Avec l’Eurocode actuel, la résistance au feu d’une structure en acier ne dépend pas du fait que cette structure soit galvanisée ou non. Des études récentes ont cependant montré que l’échauffement de l’acier galvanisé est plus lent parce que le transfert thermique par rayonnement est moins important. Ce point va être repris dans le nouvel Eurocode. Il est ainsi possible de satisfaire à une exigence de résistance au feu de 30 minutes avec des profilés en acier relativement lourds et une structure en acier galvanisée non protégée. Cet article présente un aperçu du contexte, des outils pratiques et des possibilités d’application.

dr.ir. A.F. Hamerlinck et J-P Vériter

Ralph Hamerlinck est Senior Advisor chez Bouwen met Staal et Directeur de la société de conseil Adviesbureau

Hamerlinck à Roosendaal. Jean-Philippe Vériter est Operations Manager Fire Safety chez Seco à Bruxelles.

La capacité portante d’une structure en acier en cas d’incendie, exprimée en minutes de ré-sistance au feu, dépend de la vitesse d’échauf-fement et de la réduction de la résistance mé-canique et de la rigidité à la suite de l’élévation de température. L’échauffement de l’acier non protégé est déterminé par la massivité (expri-mée dans le « facteur de profilé »). Un profilé IPE élancé ou un profilé creux à parois minces s’échauffe rapidement, tandis qu’un profilé HEM ou un profilé creux à parois épaisses, s’échauffe plus lentement. Le transfert thermi-que du feu à l’acier s’effectue ici par convection (écoulement de l’air) et par rayonnement. Le

transfert par rayonnement est déterminé par les températures du compartiment d’incen-die et de l’acier (à la puissance quatre), la constante de Stefan-Boltzmann, le « facteur de forme » (Fv , généralement 1) et les facteurs d’émission du feu εfi et de la surface de l’acier εm. Dans l’Eurocode[3] actuel, ces valeurs sont fixées à εfi =1,0 et εm = 0,7.Certains métaux (tels que le zinc) avec un fac-teur d’émission plus faible absorbent moins de chaleur rayonnante et s’échauffent donc moins rapidement. Pour l’acier galvanisé, cela peut se traduire par une capacité portante plus grande en cas d’incendie.

ÉtudesAprès une première publication en 1990[2] sur un facteur d’émission plus faible observé en laboratoire pour une tôle mince d’acier galva-nisé, de nombreuses études ont été réalisées ces dernières années pour asseoir ces données sur une base scientifique plus large et valider en pratique les valeurs mesurées[1, 5, 6, 7, 8]. En plus des recherches scientifiques réalisées dans plusieurs universités européennes, des essais au feu ont été effectués dans des grands fours pour valider expérimentalement le facteur d’émission plus faible observé dans la théorie et en laboratoire. Les expériences réalisées dans les années 2010-2015 (fig. 1) et les essais effectués en France en 2016-2017 par CTICM/Efectis sont respectivement résumées et exposés plus en détail en [8]. Trois ensembles d’essais au feu standard ont notam-ment été réalisés[1] (fig. 2) :– Profilés en I et en H exposés au feu sur quatre faces, testés comme des colonnes ;– Profilés en I et en H exposés au feu sur trois faces, testés comme des poutres ; - Tubes profilés carrés exposés au feu sur quatre faces, testés comme des colonnes.

Les températures mesurées ont été comparées aux calculs analytiques de l’échauffement des profilés en acier galvanisé, en retenant un facteur d’émission (εm) de 0,35 (fig. 3). La conclusion est que les calculs avec εm = 0,35 présentent une bonne concordance avec les mesures et donnent une approche avec une marge de sécurité.

