Le bois et le feu

Comment le bois brûle-t-il ?

Les principaux constituants sont la cellulose (40 à 50 %), l’hémicellulose (20 à 30 %) et la lignine (30 à 35%), ces éléments représentent la part organique du bois soit près de 98-99%. Le solde représente la part minérale.
La part organique du bois est constituée d’environ 50% de carbone ce qui explique le caractère combustible du matériau.

Lorsque l’on chauffe un volume de bois en vase clos, les différentes étapes suivantes ont lieu :

Au-dessous de 100°C :

Seule de la vapeur d’eau s’échappe du bois. Tant que le matériau contient de l’eau, la température du bois sera stabilisée autour de 100°C même si la température extérieure est supérieure à 100°C.

De 100°Cà 275°C :

La température du bois, dépourvu d’eau s’élève et il se dégage des gaz ainsi que de l’acide pyro-ligneux. Les gaz formés dont en majeure partie (+- 70%) de CO2 incombustible, avec près de 30% de CO combustible.

Vers 275°C :

La réaction dégage beaucoup de chaleur (réaction exothermique). Les gaz continuent de se dégager, la portion de CO2 diminue et les hydrocarbures apparaissent.

Au-dessus de 350°C :

La quantité de gaz dégagée (entre-autres le CO2) diminue mais ceux qui se dégagent encore sont presque intégralement combustibles. Les hydrocarbures sont les principaux composants présents en ensuite on constate un dégagement d’hydrogène qui devient de plus en plus abondant.

Au-dessus de 450°C :

L’hydrogène et les carbures constituent la majorité des gaz qui s’échappent. Le produit de la dégradation du bois, le charbon, est également susceptible de brûler.

En moyenne, la combustion d’éléments en bois peut atteindre des températures élevées proches de 1000 – 1300°C.

Mais en raison du pouvoir isolant de la couche charbonnée qui se forme autour des éléments en bois, sans une source active de chaleur, il est dans les faits très difficile d’entretenir la combustion des éléments car leur température en surface va diminuer progressivement sous 275°C.

Le pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique d’un matériau correspond à l’énergie dégagée par la combustion complète d’une masse d’un kilogramme de ce matériau. Il s’exprime en MJ/kg. En moyenne, le pouvoir calorifique moyen est estimé à 17MJ/kg de bois anhydre. Il est relativement indépendant de l’espèce. Ainsi 1 kg de peuplier (environ 380kg/m³) anhydre a un pouvoir calorifique de 18.32 MJ/kg tandis que la même masse de charme (800kg/m³) aura un pouvoir calorifique de 20.62MJ/kg anhydre.

On distingue le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) qui désigne la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion du bois, en déduisant l’énergie latente de vaporisation de l’eau contenue dans le bois. Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) correspond à l’énergie totale libérée lors de la combustion du bois. Ils s’expriment en MJ/kg de bois (1MJ= 3,6kWh)

Le pouvoir calorifique dépend fortement du taux d’humidité du bois. Au plus le bois sera humide, au plus le pouvoir calorifique sera faible. En effet, l’énergie nécessaire à la chaleur spécifique de l’eau, à sa chaleur de vaporisation et à l’élévation de la température de la vapeur d’eau est à déduire du pouvoir calorifique du bois.

PCI du bois en fonction de son taux d’humidité et du type de bois

Représentation graphique du PCI en fonction du taux d’humidité :

Un volume donné de bois d’une espèce dont la masse volumique est élevée aura un potentiel calorifique plus grand (produira plus de chaleur) que le même volume d’une espèce plus légère. Cependant, la même masse de bois, quelle que soit l’essence, au même taux d’humidité, donnera la même quantité de chaleur. Par contre, dans un laps de temps équivalent, une espèce plus lourde produira moins de chaleur car elle brûlera plus lentement.

La résistance au feu

En matière de conception des bâtiments en bois et de prévention contre l’incendie, il est capital de ne pas confondre résistance et réaction au feu.

