Méthodes basées sur la performance en matière de sécurité incendie

Dès les premiers jours de l'ETK, les éléments de construction en bois ont été inclus dans les études de résistance au feu, les premières classifications d'éléments de construction (Ministry of Works 1948) se distinguant toutefois par les critères de combustibilité du matériau. Les éléments développés de la protection incendie font la distinction entre la réaction au feu des produits de construction (la combustibilité est répartie en différentes classes) et la résistance au feu des éléments de construction (maintien de la fonction de la résistance ultime R, de la fermeture des espaces E et de l'effet d'isolation I), qui est testée et prouvée indépendamment de la classe de réaction au feu.

Au cours de nombreux travaux de recherche et d'essais de résistance au feu, il a été démontré que la prise en compte de la combustion sur les éléments de construction en bois permettait d'atteindre les exigences imposées (R-E-I). Les résultats des essais de résistance au feu ont été utilisés pour développer des méthodes de calcul que l'on trouve dans l'Eurocode 5 (CEN 2004) et dans des manuels (p. ex. Östman et al. 2010) et qui constituent également la base des documents suisses sur l'état de la technique (Lignum 2014). Le grand avantage des méthodes de calcul générales est la flexibilité acquise pour pouvoir utiliser une variété de constructions sans disposer de résultats d'essais pour la justification.

Critique internationale

Après l'introduction réussie sur le marché du bois massif collé en surface (lamellé-croisé, BSP ; en anglais : cross-laminated timber, CLT), des possibilités insoupçonnées se sont ouvertes à la construction en bois.

Le CLT présente ici des surfaces appréciées sur le plan architectural, il est indéformable, peut être préfabriqué avec précision, est relativement léger, permet la dissipation de charges verticales et horizontales importantes et une construction rapide et sèche. Avec des éléments d'une épaisseur appropriée, il est également possible d'atteindre des durées de résistance au feu élevées.

Les critiques ont d'une part identifié le collage des surfaces comme un point faible et ont vu le concept des tests en four contourné, étant donné que l'énergie combustible ajoutée (pétrole ou gaz) ne représente que 50 pour cent environ de la quantité qui serait nécessaire pour les éléments en béton (Schmid et al. 2018). Les éléments de construction en bois visibles représentent donc une charge d'incendie structurelle supplémentaire, aussi bien dans le four d'essai que dans les incendies. Jusqu'en 2010 environ, la critique liée à la modification de la dynamique du feu dans les incendies par les surfaces en bois exposées au feu n'a été contrée que par des essais isolés d'incendie de compartiment et de façade. L'intensité typiquement plus élevée des flammes en façade des incendies contrôlés par la ventilation a généralement été abordée de manière qualitative (par ex. Östman et al. 2010, 2018). Le cœur de la critique concerne le traitement correct de la charge thermique structurelle, difficile à quantifier, due à l'exposition au feu des éléments de construction en bois, qui, selon la planification de l'espace incendié ou de la structure porteuse, atteint théoriquement un multiple de la charge thermique mobile et peut ainsi fortement influencer le déroulement de l'incendie.

Contexte

Afin d'élaborer des réponses aux critiques formulées ci-dessus, il est utile de discuter de l'arrière-plan du concept de résistance au feu R-E-I, par exemple une résistance au feu R60 (60 minutes de capacité portante sous ETK). La figure 1 illustre l'idée de base qui sous-tend le concept R-E-I.

La combustion d'une charge calorifique définie peut provoquer soit de longs incendies à des températures relativement basses (par ex. courbe bleue dans la fig. 1), soit des incendies courts et très violents (par ex. courbe rouge dans la fig. 1). Pour la quantité d'énergie à laquelle les éléments de construction sont exposés, la courbe température-temps cumulée est utilisée comme substitut (en anglais "proxy") (surface grise dans la fig. 1), elle est identique pour toutes les courbes de la fig. 1. Ainsi, dans chaque cas, on peut supposer, pour la quantité définie de charge thermique (ici : locaux d'habitation), qu'il n'y aurait pas de danger pour les personnes dans les unités d'utilisation adjacentes, pour les sapeurs-pompiers lors de la lutte contre l'incendie ou pour les parties de bâtiment adjacentes en raison d'une éventuelle défaillance du système porteur. En d'autres termes, il faut s'attendre à ce que les structures puissent résister au déroulement d'un incendie jusqu'à la combustion (en anglais "burnout") de la charge d'incendie. Cette idée fondamentale constituait un objectif de protection implicite, défini lors du développement du concept de résistance au feu R-E-I. Il sert à la fois à la protection des personnes (utilisateurs, pompiers) et à la protection des biens (bâtiments ou parties de bâtiments, unités voisines). D'autres exigences dans les règlements de construction, par exemple R90, ont été introduites intuitivement pour d'autres charges d'incendie ou également sur la base du type et de l'utilisation des bâtiments. Dans certains codes de construction européens, la durée de résistance de la structure à prouver est en fait déterminée par la quantité totale de charge thermique (Finlande, Estonie). Alors que la charge d'incendie des revêtements en bois est assez facilement quantifiable et que, selon l'Eurocode 1 (CEN 2021), elle devra à l'avenir être prise en compte séparément en plus de la charge d'incendie mobile, la procédure à suivre pour les éléments de construction structurels en bois n'est pas clairement définie.

