vers des moyens de prevenir l'ecaillage du beton en tunnel

L’écaillage est un phénomène qui peut toucher les bétons forte-ment ou rapidement chauffés. Ce terme imagé est représentatifdes morceaux de béton qui se détachent progressivement sousforme d’écailles de quelques centimètres carrés et de quelquesmillimètres d’épaisseur (fig. 1). Il n’apparaît pas dans les textesréglementaires, qui parlent uniquement d’éclatement, termeinitialement réservé au phénomène mécanique qui se traduitpar le détachement de morceaux de béton dans les zones d’en-robage des sections angulaires de béton armé.

Le recours à une formulation de béton résistant à l’écaillagedans les structures souterraines n’est nécessaire que danscertains cas particuliers. L’écaillage n’est une menace que s’ilmet en jeu la stabilité de structures nécessaires à la stratégied’évacuation et d’intervention des services de secours. Lesusagers, et très probablement les pompiers, dont on supposequ’ils peuvent intervenir sous des structures au maximum à450°C, ne peuvent pas se trouver à l’endroit où l’écaillage seproduit, mais éventuellement derrière un mur, au-dessus ouau-dessous d’une dalle les séparant du feu. Il s’agit de struc-tures, principales ou de second œuvre, qui relèvent du niveauN2 ou N3, ou de structures en BHP qui relèvent du niveau N1au sens de la circulaire 2000-63 relative à la sécurité dans lestunnels routiers [1]. Cette approche peut constituer une alter-native à des protections rapportées pour les ouvrages neufs.

Afin de fournir des pistes pour la formulation de bétons résis-tants au feu, nous avons synthétisé diverses études. Certainsrésultats sont contradictoires (effet des granulats, de l’entraî-neur d’air…). Le recours à de telles formulations doit donc êtresystématiquement complété par des essais sur la formule miseen œuvre, qui doivent être pris en compte dans l’organisationdes marchés.

VERS DES MOYENS DE PREVENIR L’ECAILLAGE DU BETON EN TUNNELRédigé dans le cadre du Groupe de Travail n°37 de l’AFTES"Tenue au feu des structures" par Céline Féron (CETU) et Philippe Autuori (Bouygues)avec les contributions de Claude Bessière (Cofiroute) et Daniel Joyeux (CTICM).

Ce texte provisoire sera intégré dans la recommandation en cours de préparation.

PagesPages

INTRODUCTION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 228

PREMIERS ÉLÉMENTS DE RÉFLEXION - - - - - - - - - - - - - 229

PARAMÈTRES DE FORMULATION - - - - - - - - - - - - - - - - - 229

RECHERCHES SUR LES FORMULES FIBRÉES ET

EXEMPLES D’APPLICATION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 230Exemple de formule avec fibres, granulats de cendres volantes et ciment CEMIII [6] - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 230Influence du type des fibres et du dosage [7] - - - - - - - - - - - - - - 230Chantiers d’application [8], [9] - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 230Bilan sur les formulations avec fibres - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 230

CAS PARTICULIER DES BÉTONS AUTO-PLAÇANTS - - - - 231

CAS PARTICULIER DES BÉTONS À HAUTE PERFORMANCE(BHP) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 231

AUTRES ÉTUDES EN COURS - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 232CALCULS DE STRUCTURES À CHAUD ET SIMULATION DEL’ÉCAILLAGE - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 232Hitecosp - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 232Cesar-LCPC - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 232Symphonie-Tunnels - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 232Diana - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 233Ansys - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 233DURABILITÉ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 233Généralités - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 233Incidence sur la mise en place d’une protection incendie passive 234Incidence de l’incendie sur la durabilité du béton - - - - - - - - - - - 234CONCLUSION - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 234RÉFÉRENCES - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 235

SOMMAIRE

228 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - No 196 - JUILLET/AOUT 2006

INTRODUCTION

Figure 1 - Ecailles de béton soumis à un incendie

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Vers des moyens de prévenir l’écaillage du béton en tunnel

