Plafond voûté en maçonnerie protégé par un enduit coupe-feu

L’une des difficultés rencontrées en pratique dans la prévention incendie concerne la certification de la résistance au feu des plafonds voûtés en maçonnerie avec poutrelles métalliques et, plus généralement, des voûtes de tout type.

Qu’il y ait ou non des mesures de protection passive contre l’incendie, pour certifier un élément constructif, trois approches méthodologiques sont autorisées — comme on le sait — par l’Arrêté ministériel du 16 février 2007 :

• Méthode des tableaux
• Méthode expérimentale
• Méthode analytique

Dans ce cas précis, la méthode des tableaux doit d’emblée être exclue, puisque ce type de construction ne figure pas parmi les structures mentionnées dans l’arrêté. La méthode expérimentale pourrait être envisagée, à condition qu’il existe sur le marché une solution de protection passive testée dans des laboratoires accrédités spécifiquement sur ce type de construction. Une telle recherche aboutira toutefois presque certainement à un résultat négatif, car il faudrait trouver une solution testée sur un type de bâtiment identique ou très similaire au cas étudié.

La méthode analytique est donc sans aucun doute la méthode indiquée pour ce type de structure. Cette approche peut être appliquée en effectuant des calculs selon les annexes nationales aux Eurocodes, comme l’exige la circulaire 5642 du 31/03/2010.

Selon cette méthode, l’élément peut être certifié selon trois solutions, en fonction de la classe de résistance au feu requise :

• Aucune protection
• Protection passive partielle de l’élément
• Protection passive totale de l’élément

EXEMPLE PRATIQUE : UN PLAFOND VOÛTÉ EN BRIQUE PROTÉGÉ PAR UN ENDUIT COUPE-FEU

L’exemple choisi dans cet article concerne une typologie structurelle fréquemment rencontrée dans les entrepôts portuaires et, plus généralement, dans les constructions industrielles et commerciales de l’Italie d’autrefois. De telles structures se retrouvent également souvent dans des bâtiments historiques et patrimoniaux.

Leur comportement structurel est clair : elles sont constituées d’un cadre secondaire de petites voûtes en brique, disposées par segments à faible courbure, générant un comportement purement comprimé plutôt qu’un comportement fléchissant vers les appuis. Ces appuis sont des poutrelles métalliques qui constituent l’ossature porteuse primaire du plancher-plafond. La poussée de chaque petite voûte est compensée par une force égale et opposée provenant des deux voûtes adjacentes.

Compte tenu de ce comportement structurel, il est évident que l’évaluation structurelle en cas d’incendie doit considérer à la fois le comportement de la poutrelle métallique faisant office d’appui et celui des petites voûtes en brique elles-mêmes.

Pour les petites voûtes, l’évaluation à haute température s’appuie sur l’analyse du comportement à température ambiante (la « théorie de l’arc comprimé ») et sur les études les plus récentes relatives au comportement thermique des éléments courbes à haute température.

Il est expressément indiqué que l’on considère ici une situation où le plancher est protégé par 1,5 cm d’enduit coupe-feu PROTHERM LIGHT, des analyses antérieures ayant montré que la voûte non isolée ne satisfaisait pas aux exigences de résistance au feu.

ANALYSE DES CHARGES

À titre d’illustration, la Figure 2.1 présente l’image suivante, qui montre le type de structure étudié.

Pour les calculs, les charges en service et les actions de projet sur le plancher sont définies, comme spécifié dans la norme technique en vigueur (NTC2018). Il est souligné que, pour les vérifications de résistance au feu, il convient d’appliquer la règle de combinaison exceptionnelle.

Les charges en service sont définies comme suit :

• G1 (charges des éléments structurels permanents – NTC2018) : poids propre des éléments structurels ;
• G2 (charges des éléments non structurels permanents – NTC2018) :
• Remblai : 0,4 kN/m²
• Constitution de plancher – couche de base : 1,0 kN/m²
• Constitution de plancher – couche de finition : 0,5 kN/m²
• Q (charge variable) :
• catégorie B1 : 2,0 kN/m²

MÉTHODE DE CALCUL

Comme indiqué dans l’introduction de cet article, la méthode de calcul appropriée est la méthode analytique.

L’évaluation par le calcul est réalisée selon les critères fixés dans l’EN 1996-1-2, et repose sur des considérations structurelles relatives au comportement au feu des éléments en arc, développées au cours des dernières décennies.

L’analyse de la dégradation des matériaux est relativement simple grâce aux données disponibles dans l’Eurocode. Pour le matériau brique, la norme recommande d’éliminer l’épaisseur complète de la section résistante qui atteint des températures supérieures à 600 °C, et d’appliquer un facteur de réduction inférieur à 1 à la couche située entre 600 °C et 100 °C.

