Reliability of Mass Timber Buildings in Fire: A performance-based design method and its application to office buildings

Le bois fait un retour discret mais puissant dans le paysage des villes modernes. Pendant des décennies, l'industrie de la construction a privilégié l'acier et le béton, des matériaux qui ne brûlent pas, tandis que le bois était relégué aux structures plus petites. Aujourd'hui, cependant, les ingénieurs se tournent de plus en plus vers le bois massif, un matériau fabriqué en superposant des panneaux de bois solide pour créer des poutres et des murs assez robustes pour soutenir des bâtiments de grande hauteur. Ce changement est motivé par la volonté de réduire l'empreinte carbone de la construction, car le bois stocke le carbone plutôt que d'en émettre lors de sa production. Pourtant, une question fondamentale demeure : si un bâtiment fait de bois prend feu, comment se comporte-t-il ? Contrairement à l'acier, qui s'affaiblit lorsqu'il est chauffé, le bois brûle de manière prévisible, formant une couche de charbon à sa surface qui peut isoler le noyau intérieur et permettre à la structure de tenir pendant un certain temps. Le défi pour les régulateurs de sécurité est de déterminer exactement quelle quantité de ce bois peut être laissée exposée à l'air à l'intérieur d'une pièce sans compromettre la sécurité des personnes à l'intérieur ou des bâtiments voisins.

Une équipe de chercheurs de France, du Canada et de Suède a abordé cette question en développant une nouvelle façon de calculer la sécurité incendie pour ces structures en bois. Au lieu de s'appuyer sur des règles rigides et uniformes qui exigent souvent de recouvrir tout le bois de plâtre résistant au feu, ils ont utilisé une simulation informatique pour modéliser des milliers de scénarios d'incendie différents. Ils n'ont pas traité l'incendie comme un événement unique, mais comme une occurrence aléatoire dépendant de nombreuses variables : la quantité de meubles et de papier dans la pièce, la taille des fenêtres, la rapidité d'intervention des pompiers, et la proportion de bois laissé nu par rapport au bois recouvert. En lançant ces simulations de manière répétée, ils ont pu calculer la probabilité statistique qu'un bâtiment survive à un incendie sans s'effondrer ou sans que les flammes ne se propagent à l'extérieur. Leurs travaux se concentrent spécifiquement sur les immeubles de bureaux, un type de bâtiment courant où l'équilibre entre la sécurité et le désir d'esthétique du bois exposé est le plus débattu.

Les chercheurs ont construit un outil numérique qui imite la physique d'un incendie dans une pièce. Ils ont commencé par reconnaître que le feu est imprévisible. Dans leurs simulations, ils ont fait varier la quantité de combustible, la taille de la pièce et le temps nécessaire à l'arrivée des pompiers. Ils ont également pris en compte le comportement unique du bois massif. Lorsque le bois brûle, il se carbonise, et cette couche de charbon agit comme un bouclier. Cependant, si le bois est recouvert de panneaux protecteurs comme le gypse, cette protection peut échouer si les panneaux tombent sous l'effet de la chaleur. L'équipe suit cela avec précision, calculant quand la couche protectrice pourrait faillir et comment le bois exposé contribuerait ensuite à l'intensité de l'incendie. Ils ont également inclus le rôle des systèmes d'extinction automatique (sprinklers), qui peuvent contrôler l'incendie avant qu'il ne devienne trop important, ainsi que l'action des pompiers, dont la capacité à éteindre un feu diminue à mesure que l'incendie devient plus chaud et plus intense.

Pour tester leur méthode, l'équipe l'a appliquée à un compartiment de bureau standard. Ils ont lancé 15 000 simulations distinctes pour chaque scénario, demandant de fait à l'ordinateur d'imaginer 15 000 incendies différents se produisant dans cette pièce au cours de la vie du bâtiment. Ils ont fixé un objectif de sécurité strict : la probabilité que le bâtiment échoue doit être inférieure à un seuil spécifique considéré comme acceptable pour la sécurité publique. Ce seuil correspond à un niveau de sécurité utilisé dans toute l'Europe pour les bâtiments accueillant du public. Ils ont testé trois niveaux différents de résistance au feu de la structure, représentant la durée pendant laquelle le bâtiment doit rester debout lors d'un incendie : 60 minutes, 90 minutes et 120 minutes. Pour chaque niveau, ils ont testé différentes quantités de bois exposé, allant de 30 % à 90 % de la surface murale, avec ou sans sprinklers.

