Fire spalling sensitivity of concrete made with recycled concrete aggregates (RCA)

The fire spalling of concrete is a complex phenomenon, which can affect the integrity of the structures during a fire. This thermal instability is associated with a complex coupled chemo-thermo-hydro-mechanical mechanism and it can be influenced by many factors, related to material (e.g. per- meability, porosity and water content), geometry (e.g. shape and size) and environmental parameters (e.g. mechanical load and heating rate). Concrete made with recycled concrete aggregates presents higher porosity, higher water content and different interfaces between aggregates and mortar. All these aspects can lead to a different behaviour under fire exposure, including the spalling risk of these sustainable concretes. The main objective of this paper is to analyse the influence of the use of recycled concrete aggregates on the spalling risk of concrete. In this paper, concrete prisms with different replacement rates of recycled coarse aggregates (0 up to 100%) were exposed to a standard fire curve (ISO 834-1) with a constant uniaxial compression load. After heating, samples surfaces were evaluated by means of digital photogrammetry. Results showed that concrete with RCA is sensitive to explosive spalling. All replacement rates presented higher degree of spalling than concrete made with natural aggregates

Simulation of an experimental fire in an underground limestone quarry for the study of Paleolithic fires

International audienceNumerous fire marks occur on the walls of the Chauvet-Pont d’Arc cave. Dating indicated that some of the fires were contemporary to the Aurignacian. Violent thermal shocks were observed in surprisingly narrow areas of the cave. This raises numerous archaeological questions about the function of the fires; the answers depend on the location of the hearths, and the intensity of the fires. Numerical simulation was used here to provide information about the behaviour of fires in such confined spaces. An underground non-archaeological site, in a limestone quarry, was equipped to monitor fires in an environment similar to that of the Megaceros gallery of the Chauvet-Pont d’Arc cave. The fire and the movement of heat and smoke in the quarry were simulated by the open source code “Fire Dynamics Simulator (FDS)”. Results were validated on wall temperatures recorded behind and above the fire. The thermo-mechanical impact of the fire on the rock was simulated with CAST3M software, providing the most probable zones for limestone spalling due to thermal gradients. The validated approach will, in a forthcoming study, be applied to the Chauvet-Pont d’Arc cave, in which coupled simulations in the air and in the rock should indicate the location of the hearths and the intensity of the fires that generated the marks

Notre-Dame de Paris as a validation case to improve fire safety modelling in historic buildings

The analysis of the thermal damages in Notre-Dame de Paris is necessary to estimate the impact of the dramatic 2019 fire on the remaining structure prior to reconstruction. In doing so, the large amount of data being generated creates a benchmark environment to test the relevance of numerical fire models in the unconventional configuration of a medieval roof. While being an uncontrolled and complex configuration, it can provide insights regarding the relevance of numerical tools for fire risk assessment in historic buildings. Analysing the thermal degradation of the Lutetian limestone in a vault of the choir, experimental techniques are developed to track the in-depth maximum temperature profile reached during the fire. Numerical simulations of the fire development in the roof space then aim at replicating the observations through the evaluation of the heat flux impinging the vaults during the fire. These simulations are carried out using Fire Dynamic Simulator, which requires a large range of assumptions prior to any simulation regarding materials, geometry, meshing and scale. These assumptions are described and pave the way to a future sensitivity analysis to confront the upcoming outcomes of the simulations with the experimental observations

Étude du comportement thermomécanique de matériaux composites cellulosiques : application à la résistance au feu d'un bloc-porte en bois.

