Structures en béton en situation d’incendie > Définition de l’action thermique, choix des scénarios de feu

2.1.1 - La cible est plongée dans la zone de flamme ou de panache

Un départ de feu au pied d’un poteau correspond à cette situation. En effet, tant que le combustible n’est pas épuisé, la partie basse du poteau sera chauffée directement par les flammes et gaz chauds du foyer. La poutre située au-dessus de l’axe vertical du foyer sera également chauffée par les flammes du foyer et/ou son panache thermique selon que la base du foyer est plus ou moins proche de la couverture. Un départ de feu au voisinage d’un élément de compartimentage correspond également à cette situation.

La durée de l’action thermique localisée est déterminée si l’on connaît la vitesse de perte de masse des objets combustibles en feu. Mais on ne la connaît pas avec précision. On peut seulement dire, en s’appuyant sur des essais réels réalisés en entrepôts pour différents modes de stockage, que la combustion est rapide et intense mais que la durée de cette phase n’est que de quelques dizaines de minutes. Ensuite, l’action thermique locale décline avec l’épuisement du combustible et cède la place à une sollicitation thermique due aux gaz chauds accumulés sous le plafond (voir § 2.1.2).

Cette situation de feu localisé, caractérisée par une action thermique à cinématique rapide et intense mais de courte durée devant celle d’un feu d’entrepôt qui peut dépasser plusieurs heures, fait l’objet d’un scénario de feu (§ 2.3.1).

Pour les calculs : on admet dans ce cas que l’agression thermique est due à la température sur l’axe du foyer. Celle-ci est maximale dans la section de cet écoulement à une hauteur donnée. On peut négliger la contribution d’autres sources d’agression par rayonnement car les gaz chauds absorbent généralement la quasitotalité du rayonnement thermique incident.

La température sur l’axe du panache à différente hauteur est calculée à partir de formules de corrélations et d’une valeur maximale.

Le flux de chaleur net absorbé peut être calculé à partir d’une expression semblable à celle de l’EC 1991-1-2, chapitre 3.1. les valeurs des coefficients d’échanges peuvent reprendre ceux correspondant au feu conventionnel ISO R834, au feu naturel ou bien encore d’autres valeurs qu’il conviendra alors de justifier au regard du problème traité.

Remarque
Pour les calculs d’échauffement des éléments de la structure on peut admettre que la température des gaz chauds suit l’évolution temporelle de l’activité du foyer. Ainsi, si la phase de croissance du feu est de 5 minutes, la température augmentera en 5 minutes pour atteindre la valeur maximale fournie par la formule utilisée.

2.1.2 - La cible est plongée dans les gaz chauds accumulés sous le plafond (couche chaude)

Les poutres et les poteaux (la partie haute seulement) situés loin du foyer sont soumis à ce type d’action thermique. La poutre au-dessus du premier foyer comme la partie supérieure poteau, après avoir été chauffées par les flammes et/ou le panache thermique et après épuisement du combustible sont ensuite soumis à ce type d’action thermique. Les éléments de compartimentage sont aussi concernés.

Un débit de gaz chauds et de fumées résultant de l’activité du premier foyer, puis de son extension à d’autres objets combustibles, provoque la création puis le remplissage d’une couche de fumée s’étalant sous le plafond. Le temps s’écoulant, l’épaississement de la couche de fumée conduit à une sollicitation thermique du plafond pour laquelle la contribution de la couche de fumée augmente et celle de la flamme et de son panache diminue. Ce phénomène s’accentue à mesure que l’épaisseur de couche de fumée augmente. Après quelques minutes, la sollicitation thermique de cibles placées en plafond est exclusivement due aux gaz chauds à son contact.

Ce type d’action thermique correspond à une phase d’extension du feu (pré-inflammation généralisée). Durant cette phase, dont la durée est supérieure à celle de la phase de démarrage (voir § 2.3.1 et § 2.1.1) le feu se développe, la température des gaz chauds sous plafond, à l’intérieur du canton, de la cellule augmente sans toutefois dépasser un niveau critique correspondant à l’inflammation généralisée.

Cette phase d’extension du feu peut faire l’objet d’un ou plusieurs scénarios de feu (§ 2.3.2 à 2.3.4).

Pour les calculs : si la cible est dans une zone haute chaude, on suppose qu’elle est soumise à l’influence de la température de la zone haute. On peut négliger la contribution radiative de la flamme. Cette hypothèse est acceptable pour une cible loin du foyer ou si le milieu gazeux absorbe de façon notable le rayonnement thermique, ce qui est généralement le cas pour les feux concernant les matériaux combustibles rencontrés en entrepôt.

Le flux de chaleur net absorbé peut être calculé à partir d’une expression semblable à celle de l’EC 1991-1-2, chapitre 3.1. Les valeurs des coefficients d’échanges peuvent reprendre ceux correspondant au feu conventionnel ISO R834, au feu naturel ou bien encore d’autres valeurs qu’il conviendra alors de justifier au regard du problème traité.

