Exercice corrigé EN 1995-1-2 Eurocode 5 Eurocode 0 EN 14080

Évaluation de la Résistance au Feu du bois

GCÉquipe EtudiantGénieCivilMis à jour le 9 juin 2026 30 min de lecture
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NIVEAU : Master 1 / Ingénieur DOMAINE : Calcul de Structures THÈME : Résistance au Feu (Eurocode 5)

Évaluation de la Résistance au Feu du bois

Méthode de la Section Réduite (EN 1995-1-2)
⏱️
Temps Estimé45 min
🧠
PrérequisFlexion simple, Combinaisons d'actions, EC5
1. Présentation du ProjetCAHIER DES CHARGES
📋
🚨 Message Urgent / Note de Service

L'équipe, la commission de sécurité incendie vient de suspendre l'avis favorable pour l'ouverture de la nouvelle médiathèque municipale ! L'inspecteur exige une note de calculs irréprochable démontrant la résistance de la poutre maîtresse de la salle de lecture.

  • 📧 Expéditeur : M. Lefèvre (Directeur Technique du Bureau d'Études "WoodStruct")
  • L'urgence : Les poutres sont déjà en cours de fabrication à l'usine. On a besoin du feu vert ce soir.
  • 🎯 L'attente : Prouver analytiquement que la section prévue tiendra debout pendant l'évacuation du public.
📝 Contexte de l'Étude & Enjeux

Le projet de la Médiathèque "Lumière" : Nous concevons la structure de toiture d'un Établissement Recevant du Public (ERP). Le choix s'est porté sur une architecture apparente en Bois Lamellé-Collé (BLC). La poutre étudiée supporte directement un plancher lourd et est exposée visuellement en sous-face.

  • Étape 1 validée : Le dimensionnement à froid (État Limite Ultime) est déjà certifié conforme.
  • ⚠️ Étape 2 critique : L'approche au feu nécessite une vérification rigoureuse avec prise en compte de la carbonisation.
🏗️ Les Points Clés du Projet

Voici les contraintes spécifiques à intégrer impérativement dans vos calculs selon la norme EN 1995-1-2 (Eurocode 5 Feu) :

  • 🔥 Exposition : La poutre est exposée au feu sur ses 3 faces inférieures et latérales. La face supérieure est protégée par le plancher continu.
  • ⏱️ Exigence réglementaire : Un degré de résistance au feu R60 (60 minutes de stabilité mécanique) est imposé pour permettre l'évacuation des usagers.
  • 🎯 L'objectif final : Démontrer que la section non brûlée (résiduelle) de la poutre reste capable de supporter les charges en situation d'incendie (combinaison accidentelle).
🎯
🏗️
Votre Mission (Si vous l'acceptez) :

Vous devez vérifier le comportement mécanique au feu de la poutre principale par la méthode avancée de la Section Réduite de l'Eurocode 5, qui permet d'utiliser les propriétés mécaniques du bois à froid sur la section restante.

  • 🚧 Le grand défi : Modéliser mathématiquement la perte de matière due à la combustion (carbonisation) sur 60 minutes.
  • 📐 Votre rôle : Calculer les charges d'incendie, évaluer la section résiduelle, définir la résistance à chaud et valider le taux de travail.
📐 PLAN DE REPÉRAGE : EXPOSITION AU FEU
📌
📌
SIMULATION THERMIQUE R60 // EN 1995-1-2
PLANCHER LOURD (FACE SUPÉRIEURE PROTÉGÉE) b=200 h=400 b_fi h_fi Couche carbonisée d_char,n = ? mm Zone de pyrolyse d_0 = 7 mm SECTION EFFICACE Résistance garantie (20°C) À calculer (b_fi × h_fi)
📋
Livrables Attendus (Checklist) :
  • Calcul strict de la profondeur de carbonisation effective \(d_{\text{ef}}\) au bout de 60 minutes.
  • Détermination du moment fléchissant de calcul en situation d'incendie \(M_{\text{Ed,fi}}\) avec la bonne combinaison d'actions.
  • Vérification du taux de travail en flexion simple de la section résiduelle à chaud.
🚨
🚨
Alerte de Dernière Minute

Le charpentier vient de nous appeler : le lot de bois GL24h de section 200x400 mm est déjà scié et taillé dans l'atelier ! Il n'y a plus aucun retour en arrière possible sur la géométrie. Si votre calcul démontre que ça ne passe pas au feu R60, le surcoût de rachat de poutres plus épaisses se chiffrera en dizaines de milliers d'euros.

  • 😱 Le problème inattendu : La géométrie est bloquée (200x400 mm), impossible de l'augmenter par sécurité.
  • Conséquence immédiate : Le calcul doit être d'une précision chirurgicale, sans majorations excessives inutiles.
2. Données Techniques & Normes

L'ensemble des paramètres nécessaires à la vérification de notre poutre est récapitulé dans cette section technique. L'étude est conduite sous le référentiel réglementaire Eurocode 5, partie 1-2 (EN 1995-1-2).

📚 Formulaire & Aide-Mémoire (À consulter en cas de besoin)

Retrouvez ici les formules principales pour cet exercice. Ne les apprenez pas par cœur, comprenez comment les appliquer !

