Mesures de protection contre l'incendie pour les structures en acier

 1. Limite de résistance au feu et résistance au feu de la structure en acier 

Les avantages liés à la haute résistance et à la ductilité confèrent à la structure métallique un faible poids propre, une bonne résistance sismique et une capacité portante élevée. De plus, la structure métallique peut être mise en œuvre sur place, le délai de construction est court et les matériaux sont recyclables. C'est pourquoi les bâtiments à structure métallique sont largement utilisés, tant en Chine qu'à l'étranger.

Cependant, les structures en acier présentent un point faible : leur faible résistance au feu. Afin de maintenir durablement la résistance et la rigidité de ces structures en cas d'incendie et de garantir la sécurité des personnes et des biens, diverses mesures de protection incendie ont été mises en œuvre dans des projets concrets. Selon les principes de prévention des incendies, ces mesures se divisent en deux catégories : les méthodes de résistance thermique et les méthodes de refroidissement par eau. Les méthodes de résistance thermique comprennent la pulvérisation et l'encapsulation (encapsulation creuse et encapsulation pleine). Les méthodes de refroidissement par eau comprennent le refroidissement par coulée et le refroidissement par rinçage. Cet article présente en détail ces différentes mesures de prévention incendie et compare leurs avantages et inconvénients.
La limite de résistance au feu d'une structure en acier fait référence au temps pendant lequel l'élément perd sa stabilité ou son intégrité et sa résistance adiabatique au feu lors de l'essai standard de résistance au feu.

Bien que l'acier lui-même ne s'enflamme pas, ses propriétés sont fortement influencées par la température. Sa résilience chute à 250 °C, et au-delà de 300 °C, sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction diminuent considérablement. Lors d'un incendie, les charges restent inchangées, et la température critique à laquelle la structure métallique perd son équilibre statique est d'environ 500 °C, alors que la température d'un incendie atteint généralement 800 à 1000 °C. Par conséquent, sous l'effet de la chaleur, la structure métallique subit rapidement une déformation plastique, provoquant des ruptures localisées, puis l'effondrement de l'ensemble de la structure. Des mesures de prévention incendie doivent être mises en œuvre dans les bâtiments à structure métallique afin de garantir une résistance au feu suffisante. Il est essentiel d'empêcher la structure métallique d'atteindre trop rapidement la température critique en cas d'incendie, de prévenir les déformations excessives susceptibles d'entraîner l'effondrement du bâtiment, et ainsi de gagner un temps précieux pour la lutte contre l'incendie et l'évacuation du personnel, et d'éviter ou de réduire les pertes dues à l'incendie.

2. Mesures de protection contre l'incendie pour les structures en acier

Les mesures de protection incendie des structures métalliques se divisent en deux catégories : la méthode de résistance à la chaleur et la méthode de refroidissement par eau. Leur objectif est le même : empêcher la température des composants de dépasser leur température critique pendant une durée déterminée. La différence réside dans le fait que la méthode de résistance à la chaleur empêche la transmission de chaleur aux composants, tandis que la méthode de refroidissement par eau permet à la chaleur d'atteindre les composants puis de s'évacuer.

2.1 Résistance à la chaleur

En fonction de la résistance thermique du matériau de revêtement, la méthode de revêtement ignifuge se divise en deux catégories : la pulvérisation et l’application par pulvérisation. Cette dernière méthode permet de créer un revêtement ignifuge protecteur et peut être divisée en deux catégories : le revêtement creux et le revêtement plein. 

