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CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 1/321/32
Dhionis DHIMA
Comportement au Feu des Structures en Béton
Eurocode 2-1.2 (EN1992-1-2)
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 2/322/32
• Présentation rapide de l'Eurocode 2 partie 1-2
– Exigences fondamentales– Méthodes de vérification– Propriétés des matériaux– Les règles simples– 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 3/323/32
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 4/324/32
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 5/325/32
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 6/326/32
1 - Analyse par élément :
3 - Analyse structure globale
2 - Analyse de partie de structure
dfid, EE ⋅≤ fiη)7,0( =fiηRecommandée :
METHODE DE VERIFICATION
td,fi,dfi, RE ≤
4
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 7/327/32
• 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 : f y(θ)(θ)(θ)(θ)
PROPRIETES DES MATERIAUX
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 8/328/32
• Considèrent deux critères : les dimensionsdimensions transversales minimales et la position des position des armatures (enrobage)armatures (enrobage)
• Sont valables jusqu’à une durée de 240 240 minutesminutes
• Concernent les bétons de masse vol. normale (entre 2 et 2,6 t/m3)
• Dispensent de la vérification à l’éclatement
• Sont fondés sur un niveau de charge de ηηηηfi=0,70,7
• Assurent le respect des critères REIREI
REGLES SIMPLES (TABLEAUX)
• Poutres et dalles avec des granulats calcaires ou légères les dimensions minimales de la section droite peuvent être réduite de 10%
• Aucune vérification en torsion, cisaillement et ancrage
• Aucune vérification concernant l'éclatement à l'exception des armatures de peau si l'enrobage ≥ 70 mm
• Poutres et dalles θcr(armatures)=500°C, précontrainte θcr=400°C (barres) et 350 °C (fils et torons)
5
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 9/329/32
LES REGLES SIMPLES POTEAUXLES REGLES SIMPLES POTEAUX
Deux méthodes sont proposées : méthode AA et méthode BB
LaLa mmééthode Athode A :• Valable pour les poteaux en BA et en BP sollicités principalement en compression dans les structures contreventées.
• Longueur effective du poteau l0,fi≤3 m• Excentricité du premier ordre ≤0,15H• Section d’armatures As<0,04Ac• Facteur de réduction du niveau de chargement au feu µµµµfi=NEd,fi /NRd
LaLa mmééthode Bthode B :• Valable pour les poteaux en BA sollicités en flexion composée.• Élancement des poteaux ≤30• Excentricité du premier ordre ≤0,025b sans excéder 100 mm• Rapport mécanique de l'armature à température normale ωωωω=Asfyd/Acfcd
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 10/3210/32
Pour les armatures de précontrainte, il convient d’augmenter "a" : 10 mm pour les barres et 15 mm pour les fils et torons.
LES REGLES SIMPLES POTEAUX LES REGLES SIMPLES POTEAUX –– MMééthode Athode A
6
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 11/3211/32
LES REGLES SIMPLES POTEAUX LES REGLES SIMPLES POTEAUX –– MMééthode Bthode B
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 12/3212/32
Murs non-porteurs en béton armé (cloisons) : H/ δδδδ ≤ 40
LES REGLES SIMPLES MURS NONLES REGLES SIMPLES MURS NON --PORTEURS (EI)PORTEURS (EI)
7
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 13/3213/32
Murs porteurs en béton armé - H/ δδδδ ≤ 40
LES REGLES SIMPLES MURS PORTEURS (REI)LES REGLES SIMPLES MURS PORTEURS (REI)
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 14/3214/32
- Poutres sur appuis simples sans moments sur appuis (R)
- Poutres continues
-- Dalles posDalles pos éées sur poutres ou sur murs :es sur poutres ou sur murs :
* Dalles sur appuis simples sans moments sur appuis
LES REGLES SIMPLES LES REGLES SIMPLES
* Cas des dalles continues
-- Les planchersLes planchers --dallesdalles
-- Les planchers nervurLes planchers nervur éés :s :
* Un sens porteur : les règles concernant les dalles et les poutres s’appliquent
* Deux sens porteurs, sans continuité
* Deux sens porteurs, avec continuité dans au moins un sens
8
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 15/3215/32
Elles correspondent aux méthodes pratiquées en France depuis 20 ans :
1. Calcul du champ de température dans la section
2. Détermination du coefficient d’affaiblissement en chaque point
3. Vérification de la section réduite
Deux mDeux m ééthodes sont proposthodes sont propos éées par les par l ’’annexe B de lannexe B de l ’’EC2.1EC2.1--2 :2 :
- Méthode B1 : dite de ll ’’ isotherme isotherme àà 500 500 °°CC
- Méthode B2 : dite par par zoneszones
Dans tous les cas, la tempDans tous les cas, la temp éérature est rature est àà obtenir soit par obtenir soit par essaiessai , , soit par le calcul. Les deux msoit par le calcul. Les deux m ééthodes exigent la connaissance thodes exigent la connaissance des lois ddes lois d ’’affaiblissement des mataffaiblissement des mat éériauxriaux
METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEESMETHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 16/3216/32
La mLa m ééthode de lthode de l ’’ isotherme isotherme àà 500500°°CC
Cette méthode est valable pour des dimensions minimales de sections données par le tableau suivant :
Si la température est inférieure à 500°C : le ble b ééton est ton est ddéésactivsactiv ééSi la température est supérieure à 500°C : le ble b ééton est activton est activ éé àà pleine pleine rréésistancesistance
METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES
9
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 17/3217/32