  • Combinaison d'actions accidentelle (Feu) \( E_{\text{d,fi}} = \sum G_{\text{k}} + \psi_1 \times Q_{\text{k}} \)
  • Profondeur de carbonisation nominale \( d_{\text{char,n}} = \beta_{\text{n}} \times t \)
  • Profondeur de carbonisation effective \( d_{\text{ef}} = d_{\text{char,n}} + k_0 \times d_0 \)
  • Résistance de calcul en situation d'incendie \( f_{\text{m,d,fi}} = k_{\text{mod,fi}} \times \frac{k_{\text{fi}} \times f_{\text{m,k}}}{\gamma_{\text{M,fi}}} \)
  • Contrainte de flexion agissante à chaud \( \sigma_{\text{m,d,fi}} = \frac{M_{\text{Ed,fi}}}{W_{\text{fi}}} \)
📋
Hypothèses et Paramètres de l'Étude
🧱 PROPRIÉTÉS DU SYSTÈME / DES MATÉRIAUX
Symbole Description Valeur Unité
b × h Dimensions initiales de la poutre en BLC 200 × 400 mm
Classe Bois Lamellé-Collé homogène 📜 EN 14080 GL24h -
\(f_{\text{m,k}}\) Résistance caractéristique en flexion à froid 24 MPa
⬇️ CONTRAINTES, SOLLICITATIONS ET ACTIONS
Symbole Description Valeur Unité
\(M_{\text{G,k}}\) Moment fléchissant issu des charges permanentes pures 20.0 kN.m
\(M_{\text{Q,k}}\) Moment fléchissant issu de la surcharge d'exploitation 25.0 kN.m
\(t_{\text{req}}\) Temps de résistance au feu requis (R60) 60 minutes
📊 Extraits de Normes & Abaques (Eurocode 5 - Partie 1-2)

Servez-vous des documents ci-dessous pour extraire les coefficients nécessaires à votre résolution au feu.

📌 Coefficients de carbonisation nominale \(\beta_{\text{n}}\) (EC5 1-2 Tableau 3.1)
Type de Bois\(\beta_{\text{n}}\) [mm/min]
Bois massif (Résineux / Feuillus)0.80
Bois lamellé-collé (BLC) avec \(\rho_k \geq 290 \text{ kg/m}^3\)0.70
📌 Conversion de la résistance à froid vers la situation d'incendie
ParamètreDescriptionValeur Imposée
\(k_{\text{fi}}\)Coefficient transformant le fractile 5% à froid en 20% à chaud pour le BLC.1.15
\(k_{\text{mod,fi}}\)Coefficient de modification pour l'incendie.1.00
\(\gamma_{\text{M,fi}}\)Coefficient partiel du matériau au feu.1.00
\(\psi_1\)Facteur pour combinaison accidentelle : Salles de lecture (ERP - Catégorie C)0.50
📉 Couche non-résistante \((k_0 \times d_0)\)
Pour le calcul de la section efficace \(d_{\text{ef}}\), la norme impose de retirer une couche supplémentaire fictive sans résistance (\(d_0\)) juste sous la ligne de carbonisation pour tenir compte de l'élévation de température interne.

Donnée normative : Prendre \(d_0 = 7 \text{ mm}\) et le coefficient temporel \(k_0 = 1.0\) (si le temps requis dépasse 20 minutes, ce qui est le cas ici pour R60).

3. Méthodologie de Résolution & Travail Demandé

Afin d'assurer un dimensionnement sécuritaire et conforme aux standards, nous procédons selon les étapes méthodiques détaillées ci-dessous.

1

Question 1 : Sollicitations Accidentelles (Incendie)

🏷️ Descente de charges ⏱️ 5 min | ⭐ Faible
🎯 But de l'étape : Déterminer l'effort réel (Moment fléchissant) que subit la poutre précisément pendant que le feu se déclare.
Énoncé Q1 : À l'aide de la règle des combinaisons accidentelles, calculez le moment fléchissant de calcul en situation d'incendie, noté \(M_{\text{Ed,fi}}\). Prenez garde à utiliser les bons coefficients applicables en situation de sinistre !
💡 Besoin d'un indice ? (Niveau 1)

En situation d'incendie, l'Eurocode considère que la charge de pointe maximale (Exploitation 100%) ne se produit probablement pas en même temps que le feu. Utilisez la combinaison aux États Limites Accidentels.

🔑 Toujours bloqué ? (Indice Niveau 2)

La formule est : \(E_{\text{d,fi}} = \sum G_{\text{k}} + \psi_1 \times Q_{\text{k}}\). Cherchez \(\psi_1\) pour la catégorie ERP Salle de lecture dans l'Aide-Mémoire.

2

Question 2 : Profil Résiduel (Section Réduite)

🏷️ Comportement Thermique ⏱️ 15 min | ⭐⭐ Moyen
🎯 But de l'étape : Modéliser mathématiquement ce qu'il reste de "bois sain" après 60 minutes de flammes dévorantes.
Énoncé Q2 : En utilisant la méthode de la Section Réduite, calculez la profondeur de carbonisation effective \(d_{\text{ef}}\) pour 60 minutes. Déduisez-en la largeur résiduelle \(b_{\text{fi}}\) et la hauteur résiduelle \(h_{\text{fi}}\) de la poutre.

Attention au nombre de faces exposées au feu selon le schéma fourni 📐 !
💡 Besoin d'un indice ? (Niveau 1)

Commencez par calculer \(d_{\text{char,n}}\) (vitesse \(\times\) temps), puis ajoutez la couche tampon \(d_0\) de 7mm qui représente le bois qui a trop chauffé pour être résistant.

🔑 Toujours bloqué ? (Indice Niveau 2)

Si une poutre crame à gauche ET à droite, on enlève 2 fois l'épaisseur brûlée pour trouver la largeur \(b_{\text{fi}}\). Si elle crame en dessous mais que le haut est protégé... on enlève combien de fois ?

3

Question 3 : Résistance de Calcul à Chaud

🏷️ Propriétés Matériaux ⏱️ 10 min | ⭐⭐ Moyen
🎯 But de l'étape : Déterminer quelle est la résistance maximale que la zone "saine" peut endurer avant la rupture.
Énoncé Q3 : Convertissez la résistance caractéristique en flexion à froid (\(f_{\text{m,k}}\)) en une résistance de calcul pour la situation d'incendie \(f_{\text{m,d,fi}}\).
💡 Besoin d'un indice ? (Niveau 1)

Vous n'avez pas besoin de calculer la baisse de température dans le bois. Avec la méthode de la Section Réduite, l'Eurocode considère que la partie restante est "froide" ! Il faut juste modifier le fractile de résistance via \(k_{\text{fi}}\).

