# Réponse thermique de quatre essences de bois de construction soumises à un feu normalisé

Jean-François Caron, Pierre Pimienta, Nicolas Pinoteau, Gilles Forêt

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Jean-François Caron, Pierre Pimienta, Nicolas Pinoteau, Gilles Forêt. Réponse thermique de quatre essences de bois de construction soumises à un feu normalisé. Orgagec Rénovation de la ville, les matériaux organiques dans l'enveloppe du bâtiment., Nov 2015, Champs-sur-Marne, France. hal-01260389

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Submitted on 22 Jan 2016

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École des Ponts

ParisTech

Navier

CSTB

le futur en construction

UNIVERSITÉ
PARIS-EST

# Réponse thermique de quatre essences de bois de construction soumises à un feu normalisé

Mohamed Amine LAHOUAR<fnref n="1" />

Jean-François CARON<fnref n="1" />, Pierre PIMIENTA<fnref n="2" />, Nicolas PINOTEAU<fnref n="2" />, Gilles FORET<fnref n="1" />,

## Contexte et problématique:

<figure><img src="image_4.png" /></figure>

### Amélioration de la Stabilité et résistance au feu des structures bois

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

### Stabilité et meilleure résistance au feu

Résistance d'adhérence [MPa]
Résine époxy R1

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<figure><img src="image_7.png" /></figure>

### Résistance d'adhérence conditionnée par la température au niveau de l'ancrage

<footnote n="1">¹ Laboratoire Navier, Ecole des ponts et chaussées, 77455 Marne La vallée Cedex 2, France</footnote>

<footnote n="2">²Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, DSSF, 77420 Champs-sur-Marne, France</footnote>
<figure><img src="image_8.png" /></figure>

## Objectifs:

Etude de la réponse thermique de quatre essences de bois de construction sollicitées par un feu ISO 834-1 pour:

* Identifier les phases de combustion du bois

* Etudier les vitesses de combustion

* Etudier l'impact de l'orientation des fibres

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Etat des éprouvettes en fin d'essai</figcaption></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Combustion du bois à l'intérieur du four</figcaption></figure>
<figure><img src="image_11.png" /></figure>

## Choix des essences de bois:

* 4 essences de bois de construction:

- 2 essences **résineuses** : Epicéa (Picea abies)
    Pin maritime (Pinus pinaster)

- 2 essences **feuillues** : Chêne pédonculé (Quercus robur L.)
    Hêtre (Fagus sylvatica L.)

* Eprouvettes cubiques: 20 cm x 20 cm x 20 cm:

- Isothermes parallèles

- Minimiser les effets de bord

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* Exposition au feu suivant les trois directions principales du bois:

- Longitudinale (L)

- Radiale (R)

- Tangentielle (T)

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

<figure><img src="image_14.png" /></figure>
## Métrologie

Instrumentation en thermocouples: 5 thermocouples à 5 profondeurs différentes:
5 mm - 15 mm - 25 mm - 35 mm - 40 mm

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## Exposition au feu

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Courbe feu ISO 834-1</figcaption></figure>

$$ \theta = 20 + 345.\log(8t+1) $$

<table><caption>Feu ISO 834-1</caption><thead><tr><td>Temps [min]</td><td>Température [°C]</td></tr></thead><tbody><tr><td>30</td><td>842</td></tr><tr><td>60</td><td>945</td></tr><tr><td>90</td><td>1006</td></tr><tr><td>120</td><td>1049</td></tr><tr><td>150</td><td>1082</td></tr><tr><td>180</td><td>1110</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Four à maquette

<figure><img src="image_19.png" /></figure>
## Mise en place des éprouvettes sur le four à maquette

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<figure><img src="image_21.png" /></figure>

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

<table><thead><tr><td>Essence de bois</td><td>Taux d'humidité initial</td><td>Masse volumique [kg/m³]</td></tr></thead><tbody><tr><td>Epicéa</td><td>20%</td><td>475</td></tr><tr><td>Pin maritime</td><td>52%</td><td>761</td></tr><tr><td>Chêne</td><td>28%</td><td>844</td></tr><tr><td>Hêtre</td><td>26%</td><td>796</td></tr></tbody></table>
Combustion du bois

