1.  Résistance de l’acier face aux incendies

1.1  Généralités /problèmes des hautes températures:

Si l’acier est un matériau très utilisé dans la construction grâce a ses bonnes caractéristiques mécaniques, il peut toutefois poser de gros problèmes de résistance lorsqu’il est soumis à de fortes températures, typiquement lors des incendies. Il peut perdre une bonne partie de ses propriétés mécaniques (rigidité et résistance notamment, voir Fig 2 ) qui font justement de lui, en conditions normales, ses atouts. Attention donc aux conséquences que cela peut avoir dans un domaine comme la construction.

L’acier est considéré comme incombustible, c’est-à-dire qu’il ne participe ni au développement ni à la propagation de l’incendie, et ne produit aucune fumée. Une augmentation de la température d’un acier se traduit par une diminution de son module de Young et de sa limite élastique. Sa résistance décroit assez vite à partir de 400°C et vers 550°C sa limite élastique a déjà diminué de moitié (voir Fig 1). La structure des aciers varie notamment avec la température et la teneur en carbone. Pour une quantité de carbone comprise entre 0,022% et 2,11% (respectivement « limite d’influence » et « limite acier-fonte ») :

  • Jusqu’à 727°, on a affaire a un mélange de ferrite (structure cubique centrée) et de cémentite.
  • Après 727°, le fer a une structure cristalline nommée austénite (cubique à faces centrées).




Fig 1: Variation du module de Young et de la limite élastique en fonction de la température (acier S235)




Fig 2: Valeurs relatives de la résistance et de la rigidité en fonction de la température





• Poutres hyperstatiques : 570°C
• Poutres isostatiques et éléments tendus : 540°C
• Eléments comprimés : 500°C
• Eléments soumis à la flexion et à la compression axiale : 500°C

Ce sont ces températures critiques qu’il ne faudra pas dépasser, pour conserver la stabilité nécessaire de la structure, après quoi, la ruine se produit. On voit bien ici que l’hyperstaticité peut être un avantage (point de vue stabilité) dans les structures sous hautes températures. Bien choisir sont type d’acier a son importance. Certains auront ,en effet, un meilleur comportement à haute température, par exemple l’inox, qui garde de bonnes propriétés mécaniques jusque 600°.









1.2  Avantages/inconvénients de l’acier face aux incendies:

Avantages :

  • Un bon point pour les calculs de résistances aux incendies est que l’acier est facilement prévisible. On peut ainsi prévoir et suivre l’évolution des structures d’acier soumis au feu, avantage indéniable pour les services de pompiers, et cela grâce notamment aux nombreuses données précises obtenues expérimentalement au fil du temps.
  • La bonne ductilité (déformation et ingestion d’énergie sans rupture) présentant un allongement voisin à 20% (pour les acier couramment utilisés en construction) est également un point important.
  • Il a la faculté de pouvoir retrouver ses performances d’origine après refroidissement (sécurisant après extinction de l’incendie).
  • Matériau homogène (propriété identique en tout point).
Inconvénients :

  • Conductivité thermique élevée (45 W·m-1·K-1) qui engendre une élévation rapide de la température interne et donc une propagation de chaleur.
  • Tendance à perdre assez vite ses propriétés mécaniques avec la température.



1.3  Quantifications/calculs :

  • La résistance au feu du matériau est exprimée en fonction du temps d’exposition à l’incendie, c’est en fait le temps maximum pendant lequel la structure (soumise a une charge déterminée) peut assumer sa fonction. Ainsi, on dira par exemple qu’une ossature caractérisée R30 aura une stabilité au feu de 30 minutes (en général, les aciers non protégés peuvent atteindre le degré R30).
  • Dans les cinq familles (M4->M0) classant les matériaux en fonction de leur pouvoir calorifique, l’acier fait partie des ininflammables/incombustibles (M0)
  • Pour dimensionner une structure en acier en tenant compte des risques d’incendie, il faut utiliser les calculs de résistance a température normale et additionner le déficit de résistance en fonction de la température.

Fig 3: Facteur de massivité en m-1
  • La température atteinte par l’acier dépendra notamment de sa massivité : m= (masse linéique) / (surface exposée linéique)

On utilise souvent le terme « facteur de massivité » = (périmètre exposé au feu) / (section)

  • La température critique de l’acier peut être calculée grâce au développement (avec son lot de difficultés) de la formule :
Avec µ0: taux d’utilisation.

NB : on peut néanmoins se référer aux valeurs forfaitaires des températures critiques données plus haut.



  • La température atteinte en fonction du temps, lors d'un incendie standard(ISO834), est donnée par les valeurs :

5 min: 576°C
10 min: 678 °C
30 min: 842 °C
60 min: 945 °C
90 min: 1006 °C
120 min: 1049 °C
240 min: 1153 °C





1.4  Solutions d’amélioration :

Fort heureusement, des solutions existent (outre le surdimensionnement de la massivité) pour améliorer la résistance aux éventuels incendies, pour autant que ces mesures soit inclues dès le départ dans la conception, on aura donc par exemple :

  • Les construction mixte : associer béton et acier sous forme de fibre (acier ~2% en masse) ou de d’acier traditionnel (voir Fig 3), améliore nettement la résistance générale vu la bonne robustesse du béton à la compression et de l’acier à la traction. Ces ossatures mixtes peuvent avoir une stabilité au feu allant jusqu'à plus de 2h (pour les poutres en « H » ou les tubes creux). Conseil pratique: perforer la section supérieure de la colonne, ce qui permet à la vapeur d’eau produite de s’échapper, évitant une surpression.
  • Enduis/crépis ou peintures dits « intumescents ».
  • Par plaques (isolantes) soit sous forme de caisson englobant, soit en suivant le contour de la structure.
  • Par intégration dans les éléments de séparation (façades, cloisons, plafonds).
  • Dans le cas des immeubles à étages, il peut être intéressant de placer une structure à l’extérieur du bâtiment (~120 minutes de résistance au feu), on prévoira tant que possible, d’éloigner les structures d’acier des fenêtres ,histoire de diminuer la probabilité qu’elles atteignent la température critique (dans la mesure du possible, garder un angle de maximum 45° entre la fenêtre et la colonne). L’air extérieur permet d’évacuer la chaleur par rayonnement. Dans ce cas, des colonnes en acier inoxydable sont souvent plus appropriées, offrant une meilleure résistance au feu et une durabilité dans le temps accrue, ce qui compense la différence de prix de ce type de matériau.
  • Par flocage (projection d’un mélange + liant)
  • Par irrigation où de l’eau froide circule au sein des profils creux.
  • ...

En conclusion, on peut trouver sur le marché de nombreuses protections passives telles que celles citées, ainsi qu'encore d’autres techniques pouvant diminuer la vitesse d’échauffement de la matière lors d'un incendie.

1.5  Sources :

Joël Kruppa, Securite Incendie Des Ouvrages en Structures Matalliques http://www.scribd.com/doc/7177739/Securite-Incendie-Des-Ouvrages-en-Structures-Matalliques

http://www.infosteel.be/fr/feu01_notionsdebase.php
http://www.crit.archi.fr/Web%20Folder/acier/Chapitre%203/3.6%20ComportementAufeu.html
http://www.szs.ch/user_content/editor/files/Publikationen/m1_brandschutz_fr.pdf
http://www.promat.fr/pages/reglementation-structures.html\\