Stabilité et préservation des bâtiments du patrimoine culturel en maçonnerie de pierre après incendie – POSTFIRE

Des essais au feu à l’échelle des matériaux ont été réalisés sur sept calcaires lutéciens du Bassin parisien (Saint-Vaast, Saint-Leu, Sébastopol, Saint-Maximin Ferme et Franche, Liais de Ouachée, Croix Huyart) et cinq autres calcaires français (Tuffeau, Savonnière, Tervoux, Euville, Lens, Massangis). Classés selon leur résistance en compression (NF DTU 20.1), leurs caractéristiques pétrographiques et thermiques ont été étudiées par MEB, DRX, microscopie polarisée, porosimétrie au mercure (MIP) et ATG/DSC. Des cylindres standardisés ont permis de mesurer la résistance à la compression/traction, le module d’élasticité et le coefficient de Poisson à l’état initial et après chauffage à 200, 400, 600 et 800°C. La porosité, l’absorption d’eau, la conductivité thermique et les coefficients de dilatation thermique ont été analysés.

À l’échelle muret, des blocs de Saint-Leu (faible résistance), Tervoux (moyenne) et Massangis (élevée) ont été assemblés avec des mortiers à base de chaux pure ou additionnée de ciment, adaptés à la résistance des pierres. Les murets (56×36×10 cm) ont été soumis à un chauffage unilatéral selon des régimes lents et rapides. La déformation et la fissuration ont été suivies à l’aide de thermocouples et de jauges de déformation positionnés en face arrière. Après chauffage, la résistance résiduelle en compression a été évaluée, et la morphologie des fissures thermiques ainsi que les variations de couleur ont été cartographiées en profondeur.

Des essais sur murs grandeur nature (3×3×0,2 m) ont complété les essais sur murets. Pour chaque pierre, un mur a été testé libre et un autre sous 50 % de la charge admissible (Eurocode 6). Les murs ont été exposés à la courbe ISO 834-1 pendant deux heures, suivies d’un refroidissement sur 24 heures. Une instrumentation avancée (thermocouples, capteurs de déplacement, corrélation d’images numériques, caméras thermiques, endoscopie) a permis un suivi précis des phénomènes thermiques et mécaniques. Après refroidissement, la capacité portante résiduelle a été déterminée par chargement jusqu’à rupture.

La simulation numérique s’appuie sur une approche multi-échelle utilisant CODE_ASTER, intégrant un comportement élasto-plastique thermo-dépendant à l’échelle matériau et une analyse structurelle à l’échelle murale. Les études paramétriques incluent les effets de la déformation thermique transitoire, le traitement des conditions limites et les gradients thermiques locaux pierre-mortier. Les résultats de simulation (cinétique de réaction, déformabilité, perte de résistance) sont calibrés par les essais expérimentaux.

Enfin, l’étude de cas de l’incendie de Notre-Dame de Paris (2019) confronte les observations de terrain du LRMH (carottages) aux essais de laboratoire, validant ainsi la méthodologie POSTFIRE. Un document de recommandations compile les résultats expérimentaux et propose des protocoles normalisés pour l’évaluation post-incendie du patrimoine culturel.

