Cecobois
Comportement au feu

Généralités

Lorsqu’un objet s’enflamme dans une pièce d’un bâtiment, il commence d’abord par brûler
« normalement » à l’air libre. Après un court moment, la fumée dégagée s’élève au plafond sous forme de gaz chauds, chauffant ainsi le plafond et la partie supérieure des murs de la pièce. Le rayonnement thermique transmet ensuite la chaleur provenant de toutes ces parties chauffées aux autres objets se trouvant dans la même pièce. Ce transfert de chaleur peut augmenter la vitesse de combustion de l’objet enflammé et la vitesse de propagation de la flamme sur sa surface.

Évolution d'un incendie en lieu clos
Évolution d'un incendie en lieu clos
Source : J.R. Mehaffey (1987). Inflammabilité des matériaux de construction et développement du feu. Regard 87 sur la science du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada.

Rendu à ce stade, si l’objet est entièrement brûlé avant que d’autres éléments prennent en feu ou si l’oxygène disponible n’est pas suffisant pour maintenir la combustion de l’objet, le feu peut tout simplement s’éteindre. Cependant, il arrive que le feu continu et que le réchauffement des autres objets combustibles se trouvant dans la pièce se poursuive jusqu’à ce qu’ils atteignent leur température d’inflammation plus ou moins simultanément. Les flammes se propageront alors soudainement aux autres objets combustibles. Cette phase d’un feu s’appelle l’embrasement général. Peu importe si le premier élément enflammé est un meuble ou un mur, l’embrasement général est imminent si la température de la couche supérieure de la pièce atteint entre 500 et 600 °C. À ces conditions, il est fort probable que les occupants aient péri s’ils n’ont pas évacué le bâtiment.

L'utilisation d'une construction dite incombustible en acier ou en béton ne veut cependant pas dire qu'une structure faite de ces matériaux ne s'effondra pas sous l'effet d'un feu. La capacité d’un élément structural de résister à l’effondrement dépend essentiellement du comportement de ses composants à des températures élevées. La résistance au feu d’éléments structuraux combustibles (qui brûlent) ou incombustibles (qui perdent graduellement leur résistance) peut ainsi être déterminée soit par un surdimensionnement des éléments porteurs, soit en les protégeant contre la chaleur au moyen de matériaux ayant une faible conductivité thermique et de bonnes caractéristiques de tenues en place.

Source : G.C. Gosselin (1987). Protection des structures contre le feu − Méthodes de prédiction. Regard 87 sur la science du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada.


Comportement des matériaux exposés à un feu

Bois

Une pièce de gros bois d'œuvre ne perd que de 10 à 15 % de sa résistance totale sous l'effet de très hautes températures.

Bien que le bois soit combustible, une construction en bois ne veut pas dire qu’elle sera moins efficace qu’une construction en acier ou en béton. La combustion du bois génère à la surface du bois une couche de carbone isolant le bois non brûlé de la chaleur dégagée par les flammes. Ce phénomène réduit de beaucoup la vitesse de carbonisation. Cette dernière est relativement constante au cours d’un feu et se situe à environ 0,65 mm/min (vitesse de combustion unidimensionnelle). Après près de 60 minutes de combustion, une pièce de bois aura brûlé jusqu’à une profondeur approximative de 38 mm (~1½"). Le concepteur peut donc effectuer le dimensionnement des éléments porteurs en conséquence afin de fournir la résistance au feu recherchée. Plus la pièce sera grosse, plus elle supportera les charges longtemps.

Par ailleurs, contrairement à l’acier, le bois possède une très faible conductivité thermique. L’intérieur d’une pièce de bois est alors peu influencé thermiquement lorsque les faces externes se consument. La partie non brûlée ne perd uniquement que de 10 % à 15 % de sa résistance totale sous l’effet des très hautes températures dues au feu.

Finalement, un bâtiment ne peut être complètement à l’épreuve du feu, et ce, peu importe le type de construction utilisé. La sécurité incendie d’un bâtiment dépend en majeure partie de la capacité du système de construction à restreindre l’incendie, de limiter les effets sur la structure et de contrôler la propagation de la fumée et des gaz, que de la combustibilité des matériaux porteurs en soi.

Source : G.C. Gosselin (1987). Protection des structures contre le feu - Méthodes de prédiction. Regard 87 sur la science du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada.


Béton

Le béton est habituellement constitué de matériaux inorganiques ayant une faible conductivité thermique. Cependant, les propriétés du béton et de son acier d’armature sont fortement atteintes au moment d’une exposition à des températures élevées d’un feu. La résistance et le module d’élasticité sont réduits, le coefficient de gonflement est augmenté et la fatigue et les contraintes de relaxation sont considérablement plus élevées. Le degré de résistance au feu d’un élément en béton étant proportionnel à son épaisseur ou sa section transversale, il est donc important que les éléments soient calculés avec une résistance de réserve suffisante afin de supporter les charges appliquées pendant toute la durée prévue d’exposition au feu. Il est à noter que l’armature en acier présente dans le béton armé perd également de sa résistance lorsqu’elle est exposée à des températures élevées. Cette armature doit également être suffisament protégée.

Source : CPCA (2006). Concrete Design Handbook, 3rd Edition, Ottawa, Canadian Portland Ciment Association.


Acier

Les températures élevées réduisent considérablement les résistances d’éléments structuraux en acier. Sa grande conductivité thermique fait en sorte qu’ils absorbent la chaleur beaucoup plus rapidement que d’autres matériaux et de façon plus uniforme (par exemple, la température d’un élément de faible masse augmentera plus rapidement qu’un élément plus lourd). Les courbes montrées aux figures ci-dessous indiquent que la limite élastique et le module d’élasticité de l’acier perdent près de 60 % de leur résistance initiale lorsque l’acier est exposé à une température de 600 °C et deviennent nulles lorsque la température atteint 1200 °C. Ces deux propriétés sont importantes car elles permettent de déterminer les résistances des éléments d’acier.

Facteur de réduction de la limite élastique de l'acier à des températures élevées

Facteur de réduction de la limite élastique de l'acier à des températures élevées
Source : ICCA 2006

Facteur de réduction du module d'élasticité de l'acier à des températures élevées

Facteur de réduction du module d'élasticité de l'acier à des températures élevées
Source : ICCA 2006

La température critique de l’acier, définie comme étant la température à laquelle l’acier n’a plus que 60 % de sa résistance initiale, se situe aux alentours de 538 °C, soit dans l'intervalle habituel où l'embrassement général survient. Par ailleurs, à ce taux de réduction, la résistance ne sera à peine adéquate pour supporter les charges de conception imposées. Après l’embrasement général survient. Par ailleurs, à ce taux de réduction, la résistance ne sera à peine adéquate pour supporter les charges de conception imposées. Après l’embrasement général d’un feu, il est fréquent que les températures soient au-delà de 1 000 °C, cette dernière étant le point où les résistances deviennent quasi nulles.


Sources

ICCA (2006). Fire. Facts for Steel Buildings. Toronto, Institut canadien de la construction en acier.
G.C. Gosselin (1987). Protection des structures contre le feu − Méthodes de prédiction. Regard 87 sur la science du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada.

J.R. Mehaffey J.R.et al. (2003). « Fire Experiments in Furnished Houses », Proceedings of 4th International Seminar on Fire and Explosion Hazards, 8 au 12 septembre 2003, Londonderry, Irelande du Nord,
p. 63-174.