🔑 Toujours bloqué ? (Indice Niveau 2)

Consultez les Tableaux extraits des Normes. Cherchez \(k_{\text{fi}}\) pour du Lamellé-Collé et appliquez \(f_{\text{m,d,fi}} = 1.0 \times \frac{1.15 \times 24}{1.0}\).

4

Question 4 (Finale) : Vérification Globale & Taux de Travail

🏷️ Validation Normative ⏱️ 15 min | ☠️ BOSS
🎯 But de l'étape : L'heure de vérité. Apporter la preuve irréfutable que la poutre ne va pas s'effondrer.
Vérification à l'État Limite Accidentel (Feu) : Confrontation entre la contrainte subie et la résistance maximale.
👉 Calculez la contrainte de flexion agissante \(\sigma_{\text{m,d,fi}}\) sur la section résiduelle. Déduisez-en le taux de travail en pourcentage. La poutre de section 200x400 valide-t-elle le degré R60 ?
💡 Besoin d'un indice ? (Niveau 1)

Vous avez besoin du Module de flexion élastique (\(W\)). Sur une section rectangulaire, \(W = \frac{b \times h^2}{6}\). Mais utilisez bien le \(b_{\text{fi}}\) et le \(h_{\text{fi}}\) !

🔑 Toujours bloqué ? (Indice Niveau 2)

Faites extrêmement attention aux unités ! Convertissez impérativement votre Moment \(M_{\text{Ed,fi}}\) de [kNm] vers des [N.mm] avant de diviser par \(W_{\text{fi}}\) en [mm³], pour obtenir une contrainte en [MPa].

🛑

Sas de Préparation

Avant de consulter la correction détaillée, assurez-vous d'avoir pris le temps de chercher. La vraie progression se trouve dans la réflexion, pas dans la lecture passive !

📝 Brouillon prêt 🧮 Calculatrice ON 🧠 Neurones chauds
Démarrer la correction 🚀
CORRECTION

Évaluation de la Résistance au Feu du bois

1
Question 1 : Sollicitations Accidentelles (Incendie)
🧠
💡
Dans la tête de l'ingénieur

"La situation d'incendie est par nature un État Limite Accidentel (ELA). L'Eurocode 0 m'indique qu'il est hautement improbable qu'un feu se déclare exactement au moment où la salle de lecture est pleine à craquer (foule de 100%)."

  • 🔎 Observation : J'ai un moment dû aux charges permanentes (\(M_{\text{G,k}}\)) et un moment d'exploitation (\(M_{\text{Q,k}}\)).
  • 🤔 Analyse du risque : Si je dimensionne avec la charge maximale habituelle (ELU classique), je vais surdimensionner massivement la poutre et ruiner le budget.
  • Choix stratégique : Je dois écreter la charge variable en lui appliquant son coefficient d'accompagnement fréquent ou quasi-permanent \(\psi_1\) spécial "feu".
👀 Voir uniquement le résultat final (Auto-évaluation)
\( M_{\text{Ed,fi}} \) = 32.5 kN.m
AIDE-MÉMOIRE
📋 Données extraites pour l'étape :
  • 🔸 \(M_{\text{G,k}}\) = 20.0 kN.m (Charge permanente)
  • 🔸 \(M_{\text{Q,k}}\) = 25.0 kN.m (Surcharge ERP)
  • 🔸 \(\psi_1\) = 0.50 - (Facteur accidentel)
Rappel Théorique : Les Combinaisons d'Actions Accidentelles

Lorsqu'un sinistre majeur survient 🚒 (séisme, choc, ou incendie), on bascule dans une logique de survie extrême. Les pondérations sécuritaires habituelles sont totalement abandonnées car il est statistiquement invraisemblable d'avoir le bâtiment plein à 100% exactement au moment où le feu se déclare.

  • Poids Propre (\(G\)) : Pris à 100% de sa valeur réelle, car la structure pèse toujours son poids, même en feu !
  • Surcharges (\(Q\)) : Écrêtées par un facteur d'accompagnement pour refléter une occupation moyenne et non maximale.
  • Sécurité (\(\gamma\)) : Tous les coefficients partiels \(\gamma_G\) et \(\gamma_Q\) sont ramenés à 1.0.
📏 Équations Fondamentales

Pour l'Eurocode 0 (bases de calcul), voici l'approche simplifiée pour une seule action variable dominante :

Combinaison d'Efforts au Feu :
💡 Pourquoi cette formule ?

Elle garantit que la poutre ne soit vérifiée qu'avec la charge "moyenne" qui se trouve effectivement sur le plancher à l'instant où le feu démarre, sans rajouter de coefficients d'ignorance excessifs.

\[ \begin{aligned} E_{\text{d,fi}} = \sum G_{\text{k}} + \psi_1 \times Q_{\text{k}} \end{aligned} \]
🔍 Que dit cette équation physiquement ? "L'effort en cas de feu (Ed,fi) équivaut au poids mort réel de la toiture (Gk) auquel on ajoute seulement la moitié (si \(\psi_1\)=0.5) des personnes et meubles (Qk) prévus en cas normal."
Décomposition des termes :
  • \(E_{\text{d,fi}}\) : Effort de calcul pour la situation d'incendie (ici on l'applique au moment \(M\)).
  • \(G_{\text{k}}\) : Actions permanentes caractéristiques (poids propre).
  • \(Q_{\text{k}}\) : Action variable caractéristique.
  • \(\psi_1\) : Facteur de combinaison pour la valeur fréquente d'une action variable.

!
L'Erreur Classique (Le Piège)

"Beaucoup d'étudiants vérifient le feu en reprenant l'effort maximal de la combinaison fondamentale classique (ELU) où \(\gamma_G = 1.35\) et \(\gamma_Q = 1.50\)."

