1

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