Par opposition au tunnel sous la Manche, le tunnel du Mont-Blanc est fréquemment cité comme argument en faveurdes bétons de faible résistance, qui se comportent mieux vis àvis de l’écaillage, leur porosité étant un facteur favorable.Avant de conclure que tous les tunnels doivent être réalisés enC 20/25 (ex B20), rappelons que dans la plupart des cas, lerevêtement est de niveau N0, c’est à dire qu’on admet soneffondrement au droit de l’incendie. Les cas où le revêtementest de niveau N3 sont ceux où il y a risque d’envahissementcatastrophique, c’est à dire que le terrain est meuble ouimmergé, et que le revêtement doit justement être à la foisrésistant en compression et au feu.

Dans le cadre du projet national BHP 2000 et du projet euro-péen HITECO, le comportement au feu des BHP a étéétudié. Le remède le plus efficace vis à vis de l’écaillage de cesbétons est l’incorporation de fibres polypropylène, qui, enfondant à 165°C, créent une porosité interconnectée permet-tant d’évacuer les pressions dues à la vaporisation de l’eau.Cependant, l’emploi du BHP en tunnel est assez marginal. Engénéral, ni les charges permanentes ni les charges d’exploita-tion ne justifient le recours à de hautes résistances. Le compor-tement des bétons ordinaires vis à vis de la courbe HCM, enrevanche, a été peu testé.

PREMIERS ÉLÉMENTS DE RÉFLEXION

Figure 2 - Mécanisme de mise en pression de la vapeur d’eaudans les pores d’après réf. [2]

La plupart des paramètres de formulation ont une influencesur l’écaillage, ce qui rend très difficile la prévision ducomportement du béton à l’examen de sa formulation, sansavoir recours à un essai. En outre, les essais réalisés mettent enévidence l’effet de certains choix, mais ne permettent pas de sedéterminer sur tous les composants, comme le montrent lesexemples ci-après.

➢ Granulats : une attention particulière doit être apportée auchoix des granulats qui ont une forte influence sur la perte derésistance avec la température et sur l’écaillage. La tendance,du plus favorable au plus critique, est la suivante :

• Basaltiques • Calcaires • Siliceux

L’effet des granulats légers diffère selon la formulation, et peutjouer dans un sens ou dans l’autre : leur faible dilatation ther-mique limite les contraintes sur la pâte de ciment, mais leurforte porosité peut les rendre explosifs.

En Autriche, des bétons avec des granulats à base de silicates demagnésium et de fer ont montré un très bon comportement aufeu[4].➢ Entraîneurs d’air : réduction de l’écaillage grâce à une dimi-

nution de la saturation des pores.

➢ Additions minérales :• Bon comportement des bétons à base de ciment au laitier• L’effet des fumées de silice est également variable. A priori

néfastes car elles augmentent la compacité, elles ont parfoisun effet favorable.

➢ Fibres polypropylène : réduc-tion de l’écaillage grâce à laformation, lors de leur fusion à165°C, de réseaux permettant à lavapeur de s’échapper et de réduireainsi la pression dans les pores(fig.4).

L’ajout de fibres polypropylèneest le plus efficace, mais il s’agit detrouver un dosage suffisant pourlimiter l’écaillage tout en conser-vant les autres propriétés du béton :ouvrabilité-maniabilité, résistanceet durabilité.

Figure 3Superposition des contraintes thermiques et des pressions de vapeurd’après réf. [3]

Figure 4 - Empreinte d’unefibre fondue dans la pâte de ciment d’après réf. [5]

Figure 5Fibres polypropylène avant

incorporation dans le béton

PARAMÈTRES DE FORMULATION

229TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 196 - JUILLET/AOUT 2006

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Influence du type des fibres et du dosage [7]:• sur un béton B45/65, des fibres polypropylène fibrillaires de

60mm se sont avérées inefficaces,

• sur dallettes 2m*2m*0,15m soumises à la courbe RABT(1200°C pendant 60 minutes), chargées en compressionuniforme à 10MPa, pour un béton B50 silico-calcaire avec 2kg/m3 de fibres polypropylène de moins de 20mm, écaillagemoyen de 67 mm.