À l’échelle du matériau, le comportement des calcaires sous feu dépend de leur composition minéralogique. Les calcaires riches en calcite se dilatent initialement, puis se contractent à haute température par décarbonatation, entraînant jusqu’à 44 % de perte de masse au-delà de 800°C. Les calcaires contenant du quartz subissent des contraintes internes liées à la transition a-ß à 573°C. La sensibilité thermique dépend aussi de la texture : de gros grains amplifient l’expansion thermique, tandis qu’une forte cimentation à faible porosité concentre les contraintes aux interfaces. Après 600°C, la fissuration thermique connecte les pores inaccessibles, augmentant la porosité et l’absorption capillaire. Tous les calcaires perdent leur résistance mécanique : la résistance en traction chute dès 200°C, la compression dès 400°C, la rigidité diminue fortement après 600°C, avec une déformabilité accrue. Les gros grains aggravent les déformations et les dommages internes.
À l’échelle du bloc, des taux de chauffage rapides produisent de forts gradients thermiques, générant des expansions différentielles et des macrofissures. La face chaude se dilate, contrainte par la face froide, induisant compression sur la face chaude et traction sur la face froide. Ce phénomène a été observé après l’incendie de Notre-Dame de Paris (2019), où des fissurations sous-surfacielles accompagnées de variations de couleur et de perte de rigidité ont été relevées. Les murets chauffés jusqu’à 650°C ont montré un décollement prématuré des joints de mortier, lié à une perte de 20 % de rigidité dès 200°C. Les pierres dures à faible porosité résistent mieux au début mais finissent par se désolidariser du mortier, en raison d’une faible adhérence physico-chimique.
À l’échelle de la maçonnerie, tous les murs atteignent la résistance au feu REI120. Après une heure, les gradients thermiques révèlent moins de 100°C à 5 cm de profondeur et moins de 20°C sur la face froide, générant des courbures thermiques horizontales et verticales. Cette déformation, jusqu’à 20 % de l’épaisseur, induit des excentricités de charge compromettant la stabilité globale. Ce comportement n’est pas pris en compte par les abaques de l’Eurocode 6, qui sous-estiment les besoins d’épaisseur. La réglementation française CCH ne propose pas de critères adaptés aux pierres naturelles : seule une évaluation expérimentale certifiée permet de déterminer la résistance au feu.
Les simulations numériques confirment que la géométrie et la taille des blocs influencent la distribution des plastifications et la dissipation des contraintes thermiques. L’élancement des blocs accentue les déformations plastiques. Les analyses paramétriques montrent que la résistance en traction et le module d’Young sont les paramètres clés du comportement thermomécanique. L’intégration de la déformation thermique transitoire améliore la précision des modèles, en particulier pour les murs sous charge.

POSTFIRE a validé une méthodologie intégrée pour l’évaluation des dommages subis par la maçonnerie en pierre lors d’un incendie. Cependant, la phénoménologie des dégâts résulte à la fois de l’exposition au feu et du refroidissement. Ainsi, un suivi en temps réel des phases de chauffe et de refroidissement permettrait d’analyser plus finement la cinétique des dégradations.
Des essais complémentaires sur murs maçonnés devraient prendre en compte la courbe feu ISO 834 comme référence, afin de reproduire l’élévation brutale de température lors d’un incendie, suivie d’un refroidissement rapide à l’eau simulant l’intervention des pompiers.
La compatibilité pierre-mortier mérite d’être approfondie en testant un éventail plus large de mortiers historiques et de techniques de construction (ex. rainurage, traitements de surface, consolidation).
Les phénomènes de fatigue devraient être étudiés au-delà du scénario linéaire feu-extinction, en intégrant des cycles d’altération et des protocoles de vieillissement pour évaluer la durabilité des matériaux.
Une méthodologie intégrant des jauges de déformation/LVDT et la corrélation d’images numériques, couplée aux essais ultrasoniques et autres méthodes non destructives, permettrait de cartographier l’évolution des dommages de manière plus détaillée.
Les approches expérimentales et numériques doivent être affinées en intégrant des scénarios d’incendie réels.
Les modèles prédictifs numériques pourraient explorer l'importance des conditions aux limites, l’évolution des propriétés de la pierre avec la température, et de la déformation thermique transitoire dans la prédiction du comportement thermomécanique des murs. Cette étude constitue une base solide pour l'amélioration des modèles numériques et la prévision du comportement des structures en pierre calcaire en situation d'incendie.
Enfin, la réparation et la consolidation des maçonneries en pierre après incendie doivent être envisagées en respectant l’éthique et la valeur patrimoniale du bâti.

