Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Malgré un engouement grandissant pour la construction massive en bois, celle-ci est limitée dans les codes du bâtiment pour des raisons de sécurité incendie. Au Canada le code restreint la construction en bois massif à certain groupe d'usage principal. Une solution de rechange peut toutefois être élaborée grâce à l'ingénierie de la sécurité incendie. Cette conception par objectifs de performance peut nécessiter des essais à grande échelle coûteux en temps et financièrement. Selon la complexité du scénario, ces essais pourraient être remplacés par une approche analytique plus rapide et moins dispendieuse. L'objectif du projet était de développer un modèle analytique prédisant la dynamique incendie, ainsi que la profondeur de carbonisation, lors d'un incendie dans un compartiment de construction massive en bois, ayant diverses quantités de bois exposé. L'analyse de quatre modèles existants a mis en lumière la nécessité de prendre en compte l'impact de la concentration d'oxygène et du flux thermique incident à la surface des éléments en bois sur leur vitesse de carbonisation. Le modèle à deux zones développé prédit le débit calorifique, la température et la concentration d'oxygène dans la couche de gaz chauds, ainsi que la profondeur de carbonisation des éléments en bois exposés. Les prédictions ont été comparées à 20 essais de feu de compartiment de construction massive en bois totalement ou partiellement encapsulé qui ont été réalisés au fil des dernières années. Les analyses qualitatives et quantitatives ont démontré que le modèle prédit fidèlement la dynamique générale des incendies expérimentaux. Les profondeurs de carbonisation prédites sont conservatrices et proches des valeurs expérimentales. Cinq limites du modèle et pistes d'améliorations ont été identifiées pour les versions futures du modèle. Le modèle développé devrait faciliter et soutenir la conception par performance de bâtiments en bois massif, ainsi que de potentiels changements pour augmenter les limites prescriptives sur l'exposition d'élément en bois massif dans les codes du bâtiment. / Despite a growing interest, mass-timber construction is currently limited by most building codes mainly due to fire safety concerns. In Canada, the building code restricts mass timber construction to a limited group of major occupancy. However, an alternative solution can be developed through fire safety engineering. This performance base design can require large-scale tests that are costly and time consuming. Depending on the complexity of the scenario, these tests could be replaced by a faster and less expensive analytical approach. The objective of the project was to develop an analytical model predicting the fire dynamics as well as the char depth during fire in mass timber construction compartment with different amounts of exposed surfaces. The analysis of four existing model highlights the necessity to account for the impact of the heat flux impinging on the surface and the oxygen concentration, on the timber element charring rate. The developed two-zone model predicts the heat release rate (HRR), the upper-layer temperature and oxygen concentration, as well as the char depth of exposed timber element. The model predictions were compared to 20 experimental mass timber compartment fires partially or fully encapsulated that were recently over the past few years. The qualitative and quantitative analysis showed that the model captures well the general fire dynamic i.e., HRR and temperature. Five limitations and improvements have been discussed and will be considered in future versions of this model. The developed model will facilitate and support performance-based fire design of timber buildings as well as potential changes to increase the prescriptive limits of exposed mass timber in building codes.

