TUNNELS ET ESPACE SOUTERRAIN - n°257 - Septembre/Octobre 2016 273

TECHNIQUE/TECHNICAL

Evaluation expérimentale de la tenue au feu du tunnel de Courcelles en exploitation

Experimental fire assessment of Courcelles cut-and-cover tunnel under traffic

Xavier THOLLARDTractebel Engie

Dominique PARDONCSTB*

Introduction

The determination of input parame-ters for assessing the fire resistance of existing structures, in particular concrete progressive spalling, is a decisive step in the case of a precise search of resistance durations for reinforced and prestressed concrete structures with HCM fire curve. Tests known as « re-inserted samples » described in CETU guide, among other types of tests, and so far widely used for structural fire design, have shown their limits: in particular the strong influence of concrete material of the supports tested in laboratories, compared to concrete from the exis-ting structure. Given the sensitivity of progressive spalling, for the assess-ment of the tunnel Courcelles (Paris 17arr., France), TRACTEBEL Engie in charge of the design has oriented the Mairie de Paris to choose an “on-site” test, which was held in February 2016 by CSTB Laboratory, and which was

the first of its kind as a tunnel under traffic in France. This article presents the general approach of the fire design and consideration of the experimental parameters.

Description of the existingtunnel

The tunnel is divided into four struc-tures built between the late 1960s and 1980. The side walls are made of reinforced concrete walls, and the central wall is made of regularly spaced reinforced concrete columns, which support a gallery for lighting. Covered slabs are made alternately of prestressed concrete beams and prestressed concrete slabs. Several levels of fire resistance are defined to reach from N1 to N3, depen-ding on the exposed areas and types of covered areas.

Introduction

La détermination des paramètres

d’entrée pour l’évaluation de la

tenue au feu des structures exis-

tantes, en particulier l’écaillage

du béton, est une étape décisive

dans le cas d’une recherche fine de

durées de résistance d’ouvrages en

béton (armé ou précontraint) sous

un feu de type HCM. Les essais sur

« carottes ré-incrustées », décrits

dans le guide du comportement

au feu des tunnels routier du CETU

parmi d’autres type d’essais, et

jusqu’ici largement utilisés pour

les études de mise en sécurité, ont

montré leurs limites, en particulier

la forte influence des bétons des

dalles supports testées en labora-

toire, par rapport aux bétons pro-

venant de l’ouvrage existant. Etant

donné la sensibilité des paramètres

d’écaillage dans ces études, dans

le cadre de la mise en sécurité du

Tunnel de Courcelles (Paris 17e),

TRACTEBEL Engie, en charge des

études de mise en conformité, a

orienté la Mairie de Paris vers le choix

d’un essai « in-situ », réalisé en février

2016 par le CSTB, et qui constitue le

tout premier essai de ce type pour

un tunnel en exploitation. Cet article

présente la démarche générale des

études et la prise en compte de ces

valeurs expérimentales.

Description de l’ouvrage existant

La tranchée couverte de Courcelles

est divisée en quatre ouvrages

distincts réalisés entre la fin des

années 1960 et 1980. Les piédroits

sont constitués de murs en béton

armé, et la pile centrale de poteaux

en béton armé régulièrement espa-

cés, support d’une galerie d’éclai-

rage. Les dalles de couvertures

sont constituées alternativement de

dalles pleines précontraintes et de

poutres caissons précontraintes.

Division Expertise, Avis Règlementaires, et Recherche, Direction Sécurité, Structure et Feu

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L’état de référence définit plusieurs

niveaux de résistance au feu à

atteindre allant de N1 à N3, suivant

les zones exposées et les typologies

d’ouvrages.

Etudes préliminaires

• 1ère étape : pas d’écaillage considéré

A partir des éléments disponibles

de l’existant (plans, notes de

calcul), les paramètres pertinents

(matériaux, sections, positions

des câbles et armatures) pour les

études thermiques et thermomé-

caniques, menées avec le logiciel

SAFIR® (v.2015), sont confirmés à

partir des diagnostics réalisés sur

les différentes parties d’ouvrages,

notamment pour fiabiliser les

valeurs d’enrobages.

