2019 steelacademy - szs
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steelacademy2019
Vérification thermique en section
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 1
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Vérification thermique en section - Contenu
▪ Conditions aux limites
▪ Introduction théorique à l’aide d’un exemple : poutre mixte avec âme enrobée de béton
▪ Exemples d’application
▪ Poutre mixte avec âme enrobée de béton (FAGUS)
▪ Poteau en acier non revêtu – comparaison AVENA ./. Nomogramme
▪ Poteau en acier non revêtu, galvanisé – comparaison AVENA ./. ABAQUS ./. Nomogramme
▪ Discussion : Capacités et limites
▪ Perspectives :
▪ Dimensionnement à chaud par modèle 3D
▪ Dimensionnement à chaud par modèle 3D avec CFD
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Conditions aux limites pour vérifications thermiques
en section
▪ Généralisation par-rapport au nomogramme :
▪ Distribution généralisée de l’apport de chaleur à la section
▪ Mesures généralisées de protection (matériau, arrangement)
▪ Fonctionne pour des sections de n’importe quel matériau
▪ Identique au nomogramme :
▪ Section constante sur une longueur assez grande
▪ Apport constant de chaleur sur une longueur assez grande
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Introduction théorique
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Symétrie
Incendie
normalisé ISO
Température
ambiante▪ Donné :
▪ Section, constante sur une certaine longueur
▪ Influence de la température, constante sur une certaine longueur
▪ Recherché :
▪ Capacité portante après 30 / 60 / 90 minutes
▪ Temps jusqu’à la défaillance sous charge donnée
▪ Flexion, traction, compression (flambage), cisaillement
▪ Combinaisons
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Introduction théorique
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Incendie
normalisé ISO
Température
ambiante
Symétrie
▪ Donné:
▪ Section, constante sur une certaine longueur
▪ Influence de la température, constante sur une certaine longueur
▪ Méthode:
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡é 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 =
න𝑅é𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒 × 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
▪ Distribution de la température (p.ex. après 30 / 60 / 90 minutes)
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
▪ Distribution de la température (p.ex. après 30 / 60 / 90 minutes)
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
▪ Distribution de la température (p.ex. après 30 / 60 / 90 minutes)
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
▪ Distribution de la température (p.ex. après 30 / 60 / 90 minutes)
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Introduction théorique
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▪ Étapes intermédiaires
▪ Maillage par éléments finis
▪ Distribution de la température (p.ex. après 30 / 60 / 90 minutes)
▪ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡é 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 =
න𝑅é𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝é𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒 × 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑞𝑢𝑒
𝑇𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛: 𝑁𝑅𝑑,𝑓𝑖 = 𝐴 𝜎 𝜃 𝑑𝐴
𝐹𝑙𝑒𝑥𝑖𝑜𝑛: 𝑀𝑅𝑑,𝑓𝑖 = 𝐴 𝜎 𝜃 ∙ 𝑧 − 𝑧𝑠 𝑑𝐴
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steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland BärtschiRéférence: SZS
steeltec04:2018
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steeltec04:2018
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Exemple d’application :
Poutre mixte à âme enrobée de béton
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Exemple d’application : Poutre mixte avec enrobage béton
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Symétrie
Incendie
normalisé ISO
Température
ambiante▪ Section nue sous incendie normalisé ISO
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Exemple d’application : Poutre mixte avec béton encadré
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Symétrie
Température
ambiante▪ Section nue sous incendie normalisé ISO
▪ Un côté de la section revêtue
Incendie normalisé
ISO, revêtueIncendie
normalisé ISO
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Exemple d’application : Poutre mixte avec béton encadré
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Symétrie
Incendie
naturel
Température
ambiante▪ Section nue sous incendie normalisé ISO
▪ Un côté de la section revêtue
▪ Section non revêtue sous incendie naturel
▪ …
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Exemple d’application :
Poteau en acier non revêtu
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Exemple d’application : Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 page 43)
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA :
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA :
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes incendie normalisé ISO ?
▪ Nomogramme : https://www.szs.ch/wp-content/uploads/2019/04/Euronomogramme_2015_FR.pdf
Facteurs de massiveté : https://www.szs.ch/wp-content/uploads/2016/11/heb-profilfaktoren.pdf
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme : https://www.szs.ch/wp-content/uploads/2019/04/Euronomogramme_2015_FR.pdf
Facteurs de massiveté : https://www.szs.ch/wp-content/uploads/2016/11/heb-profilfaktoren.pdf
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Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
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Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
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![Page 26: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/26.jpg)
Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
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![Page 27: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/27.jpg)
Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
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![Page 28: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/28.jpg)
Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
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Qcrit = 770°C
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Exemple d’application : Poteau en acier non revêtu
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Exemple d’application : Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 page 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes ? Incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme : Qcrit = 770°C, Nk,Rd,fi(30) = 537 kN (calcul à l’aide de l’exposé Schulthess)
▪ AVENA :
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 page 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes? incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme :
▪ AVENA :
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes? incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme:
▪ AVENA :
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![Page 33: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/33.jpg)
Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes? incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme:
▪ AVENA :
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ca. 800°C (cf. Nomogramm)
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Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau : 4.00m
▪ Simplement appuyé => Longueur de flambage 4.00m
▪ État froid : Nk,Rd = 4’429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA : Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes? incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme :
▪ AVENA :
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![Page 35: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/35.jpg)
▪ HEB 360 S355
▪ Longueur du poteau: 4.00m
▪ souplement entreposé => longueur du pli: 4.00m
▪ État froid: Nk,Rd = 4429 kN (C4/06 Seite 43)
▪ Calcul avec AVENA: Nk,Rd = 4429 kN
▪ Capacité portante après 30 minutes? incendie normalisé ISO
▪ Nomogramme :
▪ AVENA :
Exemple d’application: Poteau en acier non revêtu
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 35
![Page 36: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/36.jpg)
Poteau en acier exposé aux flammes de tous les côtés
▪ À quel point est-il réaliste de supposer
une température constante sur la section complète?
