(θ)ρ(θ)ρ(θ)ρ(θ)
• Physico-mécanique : fy (θ)(θ)(θ)(θ), E(θ)(θ)(θ)(θ)
PROPRIETES DES MATERIAUX
Température [ °C ]
k = f / f
Pente du domaine élastique linéairek = E / E
p, p, y
E, a, a
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 200 400 600 800 1000 1200
Limite d'élasticité efficacek = f / fy, y, y
limite de proportionnalité
facteur de réduction
,
,
,
,
k
θ θ
θ θ
θ θ
θ
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 8/268/26
CLASSIFICATION DES SECTIONS TRANSVERSALES
5
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 9/269/26
• Eléments tendus• Eléments comprimés de section de classes 1, 2 et 3• Poutre de section de classes 1 et 2• Poutres de section de classe 3• Eléments de section de classes 1, 2 ou 3 soumis à l' effet
combiné d'une flexion et d'une compression axiale.• Element de classe 4
• Température Critique : 48219674,0
1ln19,39 833,3
0
cr,a +
−
µ⋅=θ
Modèles de Calcul Simplifiés
0,d,fid,fi0 R/E=µ
Si : crélé θθθθθθθθ ≥ Protection
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 10/2610/26
Détermination de l'épaisseur de la protection
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
15 mm 20 mm 25 mm
30 mm
35 mm
40 mm
45 mm
50 mm
55 mm
Facteur de massiveté m -1
Tem
péra
ture
du
prof
ilé°C
Epaisseur protection
6
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 11/2611/26
Facteur de massiveté
Profilé exposé au feu sur tous les côtés :
tionsecladeairepérimètre
V
Am =
Profil creux circulaire exposé au feu sur tout le pourtour : Am/V = 1/t
Profilé exposé au feu sur trois côtés :
acier'dtionsecladeairefeuauoséexppérimètre
VAm =
Profil creux (ou caisson reconstitué soudé d'épaisseur constante) exposé au feu sur tous
les côtés : si t << b : Am/V = 1/t
Application d'épaisseur
constante suivant le contour
acier'dtionsecladeaireacier'ldepérimètre
Caissons d'épaisseur constante
1)
acier'dtionsecladeaire)hb(2 +⋅
Application d'épaisseur
constante suivant le contour exposé au feu sur trois côtés
acier'dtionsecladeairebacier'ldepérimètre −
Caissons d'épaisseur constante exposés au feu sur trois côtés
1)
acier'dtionsecladeairebh2 +⋅
Eléments non protégés Eléments protégés
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 12/2612/26
• Calculs Thermiques (éléments et différence finis)
• Calculs Mécaniques (éléments finis)
Modèles de Calcul Avancés
Modification des propriétés des matériaux en foncti on de la température
7
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 13/2613/26
ETUDE DE CAS
1 - Feu ISO R834
2 - Feu Naturel
- Structure porteuse acier
- Remplissage parpaings
- Toiture Siporex + Etanchéité
- Plancher béton arméY
12 m
42 m 8 m
57
58
59
56
6 m
C2C1
Objectif : Feu ISO : SF 2h – Feu Naturel : SF Infini
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 14/2614/26
X Y
Z
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: batimentS3
NODES: 2861
BEAMS: 1388
TRUSSES: 0
SHELLS: 0
SOILS: 0
BEAMS PLOT
potf .tem
arbaf . tem
ipn500f .t em
ipe240f .t em
soliv ef .t em
pot58S3. tem
pot59S3. tem
pot57S3. tem
arba58S3.tem
arba59S3.tem
arba57S3.tem
ipn500S3.tem
ipn502S3.tem
ipe240S3.tem
soliv eiso.tem
X
Y
Z
Poutres intermédiaire et de rive
Poutre de la toiture
Poteau 59Poteau 57
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: pot57iso
NODES: 328
ELEMENTS: 247
SOLIDS PLOT
CONTOUR PLOT
TEMPERATURE PLOT
TIME: 7200 sec1049.30951. 15
853. 00754. 85656. 70
558. 55460. 40
362. 25264. 10
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: i45tf nat
NODES: 364
ELEMEN TS: 280
SOLIDS PLOT
CONTOUR PLOT
TEMPER ATURE PLOT
TIME: 900 sec649.70
571.01
492.33
413.64
334.95
256.26
177.58
98.89
20.20
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: iPN500iso
NODES: 313
ELEMENTS: 252
SOLIDS PLOT
CONTOUR PLOT
TEMPERATURE PLOT
TI ME: 7200 sec1037.50
957. 46877. 43797. 39717. 35
637. 31557. 28477. 24
397. 20
Diamond 2004 for SAFIR
FILE: 57i40t
NODES: 390
