Stabilité au feu des structures métalliques : méthodes de calcul et dimensionnement des protections

Comportement de l'acier au feu

Contrairement au béton armé, l'acier est un excellent conducteur thermique : il monte rapidement en température lorsqu'il est exposé à un incendie. Or, les propriétés mécaniques de l'acier (limite élastique f_y et module d'élasticité E) chutent fortement dès 300 °C et deviennent critiques au-delà de 550 °C.

La NF EN 1993-1-2 définit des facteurs de réduction k_y,θ et k_E,θ en fonction de la température θ. À 600 °C, la limite élastique est réduite à environ 47 % de sa valeur à température ambiante. À 700 °C, elle tombe à 23 %.

La température critique d'un élément métallique — la température à partir de laquelle il perd sa capacité portante — est calculée en fonction du degré d'utilisation μ₀ (rapport entre la charge en situation d'incendie et la résistance plastique à froid). Pour un élément très sollicité (μ₀ = 0,90), la température critique est de l'ordre de 510 °C. Pour un élément faiblement sollicité (μ₀ = 0,30), elle peut dépasser 680 °C.

Méthodes de calcul selon NF EN 1993-1-2

La norme propose trois niveaux d'approche, du plus simple au plus rigoureux :

Méthode par tabulation (règles tabulaires)

Pour les éléments simples (poteaux, poutres, plaques), des règles simplifiées permettent de déterminer le degré de protection requis en fonction de la durée de résistance au feu demandée (R 30, R 60, R 90, R 120) et du degré d'utilisation. Ces règles sont conservatives mais rapides à appliquer en phase d'avant-projet.

Méthode de calcul de la température critique

Pour chaque élément, on calcule la température critique θ_a,cr à partir du degré d'utilisation μ₀ :

θ_a,cr = 39,19 · ln[1 / (0,9674 · μ₀^3,833) − 1] + 482

On calcule ensuite l'élévation de température de l'élément non protégé (facteur massique A_m/V) et on détermine si une protection est nécessaire pour maintenir la température en dessous de θ_a,cr à la fin de la durée de feu conventionnelle.

Modélisation avancée (calcul en température)

Pour les structures complexes ou les projets à enjeux, une analyse thermique couplée à un calcul mécanique non linéaire (via logiciels de type Cast3M, Abaqus ou SAFIR) permet d'optimiser les protections. Cette approche avancée est particulièrement pertinente pour les IGH ou les bâtiments avec des exigences spécifiques.

Protections passives : peintures intumescentes et flocages

Lorsque le calcul démontre que la structure nue ne peut pas atteindre la durée de résistance au feu requise, une protection passive est nécessaire.

Peintures intumescentes

Les peintures intumescentes se expansent sous l'effet de la chaleur pour former une mousse carbonisée isolante. Elles sont adaptées aux structures apparentes (locaux esthétiques, parkings, bâtiments industriels). L'épaisseur de la peinture (de 1 à 6 mm environ) est calculée en fonction du facteur massique A_m/V de chaque élément et de la durée de feu visée.

Les fabricants (Nullifire, Sika Pyroplast, International Firetex, etc.) fournissent des tableaux de dimensionnement certifiés par des essais selon NF EN 13381-8. Le bureau d'études spécifie l'épaisseur requise par référence type de section et par durée de feu, avec un contrôle d'épaisseur en réception de travaux.

Flocage

Le flocage (projection de laine minérale ou vermiculite) offre une isolation thermique plus importante et est économique pour les grandes surfaces (charpentes industrielles, planchers collaborants). Son principal inconvénient est son impact esthétique, qui le réserve aux espaces non accessibles au public ou aux locaux techniques.

Protections en carreaux ou plâtres

Pour les poteaux ou poutres métalliques, des habillages en plaques de plâtre à haute résistance au feu (type BA13 F ou de type X) permettent d'atteindre des durées R 60 à R 120 avec des épaisseurs courantes de 1 ou 2 couches.

Exigences réglementaires ERP et IGH

Les durées de résistance au feu requises pour les éléments porteurs sont fixées par les règlements de sécurité incendie selon le type et la catégorie du bâtiment :

• ERP de 1re et 2e catégorie : planchers CF 1h, structure R 60 à R 90 selon la hauteur
• ERP de 3e et 4e catégorie : planchers CF 30 min à 1h, structure selon l'article CO 23
• IGH (bâtiments de grande hauteur > 50 m) : R 120 en général, avec justification par ingénierie incendie possible
• Bâtiments industriels (RD 2002) : analyse de risque (méthode APSAD R1 ou F1) déterminant si la stabilité doit être justifiée

Pour les ERP, les exigences sont définies dans l'arrêté du 25 juin 1980 et ses modificatifs (articles CO 21 à CO 27 concernant la résistance au feu des structures).

L'ingénierie incendie (approche performantielle selon le guide INERIS / CNPP) permet dans certains cas de réduire les niveaux de protection en démontrant par simulation que la durée réelle de l'incendie est inférieure à la durée conventionnelle ISO 834.

Démarche du bureau d'études spécialisé

La justification de la stabilité au feu d'une structure métallique suit un processus en plusieurs étapes :

1. Identification des durées requises par élément (R 30, R 60, R 90…) selon le règlement applicable
2. Calcul du degré d'utilisation μ₀ pour chaque type d'élément porteur (poteau, poutre, contreventement)
3. Détermination de la température critique θ_a,cr
4. Calcul de l'élévation de température avec et sans protection, pour la durée de feu conventionnelle
5. Dimensionnement de la protection (épaisseur de peinture intumescente ou épaisseur de flocage) par élément
6. Rédaction de la note de calcul en référence NF EN 1993-1-2 avec les valeurs de facteurs massiques et les températures critiques
7. Spécification dans le CCTP des produits, des épaisseurs et des contrôles à réception

Chez Ductiam, cette démarche est systématiquement appliquée pour tous les projets comportant des structures métalliques soumises à des exigences de résistance au feu. La coordination avec l'architecte et le bureau de contrôle permet d'optimiser les choix de protection dès la phase d'avant-projet.

Conclusion

La stabilité au feu des structures métalliques est un domaine technique qui requiert la maîtrise simultanée des Eurocodes (NF EN 1993-1-2), de la réglementation incendie (ERP, IGH, code du travail) et des produits de protection disponibles sur le marché.

Une approche rigoureuse dès la phase de conception — intégrant le choix du type de protection, le calcul des épaisseurs et la coordination avec le CCTP — permet d'éviter les surcoûts de protection liés à des approches conservatives, tout en garantissant la conformité réglementaire.

Pour toute question sur la stabilité au feu de votre projet (ERP, logements collectifs, bâtiment industriel), notre pôle Sécurité Incendie est à votre disposition pour une consultation sans engagement.