la résistance au feu des structures de bois

La résistance au feu des structures de bois -

Dernières recherches 1

Christian Dagenais, ing., M.Sc.

Chercheur – Systèmes de construction avancés

Conférences cecobois – 21 février 2014

Dernières recherches

La résistance au feu des

structures de bois

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Plan de la présentation

Concept de résistance au feu

Ossature de bois

Poutres et colonnes

Bois lamellé-croisé

Modèles avancés

Conclusion

2





§3.1.7.1 – Division B du CNBC 2010

1) Degré de résistance au feu (DRF) exigé pour un

matériau, un assemblage de matériaux ou un

élément structural doit être déterminé en

fonction des résultats d'essais effectués

conformément à la norme CAN/ULC-S101.

2) Il est permis d'attribuer à un matériau, un

assemblage de matériaux ou un élément

structural un degré de résistance au feu d'après

l'annexe D.

3



Temps pendant lequel un matériau ou une

construction continue de fournir, dans des

conditions déterminées d’essai et de

comportement (ULC S101):

▫ sa fonction structurale

(c.-à-d. supporter les charges, spécifiées)

▫ sa fonction séparative

(c.-à-d. empêcher le passage des flammes et

la transmission de la chaleur), ou

▫ les deux fonctions.

Critères de performance nullement reliés à la

notion de combustibilité des matériaux (ULC S114)

Résistance au feu ≠ incombustibilité

4





Critères d’évaluation selon ULC S101

R : assure une stabilité structurale suffisante

E et I : limite la propagation du feu au-delà de son point d’origine

5

Résistance mécanique

(R)

Intégrité

(E)

Isolation

(I)

Cloison / porte

Mur porteur

Plancher / plafond

Poutre

Colonne

Vitrerie



6





7



8





9



10





§1.2.1.1 – Division A du CNBC 2010

Conformité au CNBC doit être réalisé par

1) la conformité aux solutions acceptables

pertinentes de la division; ou

2) l'emploi de solutions de rechange permettant

d'atteindre au moins le niveau minimal de

performance exigé par la division B.

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Ossature de bois

DRF majoritairement fourni par l’emploi de 1

(ou 2) gypse Type X ou Type C

Assemblages génériques (Annexes D-2.3)

Assemblages propriétaires (selon fabricants)

Pas de calculs structuraux à réaliser

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Ossature de bois

Révision de la méthode fondée sur la somme

des éléments contribuants (Annexe D-2.3)

▫ Prévue pour le CNBC 2015

▫ Nouvelles configurations d’assemblages

▫ Ajout des poutrelles en I et ajourées/à plaques

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Ossature de bois

Tableau D-2.3.4.A (murs) - RÉVISÉ

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Type de paroi Temps, en min

Porteur Non-porteur

Contreplaqué D-Fir de 11 mm, résine phénolique - 10 (1)

Contreplaqué D-Fir de 14 mm, résine phénolique - 15 (1)

1 Gypse Type X de 12,7 mm 25 (2) 25

1 Gypse Type X de 15,9 mm 40 (2) 40 (3)

2 Gypses Type X de 12,7 mm (4) 50 80

(1) Murs non-porteurs avec vides entre poteaux remplis d'isolant en fibres minérales. (2) Murs à ossature de bois. (3) Murs à ossature métallique. (4) Barres résilientes permises, lorsqu’installées au 400 mm, sans effet sur le DRF du mur.




Ossature de bois

Tableau D-2.3.4.B (planchers) - NOUVEAU

15

Type de paroi Barres résilientes

Temps, en min

Solives en

bois ou

métalliques

Solives

ajourées

métalliques

1 Gypse Type X de 12,7 mm

1 Gypse Type X de 15,9 mm ≤ 400 mm (3) 25

40

-

-

1 Gypse Type X de 12,7 mm

1 Gypse Type X de 15,9 mm -

25 (4)

40 (4)

25

40

2 Gypses Type X de 12,7 mm ≤ 400 mm (5) 50 -



(3) Barres résilientes doivent être installées afin d’atteindre le DRF. (4) Applicables aux solives de bois et solives ajourées à connecteurs métalliques.


Ossature de bois

Tableau D-2.3.4.C (toits) - NOUVEAU

16


1 Gypse Type X de 12,7 mm 25


(1) Applicable aux solives en bois, ajourées à connecteurs métalliques et ajourées

métalliques avec support de plafond, ≤ 400 mm.




Ossature de bois

Tableau D-2.3.4.E (murs) - NOUVEAU

17

Type d’ossature Temps, en min

Porteur Non-porteur

Poteaux de bois ≤ 400 mm 20 20

Poteaux de bois ≤ 600 mm 15 15

Poteaux de tôle d'acier ≤ 400 mm 10 10

Poteaux de tôle d'acier ≤ 600 mm 10 -


Ossature de bois

Tableau D-2.3.4.F (plancher/toits)-NOUVEAU

18

Type

d’ossature Élément structural

Temps,

en min

Plancher (1)

Solives de bois, en I, ajourées et c. métalliques ≤ 600 mm

Solives ajourées métalliques avec support de plafond

espacés ≤ 400 mm

10 (2)

Toit

Solives de bois ≤ 400 mm

Solives ajourées métalliques avec support de plafond

espacés d’au plus 400 mm

Fermes de toit à connecteurs métalliques ≤ 600 mm

10

10

5

(1) Barres résilientes permises sans effet sur le DRF. (2) Applicable aux éléments structuraux de plancher protégés seulement.