Réponses de la recherche

Assez rapidement, l'industrie du bois a pu trouver, en collaboration avec la recherche, les premières réponses pour faire face à la chute de couches de CLT carbonisées en cas d'incendie. Pour décrire la diminution de la résistance structurelle due à l'augmentation de la combustion, le modèle de l'escalier a été présenté pour le CLT en tant qu'application directe des Eurocodes (p. ex. Frangi et al. 2009). Au cours des dernières années, des expériences ont été acquises sur le comportement des systèmes de collage et des normes de produits ont également été créées, qui contiennent les exigences relatives au CLT (ANSI/APA 2017). En outre, l'Eurocode 5 (CEN 2021b) prévoit la description de cette propriété du produit en fonction de la colle au moyen d'essais dans un four de cuisson.

La validité des essais de four pour les matériaux de construction combustibles peut être démontrée par la concordance des conditions d'essai typiques avec les incendies commandés par la ventilation à simuler (Schmid et al. 2018). Dans les deux cas, les concentrations d'oxygène sont faibles dans les espaces d'incendie, chaque charge d'incendie supplémentaire n'entraîne donc pas de libération d'énergie supplémentaire (combustion) dans l'espace d'incendie. Toutefois, il n'est pas possible de se prononcer sur la durée d'un incendie ou sur une combustion dans une chambre d'incendie indépendamment de la combustibilité du matériau de construction sur la base d'essais de four. Les limites d'application du concept de résistance au feu discuté ci-dessus sont données par les objectifs de protection implicitement fixés avec la quantité de la charge calorifique totale, les effets d'un dépassement devraient être étudiés avec précision.

Le contenu énergétique total des éléments de construction structuraux peut être facilement déterminé en tenant compte du pouvoir calorifique et de la masse. Pour des éléments de construction linéaires isolés (par exemple un pilier), la contribution à la charge calorifique totale peut être infinitésimale. Il convient toutefois de noter que la combustion complète d'un élément de construction implique un effondrement de la structure. Une approche basée sur la performance peut déterminer, à l'aide d'une analyse de combustion, si la combustion peut être attendue dans le temps avant une défaillance de la structure porteuse ou si la conception de la zone d'incendie doit être adaptée. Les premiers moyens de preuve ont été présentés récemment à ce sujet (CEN 2021b, Wade et al. 2018, Brandon 2018, Schmid et al. 2021). L'ingénieur en protection incendie dispose ainsi d'une méthode lui permettant de vérifier la protection des personnes et des biens conformément aux objectifs de protection du concept de résistance au feu R-E-I dans la construction en bois et de soutenir de manière simple l'intervention des sapeurs-pompiers.

Dans les méthodes axées sur les performances, des scénarios d'incendies de référence sont examinés en fonction du projet. Dans ce cas, tous les éléments pertinents présents dans le concept de protection incendie (structurels, techniques, organisationnels) sont saisis à partir d'un danger potentiel. La séquence d'événements peut être représentée à l'aide d'arbres de décision (en anglais : event-trees) ou du modèle dit Swiss-Cheese (fig. 2), un dommage ne survenant qu'en cas de perméabilité à travers tous les éléments (tranches de fromage).

Plus un élément est fiable, moins le disque comporte de trous. L'analyse de combustion représente maintenant un élément supplémentaire (disque rouge dans la figure 2). Son utilisation permet de contrôler l'objectif de protection implicite du concept de résistance au feu et de le vérifier. Cela devient important lorsqu'il s'agit de bâtiments plus élevés (Frangi et al. 2008) ou de bâtiments ou d'utilisations pour lesquels on ne dispose pas de valeurs empiriques d'incendies (données statistiques).

Littérature complémentaire

• ANSI/APA PRG 320 Standard for Performance-Rated Cross-Laminated Timber, 2017.
• Brandon, D. Méthodes d'ingénierie pour la conception structurelle en cas d'incendie des bâtiments en bois : intégrité structurelle pendant un incendie naturel total. Brandforsk, 2018.
• Frangi, A. et al. Fire Design Concepts for Tall Timber Buildings, Structural Engineering International, 2008.
  Frangi, A. et al. Experimental analysis of cross-laminated timber panels in fire. Journal de la sécurité incendie. 2009 novembre 1 ; 44(8):1078-87.
• CEN 2004. EN 1995-1-2 : Eurocode 5 : Conception des structures en bois - Partie 1-2 : Généralités - Conception structurelle en cas d'incendie. Norme européenne, Bruxelles.
• CEN 2021a. prEN 1991-1-2 : Eurocode 1 : Actions sur les structures. Partie 1-2 : Actions générales - Actions sur les structures exposées au feu, septembre 2021.
• CEN 2021b. prEN 1995-1-2 : Eurocode 5 (projet de révision) : Conception des structures en bois - Partie 1-2 : Généralités - Conception structurelle de feu. Norme européenne, Bruxelles.
• Lignum. Documentation technique sur la protection incendie dans la construction en bois (10 parties), Lignum, Zurich, 2015.
• Schmid, J. et al. Effets du feu sur les éléments de construction en bois dans un four d'essai et lors d'incendies réels. Technique de construction. 2018 août ; 95(8):524-34.
• Schmid, J. et al. Structural timber in compartment fires - the timber charring and heat storage model. Ingénierie ouverte. 2021 janvier 1 ; 11(1):435-52.
• Östman, B. (ed). Sécurité incendie dans les bâtiments en bois. Guide technique pour l'Europe. SP, 2010:19.
• Östman, B. (ed). Guidance on Fire Safety of Bio-Based Facades, COST Action FP1404, Zürich, Switzerland, 2018. DOI : 10.3929/ethz-b-000319579.
• Wade, C. et al. Predicting the fire dynamics of exposed timber surfaces in compartments using a two-zone model. Fire technology, 54(4):893-920, 2018.

Cet article spécialisé est paru dans l'édition imprimée de SicherheitsForum 2-2022.

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