✅ L'approche d'ingénieur : Ne paniquez pas face à un incendie en mathématiques.
  • L'erreur : Dimensionner au feu avec les charges ELU normales double pratiquement les efforts. Rien ne passera jamais au calcul.
  • La bonne méthode : Toujours, TOUJOURS recréer la charge spécifiquement pour l'État Limite Accidentel.
Exécution de la Note de Calculs
1. Résolution Numérique Moment Fléchissant d'Incendie

Pourquoi fait-on ce calcul ? Pour connaître la demande structurelle réelle (le côté gauche de la balance de sécurité).

⚙️ Méthodologie du calcul :

Nous allons substituer l'expression des efforts globaux \(E\) par le moment fléchissant \(M\).

  • 🔧 Substitution : On injecte \(M_{\text{G,k}} = 20\) et \(M_{\text{Q,k}} = 25\).
\[ \begin{aligned} M_{\text{Ed,fi}} &= M_{\text{G,k}} + \psi_1 \times M_{\text{Q,k}} \\ &\Rightarrow 20.0 + 0.50 \times 25.0 \\ &\Rightarrow \mathbf{32.5} \text{ kN.m} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Ordre de grandeur : Si on avait fait un ELU classique on aurait été à \(1.35(20) + 1.5(25) = 64.5\) kN.m. La charge au feu est quasiment moitié moins forte que l'ELU nominal !
🎉
RÉSULTAT FINAL
\( M_{\text{Ed,fi}} \) = 32.5 kN.m
"C'est la charge cible que notre poutre carbonisée devra encaisser."
🌿
Le mot de la fin (Sur le Chantier)

"Le bureau de contrôle vérifie toujours rigoureusement cette valeur. Un architecte pourrait être tenté de penser que le feu double les efforts, mais c'est faux ! On ne dimensionne pas au feu avec la même rigidité qu'à froid, c'est l'essence même de l'ingénierie incendie."

  • 🏗️ Conséquence pratique : En expliquant cela au maître d'ouvrage, on évite d'ajouter des renforts métalliques coûteux.
  • 👷 À retenir sur site : Inutile de paniquer si la charge théorique à froid semblait énorme. Le feu se gère avec une combinaison "allégée".
🏗️
🤔
Et si... ? (Analyse de Sensibilité)

Que se passerait-il si l'architecte transformait cette salle de lecture en "salle de stockage d'archives" ?

  • 🔄 Modification : Le facteur d'accompagnement \(\psi_1\) d'une zone de stockage (catégorie E) vaut 0.90 au lieu de 0.50.
  • 📈 Nouvel Impact : \(M_{\text{Ed,fi}} = 20 + 0.9(25) = 42.5\) kN.m. La charge d'incendie ferait un bond critique de 30% !
  • 💡 Conclusion : On comprend que la fonction de la pièce (et donc la densité d'occupation probable) est vitale dans un calcul au feu.
2
Question 2 : Profil Résiduel (Section Réduite)
🧠
💡
Dans la tête de l'ingénieur

"Le feu attaque le bois comme un sculpteur diabolique, grignotant lentement la matière avec une vitesse connue. Je dois simuler cette perte de matière pendant exactement 1 heure."

  • 🔎 Observation : Le bois lamellé collé brule à une vitesse de 0.70 mm par minute selon les abaques Eurocode.
  • 🤔 Analyse du risque : La chaleur pénètre plus profondément que la flamme visible. Le bois encore "jaune" sous le charbon noir est brûlant et n'a plus aucune résistance mécanique ! Si je l'oublie, le toit s'effondre.
  • Choix stratégique : Je vais utiliser la méthode de la section efficace (\(d_{\text{ef}}\)), qui enlève le charbon PLUS une couche neutre (\(d_0\)) de 7 mm.
👀 Voir uniquement le résultat final (Auto-évaluation)
Section résiduelle : \( b_{\text{fi}} = 102 \text{ mm} \) | \( h_{\text{fi}} = 351 \text{ mm} \)
AIDE-MÉMOIRE
📋 Données extraites pour l'étape :
  • 🔸 \(b \times h\) = 200 × 400 mm
  • 🔸 \(t_{\text{req}}\) = 60 min
  • 🔸 \(\beta_{\text{n}}\) = 0.70 mm/min (Pour GL24h)
  • 🔸 \(d_0\) = 7.0 mm (Couche non-résistante)
Rappel Théorique : Méthode de la Section Réduite Fictive

Le bois a la fantastique particularité de créer une croûte de charbon isolante 🪵 lorsqu'il brûle, ralentissant la progression des flammes. Plutôt que de modéliser une poutre affaiblie par la chaleur, l'Eurocode opte pour une approche géométrique élégante : on ampute totalement la zone endommagée pour ne garder qu'un cœur supposé intact.

  • Zone Carbonisée (\(d_{\text{char,n}}\)) : La couche de bois littéralement partie en fumée, calculée via la vitesse de combustion \(\beta_n\).
  • Couche Non-Résistante (\(d_0\)) : Une épaisseur forfaitaire de 7 mm ajoutée sous le charbon, représentant le bois trop chaud pour porter une charge.
  • Le Cœur Intact : La section restante est considérée comme étant à 20°C avec ses propriétés mécaniques optimales !
📏 Équations Fondamentales Épaisseur Carbonisée Nominale & Effective :

Modélisation mathématique du retrait de matière sur chaque face exposée aux flammes.

💡 Pourquoi cette formule ?

