Étude du comportement thermomécanique de poutres mixtes acier-bois en situation d’incendie
Auteur / Autrice : | Antoine Béreyziat |
Direction : | Amir Si Larbi, Abdelhamid Bouchaïr, Dhionis Dhima, Maxime Audebert, Sébastien Durif |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie civil |
Date : | Soutenance le 19/09/2022 |
Etablissement(s) : | Ecully, Ecole centrale de Lyon |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) |
Jury : | Examinateurs / Examinatrices : Amir Si Larbi, Abdelhamid Bouchaïr, Dhionis Dhima, Maxime Audebert, Sébastien Durif, Gaëlle Fontaine, Samira Kherrouf |
Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Ferrier, Andrea Frangi |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Résumé
La mixité acier-bois présente un fort potentiel de développement : les composants en bois et en acier peuvent se renforcer mutuellement ; le bois, par son caractère isolant, peut être utilisé pour protéger l'acier du feu ; l'acier apporte son caractère incombustible. Cette forme de mixité est pourtant peu répandue malgré le récent essor du bois dans la construction de bâtiments multiétagés, à cause du manque de références scientifiques et techniques sur le sujet. On propose alors d'étudier des poutres mixtes pour lesquelles l'acier et le bois sont associés de manière à obtenir des performances les meilleures possibles, en situations normale et d'incendie. On décrit d'abord le comportement des matériaux acier et bois, à froid et en situation d'incendie. Une description de la combustion du bois est proposée pour mieux comprendre ce qui sous-tend l'évolution de ses propriétés avec la température. Un intérêt particulier est porté sur les transferts hydriques qui se produisent dans le bois lorsqu'il brûle. On examine ensuite la question de la mixité acier-bois à travers un aperçu global. Puis on passe en revue les travaux portant sur un certain type de configuration, qui consiste à insérer des poutres en bois entre les semelles d'un profilé en I laminé à chaud, tout en faisant en sorte que ce profilé soit protégé du feu par le bois. La description du comportement élastique à froid des poutres étudiées est réalisée par l'utilisation de la méthode gamma. La réalisation d'essais de flexion sur des poutres mixtes et leurs constituants permet de confirmer ce modèle analytique, mais un effet composite non-anticipé est observé dès lors que l'acier commence à se plastifier. Un gain de résistance significatif est alors permis par l'association du bois et de l'acier. On parvient à simuler ce comportement en augmentant la limite d'élasticité de l'acier modélisé par rapport à la valeur mesurée, ainsi que la résistance du bois en traction longitudinale. Des essais thermiques sur des éprouvettes acier-bois non chargées sont ensuite réalisés. On confirme à cette occasion que la mesure correcte des températures dans le bois nécessite d'orienter les thermocouples parallèlement aux isothermes. De nombreuses configurations sont comparées, ce qui permet d'appréhender finement l'efficacité de la protection au feu des profilés métalliques apportée par le bois. Les transferts de masse qui se produisent dans le bois se révèlent avoir un effet sensible sur la température des profilés métalliques protégés. La comparaison des températures mesurées et simulées permet de mettre en évidence l'importance de l'étanchéité des joints d'assemblage pendant l'exposition au feu. La combustion du bois et la température de l'acier sont observées après la fin de l'exposition au feu, on oppose alors le comportement des configurations creuses à celui des configurations pleines. Finalement, des essais au feu sur des poutres chargées mécaniquement montrent qu'un profilé protégé par une épaisseur de bois de 45 mm peut résister au feu pendant 81 min. On met en évidence un effet du chargement sur la température du profilé métallique par l'intermédiaire d'une ouverture des joints d'assemblage. La simulation numérique montre que le bois contribue à la résistance au feu de la poutre mixte non seulement en protégeant thermiquement l'acier, mais également en reprenant une partie des charges. Ces travaux montrent l'efficacité des poutres mixtes acier-bois, en situation normale et sous incendie, et contribuent à la compréhension de leur comportement. Ils permettent de formuler des propositions d'amélioration et d'identifier de nouvelles problématiques ouvrant des perspectives pour l'étude et l'utilisation de ces poutres mixtes.