• sur voussoirs soumis à la courbe RABT (1200°C pendant 30minutes) :

• sans fibres : effondrement,

• avec 1 kg/m3 et 2 kg/m3 : écaillage répandu sur la surfacejusqu’à 1 cm de profondeur,

• avec 3 kg/m3 : écaillage non significatif.

Chantiers d’application [8], [9]:Channel Tunnel Rail Link :

A l’issue d’une campagne expérimentale au TNO portant surles paramètres suivants :

• granulats : calcaires, granitiques, légers,• fibres métalliques,• fibres polypropylène : fibrillaires, monofilament.

➢ Les formulations à base de granulats légers et sans fibrespolypropylène ont été éliminées après un essai sous feu ISO.

➢ Les fibres métalliques n’ont pas d’influence sur l’écaillage.

➢ Les granulats légers sont à éviter car ils absorbent beaucoupd’eau et conduisent à un écaillage explosif.

➢ 2 kg/m3 de fibres monofilament se sont avérés plus efficacesque 2 kg/m3 de fibres fibrillaires à 1300°C.

Les formulations à base de granulats granitiques et calcaires etde 1 kg/m3 de fibres monofilament ont été validées sur desvoussoirs chargés sous courbe RWS, sans différence notableentre les deux types de granulats.

Bilan sur les formulations avec fibres:Les résultats ci-dessus sont synthétisés dans le tableau suivant.Il convient toutefois, avant d’extrapoler ces résultats, de seréférer aux détails des essais présentés ci-dessus.

230 TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 196 - JUILLET/AOUT 2006


Ce paragraphe est une synthèse bibliographique qui regroupedes résultats quantifiés de l’effet de fibres polypropylène decaractéristiques précises dans le cadre de formulations particu-lières. Il permet de donner des pistes au formulateur pour lechoix et le dosage des constituants.

Exemple de formule avec fibres, granulats decendres volantes et ciment CEMIII [6]:Formule testée sur dallettes de 1,40m*1,40m*0,15m soumisesà la courbe RWS.

Granulats 0,5/6 (Lytag, Memarca AG à base de cendresvolantes) : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 551 kg/m3

Granulats 6/12 (Lytag, Memarca AG à base de cendresvolantes) : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 418 kg/m3

Fibres polypropylène (Fortatech fibre 190 high grade) : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 et 2-4 kg/m3

Ciment CEM III B 42,5 : - - - - - - - - - - - - - - 400 kg/m3

Plastifiant : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1%Rc28 : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 52.2 MPa

RECHERCHES SUR LES FORMULES FIBRÉES ET EXEMPLES D’APPLICATION

Figure 6Effet du feu sur les corps d’épreuve,sans fibres (à gauche,écaille), avec fibrespolypropylène (à droite, coloration)d’après [8]

Résultat de l’essai : pas d’écaillage avec fibres, éclatement eteffondrement sans fibres.

Finalement le chantier a retenu la formulationsuivante :Béton B60 formulé avec 1 kg/m3 de fibres IGNIS monofi-lament, granulats calcaires et granitiques :

Ciment : 400 kg/m3E/C : 0,35Fibres métalliques : 30kg/m3Fibres polypropylène (monofilament 18 mm) : 1 kg/m3

40 000 m3 de béton réalisé, approvisionné par camionstoupies traditionnels.

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Outre les indications concernant les dosages expérimentés au cours de ces différentes campagnes d’essais, on peut retenir que lechoix de fibres monofilament plutôt que fibrillaires peut être déterminant.