Des calculs préliminaires sont

menés sans prendre en compte la

problématique de l’écaillage, afin

de déterminer s’il est opportun

d’effectuer une vérification plus

fine qui prend en compte l’écail-

lage ou s’il est préférable d’adopter

directement des mesures de pro-

tection passive des structures. Les

parties de structures ne vérifiant

pas les durées de résistances, sans

écaillage, par rapport à un temps

garanti d’intervention des services

de secours, seront ainsi sélection-

nées comme devant être protégées

par des produits de protection

rapportés.

Preliminary design

• 1st step : no spalling considered

From the available documents of the

existing works (drawings, calculation notes), the relevant parameters (mate-rials, sections, positions of cables and reinforcements) for thermal and thermomechanical calculations with SAFIR® software were confirmed from

Figure 1 - Vue en plan et coupe de l’ouvrage / Plan and section views of the existing work.

Figures 2 - Etudes thermiques réalisées avec SAFIR® / Thermal analysis with SAFIR®.

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• 2ème étape : avec écaillage non mesuré

A l’inverse, les parties de structures

respectant les critères de résistance

sans écaillage, sont réétudiées avec

des valeurs d’écaillages prises

arbitrairement (entre 3 et 5 cm)

afin d’évaluer la sensibilité de ce

paramètre pour chacune des zones,

et de déterminer si, pour des valeurs

d’écaillage faibles, certaines zones

ne sont déjà pas vérifiées au vu des

critères de résistance. Auquel cas

des mesures de protection passive

sont envisagées à ce stade. Les

structures qui vérifient les critères

peuvent en revanche être réétudiées

par la suite avec la prise en compte

de valeurs d’écaillage issues de

l’essai in-situ (cf. ci-après).

Description de l’essai in-situ

• Localisation

L’essai ne pouvant matériellement

pas être reproduit sur toutes les

parties d’ouvrages nécessitant une

évaluation de la tenue au feu, un

seul essai a été envisagé sur l’un

des piédroits du tunnel. La zone

d’essai, bretelle de sortie BPI Porte

d’Asnières, a été choisie selon plu-

sieurs critères, notamment pour la

possibilité de pouvoir réaliser l’essai

de jour (avec fermeture de la bretelle

de sortie), et pour la proximité de

l’extrémité de la dalle de couverture

pour évacuer rapidement les gaz

chauds générés par le four.

diagnostics documents carried out on different parts of the works, including cover reinforcement values.Preliminary calculations were carried out without considering concrete pro-gressive spalling, to determine whether it is appropriate to make a finer verifi-cation that takes into account spalling or whether it is better to design directly passive protections products. The parts of structures which were not verifying the durations of resistance, compared with a guaranteed response time of emergency services, were selected as well as areas which have to be protec-ted by fire protection products.

• 2nd step : unmeasured spalling

On the other hand, parts of structures which did not satisfy the fire resis-tance criteria were re-calculated with arbitrarily values of spalling depths (between 3 and 5 cm) to assess the sensitivity of this parameter for each zone, and whether, for low values of spalling depths, some areas would not be already verifying the fire resistance criteria. In these cases fire protection measures were intended at this stage. Parts of structure which did satisfy the fire criteria however had to be recons-idered later with the spalling depths values from in-situ test (see below).

Description of in-situ test

• Localisation

As the fire test cannot physically be reproduced on all parts of structures which require an assessment of the fire resistance, only one test has been

designed on one of the sidewalls of the tunnel. The test area, located near an exit lane at Porte d’Asnieres (Paris side), was chosen based on several criteria, including the possibility to perform the test in daytime (with the closure of the exit ramp), and the vicinity of the end of the cover slab to quickly evacuate hot gases generated by the furnace.

• Preparation

A reconnaissance visit was held with Mairie de Paris, after which an area of 1.2 mx 1.2 m on the facing of the wall was prepared by depositing the mosaic tiles, and determining the type of fire protection to be provided on the surrounding parts of the tested area. In particular, glass lighting holes have been stored and protected by protection products and nearby walls and slab were protected by flocking.