Elle décompose le dégât du feu en 2 parties distinctes et additives : le bois parti en fumée (\(d_{\text{char,n}}\)) et le bois cuit inutile (\(k_0 \cdot d_0\)).

\[ \begin{aligned} d_{\text{char,n}} &= \beta_{\text{n}} \times t \end{aligned} \]
🔍 Que représente \(d_{\text{char,n}}\) ? C'est la profondeur de bois littéralement carbonisée et transformée en cendres.
💡 Comment obtenir l'épaisseur effective totale ? On ajoute à cette couche carbonisée la couche sous-jacente échauffée qui a perdu sa résistance (\(d_0\)).
\[ \begin{aligned} d_{\text{ef}} &= d_{\text{char,n}} + k_0 \times d_0 \end{aligned} \]
🔍 Que dit cette équation physiquement ? "L'épaisseur totale à retirer (\(d_{\text{ef}}\)) sur chaque face en contact avec le feu est proportionnelle à la durée du feu (\(t\)) plus un malus fixe de sécurité de 7 millimètres."
Décomposition des termes :
  • \(\beta_{\text{n}}\) : Vitesse de carbonisation unidimensionnelle, unité : mm/min
  • \(t\) : Temps d'exposition au feu exigé, unité : min
  • \(k_0\) : Paramètre temporel (vaut 1.0 si \(t > 20\) min)
  • \(d_0\) : Épaisseur normative de la couche à résistance nulle (7 mm), unité : mm

!
L'Erreur Classique (Le Piège)

"La faute la plus courante et la plus destructrice à l'examen (et dans la vraie vie) est de soustraire \((2 \times d_{\text{ef}})\) sur TOUTES les dimensions (largeur ET hauteur)."

✅ L'approche d'ingénieur : Observez la géométrie et la protection avant de lancer le calcul.
  • L'erreur : Si on enlève le feu en haut alors qu'il y a un plancher, on pénalise la poutre à tort. C'est absurde physiquement.
  • La bonne méthode : Regardez le schéma d'exposition. Le feu attaque par la gauche et par la droite : donc \(b_{\text{fi}} = b - 2(d_{\text{ef}})\). Le feu attaque par dessous, MAIS PAS par dessus (protégé) : donc \(h_{\text{fi}} = h - 1(d_{\text{ef}})\).
Exécution de la Note de Calculs
1. Résolution Numérique Épaisseur Carbonisée \(d_{\text{ef}}\)

Pourquoi fait-on ce calcul ? C'est la valeur du "grignotage" qui s'abattra sur chaque face attaquée par les flammes.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : On prend \(t=60\), \(\beta_{\text{n}}=0.70\) et on calcule la profondeur carbonisée.
\[ \begin{aligned} d_{\text{char,n}} &= 0.70 \times 60 \\ &\Rightarrow 42.0 \text{ mm} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Résultat : Le feu a transformé 42 mm d'épaisseur de bois en charbon sur chaque face exposée.
B. Épaisseur Effective Perdue (\(d_{\text{ef}}\))

Pourquoi fait-on ce calcul ? Le charbon n'est pas le seul problème. Le bois situé juste derrière a trop chauffé pour être porteur.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : On ajoute forfaitairement la couche non-résistante \(d_0 = 7 \text{ mm}\) à l'épaisseur carbonisée.
\[ \begin{aligned} d_{\text{ef}} &= 42.0 + 1.0 \times 7.0 \\ &\Rightarrow \mathbf{49.0} \text{ mm} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Résultat : C'est la valeur finale d'amputation : 49 mm de section sont neutralisés thermiquement sur chaque face exposée.
2. Dimensions de la Section Fictive Résiduelle C. Largeur Résiduelle (\(b_{\text{fi}}\))

Pourquoi fait-on ce calcul ? Pour connaître la largeur restante capable de s'opposer au moment fléchissant.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : La poutre est exposée sur ses 2 faces latérales. On soustrait donc deux fois \(d_{\text{ef}}\) à la largeur initiale \(b\).
\[ \begin{aligned} b_{\text{fi}} &= 200 - 2 \times 49.0 \\ &\Rightarrow \mathbf{102} \text{ mm} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Ordre de grandeur : Notre largeur de poutre passe de 20cm à 10.2cm. Près de 50% de la largeur est neutralisée en 1h.
D. Hauteur Résiduelle (\(h_{\text{fi}}\))

Pourquoi fait-on ce calcul ? La hauteur est le paramètre le plus influent pour l'inertie, elle doit être évaluée avec précision.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : La face supérieure est protégée par le plancher. L'attaque se fait par 1 seule face (inférieure). On ne soustrait qu'une seule fois \(d_{\text{ef}}\) à la hauteur \(h\).
\[ \begin{aligned} h_{\text{fi}} &= 400 - 1 \times 49.0 \\ &\Rightarrow \mathbf{351} \text{ mm} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Ordre de grandeur : Notre largeur de poutre passe de 20cm à 10.2cm. Près de 50% de la largeur est volatilisée en fumée ou neutralisée thermiquement en 1h. C'est sévère mais parfaitement cohérent !
🎉
RÉSULTAT FINAL
Section Résiduelle = 102 × 351 mm
"C'est sur ce 'noyau central intact' que nous allons calculer la portance."
🌿
Le mot de la fin (Sur le Chantier)

"Sur le terrain, les pompiers savent qu'une poutre en bois épaisse ne s'écroule pas d'un coup (contrairement à l'acier qui fond et plie soudainement). En garantissant cette épaisseur résiduelle, on leur offre du temps d'intervention stable, car le noyau interne reste à 20°C pendant qu'il brûle en surface !"

  • 🏗️ Conséquence pratique : L'acier aurait nécessité un flocage ou une peinture intumescente. Le bois, grâce à sa section massive, s'autoprotect.
  • 👷 Action sur chantier : S'assurer que le plancher supérieur est bien jointif pour éviter que les flammes ne viennent grignoter la face haute non prévue dans ce calcul.
🏗️
🤔
Et si... ? (Analyse de Sensibilité)

Que se passerait-il si l'architecte décidait d'exposer la poutre de tous les côtés (y compris la face supérieure, dans le cas d'une poutre décorative isolée) ?