Les résultats offrent une voie claire pour les concepteurs. Pour les bâtiments exigeant une résistance au feu de 60 minutes, les simulations ont montré qu'il était sûr de laisser 30 % de la surface murale en bois exposé, même sans sprinklers. Si des sprinklers étaient ajoutés, ce pourcentage pouvait être porté à 60 %. Pour les bâtiments exigeant 90 minutes de résistance, la limite sûre pour le bois exposé passait à 60 % sans sprinklers et à 75 % avec eux. Le cas le plus complexe était l'exigence de 120 minutes, typique des très hauts bâtiments. Ici, les chercheurs ont découvert qu'il était sûr de laisser 75 % de la surface murale exposée, à condition que des sprinklers soient présents. Sans sprinklers, le risque que l'incendie se propage à l'extérieur du bâtiment devenait une préoccupation, mais avec des sprinklers, le système tenait les objectifs de sécurité.

Une conclusion cruciale de l'étude est que le risque de propagation de l'incendie aux bâtiments voisins ou sur le côté du bâtiment était généralement faible, à condition que la quantité de bois exposé reste dans ces limites calculées. Dans les simulations pour les bâtiments les plus hauts, la chaleur rayonnante des fenêtres atteignait occasionnellement un niveau capable d'enflammer les structures voisines, mais cela ne se produisait que dans des scénarios extrêmes et rares où l'incendie était exceptionnellement important et où les sprinklers ne parvenaient pas à le maîtriser. Lorsque les chercheurs ont ajusté la distance à un niveau plus réaliste de 15 mètres pour les grands bâtiments, le risque est retombé à un niveau acceptable. Cela suggère que les règles strictes actuelles, qui exigent souvent que tout le bois soit recouvert, sont peut-être plus conservatrices que nécessaire. L'étude indique qu'avec la bonne combinaison de sprinklers et une quantité calculée de bois exposé, les hauts bâtiments en bois peuvent répondre aux mêmes normes de sécurité élevées que les structures traditionnelles.

Les chercheurs ont pris soin de noter que leur travail repose sur des modèles informatiques, et non sur des tests d'incendie physiques dans chaque scénario. Ils ont validé leur outil par rapport à 54 expériences réelles d'incendie menées à travers le monde, et les prédictions informatiques correspondaient étroitement aux résultats du monde réel, en penchant souvent du côté de la prudence. Cela donne confiance dans leurs résultats, mais ils ont également identifié des domaines d'amélioration future. Par exemple, ils ont noté que le comportement des panneaux protecteurs et la façon dont la chaleur traverse le bois pendant la phase de refroidissement d'un incendie pourraient être modélisés plus précisément. Ils ont également suggéré que les futures règles devraient prendre en compte des facteurs tels que la vitesse du vent et l'emplacement spécifique de l'incendie dans un bâtiment, qui pourraient affecter la rapidité avec laquelle les pompiers peuvent intervenir.

En fin de compte, cette étude fournit une base scientifique pour une approche plus flexible de la construction en bois. Elle démontre que la sécurité ne nécessite pas de cacher le matériau ; elle exige plutôt de comprendre comment le matériau se comporte sous contrainte. En utilisant des méthodes probabilistes, les ingénieurs peuvent désormais concevoir des bâtiments qui exposent davantage le bois magnifique et durable, tout en garantissant que la structure ne faillira pas et que l'incendie ne se propagera pas. Les travaux suggèrent que pour les immeubles de bureaux, il est possible de laisser une partie significative des murs et plafonds en bois exposés, tant que des mesures de sécurité actives comme les sprinklers sont en place et que la conception suit les limites spécifiques calculées par cette nouvelle méthode. Cela ouvre la porte aux architectes pour créer des espaces qui semblent plus chaleureux et naturels, sans sacrifier les normes de sécurité rigoureuses qui protègent le public.