Comportement au cisaillement des poutres en béton armé haute résistance avec ouvertures circulaires exposées au feu

Pourquoi les trous dans les poutres en béton comptent en cas d’incendie

Les bâtiments modernes sont parcourus de conduites, câbles et gaines dissimulés, dont beaucoup traversent des trous pratiqués dans les poutres en béton. Ces ouvertures économisent de l’espace et simplifient les réseaux, mais elles affaiblissent aussi la structure — en particulier en cas d’incendie, lorsque le béton et l’acier sont poussés à leurs limites. Cette étude examine le comportement de poutres en béton haute résistance, dotées de larges ouvertures circulaires, exposées à des températures élevées, et évalue comment deux méthodes de renforcement pratiques peuvent aider ces poutres à résister et à rester sûres après un incendie.

Poutres, feu et grandes ouvertures rondes

Les chercheurs se sont concentrés sur le béton haute résistance, un matériau apprécié pour sa durabilité et sa structure compacte. Cette même densité le rend toutefois plus fragile et sujet à l’écaillage explosif lorsqu’il est chauffé. Dans de nombreux bâtiments réels, de grandes ouvertures circulaires sont pratiquées dans l’âme (la partie centrale) de ces poutres pour laisser passer les réseaux. Sous charge, les efforts doivent « contourner » l’ouverture, ce qui concentre les contraintes et favorise l’apparition de fissures. En cas d’incendie, les couches extérieures du béton se réchauffent, perdent de la résistance et se fissurent, perturbant davantage la circulation des efforts dans la poutre. Comprendre cet effet combiné des ouvertures et du feu est essentiel pour les ingénieurs qui doivent évaluer si une poutre endommagée peut encore porter des charges — ou comment la réparer au mieux.

Comment les essais ont été réalisés

Pour aborder ce problème, l’équipe a construit et testé neuf poutres de dimensions identiques. L’une d’elles servait de référence solide sans ouverture. Les autres comportaient une grande ouverture circulaire unique dans l’âme, d’environ la moitié de la hauteur de la poutre, placée dans une zone critique pour le cisaillement près de l’appui. Certaines poutres ont été laissées non modifiées, d’autres ont reçu des fibres d’acier mélangées au béton, et un troisième groupe a été localement revêtu d’une fine enveloppe extérieure constituée d’un treillis métallique et d’un mortier, connue sous le nom de ferro-ciment. Certaines poutres ont été chauffées à 500 °C pendant une heure sous une charge modeste, puis refroidies rapidement à l’eau pour reproduire des conditions de lutte contre l’incendie, avant d’être chargées jusqu’à la rupture en flexion et cisaillement.

Effets du feu et des renforts sur les poutres

Les grandes ouvertures circulaires ont eu un impact spectaculaire. Par rapport à la poutre de référence pleine, une poutre non renforcée avec une ouverture ne supportait qu’environ un tiers de la charge avant rupture, et sa flèche à la rupture était moindre, signe d’un comportement plus fragile. Lorsque cette même configuration a été exposée au feu, sa capacité au cisaillement a chuté jusqu’à 68 %, et des fissures sont apparues tôt et se sont propagées rapidement autour de l’ouverture. L’ajout de fibres d’acier dans le béton a apporté un bénéfice : des fibres à 0,5 % et 1,0 % en volume ont fait le pont sur les fissures et retardé leur croissance, augmentant légèrement la charge de fissuration et élevant la charge ultime après incendie d’environ 16 % au maximum. Les gaines en ferro-ciment enroulées autour de la zone d’ouverture ont également amélioré le comportement. Elles ont maintenu le béton fissuré, généré de nombreuses fissures fines plutôt que quelques larges, et réduit les flèches au milieu de la portée. Après exposition au feu, ces gaines ont restauré jusqu’à environ 14,5 % de la capacité au cisaillement perdue et réduit les flèches d’environ un tiers par rapport à la poutre endommagée non renforcée.

Vérifications par jumeau numérique et enseignements pour la conception

Au‑delà du laboratoire, les auteurs ont créé des modèles numériques détaillés des poutres en utilisant l’analyse par éléments finis, en intégrant des propriétés dépendantes de la température pour le béton et l’acier. Ces modèles ont bien reproduit les flèches, le moment d’apparition des fissures et les modes de rupture observés expérimentalement, avec des écarts de seulement quelques pourcents. Les modèles virtuels ont ensuite servi à explorer l’effet d’ouvertures plus petites ou plus grandes et d’un accroissement des températures de feu de 400 à 600 °C. Les simulations ont confirmé que des ouvertures plus grandes et des feux plus intenses réduisent fortement la résistance au cisaillement, et que les bénéfices du renforcement s’atténuent lorsque l’ouverture devient très importante.

Ce que cela signifie pour les bâtiments réels

Pour les non‑spécialistes, le message principal est simple : de grandes ouvertures rondes dans des poutres en béton haute résistance peuvent devenir des points faibles sérieux, surtout après un incendie sévère. Cette étude montre que l’intégration de courtes fibres d’acier dans le béton peut aider la poutre à porter davantage et à absorber plus d’énergie après fissuration, tandis que des gaines minces en ferro-ciment sont particulièrement efficaces pour limiter la flexion et l’affaissement visible. Associés à des modèles numériques fiables, ces résultats offrent aux ingénieurs de meilleurs outils pour décider quand des poutres endommagées par le feu et comportant des ouvertures peuvent être réparées, quelle est l’efficacité probable des différentes méthodes de réparation, et quand un remplacement complet est la solution la plus sûre.

Citation: Sedawy, A.E., Beshr, A.A.A. & Mahmoud, I.A. Shear behavior of high-strength reinforced concrete beams with circular openings under fire exposure. Sci Rep 16, 13138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43162-y

Mots-clés: sécurité incendie structurelle, béton haute résistance, ouvertures dans les poutres, renfort par fibres d’acier, réhabilitation par ferro-ciment