L’objectif principal de ce travail est de concevoir un petit brûleur au kérosène pour étudier la propriété ignifuge de matériaux composites sous attaque de flamme. Les normes AC20-135 et ISO 2685 décrivent de quelle manière les tests pour démontrer la capacité ignifuge d’un matériau doivent se dérouler. Ces normes sont utilisées pour dresser les requis pour la conception de ce petit brûleur au kérosène. Des gouttelettes liquides de jet-A sont pulvérisées pour alimenter la flamme en carburant tandis que l’air est amené via une conduite annulaire autour de l’injecteur. La combustion génère une flamme non-confinée. L’injecteur sélectionné est un atomiseur à pression avec ligne de retour de la compagnie Delavan. Un swirler en impression 3D de plastique est placé dans le brûleur près de la sortie d’air pour augmenter le mélange entre les gouttelettes de jet-A et l’air. Une analyse de mécanique des fluides numériques (MFNou CFDen anglais) est présentée pour mieux comprendre l’aérodynamique dans un brûleur et pour concevoir le swirler. Le brûleur est conçu pour permettre de facilement changer le swirler pour tester différents angles d’aubes. Un banc d’essai a été mis en place pour tester l’effet de ces swirlers sur le flux thermique de la flamme. Les effets de la puissance du brûleur, du rapport d’équivalence et de la distance entre le brûleur et la position de la mesure ont été investigués avec des essais expérimentaux. Un swirler de15 aubes avec un angle d’aube de 25°a été choisi. Parmi toutes les distances axiales testées expérimentalement avec le swriler choisi, il est possible d’atteindre le flux thermique requis de 116 kW/m2 avec le plus de configurations de flamme possible lorsque cette distance est de 7.6 cm (3 po.) du brûleur. Il est possible de générer une flamme avec un diamètre inférieur à 6.4 cm (2.5 po.) tout en atteignant le flux thermique requis de 116 kW/m2. Ceci permet d’effectuer des tests sur des petits échantillons et de réduire les coûts des tests de pré-certification. Pour atteindre cette configuration de flamme, il faut ajuster la puissance du brûleur entre 10 kW et 20 kW avec un rapport d’équivalence entre 0.7 et 0.9. / The main objective of this work is to design a small kerosene burner to study the fireproofing capacity of composite material under flame attack. The standards AC20-135 and ISO-2685 described how the fireproofing tests have to be performed and are used to set the requirements for the design of the small kerosene burner. The burner sprays liquid jet-A droplets and air is flowing around the injector in an annular chamber. The combustion generates an unconfined flame. The fuel injector selected is a Delavan spill-return pressure atomizer. There is a custom 3D printed plastic swirler at the air exit near the combustion area to increase the mixing between air and jet-A droplets. A computational fluid dynamic analysis (CFD) is presented to better understand the aerodynamic of the burner and to design the swirler. The design of the burner allows to easily change the swirler to test different vane angles. An experimental test bench is designed to test the effect of these swirlerson the heat flux under multiple combinations of burner power and equivalence ratio at four axial measurement locations. The experimental investigation allows selecting the final configuration and parameters for the burner. The chosen swirler has 15 vanes that are oriented 25° to the burner axis. The best axial location for the measurements is at 7.6 cm (3 in.). It is possible to generate a flame with a diameter smaller than 6.4 cm (2.5 in.) while reaching the required heat flux of 116 kW/m2. This accommodates smaller coupon sizes and reduces cost for pre-certification testing. To achieve this flame configuration, the burner power should be set between 10 kW to 20 kW with an equivalence ratio between 0.7 and 0.9.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Les tiges collées, soit un assemblage où une tige métallique est dissimulée à l'intérieur d'une pièce de bois au moyen d'un adhésif structural, sont de plus en plus convoitées pour leur rigidité, résistance et esthétisme. Étant un type d'attache relativement nouveau, très peu d'étude relative à la performance au feu a été effectuée. De plus, il n'existe pas de directives sur la conception au feu des tiges collées en Amérique du Nord. Les recherches effectuées suggèrent que l'adhésif structural est la composante gouvernante de l'assemblage à température élevée puisque ses propriétés mécaniques sont considérablement affectées lorsqu'on surpasse sa température de transition vitreuse, résultant en une rupture fragile au niveau du plan de colle de l'assemblage. Puisque ces études étaient surtout effectuées sur un faible éventail d'adhésif et que la température de transition vitreuse se situe dans une plage de température qui est spécifique à chaque adhésif, il était nécessaire d'étudier davantage le sujet. Ainsi, 67 échantillons de tiges collées ont été fabriqués avec un éventail de cinq adhésifs différents (trois époxy et deux polyuréthanes) afin de caractériser la performance au feu des adhésifs utilisés dans les tiges collées, soit l'objectif principal de ce projet de recherche. Les matériaux et les dimensions des échantillons ont été sélectionnés dans l'optique d'obtenir une rupture ductile au niveau de la tige métallique lorsque soumis à un effort de traction axiale à température ambiante. Des analyses mécaniques dynamiques ont été effectuées sur chaque adhésif pour y déterminer leurs