2.1.1 Méthode de pulvérisation

Généralement, on utilise une peinture ignifuge ou un revêtement pulvérisé sur la surface de l'acier, formant une couche de protection isolante réfractaire. Cette méthode améliore la résistance au feu des structures métalliques grâce à des réfractaires très légers et durables, et ne présente pas de contraintes géométriques sur les composants en acier. Elle est économique et pratique, et ses applications sont nombreuses. Il existe une grande variété de revêtements ignifuges pour structures métalliques, que l'on peut globalement diviser en deux catégories : les revêtements ignifuges minces (type B), également appelés matériaux ignifuges à expansion ; et les revêtements épais (type H). Les revêtements de classe B, d'une épaisseur généralement comprise entre 2 et 7 mm, sont composés de résine organique et présentent un certain aspect décoratif. Lorsque la limite d'épaississement du réfractaire par expansion à haute température est de 0,5 à 1,5 H, les revêtements minces et légers offrent une bonne résistance aux vibrations et conviennent aux structures métalliques nues intérieures et aux toitures légères. Lorsque la limite de résistance au feu est de 1,5 H et moins, on choisit un revêtement ignifuge de type H, d'une épaisseur de 8 à 50 mm, généralement à base de granulés. Matériaux d'isolation thermique inorganiques, faible conductivité thermique due à la faible densité. Limite de résistance au feu de 0,5 à 3 heures. Revêtement ignifuge pour structures en acier à revêtement épais : généralement incombustible, résistant au vieillissement, durable et fiable pour les structures en acier dissimulées à l'intérieur, toutes les structures en acier et les structures en acier des bâtiments industriels à plusieurs étages. Lorsque la limite de résistance au feu est supérieure à 1,5 heure, il convient d'opter pour un revêtement ignifuge pour structures en acier à revêtement épais.

2.1.2 Méthode de revêtement

1) Méthode de revêtement creux : généralement, on utilise des panneaux coupe-feu ou des briques le long du bord extérieur des éléments en acier. Les ateliers de structures métalliques de l'industrie pétrochimique chinoise adoptent majoritairement cette méthode de revêtement en briques. Cette méthode présente l'avantage d'une haute résistance aux chocs, mais l'inconvénient d'un encombrement important et d'une mise en œuvre plus complexe. L'utilisation de plaques réfractaires légères, telles que les dalles monocouches en plâtre fibré, est une autre méthode de revêtement coupe-feu pour les grands composants en acier emballés sous caisson. Cette méthode présente l'avantage d'un faible coût, d'une surface lisse et non polluante, d'une bonne résistance au vieillissement et d'autres avantages, ce qui lui confère un fort potentiel de développement. 2) Méthode de revêtement plein : généralement, les éléments en acier sont enrobés de béton coulé, formant ainsi des structures métalliques complètement fermées. Les colonnes en acier du centre financier mondial de Shanghai Pudong, par exemple, présentent l'avantage d'une haute résistance aux chocs, mais l'inconvénient d'un enrobage en béton important et d'une mise en œuvre complexe, notamment pour les poutres et les contreventements inclinés.

2.2 Méthode de refroidissement par eau

Le refroidissement par eau comprend le refroidissement par versement d'eau et le refroidissement par remplissage d'eau.

2.2.1 Méthode de refroidissement par douche d'eau

La méthode de refroidissement par aspersion consiste à installer un système d'aspersion automatique ou manuel sur la partie supérieure de la structure métallique. En cas d'incendie, ce système se déclenche afin de former un film d'eau continu à la surface de la structure. Lorsque les flammes atteignent cette surface, l'évaporation de l'eau absorbe la chaleur et retarde l'atteinte de la température limite par la structure. Cette méthode de refroidissement par aspersion est utilisée dans le bâtiment de l'École de génie civil de l'Université de Tongji.

2.2.2 Méthode de refroidissement par eau

La méthode de refroidissement par eau consiste à remplir d'eau les éléments creux en acier. La circulation de l'eau dans la structure métallique permet d'absorber la chaleur qu'elle absorbe. Ainsi, la structure métallique peut maintenir une basse température en cas d'incendie et conserver sa capacité portante malgré une élévation de température excessive. Afin de prévenir la corrosion et le gel, de l'eau est additionnée d'inhibiteurs de corrosion et d'antigel. Les colonnes en acier de l'immeuble de 64 étages de l'US Steel Company à Pittsburgh sont refroidies par eau.

3. Comparaison des mesures de prévention des incendies

La méthode de résistance thermique permet de ralentir la conduction de la chaleur vers les éléments structuraux grâce à un matériau résistant à la chaleur. De manière générale, l'isolation thermique est une méthode économique et pratique, largement utilisée dans les projets concrets. Le refroidissement par eau constitue une mesure de protection efficace contre l'incendie, mais son utilisation reste limitée dans le domaine du génie civil en raison de ses exigences particulières en matière de conception structurelle et de son coût élevé.

La méthode de résistance thermique est largement utilisée dans la protection contre l'incendie des structures en acier ; la suite de cet article se concentre donc sur la comparaison des avantages et des inconvénients de la méthode de pulvérisation et de la méthode de revêtement dans les mesures de résistance thermique.

