Température critique des éléments de structure en acier

La température critique d’un élément de structure métallique est la température au-delà de laquelle l’élément n’est plus capable de supporter les charges qui lui sont appliquées en situation d’incendie. Elle dépend de nombreux paramètres tels que le niveau de chargement de l’élément, le système constructif (poutre, poteau, système hyperstatique, etc.), le type de profilé utilisé (forme et élancement des parois du profilé) et la réduction de la résistance de l’acier aux températures élevées.

La température critique varie généralement entre 500 et 800 °C. Elle peut être obtenue par un calcul ou à partir de valeurs forfaitaires données dans l’Annexe Nationale de la norme EN 1993-1-2.

Calcul de la température critique

La méthode de base proposée dans l’EN 1993-1-2 au §4.2.4 [1] permet de calculer rapidement la température critique d’un élément de structure en acier au carbone. Cependant, elle ne prend en compte que la diminution de la limite d’élasticité de l’acier en fonction de la température. Par conséquent, cette méthode n’est applicable qu’aux éléments de classe 1, 2 ou 3 qui ne présentent aucun risque d’instabilité de barre (telle que le flambement ou le déversement), ainsi qu’à tous les éléments tendus. Attention, la détermination de la classe de section doit se faire en situation d’incendie et non à température normale.

La température critique θ_a,cr (°C) de l’acier au carbone au temps t pour une distribution uniforme de la température peut être obtenue au moyen de la formule suivante :

Avec μ₀  : taux d’utilisation en situation d’incendie au temps t =0. Il est calculé à partir de la relation suivante :

Où :

• E_fi,d       est l’effet des actions de calcul en situation d’incendie ;
• R_fi,d,0    est la résistance de calcul de l’élément en situation d’incendie, au temps t =0.

La résistance de calcul R_fi,d,0 est déterminée en considérant un facteur de réduction pour la limite d’élasticité k_y,q égal à 1 (voir §4.2.3 de la norme EN 1993-1-2). Il convient de noter que cette résistance de calcul n’est pas forcément égale à la résistance calculée à température normale (R_d).

Des exemples de valeurs de θ_a,cr pour μ₀ compris entre 0,22 et 0,8 sont donnés dans l’EN 1993-1-2 et sont reportés dans le tableau ci-dessous :

Une estimation plus précise de la température critique peut être obtenue en appliquant les méthodes de calcul données au §4.2.3 de la norme EN 1993-1-2. Celles-ci s’appuient sur l’égalité entre les charges mécaniques appliquées en situation d’incendie et la capacité portante de l’élément de structure à température élevée. Ce calcul plus précis de la température critique pour les éléments tendus et les éléments fléchis sans risque d’instabilité est détaillé dans les fiches suivantes :

• éléments tendus ,
• éléments fléchis sans risque d’instabilité.

Note : La formule pour calculer la température critique (1) peut toutefois être appliquée aux éléments de classe 1, 2 ou 3 sujets aux instabilités des barres, sous réserve de prendre en compte certaines considérations lors du calcul de l’élancement réduit. Les différentes formules permettant ce calcul sont détaillées dans les fiches ci-dessous :

• éléments comprimés,
• éléments fléchis. 

Valeur de la température critique forfaitaire

Pour les éléments de structure en acier de classe 1 à 3 dans les bâtiments courants de catégorie A à D, l’Annexe Nationale française de la norme EN 1993-1-2 propose les valeurs forfaitaires suivantes pour la température critique :

• 540 °C pour des poutres isostatiques ou des éléments tendus sans risque d’instabilité ;
• 570 °C pour des poutres hyperstatiques sans risque d’instabilité ;
• 500 °C pour des éléments comprimés ou des éléments comprimés et fléchis, avec ou sans risque d’instabilité ;
• 350 °C pour des éléments de classe 4, avec ou sans risque d’instabilité.

Références

[1] NF EN 1993-1-2 : Eurocode 3 – Calcul des structures en acier. Partie 1-2 : Règles générales – Calcul du comportement au feu. AFNOR. Décembre 2005.

[2] NF EN 1991-1-2/NA : Eurocode 1 – Actions sur les structures. Partie 1-2 : Actions générales – Actions sur les structures exposées au feu. Annexe nationale à la NF EN 1991-1-2. AFNOR. Février 2007.

[3] Renaud, C. (2014). Sécurité incendie et construction métallique. CTICM. 116p.

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Lynita Sarou, ingénieure de recherche – CTICM