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Intervenant - date
Les conséquences des
incendies sur les structures
en béton armé
Loïc DIVET
Colloque « Le Pont » - Toulouse les 8 et 9 octobre 2013
Intervenant - date
Les dégradations de béton par incendie sont rares pour les ouvrages
d’art et affectent davantage les bâtiments
Il existe néanmoins quelques cas d’incendie de camions sous des
ponts en béton qui ont provoqué un endommagement significatif du
matériau
Ponts réseau concédé (~10/an - P. Trouillet)
Introduction
Les poids lourds (avec les matières inflammables
qu’ils transportent) constituent le facteur déterminant
du risque incendie
Intervenant - date
Des incendies importants dans les tunnels :
La Manche (1996), Mont Blanc (1999), Tauern (1999),
Gothard (2001), Fréjus (2005), La Manche (2008)
Introduction
Intervenant - date
Le domaine de la construction utilise des courbes normalisées pour
vérifier le comportement des structures
Courbe CN : courbe normalisée utilisée dans le bâtiment (15’ T=750°C)
Courbe HCM : Courbe dite Hydrocarbure Majorée pour prendre en compte les
feux d’hydrocarbures
Comportement des structures aux incendies
Courbes normalisées
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Temps (min)
Tem
péra
ture
(°C
)
CN HCM
Montée en température
des gaz au cours d’un
incendie
(15’ T=1300°C)
Intervenant - date
Le transfert de chaleur se fait de l’incendie vers le matériau par
l’intermédiaire d’un flux de chaleur
Ce flux entraîne une élévation de température du matériau liée à sa
capacité calorifique et à sa conductivité thermique
Comportement des structures aux incendies
Profondeur (mm)
Température (°C)
Dalle béton de 20 cm soumise à un
incendie « CN »
Profil de température toutes les 10 min
Intervenant - date
Selon la durée de l’incendie les dégâts apparents sur un élément
en béton prendront successivement les aspects suivants :
un écaillage superficiel de profondeur centimétrique se
propageant plus ou moins profondément jusqu’aux armatures
une chute des caractéristiques mécaniques des
armatures de surface, leur dilatation et ses conséquence :
perte d’adhérence
éclatement du béton d’enrobage
une décohésion généralisée du béton et la ruine totale de
l’ouvrage.
Les désordres sur ouvrages
Intervenant - date
Classification des désordres sur ouvrages
Disparition du béton d’enrobage
Armatures visibles
Intervenant - date
Le diagnostic
Mesures in situ
scléromètre (dureté superficielle)
auscultation sonique
…
Essais en laboratoire
mesure de la fréquence de
résonnance (module d’élasticité)
analyses minéralogiques
…
Intervenant - date
Profil de dégradation – cartographie iso-vitesses
- Béton sain Vitesse : 4500 m/s
- Béton très dégradé proche du foyer Vitesse : 1000 m/s
Auscultation sonique
Intervenant - date
L’élévation de température du béton suite à un incendie entraîne un
certain nombre de transformations :
- physico-chimiques
- minéralogiques
- microstructurales
Ces transformations vont alors conduire à un changement des
propriétés du béton :
- mécaniques
- de transfert (porosité et perméabilité)
Les conséquences sur le béton sont :
- Un écaillage et un éclatement du béton
Comportement du béton à l’incendie
Intervenant - date
Transformations physico-chimiques 3 composantes : l’eau, la pâte de ciment et les granulats
20°C
80°C
450°C
570°C
700°C
1100°C
Début du départ de l’eau libre contenue dans les pores
Début du départ de l’eau de constitution des hydrates du ciment
Fissuration de certains granulats siliceux (silex puis granite)
Fissuration des granulats de quartz (dilatation)
Décarbonatation des granulats calcaires (CaCO3 CaO + CO2)
Début de la fusion de certains granulats avec la pâte de ciment
Intervenant - date
Aspect normal d’une pâte de
ciment n’ayant pas subi
d’échauffement
Transformations physico-chimiques
Matrice cimentaire d’aspect vitreux et forte porosité T > 1000°C
Intervenant - date
Perte de masse d’échantillons de béton chauffé à une vitesse de 1°C/min (Noumowé, 1996)
Perte de masse au cours de l’échauffement du béton
Transformations physico-chimiques
Perte de masse importante entre 150 et 400°C
un transfert d’eau élevé (vaporisation)
coïncide avec les fortes pressions
Intervenant - date
Evolution de la porosité en fonction de la
température (Noumowé et al., 1995)
BO : Rc = 38 Mpa
BHP : Rc = 61 MPa
Elles augmentent avec la température
Evolution de la perméabilité apparente
aux gaz avec la température
(Tsimbrovska, 1998)
Porosité Perméabilité aux gaz
Evolution des propriétés de transfert
Intervenant - date
Résistance en compression du béton
Evolution de la résistance résiduelle à la
compression selon Pliya et al., 2012
Evolution des propriétés mécaniques
Résistance à la compression
Evolution du module résiduel relatif
d’élasticité selon Pliya et al., 2012
Module d’élasticité
Température critique
Intervenant - date
Le comportement au feu : un phénomène d’écaillage et d’éclatement du béton
lié à un problème thermo-hygro-mécanique
Mécanisme d’altération par incendie
Intervenant - date
L’échauffement du béton entraîne sa dilatation et la
vaporisation de l’eau d’abord libre puis chimiquement liée
Établissement d’un gradient de pression de vapeur d’eau
dans le réseau poreux appelé processus thermohydrique
Harmathy 1965, Anderberg 1997
Mécanisme d’altération par incendie
La présence d’un gradient thermique conduit à un
empêchement de dilatation partiel, générateur de contraintes
mécaniques internes
Appelé processus thermomécanique
Bazant 1197, Ulm 1999
2 processus à l’origine de l’écaillage et de l’éclatement du béton :
Intervenant - date
En cas d’échauffement, le béton subit :
Une évolution physico-chimique (changement des
phases, mouvements d’eau)
Une évolution microstucturale (augmentation de la
porosité et de la perméabilité)
Une évolution des propriétés mécaniques (diminution)
La dégradation du béton se caractérise par :
Le détachement d’écailles
L’éclatement d’éléments de structure
Conclusion
Intervenant - date
Le comportement du béton à l’incendie est fonction de :
la sollicitation thermique (vitesse d’échauffement et
température atteinte)
la forme de l’élément
la densité d’armatures
la compacité du béton
l’état hydrique du béton
la nature des granulats
Conclusion
Intervenant - date
Conclusion
Des solutions existent pour améliorer la tenue des bétons aux incendies :
Mise en place d’une protection (couche isolante)
matériaux à forte chaleur lente endothermique (déshydratation ou
décarbonatation)
Gypse (150°C), Hydroxyde de calcium (400°C), carbonate de calcium (900°C)
Sous forme d’enduits ou en panneaux préfabriqués
Modification de la microstructure du materiau par
ajout de fibres organiques
fibres de polypropylène
température de fusion = 160°C
La chaleur fait fondre les fibres et l’espace qu’elle occupaient constitue
un réseau de drains permettant à l’eau libre du béton de s’échapper sous
forme de vapeur
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