La résistance au feu d’un élément de construction est le temps durant lequel l’élément est apte à remplir ses fonctions en cas d’incendie (séparation et/ou capacité portante). L’ancien concept ‘Rf’ traditionnellement utilisé en Belgique pour caractériser la résistance au feu est remplacé par la classification européenne REI (décrite dans la norme de classification NBN EN 13501-2 (2004)) basée sur trois critères principaux, à savoir :

• la capacité portante R ou capacité d’un élément de construction, soumis à des actions mécaniques spécifiques, à résister durant un certain temps à un incendie sans perdre ses caractéristiques structurelles
• l’étanchéité au feu E : cette notion implique que l’élément de construction ne présente aucune ouverture (crevasse, fissure, joint ouvert, …) par laquelle des flammes ou un débit de gaz de combustion relativement important pourraient traverser (et permettre l’extension de l’incendie)
• l’isolation thermique I, qui limite l’élévation de température admise à la face de l’élément non exposée au feu.

Un élément uniquement porteur (colonne, par exemple) sera ainsi classé R, tandis qu’un élé-ment séparateur et non porteur (cloison légère, par exemple) sera classé EI. Un élément qui associe les deux fonctions (porteur et séparateur) sera classé REI. La résistance au feu est exprimée en minutes selon la classification européenne (REI 30, par exemple). D’autres critères, comme la limitation du rayonnement W, sont définis dans la classification européenne, mais ne sont actuellement pas prescrits en Belgique.
Le bois a l’avantage de rapidement brûler en périphérie et de développer en surface une mince couche de charbon dont la conductivité thermique est de l’ordre de 5 fois inférieure à celle du bois (conductivité thermique du bois résineux ou λ= 0.13W/m.K ). De ce fait, la couche charbonnée protège les parties intactes plus interne du bois qui peuvent poursuivre leurs fonctions structurales tant qu’une température critique n’est pas atteinte. La diminution des propriétés mécaniques du bois varie relativement peu sous l’effet de la chaleur. Ainsi, à 100°C, les propriétés mécaniques, exprimées en pourcentage de ces mêmes propriétés à 20°C, ne sont que légèrement diminuées. Elles sont reprises ci-dessous
ft,0,k (valeur caractéristique à 5% d’exclusion de la résistance à la traction axiale) : 90%
fc,0,k (valeur caractéristique à 5% d’exclusion de la résistance à la compression axiale) : 55%
fm,k (valeur caractéristique à 5% d’exclusion de la résistance à la flexion) : 75%
E0, moy (valeur caractéristique moyenne du module d’élasticité en flexion axiale) :85%
Dès lors, la perte de la capacité portante d’un élément en bois soumis au feu s’explique plus par une réduction de la section que par une modifications des propriétés mécaniques du bois
Il est généralement admis que la vitesse de combustion d’un bois résineux est de l’ordre de 0.7mm/min pour les résineux soit 4.2cm/heure (0.5 à 0.7mm/min pour les espèces feuillues et 0.9mm/min pour les panneaux).
En outre, les pièces de bois soumises à un incendie se déforment peu, elles restent rectilignes. Il y a de ce fait moins de risques d’effondrement de bâtiments en bois.

La réaction au feu

La réaction au feu est la propension d’un matériau à s’enflammer et à propager l’incendie.
Le bois, comme tous les matériaux de construction fait l’objet d’un classement. Les essais sont réalisés selon la norme européenne NBN EN 13501-1 :2019 ‘Classement au feu des produits et éléments de construction – Partie 1: Classement à partir des données d’essais de réaction au feu’. Cette norme comporte 3 classements principaux pouvant varier en fonction du support utilisé lors de l’essai :

• L’Euroclasse : A1, A2, B, C, D, E et F qui va caractériser la contribution du matériau et sa capacité à résister à l’attaque d’une flamme ou d’un objet isolé en feu ;
• Le classement s : s1, s2 ou s3 qui est relatif à la production de fumée ;
• Le classement d : d0, d1 ou d2 qui va caractériser la production de gouttes enflammées.

Le bois ainsi que les panneaux dérivés du bois sont généralement D, s2-d0. Il s’agit donc d’un produit très combustible dont la classe d’opacité des fumées correspond à un dégagement moyen en termes de quantité et de vitesse. Il ne produit pas de gouttes ou de débris enflammés lors de sa combustion.