propriétés viscoélastiques à différentes températures. À travers ces analyses, trois courbes permettant de déterminer les plages de température de transition vitreuse ont été générées : la courbe du module de conservation, du module de perte et du tan δ. Cette plage de température se situait entre 48°C et 90°C pour l'ensemble des adhésifs étudiés. Pour caractériser la performance au feu des tiges collées, des essais de traction axiale à température stabilisée ont été effectués. Ces essais consistent à insérer les échantillons de tiges collées dans une étuve paramétrée à 200°C jusqu'à ce que la température au niveau du plan colle ait atteint la température cible, qui a préalablement été déterminée à l'aide de la température de transition vitreuse propre à chaque adhésif. Par la suite, les échantillons ont rapidement été transférés au banc d'essais de traction axiale. Des essais de traction axiale à température ambiante ont également été effectués afin d'avoir des valeurs de référence pour chaque adhésif. Finalement, afin de s'assurer que l'effet de post-polymérisation n'ait pas influencé les résultats, des essais additionnels suivant la même procédure ont été effectués sur des échantillons préalablement chauffés, soit ayant un adhésif entièrement réticulé. Les résultats suggèrent que la résistance et la rigidité des tiges collées sont très peu affectées lorsque la température au niveau de la ligne de colle est sous la température de transition vitreuse déterminée par la courbe du module de conservation de l'adhésif réalisée à partie d'une analyse mécanique dynamique, et une rupture ductile est survenue dans la majorité des échantillons. Cependant, lorsque la température à l'interface de l'adhésif est au-delà de cette température de transition vitreuse, une diminution considérable des propriétés mécaniques des tiges collées a été observée pour tous les échantillons, et un mode de rupture fragile au niveau de l'adhésif est survenu dans la plupart des échantillons. La performance au feu de cinq adhésifs structuraux utilisés dans les tiges collées a été caractérisée par des essais de traction axiale à diverses températures stabilisées. Les résultats suggèrent qu'une conception au feu adéquat de ces assemblages consiste à limiter une hausse de température au-delà de la température de transition vitreuse de l'adhésif déterminé par le module de conservation d'une analyse mécanique dynamique au niveau de la ligne de colle, puisque les propriétés mécaniques des adhésifs, et donc des tiges collées, sont grandement affectés au-delà de cette température. Pour ce faire, des précautions telles que l'utilisation de panneaux de gypse, de panneaux de bois, de revêtements de protection contre le feu et/ou augmenter les dimensions de la section de bois sont envisageables. / Glued-in rods, a connection where a metal rod is concealed inside a wood element by means of a structural adhesive, are more and more coveted for their rigidity, capacity and aesthetics. Being a relatively new type of connection, few studies have been performed on their fire performance. Furthermore, there are no fire design guidelines for glued-in rods in North America. The research conducted suggests that the structural adhesive is the governing component of the connection when exposed to elevated temperatures since its mechanical properties are significantly affected when its glass transition temperature is exceeded, resulting in a brittle failure at the glue line interface. Since these studies were mostly performed on a small range of adhesive, further research was needed. Thus, 67 glued-in rods specimen were fabricated with a range of five different adhesives (three epoxies and two polyurethanes) to characterize the fire performance of adhesive used in glued-in rods connections, which is the main objective of this research. The materials and dimensions were selected in order to obtain a ductile failure mode in the metal rod when subjected to an axial tension stress at room temperature. Dynamic mechanical analyses were performed on each adhesive to determine its viscoelastic properties at different temperatures. Through these analyses, three curves were generated for each adhesive to determine the glass transition temperature ranges: the storage modulus, loss modulus and tan δ curves. This temperature range was between 48°C and 90°C for the majority of the adhesives studied herein. To characterize the fire performance of the glued-in rods specimen, axial tension tests at stabilized temperature were performed. These tests consisted of inserting the specimens into an oven set at 200°C until the temperature at the glue line interface reached the target temperature, which was predetermined using the glass transition temperature of each adhesive. Thereafter, the samples were quickly transferred to the axial tension test bench. Axial tension tests at room temperature were also performed in order to have reference values for each adhesive. Finally, to ensure that the post-cure effect did not influenced the results, additional tests following the same procedure were performed on previously heated samples, i.e. with a fully cured adhesive. The results suggest that the capacity and stiffness of the glued-in rods are barely affected when the temperature at the glue line is below its glass transition temperature determined through the storage modulus of a dynamic mechanical analysis, and a ductile failure occurred in the majority of samples. However, when the temperature at the glue line interface is