Ossature de bois

Consortium de recherches CNRC/CWC/FPI

▫ Évaluation de la performance de la construction

combustible dans les bâtiments de 5 et 6 étages

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Mur Montant Espacement

(mm)

Panneau

OSB

Barre

résiliente

Résistance

au feu

# 1 38 x 89 mm

(2x4) 406

Côté non-

exposé -

> 60 min.

# 2 3 - 38 x 89 mm

(3 - 2x4) 406 -

Côté

exposé

# 3 38 x 89 mm

(2x4) 102 -

Côté

exposé

# 4 38 x 89 mm

(2x4) 406 - -

# 5 38 x 140 mm

(2x6) 406

Côté non-

exposé -


Ossature de bois

Consortium de recherches CNRC/CWC/FPI

20

Photo: CNRC




Poutres et colonnes

Méthode développée par FPInnovations

▫ Applicable au bois massif, lamellé-collé et

composite (SCL)

▫ Approche mécanique (≈ NDS et EC5)

▫ Valide pour flexion, compression et traction

▫ Prédictions sont plus adaptées aux essais

Applicable pour DRF au-delà de 45 min.

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Poutres et colonnes

22

Images: A. Buchanan

Exposition

sur 3 faces

𝑏𝑓 = b − 2c = b − 2 (β ∙ 𝑡 + 𝑑0)

𝑑𝑓 = d − c = d − (β ∙ 𝑡 + 𝑑0) 𝑑0 =

7 ∙𝑡

20, 𝑡 ≤ 20 𝑚𝑖𝑛

7 𝑚𝑚, 𝑡 > 20 𝑚𝑖𝑛




Poutres et colonnes

Équations structurales de CSA O86

▫ Utilisation des charges spécifiées (ex: D+L)

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Poutres et colonnes

Exemple : Colonne en BLC 12c-E Épinette

▫ 228 mm x 304 mm x 3,6 m (surf. trib. 29,3 m²)

▫ Surcharge = 3,0 kPa

▫ Charge permanente = 2,2 kPa

▫ Exposée au feu sur les 4 faces

▫ Conditions « normales »

24

𝑓𝑐 = 25,2 𝑀𝑃𝑎

𝐸 = 9 700 𝑀𝑃𝑎

𝑃𝑓 = 212,4kN

𝑃𝑓

𝑃𝑟= 0,24

𝑃𝑟 = 893,7 𝑘𝑁




Poutres et colonnes


▫ Conditions « incendie » (besoin de 1 h de DRF)

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𝑥𝑐 = 𝛽𝑡 = 0.7𝑚𝑚

𝑚𝑖𝑛× 60 𝑚𝑖𝑛 = 42.0 𝑚𝑚

𝐵𝑓𝑖𝑟𝑒 = 𝐵𝑐ℎ𝑎𝑟 − 2𝑥𝑡 = 𝐵 − 2 𝑥𝑐 + 𝑥𝑡 = 228 − 2 ∙ 42.0 + 7 = 130 𝑚𝑚

𝐷𝑓𝑖𝑟𝑒 = 𝐷𝑐ℎ𝑎𝑟 − 𝑥𝑡 = 𝐷 − 𝑥𝑐 + 𝑥𝑡 = 304 − 2 ∙ 42.0 + 7 = 206 𝑚𝑚

𝐴𝑒𝑓𝑓,𝑓𝑖 = 𝐵𝑓𝑖𝑟𝑒𝐷𝑓𝑖𝑟𝑒 = 130 ∙ 206 = 26 780 𝑚𝑚²


Poutres et colonnes



26

𝑃𝑟,𝑓𝑖 = 𝜑 𝐹𝑐 𝐴𝑒𝑓𝑓,𝑓𝑖 𝐾𝑍𝑐𝑔 𝐾𝐶,𝑓𝑖

𝐾𝑍𝑐𝑔 = 𝑚𝑖𝑛1.0

0,68 ∙ 0,228 ∙ 0,304 ∙ 3,6 −0,13 = 0,81= 0,81

𝐶𝑐,𝑓𝑖 =𝐿𝑒

𝐵𝑓𝑖𝑟𝑒=

3 600

130= 27,7

𝐾𝑐,𝑓𝑖 = 1.0 +𝐹𝑐𝐾𝑍𝑐𝑔𝐶𝑐,𝑓𝑖

3

35𝐸𝐾𝑆𝐸𝐾𝑇

−1

= 1 +25,2 ∙ 1,35 ∙ 1,15 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 0,81 ∙ 27,73