• Carrying out the test

The mobile oil-fired furnace used to apply with the HCM curve to the wall to be assessed consists of two distinct parts. A couple of round-flame-oil burners which work with light fuel, operated from a control panel and a fire chamber made of refractory materials for development of flames. This box has an opening of 1 m2 applied on the concrete wall and two ducts parallel to the wall, one for the flames from the burners, and the other for the release of combustion gases which go through an opening at the side of the fire chamber.Temperatures are measured using 4 thermocouples inserted into the furnace and representing the exposed area.The thermal program is powered by the function:

• Préparation

Une visite de reconnaissance a

eu lieu avec la Mairie de Paris, à

la suite de laquelle une zone de

1,2 m x 1,2 m sur le parement du

piédroit a été préparée, en déposant

les carreaux en pâte de verre, et en

déterminant le type de protection à

prévoir sur les parties voisines de

la zone à tester. En particulier, les

vitrages des niches d’éclairage ont

été déposés et protégés par des

plaques de protection, et les murs

voisins et la sous-face de dalle de

couverture ont été protégés par

flocage.

• Réalisation de l’essai

Le four utilisé pour solliciter la paroi

à évaluer à partir de la courbe HCM

est constitué de 2 parties distinctes :

un ensemble de 2 brûleurs avec

coffret de contrôle-commande et

fonctionnant au fioul domestique

ainsi qu’un caisson en matériaux

réfractaires permettant le dévelop-

pement des flammes. Ce caisson

présente une face ouverte de 1m2

appliquée contre la paroi en béton

et 2 conduits parallèles à la paroi,

l’un servant à canaliser les flammes

issues des brûleurs et l’autre d’exu-

toire aux gaz ayant échauffé la paroi

en béton de l’ouvrage.

Les températures sont mesurées à

l’aide de 4 thermocouples insérés

dans le four et représentant la zone

exposée.

Le programme thermique est ali-

menté par la fonction :

Figure 3 - Piédroit avant essai / Sidewall before testing.

20+1280[1-0,325 exp(-0,167t)-0,675 exp(-2,5t)]

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• Résultats

On a pu situer le début du phéno-

mène d’écaillage à 14 min d’essai.

La dimension des écailles est d’en-

viron 25mm x 25mm x 5mm. Cet

écaillage s’est poursuivi pendant

toute la durée de l’essai.

• Results

The spalling phenomenon has been observed after 14 min of testing. The size of the spalls was about 25mm x 25mm x 5mm. The progressive spal-ling continued throughout the duration of the test.

Figure 4 - Vue schématique de l’installation d’essai / Schematic view of the installation test.

Figure 7 - Courbes de conduite du four / Fire curves of furnace.

Figure 5 - Vue du four avant essai / Installation view before testing.

Figure 6 - Vue du four du caisson du four mobile lors de l’essai / Fire chamber of the mobile furnace during the test.

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Dans le caisson contre la paroi tes-

tée, un tas d’écailles de béton s’est

formé, les granulats des écailles

ont pris une couleur verdâtre et

certains présentaient une surface

légèrement vitrifiée. On a observé

également après essai que le pre-

mier lit d’armatures a été presque

entièrement dénudé.

Après refroidissement, des mesures

de profondeurs d’écaillage ont été

réalisées, suivant un maillage de

50 mm x 50 mm. Les profondeurs

varient de 5 à 75 mm suivant les

zones, la valeur médiane étant de 50

mm, qui sera la valeur retenue pour

cette zone testée.

Intégration des résultatsdans les études de tenue au feu

Les profondeurs d’écaillages mesu-

rées lors de l’essai ont été extrapo-

lées aux autres parties d’ouvrages

grâce à des analyses comparatives

des matériaux en place (comprenant

In the fire chamber in front of the tested wall, a heap of concrete spalls formed, aggregates took a greenish color and some showed slightly glazed surface.

