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Dept.GC I Cours : Sécurité Incendie I Option : M2 Bâtiment Chapitre 3 Action de

Dept.GC I Cours : Sécurité Incendie I Option : M2 Bâtiment Chapitre 3 Action de Thermique 1. Introduction Ce chapitre concerne le transfert de chaleur venant de l'incendie vers les éléments de structures métalliques. Les actions thermiques correspondent à la montée de température des gaz chauds au sein du local et sont dominées par les conditions de transfert de chaleur à la surface des éléments de construction. Sous l'impact des actions thermiques, les températures des structures augmentent. Ce phénomène est appelé « transfert de chaleur » et conduit potentiellement à la dilatation thermique et la détérioration des propriétés mécaniques dans les parties échauffées de Ia construction 2. Types de transfert de chaleur- lois de transfert thermique Il existe 3 mécanismes de base de transfert de chaleur, conduction, convection et radiation qui peuvent agir séparément ou tous ensembles selon les circonstances qui s'y prêtent : o Conduction C'est un mécanisme de transfert thermique dans les matériaux solides et l'échange d'énergie s'effectue à un niveau moléculaire. C'est un facteur important dans l'ignition des surfaces solides et dans la résistance au feu des éléments structuraux. r Convection C'est un transfert de chaleur à f interface entre le fluide (gaz chaud) et la surface de l'élément solide ou pièce métallique. C'est un facteur important pour la propagation de la flamme dans le transport en hauteur de la fumée et des gaz chauds. o Radiation C'est un transfert de chaleur et un échange d'énergie par ondes électromagnétiques qui peuvent être transmises, absorbées ou réfléchis à la surface. Contrairement à la conduction et à la conduction, le transfert de chaleur par radiation ne nécessite pas la présence d'un milieu intermédiaire entre la source de chaleur (incendie) et le receveur (surface de l'élément métallique). 2.1 -Transfert de chaleur à l'intérieur de l'élément de structure métallique Equation différentielle de Fourier Le transfert de chaleur entre deux éléments qui sont à températures différentes produit une augmentation de la température dans l'élément de structure. A cause des prénommes de conduction, Groupe Ingénierie Incendie- Laboratoire LSGR-Université HBBouali de Chlef page 1 Dept.GC I Cours : Sécurilé Incendie I Option : M2 Bâtiment convection et radiation, l'énergie thermique (chaleur) progresse des régions de hautes températures vers celles plus froides. Tous les trois mécanismes sont présents à la surface de l'élément et seulement la conduction engendre un transfert de chaleur à f intérieur de ce demier L'anaiyse de la réponse thermique de l'élément de charpente métallique se subdivise en deux parties. Le premier étant le transfert de chaleur de l'incendie à travers la limite de la surface de l'élément vers son intérieur par combinaison de la radiation et la convection et est considéré comme une condition aux limites, L'autre transfert de chaleur dans l'élément de structure qui s'effectue par conduction représente l'équation gouvernante exprimé par l'équation de transfert de chaleur de Fourier. L'équation différentielle de Fourier est une équation non-linéaire dans un espace 2D en tenant compte du fait que le transfert de chaleur le long de la pièce est négligeable et la chaleur de conduction transitoire à f intérieur de la section de l'élément écrite comme suit : *Q=poco a0 At .1o- Conductivité thermique [Wm "K] Q- source d'énergie interne, égale à zéro dans le cas d'un élément non-combustible po- masse volumique de l'acier [kg/m3]; co-chaleur spécifique de 1'acier [Jlkg] @-Température ; -temps 2.2 -Transfert de chaleur entre la fumée chaude (gaz chaud) et l'élément métallique Ce type de transfert de chaleur s'effectue par radiation et convection *(^"x).*(^"#) il ilti \--r \J'\J \-_r @ T] € j .üe$ e Ê----Ç+ § Ë, l,i"rwüh ri..--* ( r'*\ ÿ iJ TIT gaz chauds ^t ) I \ .t \ _t u*tirllt*** \JilÉq ,4 Figure : transfert de chaleur entre C'"** L.*_ llt III et l'élément de structure métallique Groupe Ingénierie Incendie- Laboratoire LSGR-Université HBBouali de Chlef PageZ Dept.GC I Cours : Sécurité Incerudie I Option : M2 Bâtiment o Radiation Le transfert de chaleur par radiation dépend de la difference de température entre 7e gaz chaud et Ia température de la surface de l'élément qui est donnée comme suit : Qr=A e, o l(0g+2n)4-(0.+27r41 !-facteur de vue ) Er- facteur de radiation ; o'- constante de Stefan-Boltzmann (:5.67 x10-8 W1m2.t<4; o Convection L'énérgie transférée par convection est : q, :a,(2r- 0) wln:i- o. Coefficient de transfert de chaleur par convection (o.:25 W(m2.f; pour un incendie ISO834 et oc:50 V//(m'?.K) pour un incendie d'hydrocarbure. 