Poutres mixtes cellulaires en situation d’incendie

Gisèle BIHINA

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 2

PLAN

• Projet de recherche• Bases du modèle• Modélisation• Essai et simulation

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 3

PROJET DE RECHERCHE

• Thèse de doctorat– Laboratoire : LAMI– Entreprise : CTICM

• Construction mixte acier – béton– Dalle en béton armé– Poutres en acier→ Poutres et planchers mixtes

• Résistance au feu– Comportement de l’acier– Comportement du béton armé

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 4

PROJET DE RECHERCHE

• Construction mixte acier – béton

Dalle en béton

Solive

Ferraillage

Poutre principale

Bac en acier

Connecteur

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 5

PROJET DE RECHERCHE

• Construction mixte acier – béton– Dalle en béton armé– Poutres cellulaires en acier→ Poutres et planchers mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 6

PROJET DE RECHERCHE

• Poutres cellulaires mixtes

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 7

PROJET DE RECHERCHE

• Poutres cellulaires mixtes

8800 mm

9400 mm

300 mm 300 mm

2400 mm 3200 mm 3200 mm

3000 mm 2900 mm 2900 mm

For tests 1, 3 and 4

For test 2

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 8

PROJET DE RECHERCHE

• Poutres cellulaires mixtes

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 9

BASES DU MODELE

• Travaux précédents– Poutres cellulaires en acier : ANSYS

• Validation du modèle ANYS– Comparaison essais / simulations numériques

• Exportation du modèle – Simulation sous CAST3M

• Validation du modèle– Comparaison ANSYS – CAST3M

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 10

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3M– Maillage en coques à 4 nœuds : éléments COQ4– Modèle élasto-plastique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 11

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3M

~ 5 m

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 12

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3MCas 1 : Courbe force - déplacement à mi-portée

0

20

40

60

80

100

120

140

160

- 5 10 15 20 25

Flèche (mm)

Cha

rge

(kN

)

Ansys

Cast3M

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 13

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3M

~ 11 m

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 14

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3MCas 2 : courbe force - déplacement à mi-portée

0

20

40

60

80

100

- 50 100 150 200 250 300

Flèche (mm)

Cha

rge

(kN

) Ansys

Cast3M

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 15

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3M

~ 12 m

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 16

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3MCas 3 : courbe force - déplacement à mi-portée

0

100

200

300

400

500

600

- 10 20 30 40 50 60 70

Flèche (mm)

Cha

rge

(kN

)

Ansys

Cast3M

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 17

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3M

~ 15 m

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 18

BASES DU MODELE

• Comparaison ANSYS – CAST3MCas 4 : courbe force - déplacement à mi-portée

0

100

200

300

400

500

600

- 20 40 60 80 100 120

Flèche (mm)

Cha

rge

(kN

)

Ansys

Cast3M

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 19

MODELISATION

• Maillage en coques→ Eléments COQ4

• Poutre en acier : un élément sur l’épaisseur• Dalle en béton armé : un élément multicouche sur

l’épaisseur

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 20

MODELISATION

• Maillage en coques

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 21

MODELISATION

• Maillage en coques→ Poutre cellulaire mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 22

MODELISATION

• Maillage en coques→ Poutre cellulaire mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 23

MODELISATION

• Maillage en coques→ Poutre cellulaire mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 24

MODELISATION

• Modèle élasto-plastique– Acier : loi bi-linéaire

• Phase élastique : pente = 210 000 MPa• Phase plastique : pente = 0,21 MPa

– Béton : modèle BETON• Module d’Young : 14 GPa• Limite en traction : 3,5 MPa• Limite en compression : 35 MPa• Limite en compression bi-axiale : 40,6 MPa

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 25

MODELISATION

• Modèle élasto-plastique

Loi de traction de l'acier

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

EPSILON

SIG

MA

(M

Pa)

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 26

MODELISATION

• Imperfection initiale– Mode propre de flambement→ Procédure FLAMBAGE

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 27

MODELISATION

• Imperfection initiale– Mode propre de flambement→ Procédure FLAMBAGE

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 28

MODELISATION

• Transfert thermique– Convection et rayonnement→ Maillage volumique : éléments CUB8

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 29

MODELISATION

• Transfert thermique– Profilé en acier

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 30

MODELISATION

• Transfert thermique– Profilé en acier

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 31

MODELISATION

• Transfert thermique– Dalle en béton

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 32

MODELISATION

• Transfert thermique– Poutre mixte

Montants inférieurs

Semelle inférieure

Montants supérieurs

Semelle supérieure

Raidisseurs

Té supérieur

Té inférieur

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 33

MODELISATION

• Transfert thermique– Poutre mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 34

MODELISATION

• Transfert thermique– Poutre mixte

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 35

MODELISATION

• Transfert thermique– Faces exposées

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 36

MODELISATION

• Transfert thermique– Faces exposées

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 37

MODELISATION

• Transfert thermique– Faces non exposées

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 38

MODELISATION

• Transfert thermique– Faces non exposées

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 39

MODELISATION

• Transfert thermiqueEn réalité, les montants supérieurs sont plus minces que les montants inférieurs→ Propriétés matérielles différentes→ Montants supérieurs : acier orthotrope

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 40

MODELISATION

• Transfert thermique– Propriétés des matériaux

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 41

MODELISATION

• Transfert thermique– Propriétés des matériaux

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 42

MODELISATION

• Transfert thermique– Propriétés des matériaux

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 43

MODELISATION

• Transfert thermique– Chargement

• Convection : TECO• Rayonnement : TERA

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 44

MODELISATION

• Transfert thermique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 45

MODELISATION

• Transfert thermique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 46

MODELISATION

• Transfert thermique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 47

MODELISATION

• Transfert thermique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 48

MODELISATION

• Transfert thermique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 49

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des températures

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 50

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des températuresChargement thermique et températures du four

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 5 10 15 20 25 30

Temps (min)

Tem

péra

ture

(°C

)

Four miniFour maxiFour moyCourbe ISO

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 51

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des températures

TC 80

TC 77TC 7

TC 10

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 52

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des températuresExtrémité du té supérieur

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30

Temps (min)

Tem

péra

ture

(°C

)

P_77m

Tc 7

Tc 77

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 53

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des températuresExtrémité du té inférieur

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 25 30

Temps (min)

Tem

péra

ture

(°C

)

P_80m

Tc 10

Tc 80

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 54

ESSAI ET SIMULATION

• Thermo – élasto – plasticité– Projection du champ de températures→ Opérateur CALP

– Températures expérimentales→ Valeurs moyennes sur chaque zone

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 55

ESSAI ET SIMULATION

• Chargement mécanique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 56

ESSAI ET SIMULATION

• Chargement mécanique

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 57

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des flèches

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 58

ESSAI ET SIMULATION

• Comparaison des flèches

Flèches

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temps (min)

UZ

(m

m)

Mi-portée - Cast3M

Point de chargement - Cast3M

Mi-portée - Essai

Point de chargement 1 - Essai

Point de chargement 2 - Essai

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 59

ESSAI ET SIMULATION

• Ruine de la poutre

Poutres cellulaires mixtes en situation d’incendie 60

ESSAI ET SIMULATION

• Géométrie considérée ?• Densité du maillage ?• Eléments ?• Lois de comportement ?• Conditions aux limites ?

→ Etude paramétrique de poutres mixtes→ Etude paramétrique de planchers mixtes