  • 🔄 Modification : La hauteur perdrait aussi 2 fois \(d_{\text{ef}}\) (\(400 - 2 \times 49\)).
  • 📈 Nouvel Impact : \(h_{\text{fi}}\) passerait à 302 mm ! Le module d'inertie chuterait drastiquement (perte de puissance au carré).
  • 💡 Conclusion : Protéger la face supérieure avec un plancher continu n'est pas qu'une question de design, c'est ce qui sauve le dimensionnement au feu des poutres maîtresses !
3
Question 3 : Résistance de Calcul à Chaud
🧠
💡
Dans la tête de l'ingénieur

"Maintenant que je sais que ma poutre est virtuellement réduite à 102x351 mm, quelle est sa résistance intrinsèque ? En situation classique, on ampute le matériau de plein de coefficients de sécurité stricts (fractile 5%). Mais en cas d'incendie..."

  • 🔎 Observation : L'Eurocode est plus indulgent au feu car c'est un événement exceptionnel (statistiquement rarissime).
  • 🤔 Analyse du risque : On ne peut pas demander au matériau bois de garantir les mêmes coefficients de sécurité draconiens qu'à froid sur 50 ans. L'incendie ne dure qu'une heure !
  • Choix stratégique : Je vais "booster" mathématiquement la résistance nominale du bois grâce au coefficient \(k_{\text{fi}}\), qui me permet de passer d'un fractile de sécurité 5% (très sévère) à un fractile 20% (plus réaliste pour un accident de courte durée).
👀 Voir uniquement le résultat final (Auto-évaluation)
\( f_{\text{m,d,fi}} \) = 27.6 MPa
AIDE-MÉMOIRE
📋 Données extraites pour l'étape :
  • 🔸 \(f_{\text{m,k}}\) = 24 MPa (Résistance basique de la classe GL24h)
  • 🔸 \(k_{\text{fi}}\) = 1.15 - (Pour Lamellé-Collé)
  • 🔸 \(k_{\text{mod,fi}}\) = 1.0 - (Fixé par norme)
  • 🔸 \(\gamma_{\text{M,fi}}\) = 1.0 - (Fixé par norme)
Rappel Théorique : Conversion des Résistances au Feu

Puisque le feu est un événement accidentel et extrêmement rare ☄️, la norme nous autorise à puiser dans les réserves ultimes du matériau. Adieu les coefficients de sécurité ultra-sévères utilisés à froid ! On va "booster" mathématiquement notre bois grâce au coefficient magique \(k_{\text{fi}}\).

  • Glissement de Fractile : On passe d'une certitude de résistance de 95% (à froid) à un fractile beaucoup plus souple de 80% en situation d'incendie.
  • Le Multiplicateur \(k_{\text{fi}}\) : Il sert précisément à convertir la résistance basique de 5% (\(f_{\text{m,k}}\)) vers cette nouvelle limite de 20%.
  • Suppression des Brides : Les coefficients partiels \(\gamma_M\) et d'humidité \(k_{\text{mod}}\) sont neutralisés (fixés à 1.00).
📏 Équations Fondamentales Formule de Conversion au Feu :

Calcul de la limite de rupture de calcul pour un événement incendie.

💡 Pourquoi cette formule ?

Elle prend la valeur catalogue (basique et prudente) pour la transformer en valeur "commando". Le feu étant l'événement le plus critique, la structure est autorisée à aller puiser dans ses dernières réserves de force (fractile 20%).

\[ \begin{aligned} f_{\text{m,d,fi}} = k_{\text{mod,fi}} \times \frac{k_{\text{fi}} \times f_{\text{m,k}}}{\gamma_{\text{M,fi}}} \end{aligned} \]
🔍 Que dit cette équation physiquement ? "La résistance de la poutre en feu égale sa résistance brute catalogue (\(f_{\text{m,k}}\)), majorée par la levée de la grosse marge de sécurité habituelle (\(k_{\text{fi}}\)), le tout sans aucune autre punition (\(k_{\text{mod,fi}}=1, \gamma = 1\))."
Décomposition des termes :
  • \(f_{\text{m,d,fi}}\) : Résistance de calcul en flexion à chaud, unité : MPa
  • \(f_{\text{m,k}}\) : Résistance caractéristique à froid, unité : MPa
  • \(k_{\text{fi}}\) : Rapport fractile 20% sur fractile 5% (1.15).

!
L'Erreur Classique (Le Piège)

"La confusion totale avec la méthode 'normale' de l'État Limite Ultime (ELU)."

✅ L'approche d'ingénieur : Ne croisez jamais les mondes Froid et Feu !
  • L'erreur : Appliquer un \(k_{\text{mod}}\) de classe de service normal (ex: 0.80) et un \(\gamma_M\) de bois lamellé (1.25) dans le calcul d'incendie. Cela va faussement diviser la capacité par deux !
  • La bonne méthode : En situation d'incendie accidentelle, ces coefficients valant 1.0 DOIVENT être inscrits dans votre copie, pour prouver que vous maîtrisez la différence avec l'ELU classique.
Exécution de la Note de Calculs
1. Résolution Numérique Résistance en Flexion au Feu

Pourquoi fait-on ce calcul ? Pour définir le seuil de casse (côté droit de la balance de vérification).

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : Injection directe de \(f_{\text{m,k}} = 24\) et \(k_{\text{fi}} = 1.15\).
\[ \begin{aligned} f_{\text{m,d,fi}} &= 1.0 \times \frac{1.15 \times 24.0}{1.0} \\ &\Rightarrow \mathbf{27.6} \text{ MPa} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Ordre de grandeur : C'est génial ! À froid (ELU permanent), notre bois de 24 MPa a une contrainte de calcul bridée autour de \(15.3\) MPa (\(24 \times 0.8 / 1.25\)). Ici au feu, on a le droit de le charger jusqu'à 27.6 MPa ! Ce petit miracle mathématique de l'Eurocode va peut-être sauver notre poutre.
🎉
RÉSULTAT FINAL
\( f_{\text{m,d,fi}} \) = 27.6 MPa
"C'est la capacité absolue de rupture de notre zone saine."
🌿
Le mot de la fin (Sur le Chantier)

"Ce boost de résistance mathématique est crucial ! Sans lui, les poutres d'une toiture devraient être épaisses comme des troncs séculaires insensés. C'est l'essence même de l'ingénierie incendie : optimiser le bois intelligemment face à un scénario exceptionnel."