3. Propriétés thermiques de l'Acier (Eurocode3 partie 1.2) a)Chaleur spécifTque La chaleur spécifique Cu est la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer une masse unitaire d'un degré. Pour l'acier, la chaleur spécifique [J/KgK] est calculée en utilisant les équations suivantes : - Pour 20 "C < 0a< 600"C : Ca : 425+7 ,73 x 10-1 0^ -t,69 x10-3 e^2 +2.22x10-6 0"3 - Pour 600 "C < eu< 735'C: Cr= G66 + 73oo? 738-0a - Pour 735"C< 0u< 900'C i C,: 545 + 77820 - ea-731 - Pour 900'C< eu< 1200oC : Cr- 650 Dans les modèles de calcul simplifiés, la chaleur spécifique peut être considérée comme indépendante de la température de l'acier. Dans ce cas, la valeur de 600 J/kgK peut être prise dans les calculs. Groupe Ingénierie Incendie- Laboratoire LSGR-Université HBBouali de Chlef page 3 Dept.GC I Cours : Sécurité Incendie I Option : M2 Bâtiment üh*ieur sp§.cifique [J,.IW Kl I Modèles de calcul imolifiés I e 5rs0 4§Sû 40ü0 3§üû s0üt 2§ûû 2tt§ 1§0§ ,ûs0 5ûü 0 t 2û0 400 600 sûû 1ûts .t2üü V, TemPémfxe [ËC] Figure/ Chaleur spécifique de l'acier en fonction de la température b) Conductivité thermique La conductivité thermique 7" [Wm K] est le taux de chaleur transféré à travers un solide d'une épaisseur unitaire pour une différence de température d'un degré. Pour l'acier, elle est déterminée en fonction de la température selon les expressions suivantes : - Pour 20 "C < eu< 800'C : Xu = 54 -3.33 x 10-20, Wmk Pour 800 oC < 0u< 1200"C : Àu :27,3 Wmk Conductir"ité ther:r:ique fiïimKl 6üï - ': '---i' ti li ü ?s$ 4üû 6fiü F igrr:/Conductivité thermi que de §0û 1üûü ffüü Temp*rah.u* ("C) l'acier en fonction de la température c)Masse volumique (Coefficient de Poisson) La masse volumique de l'acier pu peut être considérée comme indépendante de la température de l'acier. La valeur suivante peut être adoptée : pu: 7850 kg/m3 §u:0.3) Groupe Ingénierie Incendie- Laboratoire LSGR-Université HBBouali de Chlef Page 4 Dept.GC I Cours : Sécufité Incendie I Option : M2 Bâtiment d) Dilatation thermique de l,acier En même temps que les propriétés mécaniques, la variation de la dilatation thermiqu e LLIL a besoin d'être pris en compte dans de nombreux calculs spécifiques en ingénierie de la sécurité incendie tels : flambement, déversement, déformations (cas de caiculs avancés). L'EC 3 propose des formules empiriques de ÂLlL en fonction de la température. LLIL:-2.41610-a+ 1.2rc's e+0.4 10{e2 pour 20oC<0 <750,C LLIL: 11 . 10r pour 750 oC < 0 < g60 "C LLIL=-6.2rc-3+2r}-s0 pour g600c<e<1200"c ces valeurs peuvent être représentées par la courbe donnée ci-dessous : Dilatation LL/L lx 1O-3l 0 200 400 600 800 1oo0 L200 Température I oC ] L2 8 4 ü FigureffDilatation thermique de |acier en fonction de température Pour les modèles de calcul simplifiés, l'EC3 donne une formule simplifiée de ALIL en fonction de la température 0 : LLIL = 14 x 10-6 ( 0 _20 ) 4. Températures dans les sections de profÏIés métalliques En effet dans plusieurs cas, une estimation de la résistance au feu peut être obtenu sur la base de la prédiction des températures de l'acier uniquement et en utilisant le critère de la température critique. L'augmentation de la température de l'acier dépend de la température du compartiment, de la surface exposée au feu et de la quantité de protection (si elle existe). Evolution de Ia température dans les éréments métalliques : A partir des actions thermiques définies par un modèle feu (conventionnel, paramétré,..), l'échauffement des éléments de structures (poteaux, poutres, diagonales,..) est déterminé : Groupe Ingénierie Incendie- Laboratoire LSGR-Université HBBouali de Chlef page 5 Dept.GC I Cours : Sécqrité Incendie I Option : M2 Bâtiment . soit à partir des méthodes analytiques décrites dans l'Eurocode 3-r.2. . Soit sur la base de méthodes de calculs avancées, fondées sur la théorie du transfert thermique et nécessitant l'utilisation de logiciel de calcul aux éléments finis. Dans ce qui suit, seules les méthodes analyiques seront exposées dans ce chapitre. Ces méthodes permettent d'obtenir une estimation de la température, supposée uniforme, dans la section en acier. L'étude sera basée selon deux cas de figures : o Eléments métalliques non protégés, o Eléments métalliques protégés. Facteur de MassivetÉ (Facteur de Section) Avant de présenter les méthodes simplifiées de réponse thermique d'un élément de structure métallique, il important de présenter le concept d'un paramètre qui gouveme le taux d'augmentation de la température. Le taux d'augmentation de la température dépend de la masse et de la surface de l'élément exposé au feu' Des éléments légers comme les pannes, liernes, potelets, lisses, chauffent plus vite que les sections lourdes de poutres principales ou uploads/Ingenierie_Lourd/ action-de-thermique.pdf