EurocodeSur la base des études réalisées, une modi-fication de l’Eurocode a été prévue[4], qui a déjà été acceptée par le groupe de travail CEN TC 250/SC 3/WG 2. Cette modification peut déjà être appliquée aux Pays-Bas sur la base de l’équivalence. La modification du facteur d’émission qui s’applique à l’acier galvanisé

SECURITE INCENDIE

L’acier galvanisé s’échauffe plus lentement

5

200

0

400

600

800

1000

10 15

temps (min)

20 25

TZ3

30

tem

péra

ture

de

l’aci

er (

˚C)

φ1

TZ4

1. Échantillons dans les essais de Veselí [6]: comparaison de la température des gaz (j1) et des températures des échantillons d’acier galvanisé (TZ4) et d’acier non revêtu (TZ3)[8].

selon EN-ISO 1461 avec une composition d’acier selon la catégorie A ou B de l’EN-ISO 14713-2, tableau 1 (acier galvanisé courant), est la suivante :– εm = 0,35 (température de l’acier ≤ 500 °C) ;– εm = 0,70 (température de l’acier > 500 °C).

Cela signifie que l’effet favorable disparaît au-dessus de 500 °C (en raison de la fonte de la couche de zinc) et que les propriétés sont alors égales à celles de l’acier non galvanisé, auquel s’applique sur toute la plage de température : εm = 0,70.

Outils d’aide à la conceptionLe livre Brand [9] contient plusieurs outils pour l’échauffement de l’acier :– tableau 4.4 (fig. 4) avec la température de l’acier au bout de 20, 30, 60, 90 et 120 minutes d’incendie standard en fonction du facteur de profilé (qui peut être tiré des livrets de profilés ou du tableau 2.7 de [9]) ;– tableau 4.6 (fig. 5) avec la température de l’a-cier au bout de 30 minutes d’incendie standard pour les profilés IPE, HEA, HEB et HEM ;– figure 2.12 (fig. 6) avec les Euronomogram-mes, où l’on peut lire l’échauffement en fonction du temps/de la résistance au feu et du facteur de profilé.

Des outils équivalents ont été développés pour l’acier galvanisé avec le facteur d’émission correspondant de εm = 0,35 jusqu’à500 °C. Ils figurent en [10]. Certains de ces outils

sont représentée sur les figures 4, 5 et 6 pour illustrer les effets et les conséquences pratiques pour les structures en acier galvanisé.

Applications pratiquesLe domaine d’application pratique pour l’acier non protégé se limite (aux Pays-Bas) à une exigence de 30 minutes de résistance au feu pour des profilés relativement lourds (HEB, HEM, tubes profilés à parois épaisses) et/ou des degrés de contrainte faibles. Dans ce domaine, l’acier galvanisé peut apporter un plus.• Au bout de 30 minutes, il est question pour l’acier galvanisé de températures inférieures de plus de 100 °C jusqu’à un facteur de profilé Am/V de 50 m-1. Pour des facteurs de profilé

plus élevés, cette différence diminue jusqu’à 15 °C pour Am/V = 110 m-1 et à partir de Am/V = 150 m-1, elle est négligeable. Cela vaut également pour 60 minutes à partir de Am/V = 50 m-1 (fig. 4).• Le point précédent peut être illustré avec un exemple d’application pour une poutre HEB. Soit une poutre HEB 320 sous un plancher en béton (échauffement sur trois faces) avec une température d’acier critique (calculée selon l’Eurocode) de 620 °C. La figure 5 montre que la température de l’acier (non galvanisé) au bout de 30 minutes est de 701 °C. Cela signifie que la poutre doit être revêtue d’une protection au feu ou surdimensionnée à HEB 450. La température de la poutre en acier galvanisée

2. Échantillons dans les essais de CTICM-Galvazinc-EGGA, réalisés chez Efectis France[1] : essais de poutre avec échauffement sur trois faces et essais de colonne (profilés en H et profilés creux) avec échauffement sur quatre faces[8].

3. Comparaison des températures calculées (pour un facteur d’émission em = 0,35) et des températures mesurées dans les essais au feu (de CTICM-Galvazinc-EGGA) au bout de 15 et 30 minutes d’incendie.

