A l'intérieur d'un compartiment ignifuge, Des chercheurs du NIST ont soumis des répliques à grande échelle d'étages d'immeubles de bureaux à des incendies produits par trois brûleurs à gaz. Crédit :NIST
Les ingénieurs et techniciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont passé des mois à recréer méticuleusement les longs sols en béton soutenus par des poutres en acier que l'on trouve couramment dans les immeubles de bureaux de grande hauteur, seulement pour mettre délibérément le feu aux structures, les détruire en une fraction du temps qu'il a fallu pour les construire.
Ces expériences soigneusement planifiées ont produit des dalles de béton fissurées et des poutres d'acier tordues, mais des décombres ont surgi une multitude de nouvelles informations sur la façon dont les structures du monde réel se comportent et peuvent éventuellement échouer lors d'incendies de bâtiments incontrôlés. Les résultats de l'étude, signalé dans le Journal d'ingénierie structurelle , indiquent que les structures construites selon le code ne sont pas toujours équipées pour survivre aux forces induites par les variations extrêmes de température, mais les données obtenues ici pourraient aider les chercheurs à développer et à valider de nouveaux outils de conception et codes du bâtiment qui renforcent la sécurité incendie.
Aux Etats-Unis, les matériaux ignifuges sont pulvérisés ou peints sur des poutres ou des colonnes porteuses pour ralentir leur échauffement en cas d'incendie. Ces matériaux, qui sont typiquement les seules mesures de résistance au feu intégrées dans la charpente des bâtiments, sont requis par les codes du bâtiment d'être suffisamment épais pour retarder la détérioration structurelle pendant un certain nombre d'heures. La responsabilité d'éteindre les incendies ou d'empêcher leur propagation, cependant, tombe généralement sur des mesures en dehors de la conception structurelle, tels que les systèmes de gicleurs et les services d'incendie locaux.
L'approche actuelle de la sécurité incendie est généralement suffisante pour protéger la plupart des bâtiments contre l'effondrement; cependant, il existe de rares situations dans lesquelles les systèmes de protection contre l'incendie et les efforts de lutte contre l'incendie ne suffisent pas. Dans des circonstances désastreuses comme celles-ci, où les incendies font rage de façon incontrôlée, les flammes peuvent parfois brûler si chaudes qu'elles submergent la défense de l'ignifugation et scellent le destin de la structure.
Tout comme le liquide rouge dans un thermomètre monte par une chaude journée, composants d'un bâtiment subiront un allongement thermique à des températures élevées. Mais alors que le liquide a de la place pour se dilater, poutres en acier, comme ceux utilisés pour soutenir les planchers dans les immeubles de bureaux, sont généralement liés à leurs extrémités à des colonnes de support, qui restent généralement au frais et conservent leur forme plus longtemps en raison de l'ignifugation supplémentaire et du renforcement de la structure environnante. Avec très peu de marge de manœuvre, les poutres qui s'échauffent lors des incendies pourraient se plaquer contre leurs limites intransigeantes, casser potentiellement leurs connexions et provoquer l'effondrement des planchers.
Pour mieux préparer les bâtiments aux pires scénarios, les conceptions structurelles peuvent devoir tenir compte des forces introduites par les incendies. Mais parce que le comportement d'un bâtiment en feu est complexe, les ingénieurs en structure ont besoin d'aide pour prédire comment leurs conceptions résisteraient à un incendie réel. Les modèles informatiques qui simulent les incendies de bâtiments pourraient fournir des conseils précieux, mais pour que ces outils soient efficaces, il faut d'abord une quantité considérable de données expérimentales.
"L'objectif principal de cette expérience est de développer des données à partir de conditions de structure et d'incendie réalistes qui peuvent être utilisées pour développer ou valider des programmes de calcul, " a déclaré Lisa Choe, Ingénieur structurel du NIST et auteur principal de l'étude. "Ensuite, les programmes peuvent être étendus à différentes configurations de bâtiment et utilisés pour la conception."
Les structures sont rarement testées au feu à une échelle réaliste. Les tests standard utilisent des fours de laboratoire qui n'acceptent généralement que des composants individuels ou de petits ensembles sans les types de connexions d'extrémité qui sont utilisés dans les bâtiments. La taille est moins un problème pour le NIST, toutefois. Au sein du National Fire Research Laboratory (NFRL), les ingénieurs peuvent construire et brûler en toute sécurité des structures aussi hautes que deux étages et disposer d'une pléthore d'outils pour inspecter la destruction.
La connexion à languette de cisaillement (à gauche) est une plaque plate unique soudée à la colonne de support et boulonnée sur un côté de la poutre en acier. Le raccord à double angle (à droite) est composé de deux plaques en L, ou pattes d'angle, soudé à la colonne de support et boulonné sur les deux côtés de la poutre en acier. Dans cette étude, les poutres à double angle ont subi des déformations et des températures plus importantes avant de se rompre. Crédit :B. Hayes/NIST
Imitant la conception des étages des immeubles de bureaux de grande hauteur, Choe et ses collègues du NFRL ont formé des dalles de béton sur des poutres en acier d'une longueur de 12,8 mètres (42 pieds), une longueur typique dans les immeubles de bureaux et aussi la plus longue testée au feu aux États-Unis. Les planchers étaient suspendus dans l'air, fixés à leurs extrémités pour supporter des colonnes soit par des liaisons à double angle ou à languette de cisaillement, qui sont de forme différente mais tous les deux banals.
Pour rendre les conditions de test encore plus réalistes, les ingénieurs ont utilisé un système hydraulique pour abaisser les planchers, simulant le poids des occupants et des objets mobiles comme les meubles. Les poutres ont également été recouvertes d'un matériau ignifuge avec un indice de résistance au feu de deux heures pour répondre aux exigences du code du bâtiment, dit Choé.
A l'intérieur d'un compartiment ignifuge, trois brûleurs alimentés au gaz naturel ont incendié les étages par le bas, dégageant de la chaleur aussi rapidement qu'un véritable incendie de bâtiment. Pendant que le compartiment se réchauffait, divers instruments mesuraient les forces ressenties par les poutres ainsi que leur déformation et leur température.
Comme les températures dans le compartiment dépassaient 1, 000 C, les poutres en expansion, ayant été retenu entre deux colonnes de support, ont commencé à se déformer près de leurs extrémités.
Aucun sol n'est sorti des tests d'incendie sans scot, mais certains ont résisté plus que d'autres. Après environ une heure de chauffe, les connexions de languette de cisaillement d'une poutre - ayant maintenant plongé de plus de deux pieds - se sont fracturées, menant à l'effondrement. Les poutres à raccords à double angle, cependant, battre la chaleur et est resté intact. C'est-à-dire, jusqu'à ce qu'ils s'effondrent des heures après l'arrêt des fours, au fur et à mesure que les faisceaux se refroidissaient et se contractaient vers le haut, rompre les connexions à double angle.
Bien que la petite taille de l'échantillon de l'étude ne permette pas de tirer des conclusions sur les bâtiments en général, Choe et son équipe ont constaté que les poutres avec des connexions à double angle supportaient des forces et des déformations plus importantes dues aux changements de température que celles avec des connexions à languette de cisaillement.
"L'influence de l'allongement et de la contraction thermique est quelque chose que nous ne devons pas ignorer pour la conception de structures en acier exposées aux incendies. C'est le grand message, " a déclaré Choé.
Vers l'objectif de conceptions plus robustes, ces résultats fournissent des données inestimables pour les chercheurs qui développent des modèles d'incendie prédictifs qui pourraient jeter les bases de bâtiments qui résistent non seulement aux brûlures, mais la force du feu.