Sciarretta, F., Eslami, J., Beaucour, A.L., Nomowé, A., State-of-the-art of construction stones for masonry exposed to high temperatures, Construction and Building Materials, 2021, 304, 124536.
DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124536
HAL: hal-04383399v1
Cited 28 times (Google Scholar)

Vigroux, M., Eslami, J., Beaucour, A.L., Bourgès, A., Noumowé, A. High temperature behaviour of various natural building stones, Construction and Building Materials, 2021, 272, 121629.
DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.121629
HAL : hal-04383418v1
Cited 47 times (Google Scholar)

Vigroux, M., Sciarretta, F., Eslami, J., Beaucour, A.L., Bourgès, A., Noumowé, A., High temperature effects on the properties of limestones: post-fire diagnostics and material’s durability, Materials and structures, 2022, 55 (10), 253.
DOI: 10.1617/s11527-022-02086-5
HAL: hal-04383410v1
Cited 9 times (Google Scholar)

Daoudi, A., Eslami, J., Beaucour, AL., Vigroux, M., Noumowé, A., 2023. High-temperature behaviour of various limestone used in heritage buildings at material and block scales, AIP Proceedings 2848 (1)
DOI: 10.1063/5.0149082

Daoudi, A., Eslami, J., Beaucour, A.L., Vigroux, M., Noumowé, A., High-temperature behaviour of various limestones at the block scale. Construction and Building Materials, 2024, 416, 135109.
DOI : 10.1016/j.conbuildmat.2024.135109
HAL : hal-04753693v1
Cited 4 times (Google Scholar)

Obaei, A., Eslami, J., Beaucour, A. L., Hoxha, D., Noumowé, A., Pimienta, P., Pham, D. T. (2024). Étude du Comportement Thermomécanique des Murs en Maçonneries de Pierres Calcaires. Academic Journal of Civil Engineering, 42(1), 607-618.
DOI : 10.26168/ajce.42.1.53

Daoudi, A., Sciarretta, F., Eslami, J., Beaucour, AL., Noumowé, A., 2024. Experimental Characterisation of Physical, Thermal, Transport and Mechanical Properties of 13 French Limestones. Masonry Research and Innovation, submitted 22/01/2025

Daoudi, A., Ngoudjou, V., Eslami, J., Beaucour, A.L., Pani, C., Noumowé, A., High-temperature performance of limestone masonry: investigations at the material and assembly scales. Construction and Building Materials, submitted 31/03/2025

Daoudi, A., Eslami, J., Beaucour, A.L., Henin, J., Vigroux, M., Noumowé, A., Comprehensive study of the post-heating mechanical performances and pore network changes of a wide variety of limestones: influence of petrographic and thermoelastic properties, Engineering Geology, submitted 04/12/2024

Obaei, A., Pimienta, P., Eslami, J., Pham, D.T., Beaucour, A.L., Noumowé, A., Experimental Investigation of the Thermo-Mechanical Behavior of Full-Scale Limestone Masonry Walls Exposed to Fire, Engineering Structures, submitted 19/03/2025

Le projet POSTFIRE traite de la vulnérabilité et de la résilience des systèmes urbains, avec pour objectif principal de faciliter la réparation des bâtiments du patrimoine culturel après incendie. Le projet étudiera le comportement de la maçonnerie en pierre après une exposition à haute température à l'échelle du matériau puis de la structure, en tenant compte du refroidissement sous eau. Le projet établira une base de données de propriétés résiduelles post-incendie pour les matériaux sélectionnés, ainsi que des modèles à l’échelle du matériau d’applicabilité immédiate à des approches analytiques et numérique d'évaluation et de calcul des performances structurelles. La fiabilité des modèles sera testée à l’échelle structurelle. Enfin, le projet proposera des lignes directrices pour l’évaluation post-incendie des bâtiments du patrimoine français dans l’objectif d’une diffusion auprès des universitaires, restaurateurs et des comités de normalisation nationaux et internationaux.