La sécurité incendie demeure une préoccupation majeure dans le domaine de la sécurité civile. Elle repose sur la combinaison de protections actives et passives, notamment des éléments empêchant ou ralentissant la propagation des fumées ou des flammes. Les professionnels de la construction développent de nouveaux produits devant satisfaire à une procédure d’agréments techniques dont notamment des essais de résistance au feu dans des fours d’essai. La validation de produits conformes est lourde et peut constituer un frein à l’innovation : les essais de résistance au feu sont coûteux et difficilement multipliés. Ces raisons justifient de développer de moyens de simulation permettant de constituer un « four virtuel » pour modéliser un essai de résistance au feu et retranscrire le comportement d’un produit de la construction. Disposer de l’ensemble « four virtuel » doit permettre d’analyser et d’évaluer un nombre élevé de variantes techniques. Lors de la conception des produits, l’industriel pourra ainsi, en collaboration avec le laboratoire de sécurité incendie, orienter le dimensionnement vers des solutions efficientes. Une thèse en collaboration avec Efectis France, laboratoire agréé en résistance au feu, et l’Institut de Mécanique et d’Ingénierie de l’Université de Bordeaux (I2M) s’inscrit dans cette démarche de mise en place d'un four virtuel. Le principal objectif est l’élaboration d’un outil intégré pour la modélisation de la résistance au feu de blocs-portes en bois. Nous présentons ici les premiers résultats de simulation thermomécanique d’un bloc-porte en bois soumis à la courbe de feu normalisée ISO 834-1. Le modèle thermique développé s’appuie sur une simulation innovante des différents phénomènes de dégradation thermique du bois à hautes températures (évaporation, pyrolyse et combustion). Les simulations sont réalisées sur le code de calcul par éléments finis CAST3M, auquel nous ajoutons des procédures spécifiques qui permettent de prendre en compte l’évolution des propriétés du matériau avec la température et la gestion des jeux de fonctionnement. Les résultats sont exprimés en termes de températures dans le matériau et en termes de déplacements. Les résultats des simulations seront analysés et critiqués vis-à-vis de la base de données expérimentale du laboratoire incendie d’Efectis

Approches expérimentales et numériques pour l’étude de l’impact thermomécanique du feu sur quelques matériaux et structures

This manuscript, presented in order to obtain my “Habilitation to Supervise Research” (HDR) at the University of Bordeaux, is a synthesis of my professional activities carried out since I took up my position at the University of Bordeaux in 2011. The pedagogical activities are first described, then a synthesis of the student supervision and research projects in which I participated is made. A large part of the document is then dedicated to the presentation of the research work done. The main theme is the fire behavior of some materials and structures in civil engineering. A scientific and regulatory contextualization work is first presented, allowing to justify the contributions of the research works. The work is then presented according to three major families of materials: concrete, wood and stone. For each of them, we present the experimental and numerical approaches implemented.Ce manuscrit, présenté dans le but d’obtenir mon Habilitation à Diriger les Recherches de l’Université de Bordeaux, est une synthèse de mes activités professionnelles réalisées depuis ma prise de fonction au sein de l’Université de Bordeaux en 2011. Les activités pédagogiques y sont tout d’abord décrites, puis une synthèse des encadrements d’étudiants et des projets de recherche auxquels j’ai participé est réalisée. Une grande partie du document est ensuite dédié à la présentation des travaux de recherche effectués. Le thème principal est le comportement au feu de quelques matériaux et structures du génie civil. Un travail de contextualisation scientifique et règlementaire est tout d’abord présenté, permettant de justifier les apports des travaux de recherche. Les travaux sont ensuite présentés selon trois grandes familles de matériaux : bétons, bois et pierres. Pour chacune d’entre elles, nous présentons les approches expérimentales et numériques mises en œuvre

Approches expérimentales et numériques pour l’étude de l’impact thermomécanique du feu sur quelques matériaux et structures

