Résistance au feu des murs de maçonnerie en pierre naturelle

Fire resistance of natural stone masonry walls

• Auteur / Autrice : Élodie Donval
• Direction : Ghazi Hassen, Duc Toan Pham
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structures et Matériaux
• Date : Soutenance le 05/10/2023
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Fekri Meftah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ghazi Hassen, Duc Toan Pham, Anne-Sophie Colas, Géry de Saxcé, Patrick de Buhan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Sophie Colas, Géry de Saxcé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Rupture

Construction en pierre

Essais de comportement au feu

Pierre

Mots clés libres

Maçonnerie

Pierre naturelle

Résistance au feu

Homogénéisation périodique

Calcul à la rupture

Masonry

Natural stone

Fire resistance

Periodic homogenisation

Yield design theory

Résumé

La pierre naturelle, matériau bas carbone, est de plus en plus employée dans la construction neuve. Cependant, il n’existe pas de recommandations pour le calcul au feu des bâtiments en pierre naturelle dans les textes normatifs comme l’Eurocode 6, ce qui représente un obstacle à l'utilisation de ce type de matériau dans la construction. Dans ce manuscrit, on propose une méthode de dimensionnement au feu de telles structures, à visée applicative pour l’ingénieur.Cette méthode s’intéresse, de manière découplée, aux deux principaux effets du feu sur le mur : la dégradation des matériaux due à l’élévation de température et l’apparition d’une courbure thermique causée par le développement d’un gradient thermique dans l’épaisseur du mur. La courbure thermique, qui crée des moments additionnels dus à l’excentrement des charges verticales initialement présentes, est évaluée par une méthode d'homogénéisation en thermoélasticité. En parallèle, l’effet de la dégradation de la résistance des matériaux est évalué à l’échelle de l’assemblage bloc-mortier, en se basant sur une méthode d’homogénéisation en calcul à la rupture. Différentes approches, semi-analytique et numériques, sont proposées afin de prendre en compte à la fois les hétérogénéités initiales de l’assemblage, ainsi que celles dues à la perte de résistance de la pierre et du mortier à haute température. Il devient alors possible d’évaluer par le calcul à la rupture la résistance au feu du mur, modélisé par une plaque, dans sa configuration déformée par le feu. Le caractère direct de l’approche calcul à la rupture et l’homogénéisation périodique permettent un calcul rapide et adapté à l’ingénieur.En complément des modélisations proposées, des validations expérimentales sont réalisées à deux échelles. Une étude expérimentale à température ambiante permet tout d’abord de caractériser le comportement d’un trumeau vis-à-vis de sollicitations de compression centrée et excentrée par rapport à son plan, et de vérifier l’applicabilité de la démarche pour la détermination du critère de résistance à température ambiante. Un essai au feu sur un mur à l’échelle 1 fournit ensuite une première validation expérimentale de l’ensemble de la méthode.

Natural stone is increasingly used in new buildings because of its low environmental impact. However, there are no recommendations for the fire design of natural stone buildings in normative texts such as Eurocode 6, which represents an obstacle to the use of this type of construction material. In the present work, we propose an engineer-oriented fire design method for such structures.This method addresses, in a decoupled manner, the two main effects of fire on the wall: the degradation of materials due to the rise in temperature on the one hand, and the development of a thermal curvature caused by the existence of a thermal gradient in the thickness of the wall, on the other hand. The thermal curvature, which creates additional bending moments due to the eccentricity of the initial vertical loads, is assessed by a thermoelastic homogenisation method. At the same time, the effect of the loss of strength of the materials is assessed at the block-mortar assembly level through a yield design homogenisation method. Different approaches, semi-analytical and numerical, are proposed in order to take into account both the initial heterogeneities of the assembly and those due to the loss of strength of the stone and mortar at high temperature. Finally, it becomes possible to assess the fire resistance of the wall, modelled as a shell structure in its fire deformed configuration, using a yield design approach. The direct nature of the yield design approach and the periodic homogenisation lead to quick calculations which are tailored to the engineer's needs.In addition to the proposed models, experimental validations are carried out on two scales. Firstly, an experimental study at ambient temperature is used to characterise the strength of masonry wallettes with respect to compression loads centred or not with respect to their mid-plane, and to assess whether yield design is a reliable approach for determining the strength criterion of the assembly at ambient temperature. Then, a fire test on a full-scale wall provides a first experimental validation of the entire method.