Le bois ne brûle pas comme un seul et même matériau
Une étude portant sur 41 essences de bois révèle d’importantes différences dans le comportement au feu
En matière de réaction au feu, le bois est souvent considéré comme un matériau unique, mais est-ce justifié? Une étude portant sur 41 essences de bois dur non traitées montre que leur dégagement de chaleur peut varier considérablement dans des conditions d'essai identiques. Même une masse volumique ou un indice FIGRA comparables ne garantissent pas nécessairement un comportement au feu similaire. La courbe temporelle complète du HRR met en évidence ces différences avec une précision surprenante.
Que mesure exactement un essai SBI?
Lorsqu’on évalue la réaction au feu d’un produit de construction, on utilise notamment le test SBI (Single Burning Item). Ce test européen, conforme à la norme EN 13823, mesure la façon dont un produit de construction réagit lorsqu’il est exposé à une source de combustion. Des paramètres tels que le FIGRA (Fire Growth Rate) et le THR₆₀₀ (Total Heat Release after 600 seconds) contribuent à déterminer la classe européenne de réaction au feu dans laquelle le produit est classé.
Mais un essai SBI mesure plus que ce qui est nécessaire pour déterminer cette classe. Une mesure importante est le taux de dégagement de chaleur (Heat Release Rate, HRR): la quantité de chaleur que le système en feu dégage à chaque instant. Reproduite en fonction du temps, cela donne la courbe temporelle du HRR.
C’est précisément cette courbe qui était au cœur de cette étude. Il ne s’agissait pas de déterminer la classe de réaction au feu atteinte par une essence de bois, mais d’observer comment l’évolution du HRR varie selon les différentes essences de bois non traitées, pour une configuration identique du système de matériaux et une même exposition pour l'essai SBI.
Des chiffres comparables peuvent cacher des évolutions d’incendie très différentes
Un incendie ne se résume pas à un chiffre
Une valeur FIGRA, une valeur THR₆₀₀ ou une Euroclasse est une simplification d’un processus physique bien plus complexe. La courbe temporelle du HRR illustre ce processus de manière plus directe.
Pendant l’exposition, le bois s’échauffe et la combustion se développe. La vitesse à laquelle le HRR augmente, ainsi que le moment et l’amplitude d’un premier pic, varient d’une essence de bois à l’autre. Ensuite, une couche carbonisée se forme, le bois peut se fissurer et des couches plus profondes du matériau peuvent commencer à participer à la combustion. Le dégagement de chaleur peut alors diminuer, se stabiliser ou augmenter à nouveau ultérieurement.
La courbe temporelle du HRR constitue ainsi une sorte d’empreinte de la combustion de la combinaison matériau-système dans des conditions SBI spécifiques. Elle ne mesure pas directement une propriété unique du matériau, telle que la vitesse de carbonisation, mais montre le résultat combiné, entre autres, de l’échauffement, de la pyrolyse, de la carbonisation, de la formation de fissures et de l’implication progressive des couches plus profondes du bois.
À cet égard, la distinction entre puissance et énergie est importante. Le HRR, exprimé en kilowatts, indique le dégagement de chaleur à un instant donné. Le THR₆₀₀ cumule ce dégagement de chaleur sur les 600 premières secondes.
Deux essences de bois peuvent produire à peu près la même quantité d’énergie totale, mais selon une courbe temporelle différente: par exemple, avec un pic élevé précoce ou un dégagement de chaleur plus long et modéré.
41 essences de bois, un seul dispositif d’essai
Afin d’étudier ces différences, 41 essences de bois dur non traitées ont été testées. La géométrie, le montage, la cavité de ventilation arrière, le mode de fixation et l’exposition SBI sont restés constants. Tous les essais ont eu lieu dans le même laboratoire accrédité.
Les planches de bois étaient séparées les unes des autres par des profilés incombustibles. Cela a permis de limiter la propagation des flammes entre les planches et de mieux contrôler la quantité de bois participant activement à l’incendie lors de la première phase.
Le système est donc resté aussi identique que possible; c’est principalement l’essence de bois qui a changé. Dans ce cadre contrôlé, l’essai SBI devient ainsi une expérience comparative entre différents systèmes.
Ces courbes sont-elles reproductibles?
Le bois étant un matériau naturel et hétérogène, il a également fallu étudier sa reproductibilité. C’est pourquoi huit essences de bois ont été testées à trois reprises.