This manuscript, presented in order to obtain my “Habilitation to Supervise Research” (HDR) at the University of Bordeaux, is a synthesis of my professional activities carried out since I took up my position at the University of Bordeaux in 2011. The pedagogical activities are first described, then a synthesis of the student supervision and research projects in which I participated is made. A large part of the document is then dedicated to the presentation of the research work done. The main theme is the fire behavior of some materials and structures in civil engineering. A scientific and regulatory contextualization work is first presented, allowing to justify the contributions of the research works. The work is then presented according to three major families of materials: concrete, wood and stone. For each of them, we present the experimental and numerical approaches implemented.Ce manuscrit, présenté dans le but d’obtenir mon Habilitation à Diriger les Recherches de l’Université de Bordeaux, est une synthèse de mes activités professionnelles réalisées depuis ma prise de fonction au sein de l’Université de Bordeaux en 2011. Les activités pédagogiques y sont tout d’abord décrites, puis une synthèse des encadrements d’étudiants et des projets de recherche auxquels j’ai participé est réalisée. Une grande partie du document est ensuite dédié à la présentation des travaux de recherche effectués. Le thème principal est le comportement au feu de quelques matériaux et structures du génie civil. Un travail de contextualisation scientifique et règlementaire est tout d’abord présenté, permettant de justifier les apports des travaux de recherche. Les travaux sont ensuite présentés selon trois grandes familles de matériaux : bétons, bois et pierres. Pour chacune d’entre elles, nous présentons les approches expérimentales et numériques mises en œuvre

Contribution expérimentale à la compréhension des risques d'instabilité thermique des bétons

The spalling of concrete is a particular phenomenon which could seriously jeopardize the stability of a structure during and after a fire. Moreover, the reparation costs of the damages induced by spalling can be very important. Recently, some studies (mainly theoretical), have tried to find the most probable causes of concrete spalling. In particular, these studies tried to establish the relative importance of mechanisms such as thermo-mechanical or thermo-hydral processes for the appearance of spalling. However, we still do not exactly know the conditions of spalling and this phenomenon is still not predictable by calculations. Moreover, the existing technological solutions against spalling risk (polypropylene fibres or thermal protection) are still not well controlled.The experimental results that we present take place in a global study of the spalling risk of concrete. An ordinary concrete (compressive strength 40 MPa) and a high performance concrete (compressive strength 60 MPa) have been tested under different levels of observation. At the material scale, the evolution with temperature of several properties has been assessed: gas permeability, water porosity, thermal properties and mechanical properties. These tests have been completed by the measurement of gas pressure into small concrete samples during low heating. At last, fire tests (ISO curve and Modified Hydrocarbon Curve) have been carried out on concrete slabs in order to observe the spalling of concrete.The confrontation of the different experimental results allows us to discuss about the contribution of different parameters on spalling risk. At last, we suggest some new ways of investigation.L'instabilité thermique des bétons est un phénomène particulier pouvant être préjudiciable pour la stabilité d'une structure pendant et après un incendie. Les frais d'immobilisation et de réparation des structures endommagées par instabilité thermique du béton sont généralement très élevés.Ces dernières années, des études majoritairement théoriques ont tenté d'examiner les causes possibles à l'instabilité thermique des bétons. En particulier, de nombreuses discussions autour de l'importance relative des mécanismes thermomécaniques et thermo-hydriques ont été menées. Cependant, nous ne connaissons toujours pas aujourd'hui les conditions exactes d'apparition de l'instabilité thermique et les solutions technologiques qui existent (fibres de polypropylène, protection thermique rapportée) ne sont pas bien maîtrisées.Les résultats que nous présentons s'inscrivent dans une étude globale des risques d'instabilité thermique des bétons. Plusieurs échelles d'observation du comportement à haute température d'un béton ordinaire (résistance à la compression de 40 MPa) et d'un béton à hautes performances (résistance à la compression de 60 MPa) ont été adoptées. A l'échelle du matériau, la détermination de l'évolution avec la température de données telles que la perméabilité, la porosité, les propriétés thermiques et les propriétés mécaniques nous permettent de mieux comprendre le comportement du béton à haute température. Ces essais sont complétés par des mesures de pression et de température sur des éprouvettes à taille réduite. Enfin, des essais au feu sur dallettes (feu ISO et feu HCM) ont été réalisés afin de caractériser l'instabilité thermique des bétons.La confrontation des résultats des essais à différentes échelles nous permet de discuter des paramètres qui semblent être les plus propices à l'instabilité thermique et proposons de nouvelles pistes d'investigation