Sylvie Boulanger, PhD Directrice de l'ICCA- Québec

L’acier soumis à des températures élevées
30 janvier 2008

Nous préparons une offre pour déterminer les réparations requises à une usine de plastique après un incendie. Existe-t-il des informations ou des documents qui peuvent nous permettre d’évaluer la conformité de ces installations? – B.R.C.

« S’il reste bien droit après exposition au feu – l’acier est en bon état. » Voilà un commentaire que l’on entend dans l’industrie depuis longtemps. Et s’il n’est pas droit, une déformation modérée et même importante n’est pas le signe d’une modification des propriétés mécaniques et métallurgiques. Vous ne devriez vous inquiéter que si vous pouvez déterminer que certaines pièces ont été exposées à des températures dépassant 650 °C. À ce point, ou juste au-dessous, l’acier perd 50 % de sa force sans pour autant changer son profil métallurgique. N’oubliez pas comment est fabriqué l’acier! Note intéressante, les entreprises se consacrant à la production et à la fabrication de l’acier réparent et redressent souvent l’acier endommagé par le feu. Ils savent que pendant un incendie les modifications métallurgiques sont essentiellement provisoires (et rarement permanentes). « De fait, la réhabilitation ou le remplacement d’éléments [très déformés] dépend en général des impératifs de temps, de facteurs économiques ou de la perception négative face à un acier qui paraît endommagé, » écrit Raymond Tide, et non de sa perte de résistance.

Mon collègue George Frater, notre ressource en génie de protection contre les incendies, reçoit souvent des questions liées au comportement de l’acier à haute température. Il fournit en général quatre références pour aider le requérant:

• Un article de 13 pages de l’Engineering Journal (1998 : Q1) intitulé « Integrity of Structural Steel After Exposure to Fire » (Intégrité de l’acier de construction après exposition à un incendie) par Raymond Tide, consultant principal à Wiss, Janney, Elstner Associates, disponible sur le site Web de l’AISC: www.aisc.org/ej
• Une publication par British Steel (maintenant Corus) intitulée « The Reinstatement of Fire Damaged Steel and Iron Framed Structures » (Le rétablissement des structures à ossature en acier et en fer endommagées par un incendie) dont les principales conclusions sont accessibles à: www.corusconstruction.com/en/design_and_innovation/
  structural_design/fire/fire_damage_assesment/
• Partie 8.6 du Manual for Railway Engineering, chapitre 15 (structures en acier), par AREMA (American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association) qui traite des « Guidelines for Evaluating Fire Damaged Steel Railway Bridges » (Lignes directrices pour évaluer les ponts ferroviaires en acier endommagés par les incendies) disponible sur le site Web AREMA, mais plutôt cher: www.arema.org
• Annexe A d’un livre intitulé «The Principles of Fire Investigation » (principes des enquêtes d'incendie) écrit par Roy A. Cooke et Rodger H. Ide. L’annexe porte sur une « estimation de la température atteinte » et fournit les « couleurs de trempe » des couches d’oxydes formées sur l’acier suite à des températures élevées. Le livre, qui est publié par l’IFE (Institution of Fire Engineers), est disponible à l’achat auprès d’amazon.com ou sur leur propre site Web: www.ife.org.uk

Matériau – En raison de leur teneur relativement faible en carbone et autres alliages, les aciers de construction retrouvent en général près de 100 pour cent de leurs propriétés avant incendie, à condition que la température de l'acier n’a pas dépassé environ 720 °C. L’AISC, l’AASHTO et l’AREMA ont tous adopté comme seuil 650 °C, ce qui n'est pas surprenant car c’est un seuil indépendant de la nuance de l’acier.

Éléments – L'acier se dilate en fonction de sa température et à mesure qu’elle augmente les composants non retenus s'allongent. Un élément totalement retenu dans le sens de la longueur développe des contraintes axiales à mesure que la température augmente. Si l’élément ne dispose pas de place suffisante pour une expansion sans retenue, des forces importantes de compression entrent en jeu. Il y a de fortes chances pour qu’il se produise un flambage lorsque la température est dans la gamme de 650-750 °C suite à une réduction de Fy et E sous ces conditions.

Boulons – Les boulons de haute résistance méritent une mention séparée en raison de leurs impératifs de fabrication particuliers. Les travaux expérimentaux et les inspections après incendie des boulons extraits d'un édifice indiquent que leur exposition au feu, à une exception près, n’altèrent par leurs propriétés de matériau de haute résistance. Une fois que les boulons ont refroidi aux températures ambiantes, ils récupèrent leur résistance d'origine.

Soudures – Le métal d'apport exposé à des températures d'incendie élevées peut être comparé au métal de base adjacent lorsqu'on l'examine sur le plan métallurgique. La hausse de température résultant d’un incendie est comparable à un traitement thermique après soudage.

Fluage – Les grandes déformations dues au fluage sont à prendre en compte si des températures et des charges élevées se sont maintenues pendant une longue période de temps. Toutefois, les niveaux de contrainte et la durée de l'incendie dans la plupart des affectations de bâtiments ne se traduisent pas par une déformation importante par fluage en raison de la charge d’incendie et de la durée d’exposition limitée. Il est possible de quantifier l'effet du fluage à partir des données de recherche publiées (voir les références dans l'article de Tide dans l'EJ). S’il y a fluage, il est peu vraisemblable que son effet sur un élément essentiellement droit soit important ou que cela affecte les performances d’un bâtiment remis à neuf.

Évaluation – Il existe de nombreuses procédures pour évaluer l’intégrité de l’acier de construction après exposition à un incendie, notamment des observations visuelles, des essais non destructifs et destructifs (extraction d’échantillons). Pour plus de détails, lisez l’article de l’EJ. Je n’ai plus de place dans ma rubrique!

-- Sylvie Boulanger