above this glass transition temperature, a considerable decrease of the mechanical properties of the glued-in rods was observed for all samples, and a brittle failure occurred in the adhesive of most samples. The fire performance of five structural adhesives used in glued-in rods was characterized by axial tension tests at various stabilized temperatures. The results suggest that an adequate fire design of this connection is to limit a temperature rise at the glue line interface above the glass transition temperature of the adhesive as determined by the storage modulus of a dynamic mechanical analysis, since the mechanical properties of the adhesive, and thus the glued-in rods, are greatly affected beyond this temperature. Precautions such as the use of gypsum boards, wood panels, fire protection coatings and/or increasing the dimensions of the wood section are possible.

Les bâtiments et les matériaux de construction doivent avoir un degré de résistance au feu suffisant pour prévenir l'effondrement prématuré de la structure et fournir des moyens sécuritaires d'évacuation des occupants tels qu'exigés dans le Code National du bâtiment au Canada. Jusqu'à maintenant, l'Annexe B de la norme CSA O86 « Règles de calcul des charpentes en bois » fournit une méthode de calculs afin de déterminer la résistance au feu des éléments structuraux en bois massif. Toutefois, cette méthode ne considère pas l'effet du temps, le mode de rupture et l'interaction entre les différents matériaux en situation incendie. Ce projet de recherche étudie la performance au feu des assemblages utilisant des vis auto-taraudeuses pour les constructions massives en bois au Canada. Dans un premier temps, des essais expérimentaux combinés à des résultats d'articles scientifiques fourniront une représentation du comportement mécanique d'assemblages vissés utilisés dans la construction massive en bois. Dans un second lieu, ces données expérimentales viendront valider un modèle thermique par la méthode des éléments finis prédisant le transfert thermique en situation incendie. Puis, les résultats expérimentaux pourront être comparés avec les valeurs caractéristiques prédites par calculs selon la méthode de conception de la norme la norme CSA O86 « Règles de calcul des charpentes en bois » utilisée au Canada. Les résultats présentent la grande performance de feu de l'utilisation de vis auto-taraudeuses utilisées dans les assemblages en bois lamellé-collé sous longue durée d'exposition. Étant généralement de plus petit diamètre et plus élancées que les boulons et les goujons, les vis auto-taraudeuses limitent la conduction thermique le long de la section transversale et maintiennent la température le long de l'attache relativement faible. Principalement influencée par la réduction de la résistance du bois à des températures élevées, l'étude présente de nouveaux principes de conception pour prédire les profils de température le long de l'attache non protégée avec l'influence de la zone chauffée thermiquement du bois afin de déterminer la longueur de pénétration résiduelle qui fournira la résistance résultante. Lors du maintien d'une capacité structurale adéquate des fibres du bois, la capacité des vis auto-taraudeuses a été peu influencée par une augmentation de la durée d'exposition. La méthode de conception présentée ici permet de calculer la résistance résiduelle des vis auto-taraudeuses non protégées exposées au feu jusqu'à deux heures. / Buildings and building materials are required to provide sufficient fire-resistance to prevent collapse and safe means of evacuation to the occupants based on requirements set forth in the National Building Code of Canada. Annex B of the Canadian standard for wood engineering design provides a design methodology to calculate structural fire-resistance of large cross-section timber elements. However, it does not address failure modes, interactions between materials and reduced capacities under fire. This project addresses the connection design using self-tapping screw in mass timber construction in Canada. First, a test program combined with several researcher results were carried out to provide a good representation of the mechanical behavior of screw connections commonly used in mass timber construction. Secondly, the test results are used to validate a three-dimensional transient heat transfer model using the finite element method and to predict the heat transfer when exposed under fire conditions. Then, the test results were compared with the predicted characteristic and average withdrawal resistance values according to the design methodology in the Canadian standard for wood engineering design used in Canada. The results present the great fire performance of using self-tapping screws under long time exposure on connections in mass timber construction. The smaller heated behavior has limited thermal conduction along the cross-section area and maintained the temperature profiles relatively low along the self-tapping screw shanks for long fire exposures. Based on the heat affected area, the study presents new design principles to determine the residual length of penetration that would provide adequate load-capacity of the fastener under fire conditions. When maintaining adequate structural capacity of the surrounding wood fibers, the capacity of the self-tapping screw was not influenced with an increase of exposure duration. The design method presented herein allows calculating the residual capacity of unprotected STS exposed to fire up to 2-hours.