It was also observed after testing that the first layer of reinforcement rebars was almost completely bared.After cooling, the spalling depth mea-surements were made, according to a mesh size of 50 mm x 50 mm. The depths vary from 5 to 75 mm depen-ding on the area, the median was equal to 50 mm, which was the value used for this test area.

Integration of results in thestructural fire design

The depths due to progressive spal-ling during the test were extrapolated to the other parts of the works through comparative analysis of materials (including pore pressure, microstruc-tural analysis, E / C ratio ...). To do so, physico-chemical tests were carried out by the CONCRETE laboratory in different areas, in order to extract the material characteristics (CC1 to CC12 samples in the following table). The concrete of the tested area was taken in a cold part (non-exposed to fire) and was considered as the control area, on

la porosité, l’analyse microstructu-

rale, rapport E/C…). Pour ce faire,

des essais physico-chimiques

ont été réalisés par le laboratoire

Figure 8 - Vue de la zone testée après essai – 1er lit d’armatures dénudé partiellement / Tested area after testing – 1st reinforcement layer bared.

Figure 9 - Carte de profondeur d’écaillage (mm)/ Spalling depths cartography (mm).

Figure 9 - Synthèse des analyses comparatives entre zones / Synthesis comparative analysis between areas.

Microscope optique Optical

microscope

MEB Type de ciment Type of cement

Masse volumique

Volumic mass

PorositéPorisity

Analyses thermo-gravimétriquesThermogravi-

metricanalyses

Teneur en liant hydrauliqueHydraulic

binder content

Eeff/ciment

Dosage des ions solubles

Dosing of soluble ions

CC1

CC2

CC3

CC4

CC5Zone testée au feuFire tested zone

CC6

CC7

CC8

CC9

CC10

CC11

CC12

Résultats similaires à la zone testée / Results similar to those of the tested zone

Résultats très proches de la zone testée / Results close to those of the tested zone

Résultats différents de la zone testée / Results different to those of the tested zone

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CONCRETE dans différentes zones,

afin d’en extraire les caractéristiques

des matériaux (échantillons CC1 à

CC12 dans le tableau suivant). Le

béton de la zone testée a été prélevé

en partie saine (non soumise au feu)

et constitue la zone témoin, sur la

base de laquelle sont effectuées les

comparaisons.

Les analyses comparatives ont

permis de mettre en évidence les

éventuelles différences avec la

zone témoin, en fonction des para-

mètres testés, et d’en déduire les

incertitudes sur l’écaillage de ces

zones.

Ces incertitudes ont ensuite été

quantifiées forfaitairement suivant

les zones, par une majoration de la

profondeur d’écaillage de quelques

centimètres (entre 1 et 3 cm). Ces

nouvelles valeurs ont été finalement

intégrées aux modèles de calculs

SAFIR permettant l’évaluation de la

tenue au feu des structures, et ont

permis de conclure sur la nécessité

de protection rapportée éventuelle.

Conclusion

L’approche expérimentale par essai

in-situ de la tenue au feu du Tunnel

de Courcelles a permis une prise en

compte de manière très fine de la

problématique d’écaillage. Chaque

partie d’ouvrage a été optimisée

en termes de protection rapportée

éventuelle, offrant ainsi des équi-

pements adaptés au comportement

réel des structures existantes. Cette

approche pourra être reconduite

lors des études futures de mise en

conformité d’autres ouvrages en

exploitation. t

the basis of which comparisons have been made. Comparative analysis allowed to highlight differences with the control area, based on the parameters tested, and to deduce uncertainties of pro-gressive spalling of these areas.These uncertainties were quanti-fied for each area, by increasing the spalling depths of a few centimeters (1 to 3 cm). These new values were finally integrated into the SAFIR cal-culation models for assessing the fire resistance of structures, and have concluded to the need of possible fire protection products.

Conclusion

The experimental approach by on-site test of the structural fire resistance

of the Courcelles tunnel has allowed consideration in a very precise way of the progressive spalling issue. Each part of the structure has been opti-mized in terms of fire protection, pro-viding equipments adapted to the exis-ting structural behavior. This approach could be extended in the future for engineering fire design applied to existing structures. t