Finite element modeling for fire resistance of timber composite panels
Responsables scientifique : Yann Rogaume (Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur le Matériau Bois — LERMAB)
Partenaires Labex : M Khelifa (Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur le Matériau Bois LERMAB)
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Contexte — Bien que le bois soit un matériau combustible, les structures en bois résistent remarquablement au feu. En effet, le comportement du bois est particulièrement favorable lorsque les sections sont suffisamment dimensionnées pour permettre la formation d’une couche de bois carbonisé (charbon) qui assure la protection de la section centrale par ses propriétés isolantes. La combustion du bois se déroule en 3 étapes principales : le chauffage et la hausse de température du bois qui s’accompagne du séchage, puis la pyrolyse qui dégage des gaz combustibles qui vont brûler autour du bois et produit du charbon ; enfin, la combustion lente du charbon. L’aptitude du bois à résister à la propagation du feu est liée principalement à la couche de charbon qui limite le flux de chaleur entrant. D’un point de vue structural, le charbon n’a aucune résistance, ce qui fait que la perte de capacité résistante d’un élément en bois enflammé est essentiellement expliquée par une perte de section de bois ayant une température inférieure à 300°C environ.
L’inflammabilité et la résistance au feu des structures en bois dépendent de l’essence, la densité, la forme, le type technologique du matériau (bois massif, bois contrecollé…) et l’état hygroscopique. Ainsi, la vitesse de combustion en dépend également. Cependant, les préconisations et règles de calcul issues de l’Eurocode 5, essentiellement validées sur du bois massif résineux, se heurtent à la complexité physique du problème et ne permettent pas de reproduire fidèlement les mécanismes et phénomènes réels, surtout dans le cas des produits d’ingénierie contrecollés tels que le BLC, BMR et panneau CLT.
Objectifs — L’enjeu principal de ce projet est l’élaboration d’un modèle de combustion du bois tenant compte de la réalité physique pour simuler fidèlement le comportement des structures en bois en situation d’incendie. Le champ d’application a pour objectif une meilleure prédiction du comportement d’éléments structuraux contrecollés types CLT, BLC, BMR, etc. Dans cet objectif un premier modèle thermique a été développé et validé au LERMAB. Dans le cadre de ce projet nous proposons, essentiellement, l’extension du modèle thermique développé au comportement hygrothermique pour prendre en compte l’effet retardateur généré par la teneur hygrométrique et par la couche de charbon.
Démarche — La démarche proposée dans cette étude s’organise en trois étapes. La première étape constitue un état de l’art sur le comportement au feu des panneaux à base du bois utilisés dans la construction, incluant l’étude du comportement hygrothermique du matériau bois. La deuxième étape porte sur le choix du modèle thermique approprié aux structures bois sous hautes températures. Le modèle choisi intègre les trois modes du transfert de chaleur à savoir la conduction, le rayonnement et la convection au cours de l’exposition au feu. Les aspects théoriques et numériques associés au modèle seront ensuite présentés et commentés. Afin de procéder à la validation de la procédure numérique à implémenter dans la plateforme d’Abaqus retenue pour modéliser le comportement thermique des parois bois multicouches, la dernière étape présentera des applications du modèle numérique à la simulation des tests d’incendie réels disponibles dans la littérature. Le modèle sera donc utilisé pour mener une étude sur la distributions des champs de températures et la formation de la couche du charbon en vue de mieux comprendre l’évolution du comportement hygrothermique des panneaux bois multicouches au cours de l’incendie.
Résultats et impacts attendus — L’étape suivante consistera à réaliser le même type de travail sur des parois multicouches avec des matériaux différents ayant des propriétés thermiques différentes. Il s’agira notamment de prendre en compte les effets de ces comportements sur la résistance au feu de parois multicouches. A terme, ce modèle numérique pourra être utilisé par les professionnels du bâtiment pour aider à la conception des parois afin de prendre en compte de façon optimale la résistance au feu des structures bois.