ELEMENTS: 319
SOLIDS PLOT
TEMPERATURE PLOT
TIME: 2100 sec864.00
758.71653.43
548.14442.85
337.56232.28
126.9921.70
ETUDE DE CAS
8
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 15/2615/26
Action Thermique ISO R834
8750
7560
12000
BA
N41
N75
N61N21
N15
N7
N67
N1 N81
N98
N87
N51N31
8750
7560
12000
1800 1800
7500 N 7500 N
3000 N
N41
N21
Portique 57 Portique 53 à 56 et 58 à 60
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 16/2616/26
Action Thermique ISO R834
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Temps (min)
Dép
lace
men
t ver
tical
(m
m)
Nœud 41
-100
0
100
200
300
0 5 10 15 20 25 30 35
Temps (min)
Mom
ent f
léch
issa
nt (
kN.m
)
Elément 10 (N 21)
Elément 20 (N 41)
x
y
z 5.0 E+04 Nm
Diamond XL for SAFIR
FILE: p57
NODES: 81
BEAMS: 40
TRUSSES: 0
SHELLS: 0
ELEMENTS PLOT
BENDING MOMENT PLOT
TIME: 2100 sec
N21
Elé. 10
N41
Elé. 20
Portique 57
9
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 17/2617/26
Action Thermique ISO R834
Portique 56
x
y
z 5.0 E+05 Nm
Diamond XL for SAFIR
FILE: p58-cor
NODES: 105
BEAMS: 52
TRUSSES: 0
SHELLS: 0
ELEMENTS PLOT
My BEN DIN G MOMEN T PLOT
TIME: 5151 sec 5.0 E-01 m
Diamond XL for SAFIR
FILE: p58-cor
NODES: 105
BEAMS: 52
TRUSSES: 0
SHELLS: 0
NODES PLOT
ELEMENTS PLOT
DISPLACEMENT PLOT ( x 2)
TIME: 5104 sec
i45f g.tem
59i40fg.tem
IPN5f g.tem
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Temps (min)
Dép
lace
men
t hor
izon
tal (
mm
)
Noeud 31
Noeud 87
Noeud 98
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 18/2618/26
CONCLUSION - ACTION THERMIQUE : ISO R834
8559
8558
3557
12054, 55, 56
10053 et 60
Durée de stabilité au feu (minutes)
File
10
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 19/2619/26
• Identification des foyers initiaux du feu• Définitions des scénarii d'incendie• Choix du modèle pour calculer l'action thermique • Détermination de l'action thermique [ θθθθ(t) et/ou ΦΦΦΦ(t)]• Choix du modèle de calcul d'échauffement • Calcul de l'échauffement de chaque élément de la st ructure• Choix du modèle du comportement mécanique de la str ucture• Calcul du comportement mécanique de la structure• Analyse des résultats des calculs• Proposition de solutions afin de satisfaire les obj ectifs de
l'étude si nécessaire.
Action Thermique : "Feu Naturel"
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 20/2620/26
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 1200 2400 3600 4800 6000 7200
Time (sec)
Tem
pera
ture
(°C
)
S1S2S3S4S5
Temps
EVOLUTION DES TEMPERATURES POUR DIFFERENTS SCENARII
- S1 : ISO R834 - S2 : Feu localisé en C1 - S3 : Feu généralisé en C1- S4 : Feu généralisé en C2 (v1) - S5 : Feu généralisé en C2 (v2)
11
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 21/2621/26
X Y
Z
5.0 E-01 m
Scénario S4 – Salle des commandes
Structure initiale et sa déformée
Rive
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 22/2622/26
Scénario S4 – Salle des commandes
Moments fléchissants
Structure non protégée SF 10 minutes
12
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 23/2623/26
Protection des poutres Protection des solives
Structure de la Salle des commandes
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 24/2624/26
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0 20 40 60 80 100 120
Temps (minutes)
Dép
lace
men
t H
oriz
onta
l (m
m)
S4 intermédiaire
S4 rive
S4 protection rive
S4 protection intermédiaire
Scénario S4 – Salle des commandes
13
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 25/2625/26
CONCLUSION - ACTION THERMIQUE : Feu Naturel
File Durée de stabilité au feu (minutes)
53 à 58 59 à 60
illimitée (manque de combustible après 30' d'incendie)
58 - 5910 ' (sans protection des poutres et
des solives du plancher)
58 - 59illimitée (avec protection des
poutres et des solives du plancher)
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 26/2626/26
MERCI DE VOTRE ATTENTION