Classe Structure Sollicitation Variation sur Ecaillagede résistance les fibres testées

B45/60 Dallettes RWS Avec et sans fibres Effondrement sans fibres, rien avec fibres1,40 x 1,40 x 0,15

B45/65 Avec et sans fibres Pas d’effet des fibres fibrillaires

Voussoirs RABT Dosage : Effondrement sans fibre, 1 cm avec 0, 1, 2 et 3kg/m3 1 et 2 kg/m3, rien avec 3 kg/m3

B50 Dallettes RABT 67mm2 x 2 x 0,15

B60 Echantillons ISO puis RWS Monofilament Fibres monofilament plus efficaces puis voussoirs et fibrillaires que les fibrillaires

Une étude menée en Suède [10], destinée entre autres à quali-fier les bétons auto-plaçants, a permis de faire les observationssuivantes:

➢ Sur dalles de béton ordinaire (E/C=0,38) de1,8m*1,2m*0,4m comprimées par précontrainte à 2,1MPa,soumises à une courbe particulière atteignant 1300°C :

• effet incertain des fillers calcaires (100kg/m3) : favorabledans un cas, défavorable dans l’autre ;

• effet favorable des fumées de silice (25kg/m3): réductionde l’écaillage moyen de 145mm à 58mm ;

• effet très favorable des fibres polypropylène (2kg/m3) :écaillage moyen ramené de 145mm à 15mm dans le bétonsans ajout, annulé dans le béton avec fumée de silice,ramené de 182 et 84mm à 37mm avec fillers calcaires.

➢ Concernant le béton auto-plaçant :✓ testé sur dalles de 1,8m*1,2m*0,2m comprimées par

précontrainte à 8,8MPa :

• pas d’influence notable du rapport E/C (3 valeurs testées0,3; 0,4 et 0,5) ;

• moins d’écaillage qu’avec le béton ordinaire, 45mm, maisconditions différentes : épaisseur plus faible (favorable) etcontrainte plus forte (défavorable) ;

• effet très favorable des fibres polypropylène (1 kg/m3) quiannulent l’écaillage.

✓ testé sur dalles de 0,6m*0,5m*0,2m non chargées :• l’écaillage diminue quand le rapport E/C augmente ;• effet très défavorable de l’application d’une contrainte de

compression uniforme de 2,5MPa (environ 10mmd’écaillage en plus) ;

• avec 2,5MPa de contrainte de compression uniforme ousans contrainte, pour E/C=0,4 et 2kg/m3 de fibres poly-propylène, aucun écaillage observé.

CAS PARTICULIER DES BÉTONS AUTO-PLAÇANTS

Dans le cadre du programme Européen HITECO, plusieursformules de BHP et BUHP ont été testées. Les essais visaientplus largement à étudier le comportement de ces bétons soushautes températures, et les effets des conditions expérimentalessur la mesure des paramètres de la loi de comportement. Lestempératures maximales lors des essais étaient de 700°C.

En termes de formulation, il en est ressorti les tendancessuivantes :

• effet favorable des granulats légers ;• effet favorable de l’entraîneur d’air ;• effet défavorable des fumées de silice• effet très favorable des fibres polypropylène.

Comme nous l’avons vu plus haut, en dehors des fibres poly-propylène, ces effets observés sur les BHP ne sont pas forcé-ment généralisables.

CAS PARTICULIER DES BÉTONS À HAUTE PERFORMANCE (BHP)

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Outre les résultats ci-dessus, on peut signaler d’autres études encours, dont les résultats ne sont que partiels ou non disponiblesau moment de la publication du présent article.

• Développement d’un nouveau béton par l’Institut deRecherche de l’Industrie autrichienne du Ciment.

• Etude de bétons à forte porosité :

En collaboration avec le CETU, le laboratoire SOLEM a déve-loppé et testé trois formulations de béton à porosité accrue :

- une avec un entraîneur d’air,- une avec un sous-produit industriel,- une avec des billes d’argile expansée.

Ces formules ne présentent pas d’écaillage lors d’essais à latorche, et leur formulation pourrait être rendue plus robuste etsoumise à des essais en laboratoire agréé pour être utilisée dansle cadre d’un chantier d’application. Les formules développéesprésentent une faible résistance à la compression, de l’ordre de20 à 25 MPa, qui peut cependant suffire pour un revêtementcoffré en terrain stable.