La première phase, en particulier, s’est avérée très reproductible. L’évolution du HRR, le moment du premier pic et l’amplitude de ce pic se sont révélés très proches lors des répétitions effectuées avec la même essence de bois.
Par la suite, les courbes se sont davantage écartées, lorsque des processus tels que la carbonisation, la formation de fissures, les différences anatomiques locales et les couches de matériau plus profondes ont eu une influence accrue. Néanmoins, les différences au sein d’une même essence sont restées nettement moindres que celles entre différentes essences.
Dans les conditions contrôlées du SBI, le bois non traité ne présente donc pas un comportement au feu uniforme. Les différentes essences de bois développent des réponses temporelles du HRR distinctes et reproductibles.
Quelle est l’ampleur de ces différences?
Ces différences sont considérables. Sur l’ensemble des données, les premiers pics de HRR variaient régulièrement de plus d’un facteur deux d’une essence à l’autre et pouvaient même atteindre un facteur trois dans certaines comparaisons.
La forme des courbes varie également. Certaines essences atteignent un premier pic relativement rapidement, tandis que d'autres montent plus lentement. Par la suite, le dégagement de chaleur peut diminuer rapidement, rester relativement élevé plus longtemps ou augmenter à nouveau plus tard.
De ce point de vue, le terme 'bois' est donc un terme générique très large. La structure botanique, la composition chimique, la masse volumique et d'autres propriétés du matériau varient d'une essence à l'autre. Il n'est donc pas évident que deux essences de bois réagissent de la même manière sous une même charge calorifique.
La masse volumique est un paramètre pertinent, mais elle ne permet pas de prédire l’évolution complète de l’incendie
Et qu’en est-il de la masse volumique?
Dans la pratique, la masse volumique est souvent utilisée comme indicateur important du comportement au feu du bois non traité. Les recherches montrent que la masse volumique est pertinente, mais qu’elle ne permet pas de prédire l’évolution complète de l’incendie.
Pour les essences de bois se situant dans une fourchette très étroite d’environ 675 ± 15 kg/m³, le premier pic de HRR variait d’environ 12,8 à 30,1 kW. De même, au sein d’un groupe d’environ 800 ± 10 kg/m³, le premier pic variait d’environ 11,5 à 28,3 kW.
Pour donner une idée plus concrète de ces chiffres: un brûleur à gaz puissant d’une cuisinière domestique fournit une puissance thermique d’environ 3 kW. Un premier pic de HRR compris entre 12,8 et 30,1 kW correspond donc, en termes de puissance thermique instantanée, à l’ordre de grandeur de quatre à dix de ces brûleurs à gaz. Et ce, alors que la géométrie, le montage et l’exposition sont restés identiques et que seule l’essence de bois a principalement changé.
Une masse volumique comparable ne signifie donc pas automatiquement une courbe de HRR comparable.
Fait intéressant: la masse volumique s’est avérée être plus fortement liée au moment où un certain développement de feu a été atteint qu’à l’ampleur du dégagement de chaleur lui-même. La corrélation avec le temps nécessaire pour atteindre le FIGRA₀,₂ était de R² = 0,57, contre R² = 0,49 avec le FIGRA₀,₂ lui-même.
Cela correspond à l’inertie thermique plus élevée des matériaux plus lourds: il faut davantage d’énergie pour les réchauffer. Une fois la combustion enclenchée, la masse volumique ne détermine toutefois pas à elle seule la quantité de chaleur libérée. Elle constitue donc davantage un paramètre limitant qu’un prédicteur unique du comportement au feu.
FIGRA identique, feu différent
Le FIGRA est particulièrement utile pour l’objectif auquel il est destiné: décrire la progression précoce de l’incendie dans le cadre du système de classification européen. Mais il reste une valeur dérivée de la courbe temporelle sous-jacente du HRR.
Pour un groupe d’essences de bois présentant un FIGRA₀,₂ compris entre seulement 81 et 84 W/s, le premier pic de HRR variait d’environ 13,2 à 24,3 kW. Pour un deuxième groupe présentant un FIGRA₀,₂ compris entre environ 117 et 127 W/s, ce pic variait d’environ 14,0 à 30,3 kW.