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 36
![Page 37: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/37.jpg)
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 37Quelle: Baertschi Partner Bauingenieure AG, Dr. Fangxia Lu
![Page 38: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/38.jpg)
Même poteau, zingué à chaud
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 38
Référence: Mensinger, M.: Aktuelle Entwicklungen im Brandschutz von Stahl- und Verbundkonstruktionen, SZS steelday 2018
▪ Les surfaces galvanisées réfléchissent mieux le rayonnement thermique
quand les températures sont basses.
▪ Pour cela on échauffe les surfaces galvanisées moins fortement
que les surfaces non galvanisées.
▪ Règle selon Prof. Mensinger :
▪ Émissivité = 0.35 (au lieu de 0.70) pour les températures jusqu’à 500°C
▪ Émissivité = 0.70 (inchangée) pour les températures plus de 500°C
![Page 39: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/39.jpg)
Même poteau, zingué à chaud
▪ Les surfaces galvanisées réfléchissent mieux le rayonnement thermique
quand les températures sont basses.
▪ Pour cela on échauffe les surfaces galvanisées moins fortement
que les surfaces non galvanisées.
▪ Règle selon Prof. Mensinger :
▪ Émissivité = 0.35 (au lieu de 0.70) pour les températures jusqu’à 500°C
▪ Émissivité = 0.70 (inchangée) pour les températures plus de 500°C
▪ Pas résoluble avec des programmes de calcul traditionnels
▪ Pas résoluble avec des nomogrammes
▪ Nécessité des outils spéciaux (propriétés des matériaux
dépendant de la température)
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 39
![Page 40: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/40.jpg)
Même poteau, zingué à chaud
▪ Les surfaces galvanisées réfléchissent mieux le rayonnement thermique
quand les températures sont basses.
▪ Pour cela on échauffe les surfaces galvanisées moins fortement
que les surfaces non galvanisées.
▪ Règle selon Prof. Mensinger :
▪ Émissivité = 0.35 (au lieu de 0.70) pour les températures jusqu’à 500°C
▪ Émissivité = 0.70 (inchangée) pour les températures plus de 500°C
▪ Pas résoluble avec des programmes de calcul traditionnels
▪ Pas résoluble avec des nomogrammes
▪ Nécessité des outils spéciaux (propriétés des matériaux
dépendant de la température)
▪ Calcul thermique avec ABAQUS : température moyenne de la section
avec galvanisation 80°C plus bas que sans galvanisation
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![Page 41: 2019 steelacademy - SZS](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062519/62b2d371fb55fe4dfb4f2a13/html5/thumbnails/41.jpg)
Anwendungsbeispiel: Stahlstütze unbekleidet
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 41
+ 9 min
-80°C
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Même poteau, zingué à chaud
steelacademy 2019 | Lausanne 25 Septembre 2019 | Dr. Roland Bärtschi 42
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Même poteau, zingué à chaud
▪ Les surfaces galvanisées réfléchissent mieux le rayonnement thermique quand les
températures sont basses.
▪ Pour cela on échauffe les surfaces galvanisées moins fortement que les surfaces
non-galvanisées.
▪ Règle selon Prof. Mensinger :
▪ Émissivité = 0.35 (au lieu de 0.70) pour les températures jusqu’à 500°C
▪ Émissivité = 0.70 (inchangée) pour les températures plus de 500°C
▪ Pas résoluble avec des programmes de calcul traditionnels
▪ Pas résoluble avec des nomogrammes
▪ Nécessité des outils spéciaux (propriétés des matériaux dépendent de la température)
▪ Calcul thermique avec ABAQUS : température moyenne de la section
avec galvanisation 80°C plus bas que sans galvanisation
▪ Nk,Rd,fi(30) = 537 kN (non galvanisé), Nk,Rd,fi(30) = 867 kN (galvanisé), c.-à-d. + 62%!
Ou bien concernant le temps de défaillance : Poteau tient 9 minutes de plus que sans galvanisation
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Conclusion : Discussion et perspectives
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Discussion : Capacités et limites
▪ Vérification thermique de section avec un logiciel répandu (FAGUS)
▪ Achat avantageux
▪ Utilisation simple (période d’initiation : quelques jours)
▪ Applicable dans les limites du système
▪ Vérification thermique de section avec un logiciel «High-End» (ABAQUS)
▪ Achat très onéreux
▪ Seulement applicable par des experts (période d’initiation : des mois / années)
▪ Peut faire (presque) tout :
▪ Paramètres dépendants de la température
▪ Element Birth/Death : p. ex. : Le revêtement en bois se consume tôt ou tard
▪ …
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Perspectives
▪ Dimensionnement à chaud au moyen d’un modèle 3D
▪ Section et apport de chaleur non plus constants sur la longueur
▪ Considération plus réaliste du comportement de l’ossature
▪ Transfert plastique dans l’ossature
▪ Dilatation thermique, contraintes
▪ Non linéarités géométriques (p. ex. comportement de câbles ou de membranes)
▪ Cf. steelacademy 2018 : Exposé du Dr. Matthias Stamm
▪ Dimensionnement à chaud au moyen d’un modèle 3D avec CFD (Computational Fluid Dynamics)
▪ «Simulation d’une salle», «Feu naturel»
▪ Calculer la distribution de l’apport de chaleur d’une ossature suite à un événement
▪ Déterminer les divergences par rapport au feu ISO sur la surface de l’ossature
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Merci pour votre attention