AUTRES ÉTUDES EN COURS

Le recours à une formulation de béton résistant à l’écaillageplutôt qu’à des protections passives nécessite, par ailleurs, lavérification de la stabilité de la structure par un calcul sansécaillage, ou prenant en compte les résultats de l’essai quidémontre l’efficacité de la formule. La démarche de l’analysethermomécanique de la structure est présentée en détail dans leguide " Comportement au feu des tunnels routiers " [11], etnécessite une certaine expérience dans la pratique du dimen-sionnement des structures, de surcroît à chaud. La prise encompte de l’écaillage mesuré lors des essais situe ce niveaud’analyse au degré G2 selon ce guide. En l’absence totaled’écaillage, une analyse de degré G1 peut suffire.

Ce chapitre sur le calcul des structures ne traite pas de l’utilisa-tion des logiciels de dimensionnement de structures à chaud,mais de logiciels qui, de par leur code aux éléments finis, visentà superposer aux sollicitations de référence les contraintesrésultant de la non-linéarité du champ de température et desgradients de pression, et à vérifier les sections rendues hétéro-gènes suite à l’altération des caractéristiques mécaniques deszones chauffées. La mise en évidence par ces logiciels de zonesplastifiées tend à reproduire les observations du phénomèned’écaillage (localisation, épaisseur…). Leur utilisationcorrespond à un degré d’analyse G3 [11].

Hitecosp Ce logiciel en cours de développement permet la résolutioncomplète du système de 5 équations à 5 inconnues régissant lecomportement du béton à hautes températures [12], [13].

Ce système très complexe fait intervenir les phénomènessuivants :

• mécanismes de transport de chaleur (conduction, convec-tion, rayonnement), solide (déplacements mécaniques),fluides (Fick : gradients de concentration et Darcy : gradientsde pression) ;

• changements de phase :- hydratation/déshydratation (110°C et 500°C)- évaporation (de 100°C à 374°C)- transformation du quartz α/β (573°C)- décarbonatation (650°C)

L’utilisation de cet outil fait intervenir de nombreux paramè-tres, souvent délicats à mesurer, et son utilisation est pour l’ins-tant limitée à ses développeurs pour des projets de recherche(UPTUN).

Cesar-LCPC Dans sa version standard, Cesar-LCPC ne permet pas deprendre en compte l’effet de la température sur la loi decomportement du béton. Par contre, des modules ont été déve-loppés par Franz Ulm dans la version expert, afin de modéliserl’écaillage du tunnel sous la Manche [14], [15].

Cette version permet de modéliser l’effet de la température surla déshydratation du béton, en exprimant le degré d’hydrata-tion en fonction de la température. Les propriétés mécaniquesdu béton sont traditionnellement exprimées en fonction dudegré d’hydratation. Ainsi le degré d’hydratation est utilisécomme variable intermédiaire pour introduire le couplage avecla température.

La modélisation réalisée pour le tunnel sous la Manche est unesimplification du problème ci-dessus, car elle ne prend pas encompte les effets de pression dus à la vaporisation de l’eaucontenue dans le béton. Les contraintes calculées sont d’ori-gine thermomécanique. En particulier, on observe en surfacedes zones plastifiées par les fortes dilatations empêchées. Labonne correspondance entre ces zones et l’écaillage observéjustifie l’hypothèse que les pressions de vapeur sont secondairesvis à vis des effets des déformations thermiques.

Symphonie-TunnelsCet outil couple un logiciel éléments finis permettant demodéliser les interactions entre la structure du tunnel et leterrain environnant avec une interface dédiée à une utilisationpour le calcul du comportement au feu. Il permet donc, àpartir d’un état initial en service, d’introduire une sollicitationthermique par le biais d’échanges thermiques et du calcul del’échauffement de la structure. L’échauffement engendre unendommagement mécanique dû aux fortes contraintes qu’ilgénère, et thermique dû à la dégradation du matériau àl’échelle microscopique. Symphonie permet d’évaluer les effetsde ces deux phénomènes et d’identifier les zones où le risque

CALCULS DE STRUCTURES À CHAUD ET SIMULATION DE L’ÉCAILLAGE

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d’écaillage est important. L’interface tunnel est sous licenceexclusive de RFF qui accorde son utilisation à la SNCF.

