Résistance au feu des systèmes renforcés de PRF utilisés pour la réparation des bâtiments en béton

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Solution constructive no 74, Août. 2010

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par N. Benichou, V.K.R. Kodur, M.F. Green, and L.A. Bisby

Ce numéro présente un aperçu de la recherche de l’IRC-CNRC sur la résistance au feu des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF) encollés à l’extérieur, utilisés pour réparer des éléments de structure de béton endommagés. La recherche a montré que les systèmes de PRF qui comprennent une isolation spécialement conçue à cet effet permettent à des éléments de structure de béton réparés ou renforcés de dépasser les 4 heures de résistance au feu exigées dans les codes du bâtiment.

 Les polymères renforcés de fibres (PRF) sont maintenant des méthodes de réparation acceptées pour les ponts en béton. En revanche, pour réparer les bâtiments et les garages de stationne­ment en béton, leur utilisation a été limitée car on avait des inquiétudes sur leur comportement au feu. L’IRC-CNRC a mené des essais pleine grandeur sur des poteaux circulaires, des poutres en T et des dalles, renforcés de PRF, pour en savoir plus sur leur résistance au feu.

Propriétés des PRF

Un polymère renforcé de fibres est un matériau fait de deux composants, à savoir des fibres de haute résistance noyées dans une matrice polymère. Les PRF offrent de gros avantages pour réparer les structures de béton à cause de leur grande résistance, de leur résistance à la corrosion et de leur facilité d’application. Ils se sont avérés efficaces tant à l’intérieur, en tant qu’alternative à l’acier d’armature, qu’à l’extérieur, pour renforcer le béton endommagé.

Figure 1. Changement de la résistance des PRF et de la résistance d’adhésion avec l’augmentation de la température [Références 1 et 2] (Les courbes ne sont pas définitives et ne doivent pas servir à des fins de conception.)

Figure 1. Changement de la résistance des PRF et de la résistance d’adhésion avec l’augmentation de la température [Références 1 et2]. (Les courbes ne sont pas définitives et ne doivent pas servir à des fins de conception.)

Les trois types principaux de fibres PRF utilisés dans la plupart des applications structurelles sont le carbone, le verre et dans une moindre mesure, l’aramide. Chacun a ses avantages et ses désavantages. Les fibres de carbone sont appréciées pour leur résistance à la flexion à cause de leur grande rigidité, de leur résistance et de leurs caractéristiques supérieures en matière de fatigue et de durabilité. Les fibres de verre sont utilisées plus communément pour leur résistance au cisaillement.

La matrice polymère soutient et protège les fibres, transfère et répartit les forces sur les fibres, et enfin disperse et maintient l’espacement entre les fibres. Les polymères utilisés dans les applications structurales doivent avoir une bonne stabilité thermique, une résistance chimique et un fluage faible. En cas d’incendie, la matrice est le composant vulnérable des PRF à cause de sa combustibilité et de son ramollissement lorsque la température augmente.

Comportement des PRF au feu

L’une des caractéristiques des PRF est leur basse température de transition vitreuse (Tg). Tg représente le milieu de la plage des températures au-dessus desquelles la matrice polymère des PRF subit un changement et passe de dure et cassante à visqueuse et caoutchouteuse. Les matrices polymères qui durcissent à la température ambiante et sont souvent utilisées pour renforcer les structures de béton ont des températures de transition vitreuse allant de 60 °C à 100 °C. Sans protection contre la chaleur, une matrice polymère peut aussi s’enflammer, emettre de la fumée et supporter la propagation du feu. Un des principaux objectifs de la recherche de l’IRC-CNRC était de rechercher quelle incidence la basse température de transition vitreuse des PRF avait sur la performance des systèmes de renforcement du béton par PRF et protégés par un isolant dans les situations d’incendie.

Exposés au feu, les matériaux des PRF peuvent souffrir de carbonisation, de fonte, de délamination, de fissures et de déformation. La figure 1 montre que pour certains types de matrices, le décollement peut être bien avancé à 200 °C. Elle montre aussi que les fibres elles-mêmes perdent de la résistance lorsque les températures augmentent, la fibre de carbone étant celle qui en perd le moins.

Expériences de résistance au feu

L’objectif des expériences de l’IRC-CNRC était de faire des recherches sur la résistance au feu et la résistance structurale de poteaux, poutres en T et dalles renforcés de PRF isolés. Les systèmes de PRF testés utilisaient des isolants brevetés qui étaient projetés par dessus les systèmes.