35 ∙ 9 700 ∙ 1,0 ∙ 1,0

−1

= 0,335




Poutres et colonnes



27

𝑃𝑟,𝑓𝑖 = 𝜑 𝐹𝑐 𝐴𝑒𝑓𝑓,𝑓𝑖 𝐾𝑍𝑐𝑔 𝐾𝐶,𝑓𝑖

= 1,0 ∙ 25,2 ∙ 1,35 ∙ 1,15 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 1,0 ∙ 26 780 ∙ 0,81 ∙ 0,335 = 284,3 𝑘𝑁

𝑃𝑓,𝑓𝑖 = 3,0 𝑘𝑃𝑎 + 2,2 𝑘𝑃𝑎 ∙ 29,3 𝑚2 = 152,4 𝑘𝑁

𝑃𝑓,𝑓𝑖

𝑃𝑟,𝑓𝑖= 0,54 < 1,0 → 𝑜𝑘 CNBC → 67 min.

Cette méthode → 74 min.


Bois lamellé-croisé (CLT)

Modèle canadien développé en 2011

▫ Données limitées

▫ Fonction structurale (R) seulement

Modèle US développé en 2013

▫ Plusieurs essais réalisés et analysés

▫ Fonction structurale (R)

▫ Fonction séparative (E I)

28





29



30





31

Four d’essais au feu des planchers au CNRC à Ottawa



32

Four d’essais au feu des planchers au CNRC à Ottawa





33

Four d’essais au feu des murs au CNRC à Ottawa



34

Four d’essais au feu des murs au CNRC à Ottawa





35



36

Mode de rupture

des planchers

→Intégrité* (joint panneau-à-panneau)

Mode de rupture

des murs

→Effets P-D





Vitesse de combustion par étapes

▫ Fonction de l’épaisseur des lamelles, d

▫ Couche « chauffée » (d0) réinitialisée à chaque

plan de collage

37

𝛽0 𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛 = 0,65 𝑙𝑜𝑟𝑠𝑞𝑢𝑒 𝑑 ≥ 35 𝑚𝑚

0,65 𝑑/35 𝑙𝑜𝑟𝑠𝑞𝑢𝑒 𝑑 < 35 𝑚𝑚



Protection par du gypse Type X

38




2 Gypses Type X de 12,7 mm 40

2 Gypses Type X de 15,9 mm 60

Membranes protectrices de panneaux de gypse doivent être fixées directement au bois CLT à l’aide de vis

à cloison sèche de type S vissées à une profondeur d’au moins 25 mm (1 po) dans les éléments de bois

et espacées de 305 mm de centre à centre le long du périmètre et sur l’ensemble de la surface. Les vis

doivent être placées à au moins 38 mm des bords des panneaux.





Résistance mécanique (R)

39

Étape 1: Calculer la couche de carbonisation (dchar) en fonction de la

durée d’exposition recherchée (fonction de l’épaisseur des lamelles)




40

Étape 2: Déterminer la section résiduelle effective

Dfire = D – dchar – dheat






41

Étape 3: Localiser l’axe neutre et calculer les propriétés de la section

résiduelle réduite (Aeff, Seff and Ieff)




42

Étape 4: Calculer et comparer la résistance résiduelle

à la charge appliquée (Mf ≤ MR ?)





Critère d’intégrité (E)

43

𝑡𝐸 = 0,35𝐻

𝛽0



Critère d’isolation (I)

44

925°C

41°C

664°C

293°C

58°C

21°C





Critère d’isolation (I)

45



46




Modèles avancés

Modèles informatiques

▫ Doivent être calibrés et validés par essais réels

▫ Propriétés des matériaux aux températures

élevées (100 à 1000°C, et plus)

- Densité

- Chaleur spécifique

- Conductivité thermique

- Résistance mécanique en fonction de température

- Autres

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Modèles avancés


▫ Dynamique computationnelle des fluides

(computational fluid dynamic, CFD)

- Permet de quantifier

divers paramètres

de combustion,

transfert de masse,

de fumée, etc.

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Modèles avancés


▫ Éléments finis

- Transfert thermique (constant ou transitoire)

- Résistance structurale (contrainte/déformation)

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Modèles avancés


50




15 min

Modèles avancés


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21,7 min 52 min 90 min Modélisation vs. Essais réels Temps à isotherme 250°C

GB/GB 22 min - 21@23 min

GB/Stud 50 min - 47@52 min


Conclusion

Charpentes en bois peuvent procurer un tout

aussi bon comportement en situation

d’incendie que les autres matériaux

Résistance au feu ≠ Incombustibilité !!!

Construction massive en bois et en CLT

nécessitent un travail étroit avec l’ingénieur

en structure

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Conclusion

CNBC fournit une quantité limitée de

méthodes de calcul du DRF pour les

charpentes en bois

▫ Approches prescriptives…et « désuètes »…

D’autres méthodes de calculs sont

disponibles…

…mais pas directement reconnues dans le CNBC…

…donc en support aux solutions de rechange.

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