Symphonie-Tunnel est une application extraite du code decalcul général aux éléments finis SYMPHONIE du CSTB,plus étendu et qui comporte entre autres des modèles decouplages Thermo-Hygro-Mécanique en milieu poreux nonsaturé à très haute température, des modèles d'endommage-ment et de fissuration, et des modèles de plasticité. Il permetde traiter les problèmes de transport d'humidité et de change-ment de phase, le couplage entre l'endommagement et letransport de fluide dans le milieu poreux, et la modélisationphysique des problèmes d'écaillage des bétons.

Diana Diana est un code de calcul généraliste développé par le TNOdepuis 1972 (code de calcul aux éléments finis) [16]. Il couvreplusieurs domaines d’application, dont notamment lesproblèmes de génie civil. Concernant les tunnels, Dianapermet de modéliser des problèmes d’interaction sol-structureet permet également d’étudier et de modéliser les phases deconstruction et d’excavation.

L’un de ses pôles de développement est dédié à la modélisationdu comportement du béton. Il offre un large choix de modèlespour l’analyse de son comportement non-linéaire, dont lecomportement thermomécanique. Il propose des modèlesd’endommagement et de fissuration élaborés, tel que lecouplage entre un modèle de plasticité multi-axiale en régimede compression avec un modèle de fissuration en régime detraction. Il intègre également des techniques spécifiques pourla modélisation des armatures d’acier et des câbles deprécontrainte.

AnsysLe code généraliste ANSYS® de calculs de simulation par laméthode des éléments finis, utilisé dans sa version ANSYS®Mechanical™, permet de réaliser des calculs avancés de degré G3.

Le matériau béton est considéré selon un modèle à comporte-ment isotrope de type " multilinéaire élastique " en compres-sion. Ceci permet de prendre directement en compte la loicontrainte déformation de l'EC2 [17] du béton dépendant dela température et de la déformation. L’acier des nappes deferraillage est lui aussi modélisé par des couches constituéesd'un matériau isotrope à comportement " multilinéaire élas-tique " ce qui permet de prendre directement en compte la loicontrainte déformation de l'EC2 de l'acier dépendant de latempérature et de la déformation comme dans le béton.

Le calcul thermomécanique est itératif. Les sollicitations sontcalculées au départ en fonction des lois multilinéaires élas-tiques dépendantes de la température pour les deux compo-sants acier et béton en absence de fissuration. La pénétrationde la température depuis la face exposée au feu fait apparaîtredes zones en traction dans l'épaisseur de la coque. Si cescontraintes dépassent un certain seuil, des fissures apparaissent.Ce diagnostic est fait couche par couche au centre deséléments. On affecte aux couches concernées un nouveaumatériau au comportement orthotrope représentatif de l'étatfissuré du béton.

La gestion des diagnostics de fissuration et la mise à jour despropriétés des matériaux au fur et à mesure de l’avancementdes calculs a été automatisée à l’aide de routines développées en" APDL ", langage utilisé dans ANSYS® pour de telles appli-cations. Le problème présente un comportement fortementnon linéaire, ce qui rend la conduite des calculs délicate.



GénéralitésEn plus du dimensionnement des ouvrages souterrains pourrésister aux sollicitations liées à l’interaction sol/tunnel, à leurmode de construction ou à des sollicitations exceptionnelles, lastructure doit répondre également à des critères de durabilitéen vue d’en assurer la pérennité sur une durée de vie spécifiée.

En particulier, les structures en béton armé doivent êtreétudiées pour se prémunir vis à vis de possibles processus dedégradation tels que :

➢ les risques de corrosion des armatures• Carbonatation• Chlorure• Fissuration• Effet éventuel des courants vagabonds

➢ les risques de dégradation du béton• Attaques physiques : gel/dégel• Gonflement (alcali-réaction, réaction sulfatique)

• Attaques chimiques (acides…)

• Fissuration

Cette étude se traduit généralement par un choix des consti-tuants et par une composition adaptée du béton qui, associés àun enrobage approprié des armatures et à une mise en œuvresoignée, permettent d’obtenir une compacité satisfaisante et unefaible perméabilité, garantes du niveau de durabilité recherché.