Poteaux circulaires enveloppés de PRF

Des essais au feu pleine grandeur ont été menés sur 4 poteaux de béton circulaire enveloppés de PRF (400 mm ø x 3810 mm long) et sous des charges de service. La figure 2 montre une colonne à différentes étapes du processus d’essai.

Poteau en béton armé Poteau en béton armé renforcé de PRF Poteau en béton armé renforcé de PRF avec isolant projeté en chambre d’essai Poteau après un essai de résistance au feu
Poteau en béton armé Poteau en béton armé renforcé de PRF Poteau en béton armé renforcé de PRF avec isolant projeté en chambre d’essai Poteau après un essai de résistance au feu

Les quatre poteaux ont été renforcés à l’intérieur de spirales et barres d’armatures en acier conformément aux normes de conception de l’ACI. Les poteaux ont été enveloppés de PRF de façon à les confiner. On a projeté un isolant contre le feu sur les enveloppements de PRF de trois poteaux sur quatre; un poteau a subi les essais sans aucun isolant. Les résultats des essais figurent au tableau 1.

Tableau 1. Résultats des essais incendie sur les poteaux

N° du Poteau Type de PRF Type d'isolant et épaisseur Rapport de la charge d'essai1 Résistance au feu (min) Résistance prévue (à la température ambiante) (kN)
1

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 57mm 0.50 >3002 5,094
2

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 32mm 0.50 >3002 5,094
3

2 couches de carbone
Tg= 710C

Cimentaire, 53mm 0.56 >3002 4,720
4

2 couches de carbone
Tg= 710C

Aucun 0.56 210 4,720
1. Le rapport de la charge d’essai est la charge appliquée pendant les essais incendie divisée par la résistance prévue (à la température ambiante).
2. Une fois que les poteaux isolés ont dépassé les 300 minutes (5 heures) de résistance au feu, la charge a été augmentée pour provoquer la rupture.

La figure 3 représente les températures enregistrées aux interfaces PRF-Béton de chaque poteau. Elle montre que l’isolant offrait une bonne protection thermique des trois poteaux même si la température Tg (Tableau 1) était dépassée au début de l’incendie.

Même après une exposition au feu prolongée, l’isolant est resté en place et en bon état de sorte que le système PRF – soit l’isolant et la couche de PRF – a offert une protection importante du béton. Les systèmes de PRF ont permis aux poteaux d’atteindre des degrés satisfaisants de résistance au feu ULC S1013 – au-delà de 5 heures – même si la Tg des PRF a été dépassée très tôt. Le poteau renforcé de PRF et non isolé a soutenu la charge appliquée pendant 3 h et demi environ, ne répondant donc pas à l’exigence de résistance au feu de 4 heures (240 minutes). Dans ce cas, l’enveloppement de PRF s’est désolidarisé du poteau en moins de 30 minutes et s’est finalement consumé.

Figure 3. Changement de température avec le temps à l’interface PRF/Béton pour les essais sur les poteaux

Figure 3. Changement de température avec le temps à l’interface PRF/Béton pour les essais sur les poteaux.

Les résultats ont montré que les PRF encollés sur une surface en béton réparée et protégés par un isolant peuvent contribuer à la résistance au feu globale des éléments de béton même si le PRF lui-même est sacrifié pendant l’incendie. Cela renforce l’idée qu’après un incendie, les éléments de béton peuvent être réparés à l’aide d’une nouvelle application de systèmes de PRF plutôt que remplacés. Cela signifie également que dépasser la température vitreuse de transition (Tg) ne fait pas perdre son efficacité au système de PRF isolé.

Poutres en T renforcées de PRF

Des essais incendie pleine grandeur ont été menés sur des poutres en T en béton armé (1220 mm de large x 3900 mm de long) qui avaient été renforcées en flexion à l’aide d’une couche de feuilles de PRF de carbone encollées sur leurs sous-faces et autour des âmes (Figure 4).

Figure 4. Poutres en T-Dispositif

Figure 4. Poutres en T-Dispositif

Toutes les poutres ont atteint une résistance au feu de 4 heures (Tableau 2). En réalité, elles ont été capables de soutenir les charges appli­quées pendant plus de 4 heures. Les résultats des essais menés après que les poutres aient été refroidies à la température ambiante indiquent que la capacité des éléments après les essais incendie était équivalente à la capacité des éléments non renforcés avant les essais. Ainsi, si les limites raisonnables de renforcement par PRF ne sont pas dépassées comme suggéré par la norme ACI 440.2R-084, ces éléments pourraient, après une inspection minutieuse, être considérés intacts après l’incendie et rester en utilisation après un nouvel enveloppement de PRF et d’isolant.

