Evaluation des performances humo-physiques des protections au feu de structures métalliques et leurs influences sur la résistance mécanique

Evaluation of the humo-physical performances of fire protections of steel structures and their influences on the mechanical resistance

• Auteur / Autrice : Véronique Saulnier
• Direction : Abdelhamid Bouchaïr
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Génie Civil / Structure
• Date : Soutenance le 21/06/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Yotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Durif, Salah-Eddine Ouldboukhitine
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bruno Jurkiewiez, Paulo Piloto

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de comportement au feu

Acier

Mots clés libres

Résistance au feu

Peinture intumescente

Acier

Bois

Four

Fire resistance

Intumescent painting

Steel

Wood

Furnace

Résumé

L’acier est un matériau de construction courant caractérisé par un très bon rapport résistance/poids et un comportement ductile. Les progrès techniques du 19Ième siècle ont permis de l’utiliser pour des constructions de grandes portées et grandes hauteurs. Cependant, avec une forte élévation de température, ses caractéristiques mécaniques de résistance et de rigidité baissent rapidement, ce qui peut générer de grandes déformations et le possible effondrement des structures. Il existe différentes protections passives afin de retarder l’échauffement des éléments porteurs car les caractéristiques mécaniques de l’acier baissent fortement au-delà de 500°C. La présente thèse a pour objectif d’étudier les mécanismes de protection et de tester certaines solutions. Les essais sont réalisés dans un four, conçu et réalisé au laboratoire, capable de reproduire des conditions conformes à un feu normalisé. Une étude complète a été menée sur l’échauffement de l’acier en considérant des plaques et des profilés. Les comparaisons sont menées en considérant les éléments non protégés et protégées par peinture intumescente. Les observations expérimentales ont permis d’obtenir les courbes d’échauffement des éléments protégés. Des essais sont également réalisés en protégeant l’acier par des plaques de plâtre. Les résultats d’expérience sont comparés aux valeurs données par les formules de l’Eurocode 3 pour une protection d’épaisseur constante. Enfin, l’étude s’est attachée à vérifier la viabilité de la protection au feu d’éléments de structures en acier tels que des poutres en I et des poutres en T par des éléments en bois en considérant différentes solutions d’assemblages. Les essais ont permis de vérifier la mise en œuvre des mesures des températures dans les éléments en bois exposés au feu. Les essais ont montré le pouvoir isolant du bois car, bien qu’il soit combustible, il ralentit l’échauffement de l’acier permettant ainsi de le protéger contre le feu. Les dimensions choisies ont permis de maintenir la température en dessous de 500°C pour près de 40 minutes. A partir des résultats des essais, une simulation numérique a été réalisée avec le logiciel Comsol Multiphysics®. Les simulations ont permis de comprendre les écarts relevés entre les courbes expérimentales d’échauffement de l’acier et les courbes théoriques. Les mécanismes de protection de la peinture intumescente avec la modification des caractéristiques géométriques et thermodynamiques ont pu être simulés afin d’obtenir des résultats de simulations proches de ceux des essais. Quelques simulations sur l’association acier et bois ont également été ébauchées.

Steel is a common construction material characterized by a very good strength-to-weight ratio and ductile behavior. The technical progress of the 19th century allowed it to be used for constructions with large spans and heights. However, with a strong rise in temperature, its mechanical characteristics of resistance and rigidity drop rapidly, which can generate great deformations and the possible collapse of the structures. There are various passive protections to delay the heating of the load-bearing elements because the mechanical characteristics of steel drop sharply above 500°C.The objective of this thesis is to study the protection mechanisms and to test some solutions. The tests are carried out in a furnace, designed and built in the laboratory, capable of reproducing conditions in accordance with a standardized fire. A complete study has been carried out on steel warming up considering plates and profiles. The comparisons are carried out considering unprotected and intumescent paint protected elements. The experimental observations allowed to obtain the heating curves of the protected elements. Tests are also carried out by protecting the steel with gypsum boards. The experimental results are compared to the values given by the formulas of Eurocode 3 for a protection of constant thickness. Finally, the study was focused on verifying the viability of fire protection of steel structural elements such as I-beams and T-beams by wood elements considering different connection solutions. The tests verified the implementation of temperature measurements in wood elements exposed to fire. The tests showed the insulating power of wood because, although it is combustible, it slows down the heating of the steel, thus protecting it from fire. The chosen dimensions made it possible to maintain the temperature below 500°C for almost 40 minutes. Based on the test results, a numerical simulation was performed with Comsol Multiphysics® software. The simulations made it possible to understand the discrepancies between the experimental heating curves of the steel and the theoretical curves. The protection mechanisms of the intumescent paint with the modification of the geometrical and thermodynamic characteristics could be simulated in order to obtain simulation results close to those of the tests. Some simulations on the combination of steel and wood were also drafted.