Le traitement du bois pour améliorer sa réaction au feu

Moyennant un traitement spécifique, il est possible d’améliorer la classe de réaction du bois et d’atteindre l’Euroclasse C voir, dans certains cas, B.
…

La législation belge

En Belgique, les exigences minimales de sécurité incendie auxquelles doivent satisfaire tous les nouveaux bâtiments sont formulées dans l’Arrêté Royal (AR) du 7 juillet 1994 (modifié par les arrêtés royaux du 19 décembre 1997, du 4 avril 2003, du 13 juin 2007, du 13 mars 2009, du 12/7/2012 ; du 7/12.2016 et du 20/5/2022) fixant les normes de base en matière de prévention de l’incendie. Ces normes de base, qui sont des textes de loi, distinguent les bâtiments bas (hauteur inférieure à 10 m), les bâtiments moyens (hauteur comprise entre 10 et 25 m) et les bâtiments élevés (hauteur supérieure à 25 m) (voir figure 1). La hauteur d’un bâtiment est estimée être la distance entre le niveau le plus bas des voies entourant le bâtiment et utilisables par les véhicules des services d’incendie et le niveau du plancher du dernier étage).

Les bâtiments bas (dont la hauteur est inférieure à 10m) sont traités dans l’annexe 2 et 2/1 de l’AR ;

Les bâtiments moyens (hauteur comprise entre 10 et 25m) dans l’annexe 3 et 3/1 de l’AR)
Les bâtiments hauts (hauteur supérieure à 25m) dans l’annexe 4 et 4/1 de l’AR.

Il s’agit d’un texte de loi édité par le gouvernement fédéral qui revêt par conséquent un caractère obligatoire. Il s’agit de Normes de base qui s’appliquent à toutes les nouvelles constructions (hors rénovations).

Ces normes de base ne sont pas applicables aux maisons unifamiliales ni aux bâtiments bas ayant une superficie inférieure ou égale à 100m² et ayant au minimum deux étages.

L’arrêté Royal fixe les conditions minimales auxquelles la conception, la construction ainsi que l’aménagement de nouveaux bâtiments doivent satisfaire. L’objectif est de

• Prévenir le départ, le développement et la propagation d’un incendie ;
• S’assurer de la sécurité des personnes ;
• Faciliter l’intervention du service incendie.

L’AR est principalement organisé sous forme d’annexes qui traitent de

• Annexe 1 : terminologie ;
• Annexe 2 : Bâtiments bas (demande de construction introduite avant le 1/12/2012) ;
• Annexe 2/1 : Bâtiments bas (demande de construction introduite à partir du 1/12/2012)
• Annexe 3 : Bâtiments moyens (demande de construction introduite avant le 1/12/2012) ;
• Annexe 3/1 : Bâtiments moyens (demande de construction introduite à partir du 1/12/2012)
• Annexe 4 Bâtiments hauts (demande de construction introduite avant le 1/12/2012) ;
• Annexe 4/1 : Bâtiments hauts (demande de construction introduite à partir du 1/12/2012) ;
• Annexe 5 : Réaction au feu (demande de construction introduite avant le 1/12/2012) ;
• Annexe 5/1 : Réaction au feu (demande de construction introduite après le 1/12/2012) ;
• Annexe 6 : Bâtiments industriels• Annexe 7 : Dispositions communes (traversées d’éléments de construction résistant au feu

La structure des annexes 2/1, 3/1 et 4/1 est similaire et comprend les chapitres suivants :

1. Implantation et chemins d’accès
2. Compartimentage et évacuation (superficie max = 2500m², si bâtiment de plain-pied avec un seul compartiment = 3500m² et longueur <90m. Exceptions prévues pour parkings à plusieurs niveaux, …)
3. Prescriptions relatives à certains éléments de construction (précise la résistance au feu à atteindre au niveau des traversées des parois, portes intérieures, parois verticales, plafonds et faux-plafonds, façades, …)
4. Prescriptions relatives à la construction des bâtiments et des espaces d’évacuation (conception et résistance au feu des voies de communication entre compartiments).
5. Prescriptions relatives à la construction de certains locaux et espaces techniques.
6. Equipement des immeubles

L’annexe 5/1 reprend les exigences de réaction au feu selon les classes européennes (A1, A2, B, C, D, E et F). Elle concerne les bâtiments postérieurs au 1/12/2012. Pour ces bâtiments, les exigences dépendent de la hauteur des bâtiments, de l’existence d’installation de détection incendie, du type de local mais également des occupants.
3 types d’occupants sont à distinguer :

Type 1 : occupants non autonomes (hôpitaux, maisons de repos, prisons, …) ;
Type 2 : occupants autonomes et dormants (appartements, hôtels, …) ;
Type 3 : occupants autonomes et vigilants (bureaux, magasins, écoles, halls sportifs, …).

Plus d’informations sur la sécurité incendie dans les constructions en bois (2020) : cliquer ici pour télécharger le document