Méthodes d'ingénierie en protection incendie et en conception de structures

Situation de départ

L'ETH Zurich prévoit une rénovation complète des bâtiments historiques du laboratoire de machines (ML) et de la centrale de chauffage à distance (FHK), situés directement au centre de la ville, dans les prochaines années (photos 1, 2).

Construction existante

Le hall des machines ML, construit en 1933, est une construction en acier entièrement soudée. Le hall mesure environ 64 m de long et est divisé en six travées d'environ 12 m chacune. La portée d'un cadre est d'environ 22 m, la hauteur d'environ 11 m. Les cadres en acier sont conçus comme des cadres à deux articulations avec des supports articulés aux pieds et des angles de cadre résistants à la flexion.

Procédure générale selon les Eurocodes

Avec l'introduction des Eurocodes, qui sont introduits en Suisse en tant que normes SN-EN, la vérification de la durée de résistance au feu des éléments de construction et des structures porteuses est possible via les méthodes générales de feu naturel selon SN EN 1991-1-2 (Eurocode 1) en combinaison avec la méthode des modèles de calcul étendus selon SN EN 1993-1-2 (Eurocode 3). L'évaluation de la structure en acier est effectuée selon les exigences des Eurocodes [3-6], y compris les documents d'application nationaux correspondants. On y trouve des approches concernant les conditions de transfert de chaleur, les propriétés thermiques et mécaniques des matériaux en fonction de la température, ainsi que les combinaisons de charges et d'actions de la SN EN 1990 (Eurocode 0).

La figure 5 présente les trois processus individuels du procédé sous forme de schéma de déroulement avec les données d'entrée et de sortie ainsi que les paramètres de processus nécessaires. Au final, on obtient les déformations en fonction de la température ainsi que la répartition des déformations et des contraintes de la structure porteuse. Les critères de performance pour la détermination de la durée de résistance au feu sont définis selon la norme SN EN 1993-1-2 et d'autres normes. Leur respect est évalué à l'aide des modèles d'éléments finis :

• Déformations globales des éléments primaires de la structure en combinaison avec les critères de performance pour les éléments de construction soumis à la pression et à la flexion selon SN EN 1363-1 (norme d'essai pour les éléments de construction) ou 13501-2 (classification des résultats d'essai).
• Vitesse de déformation en combinaison avec les critères de performance pour les éléments de construction soumis à la pression et à la flexion selon SN EN 1363-1 (norme d'essai pour les éléments de construction) ou 13501-2 (classification des résultats d'essai).
• Allongements plastiques aux profils des éléments de construction ainsi qu'aux raccords, défaillance ductile du matériau aux pics locaux d'allongement à la rupture avec allongements à la rupture comme analyse de tolérance aux dommages de la structure porteuse.

Détermination de la température par simulation d'un incendie naturel

De concept d'utilisation de l'EPFZ prévoit pour le hall à évaluer l'utilisation comme

• atelier d'électronique simple,
• robotique,
• ateliers de mécanique,
• des postes de travail simples,
• des surfaces d'exposition,
• promotion ainsi que
• des activités de laboratoire clairement définies après analyse des risques.

Sur cette base, l'incendie de dimensionnement est déduit conformément aux exigences de la norme SN EN 1991-1-2 et aux considérations décrites. Les données finalement retenues pour la puissance d'incendie maximale spécifique à la surface, la charge thermique spécifique à la surface ainsi que la vitesse de développement de l'incendie donnent une puissance d'incendie maximale d'environ 250 MW pour une surface d'incendie d'un peu moins de 1'000 m2.

L'évolution de la puissance d'incendie en fonction du temps, définie comme incendie de dimensionnement, peut être prise en compte de deux manières différentes dans le modèle de simulation d'incendie pour une surface d'incendie, une puissance d'incendie (maximale) spécifique à la surface, une charge thermique et une vitesse de développement de l'incendie identiques. Pour la salle des machines de l'EPF de Zurich, deux variantes, une propagation uniforme et une propagation circulaire, sont étudiées. La variante R1 conduit rapidement à des températures localement élevées, qui pourraient à leur tour entraîner une défaillance locale précoce des zones de toiture, tandis que la variante R2 conduit à une augmentation régulière et plus lente de la température. La modélisation de l'incendie selon la variante R1 permet de définir un lieu d'incendie. Dans ce cas, le lieu d'incendie déterminant est le pilier du cadre sur lequel repose le bâtiment en béton armé qui s'élève.

En accord avec l'autorité de protection incendie, l'installation mécanique d'extraction de fumée et de chaleur (MRWA) prévue a été prise en compte dans la simulation d'incendie avec les surfaces d'écoulement aval projetées.

Le programme CFD "Fire Dynamics Simulator" (FDS) a été utilisé pour la vérification par calcul de la simulation d'incendie. La figure 6 donne un aperçu du modèle de simulation d'incendie. On y voit le plafond réalisé en briques de verre sur une grande surface, l'enveloppe du bâtiment et la structure porteuse en acier elle-même.

