BFUP et sécurité incendie

Réaction au feu [NF P18-470]

Les BFUP conformes à la NF P18-470 sont classés A1 selon la norme NF EN 13501-1+A1 et ne requièrent pas d’essais (Selon l’arrêté du 21 novembre 2002 relatif à la réaction au feu des produits de construction) s’ils présentent moins de 1 % en poids ou en volume (selon la valeur la plus faible) de matériau organique répartie de manière homogène. Dans le cas contraire leur classement pourra être effectué sur la base d’essais conformément à la norme NF EN 13501-1+A1.

Recommandations de l'AFGC sur les bétons fibrés à ultra-hautes performances de 2013

Nous pouvons commencer par extraire une partie des remarques exposées dans le document de l’AFGC :


Résistance en compression :
Il est observé que l'évolution de la résistance en compression avec la température n'est pas linéaire. Pour la plupart des BFUP analysés, il est constaté des chutes de résistance mais également des phases d'augmentation de la résistance.


Module d’élasticité :
L'évolution du module d'élasticité des BFUP avec la température est moins perturbée que celle de la résistance en compression. De façon générale, le module d'élasticité des BFUP décroît de façon linéaire avec la température. Il est observé une chute de rigidité de 50 à 80 % à 600 °C.


Résistance en traction :
Il est observé une décroissance des résistances en traction avec la température.


Energie de fissuration :
Les courbes de force / déplacement obtenues à différentes températures sur le BFUP "CERIB_UHPC_II" déterminées lors d'essais de traction directe présentent des résultats intéressant. A 20° C et à 150 °C, il est observé une résistance post-pic (c'est-à-dire post-fissuration) du matériau. Cette résistance provient des forces d'adhérence entre les fibres métalliques et la matrice cimentaire. Toutefois, à partir de 450 °C, il n’est plus observé de résistance post-pic du BFUP : le matériau semble perdre sa ductilité et la rupture de l'échantillon devient fragile. Ce résultat pose la question de la capacité de redistribution des efforts dans une structure hyperstatique à chaud et la possibilité de recourir aux méthodes plastiques. La justification des ouvrages par ce type de méthode conduira donc à l’emploi d’armatures traditionnelles dans les sections plastifiées.


Dilatation thermique :
La dilatation thermique peut fortement varier en fonction du BFUP utilisé (coefficient de dilatation qui devient négatif à partir de 200 °C pour certains BFUP). L’origine des différences de comportement des BFUP n’est pas, pour le moment, connue.


Propriétés thermiques :
Les propriétés nécessaires à la simulation thermique d'une structure en béton lors d'un incendie sont la conductivité thermique λ(T ), la chaleur spécifique Cp(T ) ainsi que la masse volumique ρ(T ) . Il est important, pour chacune de ces propriétés, de connaître leur évolution avec la température. En effet, les transformations physico-chimiques prenant place au sein du matériau lors du chauffage (évaporation de l'eau libre, déshydratation des CSH, déshydratation de la Portlandite, fusion des fibres métalliques…) peuvent influencer fortement la diffusion de la chaleur dans la structure. La détermination expérimentale des propriétés thermiques du béton, et leur évolution avec la température, n'est pas aisée car il est difficile lors d'un même essai de dissocier l'effet de chaque propriété (conductivité, chaleur spécifique ou masse volumique). Ainsi, il est courant de déterminer la diffusivité thermique du matériau a(T ), définie de la façon suivante :