Le FIGRA se situait donc à chaque fois dans une fourchette étroite, tandis que les premiers pics de HRR variaient considérablement. Cela ne rend pas le FIGRA erroné ou peu fiable: l’étude confirme qu’il s’agit d’un descripteur robuste du développement précoce du feu. Mais le FIGRA n’est pas une description unique de ce qui se passe physiquement.
Même énergie totale, encore un feu différent
Il en va de même pour le THR₆₀₀, soit la quantité totale de chaleur dégagée au cours des 600 premières secondes de l’exposition SBI concernée. Une même quantité totale d’énergie peut être libérée de différentes manières.
Un exemple frappant concerne deux échantillons présentant un premier pic de HRR presque identique: environ 30,3 et 30,1 kW. Pour l’un, ce pic a été atteint environ 417 secondes après le début de l’exposition pertinente; pour l’autre, dès environ 252 secondes.
Le dégagement de chaleur maximal était pratiquement identique, mais l’évolution dans le temps était fondamentalement différente. Ce n’est donc pas seulement la quantité d’énergie produite qui importe, mais aussi le moment, la vitesse et la durée.
Pourquoi cette base est-elle importante ?
Si différentes essences de bois non traitées présentent déjà une courbe initiale différente, les modifications apportées à ce bois ou au système de façade ne peuvent pas être automatiquement considérées comme un facteur de correction uniforme.
Prenons l'exemple d’un traitement ignifuge. Si le traitement A, appliqué à l’essence de bois X, réduit fortement le premier pic de HRR et ralentit la propagation du feu, cela ne prouve pas pour autant qu’il provoque exactement le même changement sur l’essence de bois Y. En effet, cette dernière peut partir d’une réponse temporelle HRR différente.
Le comportement au feu est déterminé par la combinaison du matériau et du système
L’effet d’une modification du matériau, y compris un traitement ignifuge, doit donc être interprété par rapport à la situation initiale non traitée spécifique à l’essence et non comme un décalage uniforme de quelques paramètres de classification.
Exactement le même principe s'applique au système de façade. Une surface de bois plus exposée, une masse combustible active plus importante, un profil différent ou d'autres conditions géométriques peuvent modifier la valeur de crête, la durée de combustion et la forme de la courbe. La courbe temporelle HRR est déterminée par la combinaison matériau-système. Le résultat obtenu pour une combinaison donnée d’essence de bois, de profilage et de structure ne constitue donc pas en soi une propriété universelle du bois.
Et puis le vieillissement
Le vieillissement soulève également une question similaire. Pour étudier l’impact de l’altération naturelle sur le comportement au feu, il faut d’abord connaître le comportement du bois neuf et non traité dans des conditions contrôlées. Cette étude établit le cadre de référence à cet effet.
Lorsque les mêmes essences de bois, présentant la même géométrie et soumises aux mêmes conditions SBI, sont testées à nouveau après altération naturelle, il est possible d’étudier comment la courbe temporelle HRR d’origine a évolué.
Il est ainsi possible de vérifier si l’altération influence le premier pic, le moment et la durée du dégagement de chaleur, et si ces changements varient selon l’essence de bois. Cette étude ne précise pas encore la nature de ces changements, mais permet de les mesurer de manière pertinente ultérieurement.
De la classe de résistance au feu au comportement au feu
L’objectif principal de cette recherche n’est pas de remplacer les normes FIGRA, THR₆₀₀ ou la classification européenne. Chacune remplit en effet sa propre fonction importante. Le message est qu’il existe, derrière ces paramètres de classification, une évolution physique bien plus riche. L'essai SBI ne se contente pas de fournir quelques chiffres permettant finalement de déterminer une classe de réaction au feu. Il enregistre un processus d’incendie en constante évolution.
Lorsque les conditions limites sont soigneusement contrôlées, la courbe temporelle HRR peut être utilisée pour étudier ce qui se passe lorsqu’un paramètre change: l’essence de bois, le profil, la masse combustible, la modification du matériau, le traitement ignifuge ou le vieillissement naturel.
Le point de départ reste le même: comprendre d’abord comment brûle la combinaison initiale 'matériau-système', puis examiner comment un changement influence la courbe temporelle HRR. Non seulement cela rend la courbe HRR intéressante pour la classification mais en plus, cela en fait un puissant outil de recherche permettant de mieux comprendre le comportement au feu des systèmes de façades en bois.