Puissance incendie mise en œuvre des variantes R1 et R2 comparée à l'incendie de dimensionnement

La puissance d'incendie maximale de plus de 250 MW prévue après l'incendie de dimensionnement ne peut pas être entièrement mise en œuvre en raison des conditions de ventilation existantes, même lorsque le MRWA fonctionne. Avec une puissance d'incendie d'environ 25 MW (environ un incendie complet de 5 voitures) entre la 25e et la 30e minute, l'oxygène de l'air amené par les ouvertures de post-incendie ne suffit pas à convertir la puissance d'incendie qui continue d'augmenter après l'incendie de dimensionnement. Après une brève chute à environ 15 MW, le modèle de simulation d'incendie prévoit une puissance d'incendie largement constante d'environ 20 MW. Ceci est valable pour les deux variantes de propagation de l'incendie, comme le montre la figure 7.

Analyse structurelle et procédure

Le modèle numérique primaire du cadre métallique du hall pour l'analyse thermique et mécanique a été créé avec le programme FEM ABAQUS. L'utilisation de types d'éléments 2D et 3D permet une représentation précise de la géométrie de la structure en acier. Les propriétés du matériau de l'acier historique, qui dépendent de la température, ont été déterminées à partir d'échantillons de la construction en acier lors d'essais de traction réalisés par l'Institut de la construction en acier, en bois et composite de l'EPFZ, dirigé par le professeur Mario Fontana. La représentation exacte d'une section de mur en béton armé sur plusieurs étages avec la spécification d'un modèle de fissuration du béton armé en fonction de la température limiterait fortement l'efficacité numérique du modèle global. La partie supportée de la structure en béton armé a donc été créée dans ABAQUS avec des éléments de coque (béton) et des éléments de barre (armature) sans tenir compte du comportement à la fissuration. Les propriétés des matériaux pour l'acier et le béton ont été établies conformément à l'Eurocode 2 [7, 8]. Afin d'obtenir une information comparative sur le comportement en charge et en déformation du bâtiment en élévation et d'étudier le comportement à la fissuration, un deuxième modèle a été créé dans SOFiSTiK avec également la même géométrie et des propriétés de matériaux validées sur la base des Eurocodes pour le béton armé et l'acier. Les deux modèles sont coordonnés au niveau des conditions limites. Les déformations des deux modèles ont été vérifiées en fonction de la charge et de la température appliquées. Les différences qui sont apparues ont pu être estimées comme étant insignifiantes. L'avantage de cette approche réside dans l'approche conservatrice de la rigidité de l'élément de construction en béton armé supporté et dans l'information précise sur la répartition de la température et la défaillance de stabilité des colonnes du cadre. Les calculs numériques complexes sont ainsi optimisés par des simplifications conservatrices. En même temps, il est possible de faire une déclaration précise, du point de vue de l'ingénierie, sur le comportement structurel sous l'influence d'un incendie.

Modélisation en ABAQUS

Pour l'idéalisation numérique des cadres en acier, un modèle FEM d'un cadre (figure 9) a été créé avec une liaison aux cadres voisins par les longerons dans la zone du toit et sur les zones supérieures des poteaux. En utilisant des conditions limites définies, l'extension horizontale des poutres dans le sens longitudinal ainsi qu'une flexion dans le sens vertical sont autorisées. Les déformations des poteaux du cadre dans le sens vertical doivent être adaptées aux conditions d'appui de la structure en béton armé, afin de saisir de manière conservative l'influence de la compression des poteaux due à la chaleur et de représenter en même temps de manière efficace un flambement des poteaux du cadre. L'analyse mécanique est effectuée en tenant compte de la non-linéarité géométrique, de sorte que les influences de stabilité et le flambage local des éléments de construction sont pris en compte. La non-linéarité du matériau acier a été déterminée par des essais de traction sous l'influence de la température. Les conditions de contact ont également été appliquées aux surfaces des éléments pertinents afin d'éviter une pénétration théorique des éléments de construction et d'obtenir une interaction physique précise de la construction détaillée. Les éléments de construction en béton du bâtiment sur appui ont été modélisés sous forme d'éléments 2D (béton) et d'éléments 1D (armature) [9] et représentés pour une section du modèle de l'ensemble de la structure porteuse avec une zone d'influence mécaniquement efficace. Les planchers de corps creux au-dessus des cadres du hall sont supposés être articulés aux poutres de rive, ils ne subissent donc pas de flexion due à la dilatation thermique du cadre du hall et ne sont pas représentés. Le ferraillage est défini dans les plans existants, comme dans le modèle SOFiSTiK.

Modèle ABAQUS du cadre du hall avec partie de bâtiment surélevée

Modélisation dans SOFiSTiK

Pour le modèle d'éléments finis dans SOFiSTiK, le comportement du matériau pour l'acier de construction est également pris en compte selon l'analyse des échantillons. En vue d'un calcul non linéaire des déformations et de la fissuration des éléments en béton armé, le ferraillage est pris en compte dans le modèle conformément aux données contenues dans les plans de l'existant. Comme dans ABAQUS, le modèle SOFiSTiK (figure 10) est un modèle partiel d'un cadre de halle avec les pannes, la poutre de stabilisation dans l'angle du cadre sous le bâtiment voisin ainsi que les deux poutres du chemin de roulement de la grue.