Cela permet — même sans intégrer l’équation de transfert thermique ni établir un modèle thermique via un logiciel de calcul non linéaire — de comprendre les températures atteintes à l’intérieur de la section après 30, 60, 90 ou 120 minutes d’exposition.

Dans ce cas spécifique, il n’a pas été possible d’utiliser les données de la Figure 2.2, puisque la voûte en brique à l’intrados — c’est-à-dire du côté exposé au feu — est revêtue d’une couche d’enduit Protherm Light, qui constitue une protection contre la charge d’incendie.

Pour cette raison, une analyse thermique a été menée dans des conditions de matériau non linéaires, à l’aide d’un logiciel à éléments finis.

ANALYSE THERMIQUE

L’analyse thermique a été réalisée conformément aux lignes directrices de l’Eurocode EC1 Partie 1-2.

La Figure 2.3 présente la courbe ISO 834 utilisée pour l’analyse, tandis que la Figure 2.4 montre l’évolution de la conductivité thermique, de la chaleur spécifique et de la densité en fonction de la température.

Il est souligné que la validation du modèle thermique proposé a été confirmée par une comparaison des résultats issus de l’Eurocode 6 Partie 1-2, figure C.3(a), avec ceux du modèle éléments finis sans contribution protectrice de la couche d’enduit.

La Figure 2.5 illustre le modèle mathématique tel qu’introduit dans le logiciel FEM, et la Figure 2.6 les conditions aux limites du côté intrados du modèle.

Les résultats sont présentés pour le pas de temps t = 5 400 secondes (90 minutes) d’exposition à la courbe temps/température ISO 834.

Afin de faciliter la visualisation des zones présentant des températures supérieures respectivement à 100 °C et 600 °C, une limite de température a été fixée dans les résultats. Cette limite fait en sorte que toutes les parties dépassant le seuil défini soient affichées en blanc.

Autrement dit : dans la Figure 2.7, toutes les zones atteignant des températures supérieures à 100 °C sont affichées en blanc, tandis que dans la Figure 2.8, les zones au-dessus de 600 °C apparaissent en blanc.

ANALYSE STRUCTURELLE

Après l’achèvement de l’analyse thermique, il est nécessaire de développer l’étude et l’analyse des effets de dilatation non homogène et des contraintes internes au sein de la partie résistante de la section. Ce phénomène est dû au chauffage différentiel de la section transversale, qui induit des contraintes dans la structure. Le calcul des lignes de pression et des charges de rupture du matériau brique, en vue de démontrer la résistance au feu des petites voûtes, sort du cadre du présent article.

Sur la base des calculs effectués, il peut être constaté que les petites voûtes du plancher, telles qu’elles sont dans l’état existant, protégées par 1,5 cm d’enduit Protherm Light, satisfont au critère REI 60.

Cependant, pour pouvoir certifier l’ensemble du plancher conforme à l’exigence REI 60, les poutrelles métalliques doivent également posséder la même résistance au feu. Pour ces éléments, une procédure de certification expérimentale a été suivie.

Un calcul analytique aurait également pu être réalisé pour ces composants, mais la méthode expérimentale s’est avérée plus rapide et plus sûre.

L’application de l’enduit PROTHERM LIGHT a été effectuée sur la seule partie exposée au feu, à savoir la face inférieure de l’aile inférieure. Comme on peut le voir, le reste du profilé métallique est protégé par les petites voûtes en brique qui reposent sur l’aile inférieure.

La méthode expérimentale pour le moyen de protection choisi utilise les rapports d’essais propres au produit. S’agissant d’un enduit coupe-feu, la norme applicable est l’EN 13381-4.

En utilisant le rapport d’essai du produit, l’épaisseur de couche requise peut être déterminée et ce même rapport peut servir de référence pour garantir la résistance au feu requise.

Pour ce cas spécifique et le produit de protection identifié, le Tableau 2.1 indique l’épaisseur d’enduit nécessaire.

CONCLUSIONS

Sur la base de ce qui précède, il a été possible d’obtenir un certificat de résistance au feu REI 90 pour le plafond voûté étudié. Cela a été atteint grâce au traitement de l’intrados dans son intégralité avec l’enduit coupe-feu Protherm Light. Il est en outre conclu que la méthode analytique appliquée est la solution la plus appropriée pour ce type de construction de plancher, puisqu’il n’existe pas d’essais spécifiques pour cette configuration technique.

Il est rappelé qu’il est toujours possible d’effectuer un essai de feu spécifique pour un système constructif donné, mais il est évident que cela implique des limites d’application. Il est souligné que, dans le recours à cette méthode, il convient d’appliquer des enduits coupe-feu de haute qualité — afin d’éviter des épaisseurs excessives, et parce que ce type de produits, à épaisseur égale, ajoute moins de poids par m². Les Figures 3.1 et 3.2 présentent deux images de l’analyse thermique réalisée avec un logiciel FEM.