Tableau 2. Résultats des essais incendie sur poutres en T

N° de la poutre en T Type de PRF Type d'isolant et épaisseur Rapport de la charge d'essai1 Résistance au feu (min) Résistance prévue à la température ambiante (kN-m)
1

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 25mm 0.53 >240 130
2

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 38mm 0.53 >240 130
3

2 couches de carbone
Tg= 710C

Cimentaire, 30mm 0.50 >240 145
4

2 couches de carbone
Tg= 710C

Cimentaire, 28mm 0.50 >240 145
1. Le rapport de la charge d’essai est la charge appliquée pendant les essais incendie divisée par la résistance prévue (à la température ambiante).

Dalles renforcées de PRF

On a mené des expériences de résistance au feu à l’échelle intermédiaire sur quatre dalles de béton armé (150 mm d’épaisseur x 950 mm de largeur x 1330 mm de longueur) renforcées de feuilles de PRF de carbone encollées sur leurs sous-faces. Les dalles ont été renforcées à l’intérieur avec de l’acier d’armature conventionnel et ont été construites avec du béton à granulats carbonatés. Les quatre dalles ont été isolées par pulvérisation de plâtres à base de gypse ou cimentaire, produits brevetés spécialement élaborés pour cette application. Les essais au feu sur les dalles ont été réalisés conformément à la norme ULC S1013 (équivalente à la norme ASTM E1195).

Les essais ont permis d’analyser les configurations et épaisseurs d’isolant appropriées pour des essais pleine grandeur sur des poteaux et des poutres renforcées de PRF. Les essais ont montré qu’un degré de résistance de 4 h pouvait être atteint en apposant aussi peu que 38 mm d’isolant supplémentaire sur l’enveloppement de PRF (Tableau 3). Un isolant d’une épaisseur de 19 mm a pu fournir un degré de résistance de 2 h pour des dalles seules sans charge ajoutée.

Dans tous les cas, l’isolant a fourni une bonne protection thermique aux feuilles de PRF bien que la Tg ait été dépassée en moins de 2 h dans les 4 cas. Cela prouve, une fois encore, que le dépassement de la Tg n’est pas un critère de défaillance approprié pour les éléments de béton renforcés de PRF.

Application des résultats à la recherche en incendie

Les matériaux des PRF étant combustibles, ils nécessitent une forme de protection contre le feu pour restreindre le développement de la fumée et la propagation des flammes. Les exigences spécifiques dépendent de la classification du bâtiment et des propriétés du système de PRF utilisé. La plupart des fabricants de PRF ont des revêtements ou d’autres systèmes de protection incendie pour satisfaire aux exigences en matière de propagation des flammes et de la fumée.

Tableau 3. Résultats des essais incendie sur les dalles

N° de la dalle Type de PRF Type d'isolant et épaisseur Rapport de la charge d'essai1 Résistance au feu (min) Résistance prévue à la température ambiante (kN)
1

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 19mm Aucune charge 147 NA
2

1 couche de carbone
Tg= 930C

À base de gypse, 38mm Aucune charge >240 NA
3

1 couche de carbone
Tg= 710C

Cimentaire, 38mm Aucune charge >240 NA
4

1 couche de carbone
Tg= 710C

Cimentaire, 38mm Aucune charge >240 NA
1. Les dalles ont été testées sans charge ajoutée.

En ce qui concerne la performance structurale en cas d’incendie, la recherche a montré que les PRF encollés sur l’extérieur peuvent être protégés avec un isolant de façon à offrir des degrés de résistance au feu supérieurs à 4 heures. Ainsi, les matériaux des PRF peuvent être utilisés pour renforcer les bâtiments tout en répondant aux exigences des codes en matière d’incendie, même si la Tg d’un PRF est dépassée. Pour les isolants testés sur les poteaux et les poutres en T, une épaisseur de 40 mm a offert 4 h de résistance au feu. Ces résultats sont applicables pour le renforcement ou la réhabilitation par PRF qui augmente la résistance existante d’une structure en béton de pas plus de 40 %. Cette augmentation de résistance aide à supporter des charges additionnelles qui pourraient être appliquées à la structure dans le futur.

Études numériques

Des modèles numériques ont été développés afin de simuler le comportement des PRF face à une grande diversité de facteurs ayant une incidence sur la résistance au feu. Dans la plupart des cas, les modèles prévoyaient raisonnablement le comportement en matière de transfert de chaleur ainsi que les températures des éléments renforcés de PRF et isolés. Des essais supplémentaires et une validation conséquente entraîneront la création d’un guide de conception pour des systèmes renforcés de PRF.