1. On calcule les températures en tout point de la section.2. On réduit la section selon le principe précédent (on n’utilise pas, dans ce
cas, le coefficient d’affaiblissement k du béton, dans les calculs)3. On calcule la températures des armatures en fonction de leur position.4. On réduit la section des armatures selon la température atteinte.5. On justifie la section réduite : Ed,fi≤Rd,fi
METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES
La mLa m ééthode de lthode de l ’’ isotherme isotherme àà 500500°°CC
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 18/3218/32
La mLa m ééthode des zonesthode des zones
Cette méthode consiste à diviser la section droite en plusieurs zones à l’intérieur desquelles on évalue un affaiblissement moyen. Cela conduit à une section réduite de manière plus précise que selon la méthode de l’isotherme (dans ce cas, on utilise le coefficient d’affaiblissement k du béton)
METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES METHODES DE CALCUL SIMPLIFIEES
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CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 19/3219/32
• 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
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 20/3220/32
ETUDE DE CAS
Objectif : Feu ISO : SF 2h – Feu Naturel : SF Infini
- Nombre de niveaux modélisé : 21- Hauteur d’étage : 3,80 m- Portée des dalles de plancher : 12,50 m- Portée des dalles de noyau : 4 m- Hauteur totale du modèle : 79,80 m- Longueur : 37 m- Espacement des poteaux : 11 m- Dimensionnement : ELS - Efi = 25%Ru(dalle)
3,8
m
79,8
m
12,5 m 4 12,5
IGH – W 37 étages
- Eclatement du béton négligé- Incendie au RDC :
Un demi-niveauTout le niveau (hors noyau
central)
11
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 21/3221/32
ETUDE DE CAS
• 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 (ensemble)
• Calcul complémentaire de vérification de SF
» Effort tranchant, Résistance en compression de la bielle, Ancrage des torons
• Conclusions
Action thermique ISO R834 - Démarche
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 22/3222/32
• Identification des foyers initiaux du feu
• Définitions des scénarii d'incendie (9 scénarii – 27 actions thermiques)
• 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• Calcul complémentaire de vérification de SF
» Effort tranchant, Résistance en compression de la bielle, Ancrage des torons
• Analyse des résultats des calculs• Proposition de solutions afin de satisfaire les obj ectifs de l'étude,
si nécessaires
Action thermique Feu Naturel - Démarche
ETUDE DE CAS
12
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 23/3223/32
ACTIONS THERMIQUES
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Temps (min)
Tem
péra
ture
(°C
)
ISO S6S8 S9S6t S9i
Durée et θθθθintermédiairesCelluleS9i
Durée maximale
CelluleS9
θθθθmaxcelluleS8
Durée maximale
NiveauS6t
θθθθmaxNiveauS6
Niveau (2500 m2)
ISO
Cellule (200 m2)
ISO
Observation sur l'action thermique
LocalAction thermique
Evolution des températaures des actions thermiques
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 24/3224/32
Champs de Températures
Poteau Dalle alvéolée
45
13
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 25/3225/32
0
100
200
300
400
500
600
700
800
9000 60 120
180
240
300
360
420
480
540
600
Temps (minutes)
Tem
péra
ture
(°C
)
iso s6 s6t
s8 s9 s9i
ISO 2h
Evolution de la température dans l'armature la plus chauffée de la dalle
RESULTATS DE CALCUL
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 26/3226/32
RESULTATS DE CALCUL
Evolution de la température dans l'armature la plus chauffée du poteau
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 60 120
180
240
300
360
420
480
540
600
Temps (minutes)
Tem
péra
ture
(°C
)
ISO S6 S8
S9 S6t
ISO 2h
14
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 27/3227/32
Evolution de la fléche à mi-portée de la dalle (actio n ISO R834)
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Temps (min)
Déf
orm
atio
n (m
m)
Dalle seule
IGH
RESULTATS DE CALCUL
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 28/3228/32
Flèche à mi-portée de la dalle biarticuléé
-1000
-900
-800
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600
Temps (min)
Flè
che
à m
i por
tée
(mm
)
ISO S6
S6t S8
S9 S9i
RESULTATS DE CALCUL
15
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 29/3229/32
Durée de la stabilité au feu de la structure Repos d’appui
Actions thermiques Structure
Isostatique
Résistance à l'effort
tranchant
Adhérence des torons
Résistance en compression de la
bielle 5 cm ISO 1h45 >1h20 1h20 >1h20 5 cm S9i 1h55 >1h15 1h15 >1h15
12.5 cm ISO 1h45 >1h40 1h40 >1h40
12.5 cm S9i 1h55 >1h50 1h50 >1h50
25 cm ISO 1h45 2h30 >1h45 >4h
25 cm S9i 1h55 3h >1h55 >4h30
- L'élément critique de cette structure est le planch er
- La durée SF de la structure est déterminée par ces calculs complémentaires
RESULTATS DE CALCUL
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 30/3230/32
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
0 60 120
180
240
300
360
420
480
540
600
Temps (min)
Dép
lace
men
t ho
rizon
tal (
mm
)
iso
s6
s6t
s8
s9
s9i
Evolution du déplacement horizontal de la dalle Isos tatique
RESULTATS DE CALCUL
16
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 31/3231/32
• Feu prédeterminé - ISO R834 : SF : 2h(exigence requise satisfaite)
• Feu "Naturel" : SF de la structure non assurée(protection nécessaire)
CONCLUSION
CEA 13 CEA 13 àà 15 d15 déécembre 2006cembre 2006 32/3232/32
MERCI DE VOTRE ATTENTION