Flammes extérieures : méthodologie de calcul de l’échauffement d’un élément de structure extérieure

La partie 1-2 de l’Eurocode 1 et de l’Eurocode 3 et leurs annexes nationales françaises [1,2] fournissent une méthode de calcul de l’échauffement d’éléments de structures métalliques extérieurs. L’article qui suit est consacré à la description de la méthodologie à adopter.

Méthode flammes extérieures

Lors d’un incendie dans un bâtiment, il est rare que la surface des ouvertures soit suffisamment importante pour bien alimenter le feu en oxygène. Ainsi, des gaz imbrulés sortent par les ouvertures en façades et brûlent en se mélangeant à l’oxygène, produisant des flammes à l’extérieur. Les flammes sortant de ces fenêtres peuvent directement impacter les éléments de structures tels que des balcons ou coursives. La réglementation incendie leur impose le même degré de résistance au feu que des éléments à l’intérieur du bâtiment, ces éléments devraient donc être protégés.

Toutefois, les protections incendie d’éléments de structure en acier localisées à l’extérieur des bâtiments, peuvent rapidement être très coûteuses. Compte tenu de cette localisation extérieure, ces structures ne sont pas soumises à des sollicitations thermiques aussi intenses que celles reçues par des éléments situés à l’intérieur d’un bâtiment (milieu confiné). Ainsi, ces protections ne sont pas forcément nécessaires pour maintenir la stabilité mécanique de ces structures en cas d’incendie. Le ministère de l’intérieur a officiellement introduit la possibilité, par l’arrêté du 14 mars 2011, de recourir aux méthodes normatives des Eurocodes et de leurs annexes pour le calcul structural au feu, et ce quel que soit le degré de stabilité au feu requis. La méthode présentée ici permet de vérifier la stabilité au feu d’une structure en acier non protégée. Elle se décompose en deux parties principales :

• Le calcul de l’échauffement maximal de chaque élément extérieur soumis au feu. Les températures sont obtenues par les calculs simplifiés des parties feu de l’Eurocode 1 (EN 1991-1-2), de l’Eurocode 3 (EN 1993-1-2), voire de l’Eurocode 9 (EN 1999-1-2) pour des éléments en aluminium et de leurs annexes nationales ;
• La détermination de la température critique, température maximale garantissant la stabilité de la structure, de chaque élément. Elle est déterminée par la méthode de calcul de la partie feu de l’Eurocode 3 (EN 1993-1-2) et de son annexe nationale.

La température critique d’un élément doit être supérieure à son échauffement maximal.

Calcul de l’échauffement d’un élément de structure extérieure

Les calculs détaillés de la température critique d’éléments suivant plusieurs configurations ont déjà fait l’objet d’article métalétech. La présente fiche est centrée sur la description de la méthode de calcul de l’échauffement maximal.

Le calcul de l’échauffement maximal est basé sur les paramètres physiques et géométriques du local étudié et des éléments de structure impactés. En dehors des poteaux, les éléments doivent être situés au-dessus de l’ouverture. L’action du vent est également prise en compte pour des éléments situés à côté d’une ouverture. Parmi les paramètres nécessaires, on compte :

• Pour le local : la charge calorifique, la surface au sol, les dimensions et la position des ouvertures ;
• Pour les éléments : leur dimension, leur orientation et leur position par rapport aux ouvertures.

Dans un premier temps, la puissance et la température dans le local en feu sont évaluées à partir des paramètres intrinsèquement liés à celui-ci. L’Eurocode 1 fournit des densités de charges suivant le type d’occupation du local en feu. La géométrie des flammes et leur température, variable sur la longueur, sortant par l’ouverture étudiée est ensuite estimée grâce aux grandeurs calculées (annexe B de l’Eurocode 1 partie 1-2).

Deux configurations sont à distinguer (Figure 1). Si des ouvertures sont présentes sur deux façades opposées, la ventilation du feu est dite forcée. Un écoulement unidirectionnel est engendré par l’incendie faisant sortir des flammes à de fortes vitesses sur toute la surface de l’ouverture. A contrario, en l’absence d’ouverture sur deux façades opposées, un écoulement bidirectionnel est engendré au niveau de l’ouverture avec une entrée d’air en partie basse et une sortie de flammes en partie haute.

L’échauffement maximal de l’élément est ensuite calculé à partir des paramètres liés à celui-ci et des grandeurs précédemment calculées. Trois types d’agressions thermiques sont considérées :

• Le rayonnement du local sur l’élément, en considérant l’ensemble des ouvertures de la façade où se situe l’élément (annexe B.1.3 de l’Eurocode 3 partie 1-2) ;
• Le rayonnement de la flamme sur l’élément (annexe B.2 à B.3 de l’Eurocode 3 partie 1-2) ;
• La convection de la flamme sur l’élément (annexe B.1.3 de l’Eurocode 3 partie 1-2).

Les formules mathématiques à utiliser dépendent de la configuration. Ces configurations sont liées au positionnement de l’élément par rapport à la géométrie de flamme calculée et aux conditions de ventilation. Quatre grandes familles en ressortent :

• Cas d’un poteau hors des flammes (annexe B.2 de l’Eurocode 3 partie 1-2) ;
• Cas d’une poutre hors des flammes (annexe B.3 de l’Eurocode 3 partie 1-2) ;
• Cas d’un poteau dans les flammes (annexe B.4 de l’Eurocode 3 partie 1-2) ;
• Cas d’une poutre partiellement ou totalement dans les flammes (annexe B.5 de l’Eurocode 3 partie 1-2).

À partir des flux thermiques calculés, l’échauffement maximal de l’élément peut être déterminé. Le calcul repose sur l’équilibre des flux reçus avec les flux émis par l’élément. En effet, pour atteindre une température d’équilibre, la chaleur transmise à l’élément doit être égale à la chaleur qu’il perd par rayonnement et convection (annexe B.1.3 de l’Eurocode 3 partie 1-2).

La méthode de calcul pouvant être lourde à employer, les équipes du CTICM ont rédigé un guide d’application de l’Eurocode 3 partie 1-2 et son annexe conjointement avec celles du CSTB [3]. Ce guide est accompagné d’une feuille de calcul Excel permettant de calculer la température maximale des éléments en fonction des paramètres du local et de l’élément de structure étudié.

Enfin, les équipes du CTICM peuvent vous accompagner dans la justification de la résistance au feu des éléments de structures extérieures. 

Références

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

[2] NF EN 1993-1-2/NA – Eurocode 3 « Calcul des structures en acier » – Partie 1-2: Règles générales – Calcul du comportement au feu, annexe nationale à la NF EN 1993-1-2, octobre 2007

[3] Nicolas AYME, « Action du feu sur les structures en acier », Septembre 2009, ISBN13 : 978-2-86891-426-2

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Jean-Baptiste Tramoni,  chef de projet recherche incendie– CTICM