  • 🏗️ Conséquence pratique : L'utilisation du Lamellé-Collé permet de bénéficier d'un coefficient \(k_{\text{fi}}\) très favorable par rapport au bois massif.
  • 👷 Vigilance de commande : Le charpentier doit absolument respecter la fourniture d'un GL24h certifié. Si un bois de classe inférieure est livré, tout le calcul s'effondre.
🏗️
🤔
Et si... ? (Analyse de Sensibilité)

Que se passerait-il si l'on utilisait du bois massif de classe C24 au lieu du Lamellé-Collé GL24h ?

  • 🔄 Modification : Le coefficient \(k_{\text{fi}}\) pour du bois massif ne vaut que 1.25, certes un peu meilleur que 1.15.
  • 📈 Nouvel Impact : La résistance serait de 30 MPa. MAIS, attention ! La vitesse de combustion du bois massif est plus élevée (\(0.80\) au lieu de \(0.70\)). La section restante (Q2) fondrait bien plus vite !
  • 💡 Conclusion : Ce gain apparent en résistance au feu d'un bois massif ne compense pas sa fragilité face à la calcination. Le BLC reste roi pour le feu en charpente lourde.
4
Question 4 : Vérification Globale & Taux de Travail
🧠
💡
Dans la tête de l'ingénieur

"C'est l'heure de vérité. J'ai un moment de 32.5 kN.m qui tente de plier la poutre, mais ma poutre a maigri et ne fait plus que 102 mm d'épaisseur ! Est-ce que cette petite section va exploser sous l'effort ?"

  • 🔎 Observation : Le Module de flexion \(W\) dépend de l'inertie de la forme rectangulaire.
  • 🤔 Analyse du risque : La moindre petite erreur de conversion (de mm en mètres ou inversement) lors du calcul final faussera la conclusion, avec le risque de refuser une bonne poutre !
  • Choix stratégique : Je vais tout passer rigoureusement en Newton et en Millimètres (N.mm). Ensuite, je calculerai la contrainte agissante (\(\sigma\)) pour la comparer à ma résistance limite de 27.6 MPa.
👀 Voir uniquement le résultat final (Auto-évaluation)
\(\sigma_{\text{m,d,fi}}\) = 15.52 MPa   ➡   Ratio de Travail = 56.2 % (OK !)
AIDE-MÉMOIRE
📋 Données extraites pour l'étape :
  • 🔸 \(M_{\text{Ed,fi}}\) = 32.5 kN.m (Issu de la Q1)
  • 🔸 \(b_{\text{fi}} \times h_{\text{fi}}\) = 102 × 351 mm (Issu de la Q2)
  • 🔸 \(f_{\text{m,d,fi}}\) = 27.6 MPa (Issu de la Q3)
Rappel Théorique : Vérification Contrainte vs Capacité (Navier)

Le cœur de l'ingénierie se trouve dans ce face-à-face final ⚔️. D'un côté la demande (la contrainte \(\sigma\)) causée par les charges extérieures, de l'autre la capacité (la résistance \(f\)) offerte par le matériau. Pour que la structure tienne, la demande doit rester strictement inférieure à la capacité !

  • Le Module d'Inertie (\(W\)) : C'est la "carrure" de la section. Plus la poutre est haute, plus cette valeur explose (au carré), réduisant drastiquement l'effort ressenti.
  • La Contrainte Agissante (\(\sigma\)) : C'est l'étirement réel des fibres de bois, calculé en divisant le moment fléchissant par le module \(W\).
  • Le Taux de Travail : Exprimé en pourcentage, c'est le ratio \(\frac{\sigma}{f}\). S'il dépasse 100%, la poutre rompt.
📏 Équations Fondamentales Équation de Navier pour la Flexion Simple :

Vérification de la fibre extrême en flexion.

💡 Pourquoi cette formule ?

C'est la règle d'or universelle en structure. Elle met en relation la force extérieure subie (M) répartie sur l'architecture intérieure du solide (W).

\[ \begin{aligned} W_{\text{fi}} &= \frac{b_{\text{fi}} \times h_{\text{fi}}^2}{6} \end{aligned} \]
🔍 Que calcule-t-on avec \(W_{\text{fi}}\) ? On définit la "capacité géométrique" de la section rectangulaire résiduelle à résister à la flexion.
💡 Et pour la contrainte \(\sigma\) ? On répartit ensuite l'effort global sur cette capacité géométrique.
\[ \begin{aligned} \sigma_{\text{m,d,fi}} &= \frac{M_{\text{Ed,fi}}}{W_{\text{fi}}} \end{aligned} \]
🔍 Que dit cette équation physiquement ? "Plus la charge (M) est violente, plus les fibres de bois sont étirées (\(\sigma\) grandit). Mais si la poutre est très épaisse et haute (W très grand), l'étirement s'effondre (M divisé par W)."
Décomposition des termes :
  • \(W_{\text{fi}}\) : Module de flexion de la section résiduelle rectangulaire, unité : mm³
  • \(\sigma_{\text{m,d,fi}}\) : Contrainte de flexion maximale agissante, unité : MPa
  • \(M_{\text{Ed,fi}}\) : Moment agissant, doit absolument être converti en N.mm.

!
L'Erreur Classique (Le Piège)

"L'immense tragédie des unités incompatibles : diviser des kN.m par des mm³ !"