« Dégradation du matériau sous l'effet d'un phénomène inverse à sa constitution par photosynthèse »

$$CH_{1,4}O_{0,7} + O_2 \rightarrow CO_2 + 0,7 H_2O + energie$$

<figure><img src="image_23.png" /></figure>
<figure><img src="image_24.png" /></figure>

## Combustion du bois

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

Dégagement d'une fumée blanche

<figure><img src="image_27.png" /></figure>

Auto-inflammabilité du bois

Courbe feu ISO
834-1

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

Rejets dans
l'atmosphère

$H_2O$ (fumée blanche)

$CO + C_xH_y \rightarrow poussière non brulée$

<figure><img src="image_29.png" /></figure>
<figure><img src="image_30.png" /></figure>

Déroulement de l'essai

Oxydation du
résidu
charbonneux

550

Combustion

350

[°C]

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

Dégagement de la fumée grisâtre

<figure><img src="image_33.png" /></figure>

Oxydation du charbon de bois

<figure><img src="image_34.png" /></figure>

Rejets dans
l'atmosphère

$$
\text{Poussière brulée} +
\begin{aligned}[t]
& \text{CO}_2 + \text{NO}_x + \text{H}_2\text{O} + \\
& \qquad \text{N}_2
\end{aligned}
\quad \rightarrow
$$

<figure><img src="image_35.png" /></figure>

Cendres
# Etude de la répétabilité

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<figure><img src="image_37.png" /></figure>

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

## Répétabilité bonne pour un grand nombre de résultats

<figure><img src="image_39.png" /></figure>
## Comparaison entre les différentes orientations du bois:

### ❖ Epicéa

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>

<figure><img src="image_42.png" /></figure>

* Elévation rapide de la température dans la direction longitudinale

* Elévation lente de la température dans la direction radiale
## Comparaison entre les directions d'exposition au feu

### ❖ Epicéa

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<figure><img src="image_44.png" /></figure>

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

Vitesse moyenne de déplacement de l'isotherme 300°C (Front de carbonisation)

- 0,71 mm/min (R)

- 0,63 mm/min (L)

- 0,93 mm/min (T)
<figure><img src="image_46.png" /></figure>

## Comparaison entre les directions d'exposition au feu

### ❖ Chêne

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<figure><img src="image_48.png" /></figure>

Vitesse moyenne de déplacement de l'isotherme 300°C (Front de carbonisation)

- 0,44 mm/min (R)

- 0,41 mm/min (L)
## Comparaison entre les directions d'exposition au feu

Variation de la vitesse de combustion en fonction des essences de bois et des orientations de sollicitation:

<table><thead><tr><th rowspan="2">Essence de bois</th><th colspan="3">Orientation de la sollicitation</th><th rowspan="2">EC 5 [mm/min]</th></tr><tr><th>Longitudinale [mm/min]</th><th>Radiale [mm/min]</th><th>Tangentielle [mm/min]</th></tr></thead><tbody><tr><td>Epicéa</td><td>0,63</td><td>0,71</td><td>0,93</td><td>0,7</td></tr><tr><td>Pin maritime</td><td>0,5</td><td>0,69</td><td>-</td><td>0,7</td></tr><tr><td>Chêne</td><td>0,41</td><td>0,44</td><td>-</td><td>0,5</td></tr><tr><td>Hêtre</td><td>0,68</td><td>0,57</td><td>-</td><td>0,7</td></tr></tbody></table>

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Vitesses de combustion en accord avec les valeurs fournies par l'Eurocode 5
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## Conclusions

* Bonne répétabilité pour une grande majorité des résultats obtenus.

* Identification des différentes phases de combustion du bois

* Effet remarquable de l'orientation de la sollicitation sur le transfert thermique dans le bois.

* Vitesses de combustion en accord avec celles fournies par l'EC 5 partie 1-2

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>Etat des éprouvettes après 3h d'exposition
à un feu ISO 834-1</figcaption></figure>
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Merci pour votre attention