On peut noter ici que la recherche d’un béton à faible perméa-bilité, donc à faible porosité, est contradictoire avec larecherche d’un moindre écaillage.

Par ailleurs, pour le contrôle de la fissuration, le ferraillage doitêtre correctement dimensionné (section, espacement), sous lesdifférents types de sollicitations en construction et en exploita-tion pour limiter les risques d’apparition de fissures et le caséchéant maintenir leur ouverture à une valeur admissible (limi-tation à des valeurs réglementaires ou limitation du taux detravail des aciers).

DURABILITÉ

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Incidence sur la mise en place d’une protec-tion incendie passiveL’impact ou la prise en compte de la protection incendiepassive sur la durabilité varie selon le type de protectionconsidéré. Pour les protections incorporées dans le béton, tellesque les fibres synthétiques, l’étude de durabilité s’inscrit dans lemême cadre que l’analyse décrite ci-dessus pour le béton arméclassique.

Incidence de l’incendie sur la durabilité dubéton Cette incidence dépend des caractéristiques de l’incendie, maisaussi du comportement du matériau béton (variation despropriétés en fonction de la température, sensibilité àl’écaillage…) et enfin du comportement général de la structuresoumise à l’incendie (sous l’effet des gradients, dilatations etendommagements éventuels).

La caractérisation retenue pour l’incendie se limite aux courbesde feu réglementaires servant au dimensionnement des protec-tions passives (courbes ISO et HCM).

Dans le cas d’une protection à l’aide de fibres synthétiques,même si ce procédé permet de limiter les risques d’écaillage ouen tout cas de retarder l'apparition du phénomène, il n’endemeure pas moins que la structure est alors directementsoumise à l’incendie.

Ceci a pour principales conséquences :

➢ au-delà de 165°C environ (température de sublimation desfibres) une augmentation de la porosité du béton,

➢ un endommagement de la surface du béton soumis au feu(écaillage – éclatement) et un affaiblissement partiel des

caractéristiques mécaniques du béton dans les zonessoumises aux plus fortes températures,

➢ enfin, l’analyse structurelle conduit généralement, pour lescourbes de feu les plus élevées, à considérer une adaptationplastique des éléments hyperstatiques.

Pour les éléments en béton armé, cela se traduit d’abord parune augmentation de la porosité du béton (dès la températurede sublimation des fibres) induisant une sensibilité plus grandeaux risques de corrosion, puis par la réduction de la sectionrésistante (écaillage / éclatement) avec mise à découvert éven-tuelle des armatures, et enfin par une réduction de la capacitéde la structure localement et globalement (endommagement etadaptation plastique). Dans cette configuration, la durabilitéinitiale est donc affectée par l’incendie.

RéparationA minima, il s’agira de retrouver une stabilité suffisante de lastructure sous charges d'exploitation d’un niveau suffisant etd’assurer la protection des armatures. On peut, à l’appui d’unre-calcul de la structure, procéder à une purge du bétonendommagé et des armatures atteintes puis à une reconstitu-tion totale ou partielle de la section initiale, éventuellement àl’aide de béton projeté. La question reste posée sur la profon-deur de la purge à exécuter en fonction des températuresatteintes dans le béton (problème de la réversibilité despropriétés mécaniques lorsque la température redescend), quiconduit généralement à réaliser de nombreux carottages pouren vérifier la capacité.

Pour des niveaux d’exigences plus élevés (protection incendieet/ou durabilité), on peut être conduit à réaliser une réparationplus profonde, voire à lui adjoindre des protections et à effec-tuer une analyse du comportement au feu de la structureréparée.