3.1 résistance au feu

En matière de résistance au feu, le bardage est supérieur à la projection. La résistance au feu du béton, des briques réfractaires et autres matériaux d'enveloppe est meilleure que celle des revêtements ignifuges classiques. De plus, les performances ignifuges des nouveaux panneaux coupe-feu sont également supérieures à celles des revêtements ignifuges. Leur limite de résistance au feu est nettement supérieure à celle des matériaux d'isolation thermique pour structures métalliques d'épaisseur équivalente, et supérieure à l'expansion des revêtements ignifuges.

3.2 la durabilité

La durabilité des matériaux de revêtement, comme le béton, est supérieure, ce qui limite leur détérioration au fil du temps. En revanche, la durabilité des revêtements ignifuges pour structures métalliques reste un problème majeur. Qu'ils soient utilisés en extérieur ou en intérieur, les composants organiques des revêtements ignifuges minces et ultra-minces peuvent se décomposer, se dégrader, vieillir et présenter d'autres inconvénients, entraînant un décollement du revêtement ou une perte de ses performances en matière de résistance au feu.

3.3 construction

La méthode de projection pour la protection incendie des structures métalliques est simple et ne nécessite pas d'outils complexes. Cependant, le contrôle de la qualité de l'application de ce revêtement est difficile : le décapage du support, l'épaisseur du revêtement et l'humidité ambiante sont difficiles à maîtriser. La mise en œuvre du bardage est complexe, notamment pour les contreventements inclinés et les poutres métalliques, mais elle est contrôlable et la qualité est facilement garantie. Le niveau de protection contre l'incendie peut être ajusté avec précision en modifiant l'épaisseur du revêtement.

3.4 protection de l'environnement

La méthode de pulvérisation pollue l'environnement pendant la construction, notamment sous l'effet de hautes températures, car elle peut volatiliser des gaz nocifs. Elle ne génère aucun rejet toxique pendant la construction, dans des conditions normales d'utilisation et en cas d'incendie à haute température, ce qui est bénéfique pour la protection de l'environnement et la sécurité du personnel en cas d'incendie.

3,5 économie

La méthode de pulvérisation est simple, rapide et peu coûteuse. Cependant, le prix du revêtement ignifuge est élevé et, du fait de son vieillissement, son entretien est plus onéreux. La méthode d'encapsulation, quant à elle, présente un coût de construction plus important, mais les matériaux sont bon marché et l'entretien est faible. De manière générale, l'encapsulation offre un bon rapport qualité-prix.

3.6 Applicabilité

La méthode de projection n'est pas limitée par la géométrie des éléments et est largement utilisée pour la protection des poutres, des poteaux, des planchers, des toitures et autres composants. Elle est particulièrement adaptée à la protection incendie des structures métalliques légères, des structures en treillis et des structures métalliques de formes spéciales. La méthode de revêtement est plus complexe à mettre en œuvre, notamment pour les poutres métalliques et les contreventements inclinés. Elle est généralement plus utilisée pour les poteaux et la projection est moins fréquente.

3.7 Espace occupé

Le volume de revêtement ignifuge utilisé par pulvérisation est faible, tandis que la méthode d'enrobage, qui utilise des matériaux tels que le béton ou les briques réfractaires, prend de la place et réduit l'espace disponible. De plus, la quantité de matériaux d'enrobage nécessaires est plus importante.

 4. Résumer

Les conclusions suivantes peuvent être tirées de cette discussion :

1) L’adoption de mesures de protection contre l’incendie pour les structures en acier doit tenir compte de l’influence de nombreux facteurs, tels que le type de composant, la difficulté de construction, les exigences de qualité de construction, les exigences de durabilité et les avantages économiques ;

2) En comparant la méthode de pulvérisation à la méthode d'encapsulation, les principaux avantages de la méthode de pulvérisation résident dans la simplicité du processus de mise en œuvre et dans le fait que l'aspect des composants ne change pas beaucoup après la pulvérisation. Les principaux avantages de la méthode d'encapsulation sont le faible coût, une bonne résistance au feu et une grande durabilité.

3) Chaque type de mesure de prévention incendie présente ses propres avantages et inconvénients. En pratique, elles peuvent se compléter et se compléter, permettant ainsi de pallier leurs lacunes respectives. Différentes mesures peuvent être mises en œuvre pour établir plusieurs lignes de défense contre l'incendie.

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