Etude numérique et expérimentale du comportement au feu des éléments séparatifs en plaques de plâtre à ossature acier

Numerical and experimental investigation of plasterboard separating elements subjected to fire

• Auteur / Autrice : Hung Tran
• Direction : Alain Millard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 12/09/2012
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdel Hamid Bouchair, Hervé Leborgne, Bin Zhao, Julien Soulhat, Julian Tizianel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marc Franssen, Eduardo de Cursi Souza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plaques de plâtre

Cloisons (construction)

Mots clés libres

Cloison

Plaque de plâtre

Feu

Modélisation

Assemblage

Profilé mince

Partition wall

Gypsum plasterboard

Fire

Modeling

Assembly

Cold-formed steel

Résumé

Les éléments séparatifs à base de plaques de plâtre (cloisons, bloc-porte…) sont d’abord destinés à délimiter les espaces à l’intérieur d’une construction. Ils contribuent aux exigences essentielles pesant sur l’ouvrage en termes de sécurité en cas d’incendie, d’isolation thermique et acoustique. La réglementation française stipule que la vérification de la résistance au feu des ces éléments doit être vérifiée par des essais en vraie grandeur menées selon des procédures normalisées et qui sont souvent onéreux pour les industriels. De plus, la limite du four (5 m de hauteur et 7 m de largeur actuellement) pose un problème pour les fabricants quand ils veulent valider des cloisons plus grandes. Par conséquent, la tendance industrielle est de développer une méthode prédictive du comportement au feu des éléments séparatifs. Cette thèse présente une étude dans le cadre du projet de recherche de EFECTIS France, ce qui conduit à l'élaboration d'un modèle numérique capable de prédire le comportement thermo-mécanique des cloisons en plaques de plâtre se composant d’une ossature métallique vissée sur des parements en plaques de plâtre, quand elles sont soumises à une action thermique normalisée de EN 1363-1 sur une face. Dans cette étude, on présente d’abord des programmes d’essais qui permettent d’une part, d’identifier les propriétés thermo-physiques et thermo-mécaniques de plaques de plâtre cartonné, à température ambiante et à haute température, et d’autre part de caractériser la liaison cinématique de la fixation par vissage des parements en plaques de plâtre sur les montants acier de l’ossature interne, à température ambiante. En suite, on présente le développement des modèles thermique et mécanique avec le logiciel CAST3M en utilisant les paramètres mesurés lors des programmes d’essais sur les matériaux et les assemblages. Les modèles développés permettent de prendre en compte : (i) les phénomènes de transfert thermique par conduction, rayonnement et convection au travers d’une cloison - (ii) la chute du parement exposé de la cloison pendant l’essai - (iii) le comportement mécanique de la cloison elle-même, c'est-à-dire le comportement thermo-mécanique de ses éléments constitutifs (plaques de plâtre cartonné et montants métalliques) ainsi que celui des assemblages vissés des plaques de parements sur les montants d’ossature.

The fire resistance of building elements (partition walls, door sets ...) by means of tests according to standard procedures is often expensive for manufacturers. In consequence, Efectis France is conducting a specific research project aiming to develop an efficient and economical tool in order to carry out the preliminary design of new products as well as their optimization and extend the application of experimental results to configurations different from those of the test (change of size, of component, of boundary conditions ...). This thesis presents a study in the scope of above research project, which led to the development of a numerical model capable of predicting the thermo-mechanical behavior of separating elements such as flexible partitions made with internal steel studs and plasterboard facings, when they are subjected to standard thermal action of EN 1363-1 on one side. This study is organized in three steps. The first one is an experimental investigation relative to the characterization of thermo-physical and of thermo-mechanical properties of plasterboards used in above mentioned partition walls. In the second step, a specific numerical model for the analysis of plasterboard partition fire behavior is developed. This model allows treating not only nonlinear heat transfer but also the nonlinear structural behavior of the partitions from thermal stresses taking into account the degradation of rigidities for the punctual screwing of plasterboards on the steel studs. In the third step, the prediction of the numerical model is compared with experimental results in terms of temperature and displacements of the partitions. The comparisons enable to show the validity of the numerical model to predict appropriately the fire behavior of plasterboard partitions.