100

200

100

0

400

600

800

300

500

700

200 300

mesurée (˚C)

400 500

15 min

600 700 800

préd

ite (˚

C)

30 min

45˚

HEB

acier;

échauffement sur 4 faces

acier;

échauffement sur 3 faces

acier galvanisé;

échauffement sur 4 faces

acier galvanisé;

échauffement sur 3 faces

160 777 741 760 731

180 767 737 750 723

200 757 734 741 709

220 750 730 737 694

240 743 724 745 675

260 741 721 731 665

280 739 717 727 654

300 736 707 719 632

320 734 701 709 618

340 733 698 703 612

360 731 695 697 605

400 729 692 688 599

450 726 689 679 594

500 723 687 670 590

5. Tableau 4.6 de [9], dont on a reproduit une partie pour l’acier et l’acier galvanisé (avec un facteur d’émission em = 0,35 jusqu’à 500 °C) : température de l’acier au bout de 30 minutes d’incendie standard pour une sélection de profilés HEB. Pour un aperçu plus détaillé (avec tous les IPE, HEA, HEB et HEM), voir [10].

  température (°C)

factuer de profilé Am/V

acier acier galvanisé

30 555 413

40 637 496

50 692 598

60 722 669

70 735 712

80 742 732

90 754 739

100 768 751

120 794 782

130 803 794

140 810 804

150 815 812

175 824 823

200 829 828

300 835 835

400 837 837

4. Partie du tableau 4.4 de [9], pour l’acier et l’acier galvanisé (avec em = 0,35 jusqu’à 500 °C) : tem-pérature de l’acier au bout de 30 minutes d’incendie standard en fonction du facteur de profilé. Pour un aperçu plus détaillé (avec d’autres durées et facteurs de profilés), voir [10].

a. acier

temps (min)

fact

eur d

e pr

o�lé

Am

/V (m

–1)

10

20

30

40

506080100

200400

tem

péra

ture

de

l’aci

er (˚

C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

5 10 15 20 25 30

courbe d’incendie standardisé

10

20

30

40

50

60

80100

200400

b. acier galvanisé

temps (min)5 10 15 20 25 30 fa

cteu

r de

pro�

léA

m/V

(m–1

)

tem

péra

ture

de

l’aci

er (˚

C)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

courbe d’incendie standardisé

6. Nomogrammes pour l’échauffement de l’acier (a) et de l’acier galvanisé (b) pendant 30 minutes d’exposition à l’incendie standard (référence est fig. 2.12 de [9]).

au bout de 30 minutes est de 618 °C, ce qui satisfait à la norme. Dans cet exemple pratique (réaliste), il n’y a donc pas besoin de revêtement résistant au feu qui augmente les coûts.• La figure 6 (ainsi que la version détaillée de la figure 4[10]) permet de conclure que jusqu’à 20 minutes, on réalise environ un gain de 5 minutes en résistance au feu jusqu’à un facteur de profilé Am/V de 80 m-1 (θa;galvanisé au bout de 20 minutes ≠ θa;non galvanisé au bout de 15 minutes) pour une température d’acier critique θa,cr jus-qu’à 525 °C. À 30 minutes, le « gain » dépend de Am/V : – 8 minutes pour Am/V = 40 m-1 (poutre HEM 240 ou colonne avec t = 25 mm) et θa,cr = 500 °C ;– 4,5 minutes pour Am/V = 60 m-1 (poutre HEB 260 ou colonne avec t = 16 mm) et θa,cr = 670 °C ;– 2,5 minutes pour Am/V = 80 m-1

(poutre HEA 260 ou colonne avec t = 12,5 mm) et θa,cr = 730 °C ;– 1,5 minutes pour Am/V = 100 m-1 (poutre HEA 200 ou colonne avec t = 10 mm) et θa,cr = 750 °C.

