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

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Des incendies importants dans les tunnels :

La Manche (1996), Mont Blanc (1999), Tauern (1999),

Gothard (2001), Fréjus (2005), La Manche (2008)

Introduction

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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)

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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

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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

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Classification des désordres sur ouvrages

Dépôts de suie

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Classification des désordres sur ouvrages

Ecaillage superficiel

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Classification des désordres sur ouvrages

Disparition du béton d’enrobage

Armatures visibles

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Classification des désordres sur ouvrages

Armatures totalement dégagées

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Le diagnostic

Mesures in situ

scléromètre (dureté superficielle)

auscultation sonique

…

Essais en laboratoire

mesure de la fréquence de

résonnance (module d’élasticité)

analyses minéralogiques

…

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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