Tous les éléments transversaux sont dotés de conditions limites appropriées afin de simuler l'effet global de tous les cadres dans le sens longitudinal du hall. L'appui des pieds de poteaux est analogue à l'appui articulé réellement conçu. Le vérin de compression sous le bâtiment en béton armé voisin est modélisé par des barres pendulaires, de sorte que le bâtiment en béton armé et la structure du hall puissent se déplacer indépendamment l'un de l'autre dans le sens longitudinal. La structure en béton armé du bâtiment scolaire avec les poutres de rive en béton armé et les poteaux de façade est représentée sous forme de disque dans le plan de la façade sur la portée de deux travées du hall.

Modèle numérique pour l'analyse mécanique dans SOFiSTiK

Les éléments en béton armé ainsi que tous les profilés en acier sont modélisés dans SOFiSTiK avec des éléments de coque stratifiés par couches. Le calcul de la durée de l'incendie est effectué de manière géométrique et matériellement non linéaire en tenant compte des imperfections. La non-linéarité du matériau pour l'acier de construction est prise en compte de manière standard sous la forme d'une relation contrainte-déformation dépendant de la température avec des redistributions plastiques. Pour le béton armé, on utilise la loi des matériaux dépendant de la température ainsi que les redistributions dues à la formation de fissures.

Comparaison des deux modèles d'éléments finis

Le modèle ABAQUS a été utilisé pour déterminer la répartition de la température en fonction du temps dans les éléments en acier de la structure du hall dans le cadre d'une analyse thermique et a été transféré zone par zone au modèle SOFiSTiK. L'effet de la dilatation thermique sur la structure en béton armé donne une déformation qui peut être transférée à la géométrie en béton armé du modèle ABAQUS. Comme les deux modèles sont adaptés l'un à l'autre et que l'effet des influences non linéaires est faible, une comparaison des résultats et donc un contrôle mutuel entre les deux modèles ont pu être mis en œuvre. Dans le modèle ABAQUS, l'évaluation du comportement structurel et de la stabilité du cadre en acier a été effectuée pour les différents cas de charge d'incendie et, dans le modèle SOFiSTiK, les fissures apparaissant dans l'élément de construction en béton armé ont été déterminées à partir de la dilatation thermique du cadre en acier et évaluées quant à leur pertinence pour la sécurité structurelle du bâtiment en béton armé.

Résultats

L'analyse thermique ne révèle aucune température d'élément de construction supérieure à 500 °C pour les deux variantes R1 et R2 sur la période d'action de 120 min dans les deux scénarios d'incendie, à l'exception de zones locales (figure 11). En conséquence, l'évolution des déformations plastiques dans la structure porteuse en acier est faible, avec un maximum de 2,4 %. Il n'y a pas de défaillance de la stabilité des poteaux du cadre, le soulèvement des poinçons d'appui est calculé avec une valeur maximale de 17 mm dans le scénario d'incendie R2 (figure 12).

Selon les résultats du calcul SOFiSTiK, la structure en acier ne présente que localement des zones plastiques avec des allongements inférieurs à 4 %. Celles-ci sont nettement inférieures à l'allongement à la limite d'élasticité ou à l'allongement à la rupture. Le calcul ne révèle aucune défaillance globale de la structure en acier, ni même le moindre signe de celle-ci.

En raison de la dilatation thermique de la structure en acier pour le scénario d'incendie déterminant, la structure en béton armé du bâtiment adjacent est soulevée d'environ 17 mm au-dessus du pilier du cadre. Par rapport à la portée des poutres de bord de deux travées au total de la salle des machines sur environ 24 m, cela correspond à moins de L/1'000. Pour cette déformation, la structure porteuse en béton armé présente une ductilité suffisante. Les contraintes de compression du béton et les dilatations de l'acier à béton calculées par le modèle se situent dans une plage non critique. Les largeurs moyennes théoriques des fissures calculées restent inférieures à environ 1 mm. Par conséquent, aucune fissure critique n'est à prévoir dans le bâtiment en béton armé en raison de la dilatation thermique de la structure porteuse du hall.

Températures des éléments de construction résultant de la charge thermique déterminante du scénario R2

Développement de la déformation verticale sur le poinçon d'appui

Résumé

Pour la vérification technique de la résistance au feu suffisante selon la norme SN EN 1991-1-2, une procédure de simulation basée sur des scénarios d'incendie naturel a été réalisée pour la halle des machines historique de l'EPFZ. En raison de la complexité constructive de l'interaction des structures du bâtiment entre la halle ML et le bâtiment voisin, l'analyse mécanique a été choisie avec deux programmes FEM différents pour des tâches de calcul multiphysiques. Au final, il est possible de démontrer une résistance au feu suffisante pour la structure en acier de la halle ML, qui n'est pas protégée contre les incendies. 

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