Un deuxième domaine d’application com-prend des situations où le Fire Safety Engi-neering (FSE) est utilisé. À titre d’exemple, on considère un parking à voitures (fig. 7) où l’on utilise la Directive de sécurité contre l’incen-die applicable aux parcs de stationnement en acier[11]. Pour une exigence de 60 minutes, on a considéré un scénario d’incendie avec quatre voitures. Une colonne K250x12,5 se trouve entre deux voitures en feu à gauche et deux voitures en feu à droite. La température d’acier critique (calculée selon l’Eurocode) est de 540 °C. Dans ce scénario, la température maxi-male de l’acier (non galvanisé) est de 555 °C. La

colonne ne satisfait pas à la norme et doit être surdimensionnée à K250x16. La colonne en acier galvanisé atteint une température d’acier maximale de 460 °C, et satisfait à la norme.

ConclusionEn cas d’incendie, l’acier galvanisé présente un échauffement plus lent grâce aux propriétés (d’émission) favorables de la couche de zinc jusqu’à ± 500 °C. Dans le domaine d’application pratique de 30 minutes de résistance au feu, cela présente des avantages pour les profilés plus lourds (HEB, HEM, tubes profilés à parois épaisses) et/ou des degrés de contrainte plus faibles et permet une exécution sans protection au feu de la structure en acier galvanisé. •

Literatuur 1. G. Bihina, Temperature assessment of galvanized steel profiles: validation of proposed emissivity values for bath galvanized steel, Technical report A 30.4.2018, Centre

Technique Industriel de la Construction Métallique, European General Galvanizers Association, Reddicroft (UK) 2017. • 2. J.J.P. Elich en A.F. Hamerlinck, ‘Thermal Properties of Galvanized

Steel and its Importance in Enclosure Fire Scenarios’, Fire Safety Journal 16 (1990), p. 469-482. • 3. NEN 1993-1-2 (Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-2: General rules -Structural

fire design), 2005 + C1, 2006 + C2, 2011 + NB 2015. • 4. prEN 1993-1-2 (Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-2: General rules -Structural fire design, 2nd draft), 2019. • 5. Ch. Gaigl, M.

Mensinger, Hot dip galvanized steel constructions under fire exposure, 2nd International Fire Safety Symposium, IFireSS 2017, Napels (IT) 2017. • 6. J. Jirku, F. Wald, ‘Influence of Zinc Coating

to a Temperature of Steel Members’, Fire Journal of Structural Fire Engineering 6 (2015), p. 141-146. • 7. S. Raszková, Emissivity of hot dip galvanized steel, MS thesis, Czech Technical

University, Praag 2019. • 8. S. Raszková, F. Wald, G. Bihina, M. Malaska, Ch. Gaigl en V. Rus, Emissivity of hot dip galvanized surfaces in future development of EN 1993-1-2, (uitgever onbe-

kend) verschijnt in 2020. • 9. A.F. Hamerlinck, Brand, Brandveiligheid en berekening van de brandwerendheid van staalconstructies voor gebouwen volgens Eurocode 3, Bouwen met Staal,

Zoetermeer 2010. • 10. https://www.brandveiligmetstaal.nl/pag/1327/9_brandwerendheid_van_verzinkt_staal.html. • 11. A.F. Hamerlinck, A. Breunese, L.M. Noordijk, D.W.L. Jansen en N.J.

van Oerle, Richtlijn Brandveiligheid stalen parkeergarages, Bouwen met Staal, Zoetermeer 2011.

7. Pour un parking à voitures à ciel ouvert et Fire Safety Engineering (FSE) avec un scénario d’incendie de voitures, il est souvent possible d’utiliser de l’acier galvanisé sans ou avec un surdimensionnement limité (et sans protection au feu). - Photo : Parking Brainport Industries Campus, Eindhoven (NL) - © Bjorn Staps