✅ L'approche d'ingénieur : Mettez tout dans le système cohérent Newton et Millimètre.
  • L'erreur : \(\frac{32.5}{2094451}\) donne un résultat aberrant de 0.000015. On en conclut faussement que la poutre est "invincible".
  • La bonne méthode : Toujours appliquer la conversion sacrée : \(1 \text{ kN.m} = 10^6 \text{ N.mm}\). Ainsi, \(32.5 \times 10^6\) N.mm garantira d'obtenir votre résultat final en purs Mégapascals (MPa = N/mm²).
Exécution de la Note de Calculs
⚠️ Check-up des Unités
  • \(M_{\text{Ed,fi}}\) : conversion de 32.5 kN.m vers \(32.5 \times 10^6\) N.mm
1. Résolution Numérique Module de Flexion Résiduel (\(W_{\text{fi}}\))

Pourquoi fait-on ce calcul ? Pour connaître la rigidité de forme de notre noyau de bois carbonisé.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : Injection de \(b=102\) et \(h=351\) dans l'équation.
\[ \begin{aligned} W_{\text{fi}} &= \frac{102 \times (351)^2}{6} \\ &\Rightarrow \mathbf{2\,094\,451} \text{ mm}^3 \end{aligned} \]
2. Résolution Numérique Finale B. Contrainte Agissante (\(\sigma_{\text{m,d,fi}}\))

Pourquoi fait-on ce calcul ? C'est la pression réelle (étirement/compression) ressentie par les fibres extrêmes du bois à l'intérieur de la poutre résiduelle.

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : On divise le moment fléchissant converti en Newton-millimètres (\(37.5 \times 10^6\)) par le module d'inertie \(W_{\text{fi}}\).
\[ \begin{aligned} \sigma_{\text{m,d,fi}} &= \frac{37.5 \times 10^6}{2\,094\,417} \\ &\Rightarrow \mathbf{17.90} \text{ MPa} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Résultat : La contrainte calculée est de 17.90 MPa. Cette valeur est prête à être comparée à la résistance limite.
C. Ratio d'Utilisation (Taux de travail)

Pourquoi fait-on ce calcul ? Pour quantifier la marge de sécurité restante sous forme de pourcentage (très parlant pour un rapport de vérification).

⚙️ Méthodologie du calcul :
  • 🔧 Substitution : On divise la contrainte subie (17.90 MPa) par la résistance maximale de rupture au feu (27.6 MPa).
\[ \begin{aligned} \text{Ratio} &= \frac{\sigma_{\text{m,d,fi}}}{f_{\text{m,d,fi}}} = \frac{17.90}{27.6} \\ &\Rightarrow \mathbf{64.9\%} \end{aligned} \]
📊 Analyse intermédiaire du chiffre :
  • Vérification : 15.52 MPa est strictement inférieur à notre limite de 27.6 MPa.
  • 🏗️ Taux de travail : La poutre n'est sollicitée qu'à 56% de sa capacité ! Il y a une immense marge de sécurité. Le projet est sauvé.
🎉
RÉSULTAT FINAL
\(\sigma_{\text{m,d,fi}}\) = 15.52 MPa
( \(\leq 27.6 \text{ MPa}\) )
"La vérification réglementaire R60 est officiellement SATISFAITE."
🌿
Le mot de la fin (Sur le Chantier)

"C'est un véritable soulagement pour la maîtrise d'ouvrage ! Malgré une réduction de près de la moitié de son profil, la poutre résistera sans peine aux flammes grâce à ses dimensions initiales généreuses et à la clémence de la combinaison accidentelle. L'inspecteur incendie va valider le chantier dans l'heure."

  • 🏗️ Bilan global : La section de 200x400 mm est validée et peut être mise en fabrication sans aucune modification géométrique.
  • 👷 Consigne finale : On transmet immédiatement le PV de validation à l'atelier de taille pour lancer les découpes sereinement.
🏗️
🤔
Et si... ? (Analyse de Sensibilité)

Pour faire des économies, le maître d'ouvrage demande s'il ne pourrait pas changer la poutre prévue par une section encore plus fine, de 140x400 mm par exemple ?

  • 🔄 Modification : Base initiale \(b = 140\) mm.
  • 📈 Nouvel Impact : La section résiduelle deviendrait \(b_{\text{fi}} = 140 - 98 = 42\) mm. Le \(W\) chuterait à 862\,758 mm³, propulsant la contrainte à 37.6 MPa !
  • 💡 Conclusion : Cette contrainte de 37.6 MPa dépasse la capacité de 27.6 MPa. La poutre de 140 mm s'effondrerait après environ 45 minutes. Notre "surdimensionnement" initial en largeur (200 mm) était en fait le minimum vital pour la sécurité feu R60 !
SYNTHÈSE DU BUREAU D'ÉTUDES

BILAN FINAL & PERFORMANCES

📋
📝
Rapport de Fin de Mission

Checklist d'Auto-Évaluation

Avant de clore cet exercice, vérifiez que vous avez bien assimilé la démarche globale de conception au feu selon l'Eurocode 5 :

Validation incontestable. Le client est rassuré !

La section transversale 200x400 mm initialement taillée par le charpentier était sujette à des doutes de la commission. Cette note de calcul détaillée a permis d'apporter la preuve mathématique que la géométrie possède une réserve charbonnable suffisante pour protéger son cœur porteur au-delà du seuil imposé des 60 minutes.

📊 Tableau de Bord des Performances

🎯
Capacité Cible
27.6 MPa
⚖️
Demande Réelle
15.52 MPa
🛡️
Taux d'Utilisation
56.2 %

DÉCISION DU DIRECTEUR TECHNIQUE

✅ PROJET VALIDÉ R60

"Excellente prestation technique. L'envoi immédiat de cette note de calcul claire et normée permet de lever les réserves de la commission sécurité sans dépenser un euro supplémentaire en renforts inutiles. Chantier débloqué !"

Signature : L'Ingénieur en Chef 👷‍♂️
Évaluation de la Résistance au Feu du bois
Exercices structure en boisÉtape 39 sur 42

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