Instabilités thermiques (écaillage – éclatement)
L'instabilité thermique (écaillage, éclatement) des bétons est un phénomène dont l'origine physique n'est toujours pas maîtrisée. Ainsi, le recours à la simulation n'est pas envisageable pour prédire le risque d'instabilité thermique d'une structure en béton donnée. L’efficacité des fibres de polypropylène pour réduire le risque d'instabilité thermique des bétons peut s'expliquer par une augmentation de la perméabilité du matériau à haute température (facilitant ainsi le mouvement de l'eau liquide dans le réseau poreux). Mr Rossi l’explique de la façon suivante : « lors d’un feu, les fibres de polypropylène disparaissent (elles ont atteint leur point de fusion) pour laisser la place à un réseau important de fines “canalisations” (capillaires) réparties dans tout le volume de la structure. Ces canalisations servent de vases d’expansion pour la vapeur d’eau sous pression générée par le feu (évaporation de l’eau présente dans le béton) ».
Les BFUP font partie des bétons pour lesquels le risque d'instabilité thermique peut être grand si des dispositions particulières ne sont pas prises, en raison de leur forte compacité (faible porosité et perméabilité). Un recours à l'expérimentation est donc nécessaire afin de caractériser ce risque.
Des essais de résistance au feu ont donc été réalisés sur le BSI®-fire et le Ductal®-AF. Des formules de BFUP avec et sans fibres de polypropylène ont également été testées afin de vérifier l'efficacité de ce type de fibre dans les BFUP. Les courbes de feu retenues sont la courbe ISO834 ainsi que la courbe HCM (HydroCarbure Majorée). La géométrie des éléments testés et les principales observations expérimentales sont rassemblées dans le Tableau ci-dessous.

Le comportement à l’écaillage doit être étudié sur des éléments et des conditions représentatifs de la réalité dans l’ouvrage (géométrie, teneur en eau, sollicitation thermique appliquée, charges externes appliquées, …). Les essais de résistance au feu permettent de vérifier l'efficacité de l'ajout de fibres de polypropylène dans les BFUP vis-à-vis du risque d'instabilité thermique. L'instabilité thermique observée sur les BFUP ne contenant pas de fibres de polypropylène peut être très violente.

L’annexe R de la NF P18-710

Lorsque l’action du feu est à prendre en compte dans le projet selon un scénario donné, elle est déterminée par référence au 2.2 de la norme NF EN 1992-1-2 et les critères de résistance, étanchéité et isolation (R, E, I) attendus pour l’élément en BFUP sont spécifiés avec la durée associée par référence au 2.1 de la norme NF EN 1992-1-2.

La justification de la stabilité au feu est réalisée :
soit par essai à l’échelle 1 représentatif du scénario de feu avec le chargement concomitant ;
soit par modélisation thermomécanique selon des principes de calcul analogues à ceux de la norme NF EN 1992- 1-2 hors méthodes tabulées. Dans ce cas, les propriétés physiques et mécaniques nécessaires sont déterminées conformément au 5.5.6 de la norme NF P18-470 (La justification par le calcul nécessite la connaissance de propriétés physiques et mécaniques fonctions de la température : conductivité thermique, chaleur spécifique, masse volumique, dilatation thermique, module d’Young, résistance en traction et résistance en compression, et éventuellement déformation thermique transitoire).
Comme l’indique la norme NF P18-470, la maitrise de l’éclatement sous l’action du feu, généralement basée sur l’incorporation d’une teneur suffisante en fibres de polypropylène, ne constitue pas une propriété intrinsèque du matériau et doit être vérifiée expérimentalement sur un élément ou composant représentatif (en géométrie et en charge) de la structure réelle vis-à-vis du scénario de feu considéré. L’essai est validé si les pertes de matière (réduction de section) éventuelles restent compatibles avec la justification de la stabilité au feu.

Dans le cas d’études préliminaires ou de projet, et en l’absence d’essais ou de carte d’identité, on pourra faire les hypothèses suivantes :
évolution de la résistance en compression, du module d’Young et de la dilatation thermique avec la température identiques à celles des bétons de classe 2 au sens de la norme NF EN 1992-1-2.
évolution du comportement en traction : pour fctk,el diminution de 0 % à 80°C , de 40 % à 150°C, de 55 % à 750°C et de 100 % à 1000 °C. Pour la partie post-fissuration de la courbe, diminution de 0 % à 80 °C et de 100 % à 450°C.