Températures mesurées et prévues pour le Poteau 1 (les lignes noires correspondent aux données obtenues lors des essais, les lignes grises aux résultats prévus par les modèles).

Températures mesurées et prévues pour le Poteau 1 (les lignes noires correspondent aux données obtenues lors des essais, les lignes grises aux résultats prévus par les modèles).

Applications pratiques

Cette recherche a permis de rénover plusieurs bâtiments à l’aide des PRF. A Denver, au Colorado, un toit en béton endommagé par un incendie a été réparé avec un système de PRF au lieu d’être remplacé, réduisant ainsi le temps d’interruption de l’unité de production. La couverture en béton endommagée sur la sous-face du toit a été réparée et la dalle a été renforcée en appliquant un système de renforcement par PRF encollé à l’extérieur. Une fois que le PRF a durci suffisamment, une mèche d’acier a été attachée mécaniquement sur la sous-face de la dalle, y compris dans les zones précédemment endommagées par le feu, et on a pulvérisé un matériau ignifuge cimentaire. Le système de renforcement par PRF isolé a offert le degré de résistance au feu d’une heure requis pour cette application.

Parmi d’autres applications récentes, on compte le renforcement d’un garage de stationnement à Toronto et le renforcement de bâtiments à Vancouver et Las Vegas.

Conclusions

Les éléments de béton renforcés de PRF (poteaux, poutres en T et dalles) protégés par un système d’isolation spécialement conçu à cet effet sont capables d’atteindre des degrés de résistance au feu suffisants conformément aux normes ULC S101 [Référence 3] ou ASTM E119 [Référence 5] en situation de pleines charges de service. Dans tous les cas, la résistance au feu a été satisfaisante même si la température de transition vitreuse (Tg) de la matrice polymère des PRF avait été dépassée relativement tôt pendant les essais.

La recherche a permis d’obtenir plusieurs résultats importants qui augmenteront le niveau de confiance pour utiliser des systèmes de PRF en vue de réparer et de renforcer des éléments de béton armé dans des bâtiments, là où la résistance au feu est l’une des principales considérations au moment de la conception :

  1. La défaillance des PRF protégés par un isolant ne signifie pas que l’élément de béton renforcé ne satisfera pas aux exigences en matière de résistance au feu.
  2. Les structures en béton renforcées de PRF peuvent atteindre des degrés de résistance au feu supérieurs à 4 heures si une isolation protectrice appropriée est mise en place.
  3. Si l’on utilise des PRF pour réparer du béton, cela signifie qu’après un incendie, il peut être possible de ne remplacer que le système de PRF (PRF + Isolant) au lieu de remplacer l’élément de béton renforcé.

References

1. Bisby, L.A., Green, M.F., and Kodur, V.K.R., Response to fire of concrete structures that incorporate FRP, Progress in Structural Engineering and Materials, 7, 3, 2005, pp. 136-149.

2. Katz, A., Berman, N., and Bank, L.C., Effect of high temperature on the bond strength of FRP rebars, Journal of Composites for Construction, 3, 2, 1999, pp. 73-81.

3. CAN/ULC-S101-07, Standard methods of fire endurance tests of building construction and materials, Underwriters’ Laboratories of Canada, Scarborough, 2007.

4. ACI 440.2R-08, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, USA, 2008.

5. ASTM E119-08a, Standard Methods of Fire Test of Building Construction and Materials, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA, 2008.

Remerciements

Cette recherche a été conduite en collaboration avec la Queen’s University dans le cadre du réseau de recherche Innovations en structures avec systèmes de détection intégrés (ISIS Canada). Les auteurs souhaitent remercier pour leurs contributions les anciens étudiants de troisième cycle Brea Williams (Ph. D.) et Ershad Chowdhury (M. Sc.). Les partenaires de l’industrie étaient Fyfe Co. et BASF.


Noureddine Benichou, Ph. D., est agent de recherche senior pour le programme Recherche en incendie de l’Institut de recherche en construction du Conseil national de recherches. Venkatesh Kodur, Ph. D., est un ancien agent de recherche senior du même programme et est maintenant professeur à la Michigan State University. Mark Green, Ph. D., est professeur à la Queen's University, et Luke Bisby, Ph. D., est lecteur à l’université d’Edimbourg.

© 2010
Conseil national de recherches du Canada
Août 2010
ISSN 1206-1239