L'amélioration de la sécurité incendie au sein de l'habitat est un des principaux objectifs de la recherche actuelle. En effet, chaque année, un grand nombre de feux sont déclarés, générant la perte de nombreuses vies humaines, de fortes pertes financières, l'endommagement des structures et la pollution de l'environnement. Face à cette problématique, on remarque qu'un grand nombre de pays d'Europe possèdent une législation très pauvre vis-à-vis de la protection incendie dans l'habitat. Historiquement, les bâtiments ont été dessinés suivant des obligations prescriptives. La tendance de l'ingénierie de la sécurité incendie (Fire Safety Engineering, FSE selon le sigle Anglais) a changé amplement pendant la dernière décennie : des groupes de recherche dans le domaine de l'incendie ont mis au point les principes du design fondé sur la performance (Performance Building Design, PBD en Anglais). Le PBD a permis une approche de la sécurité incendie fondée sur la prédiction du comportement d'un incendie dans des scénarios donnés, en utilisant des outils numériques d'ingénierie. L'approche PBD de FSE est une méthodologie qui a été initialement développée pour les établissements recevant du public, toutefois peu à peu cette approche commence à être utilisée dans tout type d'habitat. La prédiction du comportement d'un incendie nécessite le calcul du débit calorifique (Heat Release Rate, HRR en Anglais) qui est la grandeur physique utilisée pour la mesure de la puissance d'un feu. En ingénierie, le HRR est indispensable à l'estimation de la sévérité du sinistre et des possibles endommagements causés dans un scénario donné. Sa détermination dépend des combustibles présents lors de l'incendie ainsi que de l'environnement du sinistre. La prédiction du HRR est réalisée à l'aide des codes de simulation numérique de l'incendie. Ceux-ci sont un assemblage de plusieurs sous modèles dont chacun calcule un ensemble des phénomènes présents dans la combustion p. ex. la pyrolyse, le rayonnement, la turbulence, etc. 8 La capacité à prédire correctement le HRR est limitée par les calculs très simplifiés du processus de décomposition thermique des solides. La décomposition est notamment dépendante des processus diffusifs et chimiques mis en jeu dans la zone comprise entre le solide et la flamme, lesquels ne sont pas modélisés de façon rigoureuse. Par le passé, plusieurs études expérimentales ont permis de mesurer le HRR d'un certain nombre de produits, cependant, ils ne contribuent pas à la compréhension de la physique du processus de décomposition de la matrice solide, donnée pourtant essentielle car source des espèces volatiles et du débit massique du combustible. En effet, un grand nombre de simulations trouvées dans la littérature font une approche empirique de la production de fuel ou considèrent une seule étape de décomposition. C'est dans ce contexte que prend place la présente étude qui vise à caractériser la cinétique de décomposition de combustibles solides et de formation des espèces volatiles : les changements survenus dans la phase solide sont pris en compte ensemble avec ceux de la phase gazeuse (dégagement d'espèces). La détermination du mécanisme de décomposition est une tâche fondamentale de l'analyse thermique. Le mécanisme doit considérer la succession des transformations de la matière pendant la gazéification des solides. Cette succession inclus les échantillons vierges ainsi que ceux qui ont déjà souffert des attaques thermiques (sous produits des étapes de décomposition). Le mécanisme de décomposition constitue une des principales données d'entrée de la grande majorité de modèles de décomposition thermique. Cette recherche tient compte de la décomposition thermique d'une mousse polyéther polyuréthane (PPUF) à trois échelles différentes. Chaque échelle caractérise le comportement au feu d'une masse différente de mousse et est concentrée sur