Le recours à des formules de béton résistant à des températurestrès élevées, comme celles atteintes avec des feux de type hydro-carbures, est une solution innovante que peu d’ouvrages enFrance ont expérimentée. Les chantiers de la tranchée couverted’Angers et de la rocade L2 à Marseille seront les premiers à s’yessayer. Cela nécessite une étude de formulation approfondie,notamment en cas d’utilisation de fibres polypropylène, car lesdosages à incorporer sont élevés. La performance au feu doitsystématiquement être validée par un essai (délai et finance-

ment à prévoir dans le contrat de travaux). La structure doitêtre dimensionnée pour résister aux effets du feu selon lesexigences de la circulaire 2000-63 relative à la sécurité dans lestunnels routiers, sur la base de l’écaillage propre à la formule debéton testée (idéalement aucun). Avant incendie, les critères dedurabilité sont les mêmes que pour un béton traditionnel, maisaprès incendie, des réparations importantes sont à prévoir suiteà l’exposition directe de la structure.

CONCLUSION

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[1] Ministère de l’Equipement, des Transports et duLogement: "Circulaire interministérielle n°2000-63 du25 août 2000 relative à la sécurité dans les tunnels du réseauroutier national", Bulletin Officiel, septembre 2000

[2] Consolazio G.R, Mc Vay M. and Rish III J.W.,"Measurement and prediction of pore pressure in cementmortar subjected to elevated temperature" InternationalWorkshop on fire performance of high strength conc-rete NIST Gaitherburg, MD, 1997, Nist specialpublication 919, pp 125-148

[3] Bazant, Z.P., “Analysis of pore pressure, thermal stressesand fracture in rapidly heated concrete”, InternationalWorkshop on fire performance of high strength conc-rete NIST Gaitherburg, MD, 1997, Nist specialpublication 919, pp 155-164

[4] Aumond, N., " Le béton fait de la résistance au feu ",L’usine Nouvelle, n°2953, 3 mars 2005, p37

[5] Kusterle, W.; Lindbauer, W.; Hampejs, G.; Heel, A.;Donauer, P.-F.; Zeiml, M.; Brunnsteiner, W.; Dietze, R.;Hermann, W.; Viechtbauer H.; Schreiner, M..;Vierthaler R.; Stadlober H.; Winter, H;; Lemmerer J.And Kammeringer, E., “Fire resistance of fibre-rein-forced, reinforced and prestressed concrete”,Bundesministerium für verkher, innovation undtechnologie, Heft 544, Wien 2004

[6] Weltzig, V.: “Destruction mechanisms of concrete in theevent of fire and protective systems”, Tunnel 7, 2000

[7] Fellinger, J. : " Fire protection of tunnels : the dutchexperience ", présentation du TNO pour les RDV duCSTB, 5 décembre 2002

[8] Shuttleworth, P.: “Fire protection of precast concretetunnel linings on the CTRL”, Concrete, April 2001

[9] Kitchen, A.: “Polypropylene fibres reduce explosive spal-ling in fire”, Concrete, April 2001

[10] Boström, L. and Jansson, R.: “Spalling of concrete fortunnels”, SP Fire Technology, Sweden

[11] Les guides du CETU: “Comportement au feu destunnels routiers ", mars 2005

[12] Khoury, G. A.; Majorana, C. E.; Pesavento F. andSchrefler B. A.: “Modelling of heated concrete”,Magazine of Concrete Research, April 2002, vol. 54,n°2, pp 77-101

[13] Schrefler B. A; Brunello, Gawin, D.; Majorana, C. E. andPesavento F.: “Concrete at high temperature with appli-cation to tunnel fire”, Magazine of Concrete Research,April 2002, vol. 54, n°2, pp 77-101

[14] Ulm, F.J.; Acker, P.; Levy, M. : “The Channel fire II :analysis of concrete damage”, Journal of engineeringmechanics, march 99

[15] Ulm, F.J.; Coussy, O.; Bazant, Z.P. : “The Channel fire I :chemoplastic softening in rapidly heated concrete”,Journal of engineering mechanics, march 99

[16] De Witte, F.C., “DIANA-Finite Element Analysis, User’sManual release 8.1”, TNO Building and ConstructionResearch, Delft, September 2002

[17] XP ENV 1992-1.2 1995 "Eurocode 2, partie 1.2 :comportement au feu des structures en béton" (DANFrance P18-712 de 1998)

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