l'étude de phénomènes particuliers : · L'échelle matière permet l'analyse du comportement d'échantillons avec des masses proches d'un milligramme. À l'échelle matière, les effets de transfert de chaleur et des espèces sont minimisés et l'effet de l'augmentation de la température du solide peut être étudié précisément. L'échantillon est considéré comme une particule de masse et de dimension négligeables, de sorte que sa température soit homogène. · La petite échelle permet l'analyse des échantillons avec des masses proches de dix grammes. À l'échelle matière des gradients de transfert de chaleur et d'espèces existent. L'échantillon est irradié seulement par une des surfaces, produisant ainsi 9 le déplacement du front de décomposition. La combustion de matériaux polymériques est complexe et concerne souvent des processus simultanés tels que la pyrolyse, la décomposition oxydative et le processus de combustion avec présence de flamme. · L'échelle produit concerne des échantillons avec des masses proches d'un kilogramme. À cette échelle, la géométrie et le positionnement d'un produit ont un rôle fondamental dans la croissance du feu. La ventilation (la disponibilité d'oxygène et la turbulence) affecte également le processus de combustion. L'échelle produit montre le comportement au feu d'une mousse dans des conditions d'utilisation proches de celles de la réalité. Les résultats obtenus dans cette recherche vérifient que le mécanisme de décomposition reste inchangé indépendamment de l'échelle. Dans la littérature, ces trois échelles n'ont jamais été considérées ensemble. Généralement, chaque échelle est considérée indépendamment et les chercheurs restent concentrés sur les phénomènes observés à l'échelle étudiée. De plus, les résultats de l'échelle matière sont souvent extrapolés à l'échelle produit. Toutefois, les phénomènes supplémentaires qui apparaissent entre une échelle et l'autre ne sont pas pris en compte, engendrant une grande incertitude dans la prédiction des résultats. Cette recherche propose une contribution vis-à-vis de l'intégration verticale des résultats obtenus dans les trois échelles. L'intégration verticale signifie explorer la possibilité d'identifier quelles propriétés de la matière doivent être mesurées et fournies en tant que données d'entrée des codes de simulation incendie afin de pouvoir prédire la décomposition thermique des solides. Ces travaux constituent un pas dans une vision globale de la science des matériaux qui permettrait une prédiction très juste du comportement au feu des solides à diverses échelles tout en utilisant principalement des mesures menées à l'échelle matière et la petite échelle. La cinétique de la décomposition a été étudié à la petite échelle grâce à des analyses thermogravimétriques (TGA). Cette technique a permis de mettre en évidence le nombre d'étapes, les espèces qui entrent en réaction et de détailler le mécanisme de réaction. En outre, des algorithmes génétiques ont été utilisés pour calculer les paramètres cinétiques optimum qui permettent de prédire le changement de la masse d'un échantillon en fonction de la température. Selon la démarche à échelle croissante décrite ci-dessus, les propriétés thermiques ainsi que les paramètres cinétiques de la 10 décomposition du PPUF ont été utilisés comme données d'entrée dans un code de simulation incendie. Les simulations ont été réalisées avec le code de calcul le plus amplement utilisé dans le monde, Fire Dynamics Simulator (FDS V 5.3). Les simulations tentent de prédire le comportement du PPUF en cône calorimètre (petite échelle). Un faible calage entre les courbes de changement de la masse expérimentales et numériques a été observé. Une grande incertitude vis-à-vis de la façon d'introduire les données d'entrée a été identifiée ainsi que de leur interprétation. Des possibles voies d'amélioration des modèles de pyrolyse ont été proposées.