2.1.3 - La cible est plongée dans l’air à température ambiante et reçoit une agression thermique radiative

Tous les éléments de la structure et de compartimentage qui ne sont pas dans les flammes et le panache du foyer ni dans les gaz chauds sous plafond sont concernés par ce type d’action thermique.

La cible reçoit un rayonnement thermique provenant de deux sources :

• les flammes du foyer ;
• la couche de gaz chauds accumulés sous le plafond.

Ces deux contributions sont additionnées. L’action thermique résultante est l’éclairement2 énergétique. Pour calculer le flux de chaleur net absorbé (l’action thermique) il faut au préalable calculer la valeur de l’éclairement (flux thermique incident) et par conséquent caractériser le flux de chaleur émis en direction de la cible. Le chapitre 2.2.3 explique la manière de calculer l’éclairement sur une cible.

2.2.1 - Activité des foyers et débit calorifique

On observe deux phénomènes dans la croissance de l’activité d’un foyer non soumis à une influence externe : la « montée en régime thermique » de la source de gaz combustibles et « l’extension de la surface active ». Ils sont caractérisés par le débit de gaz combustible quittant l’interface du solide et le débit de chaleur associé à la combustion de ces gaz.

On distingue une phase de croissance, une phase de puissance maximale et une phase de déclin. Pendant la phase de croissance la surface en pyrolyse active s’étend. La vitesse d’extension varie selon la nature du matériau, l’orientation de la surface ainsi que des conditions de sollicitation thermique. Par exemple, si un solide a été globalement chauffé, c’est toute la surface exposée à l’air qui peut quasi instantanément s’allumer. La puissance maximale est atteinte en fin de la phase d’extension. Elle se maintient à ce niveau pendant le temps nécessaire à la consommation de l’épaisseur du solide. L’activité du foyer décline ensuite.

La diversité des matériaux combustibles, le mode d’entreposage rendent difficiles une prédiction fine de l’évolution du débit calorifique. Dans le cadre d’une étude spécifique d’ingénierie, où l’accent est mis sur des feux sévères, il est envisageable de représenter de façon simplifiée l’activité du foyer par une valeur du débit calorifique par unité de surface impliquée par le feu. Le choix de cette valeur dépend principalement de la nature des objets combustibles entreposés.

Dans la réalité d’un feu, la puissance dégagée par la combustion de matières combustibles varie aussi selon l’état des stockages (divisé ou pas), du mode de stockage (racks, masse)… De plus, à partir d’un stade de développement, la ventilation de l’entrepôt limite le débit calorifique dégagé dont la valeur maximale dépend moins du matériau que de la dimension des ouvertures. Dans ces conditions, pour des feux sévères, le constat précédent réduit la sensibilité du résultat à la valeur du débit calorifique surfacique.

Remarque : pour les calculs, l’évolution temporelle du débit calorifique est représentée par une courbe simplifiée. Par exemple, la phase de croissance et la phase de déclin peuvent être représentées par des lois linéaires. La phase de plein développement est quant à elle représentée par un plateau à puissance constante.

2.2.2 - Rôle des ouvertures et contrôle par la ventilation

Au tout début de l’activité d’un feu accidentel, l’oxygène présent dans l’entrepôt alimente le foyer. Puis, l’oxygène est amené par les ouvertures de la cellule. Si le flux d’oxygène est suffisant, le développement du feu est piloté par la vitesse de dégradation des matériaux combustibles (débit de pyrolyse). Si ce flux est insuffisant, la combustion est incomplète et la puissance libérée croit plus lentement. Le développement du feu est alors piloté par le flux d’air entrant dans la cellule. Ce régime de fonctionnement du feu est appelé « contrôle par la ventilation ». Dans ce cas, pour une cellule ouverte sur l’extérieur par des ouvertures verticales (les portes), le débit calorifique s’exprime à partir des dimensions des ouvertures et du débit d’air entrant.

Ainsi, pour qu’un feu sévère (plusieurs dizaines de MW) puisse se développer il est nécessaire que l’une des portes d’accès aux quais soit ouverte. En effet, si une cellule est fermée, le volume d’air disponible permet seulement la combustion de quelques tonnes de matériau combustible, soit une très faible partie de la quantité totale. Dans ce cas, le feu ne peut pas atteindre une puissance importante sans ouvertures supplémentaires.

2.2.3 - Rayonnement thermique direct des flammes

Pour pouvoir calculer l’éclairement reçu sur une cible il est nécessaire de représenter géométriquement les flammes. Trois modèles de complexité croissante sont proposés. Ils sont utilisables tous les trois. La géométrie de la flamme, la distance de la cible à la flamme, les dimensions de la cible relativement à la flamme guident au choix du modèle de représentation géométrique à utiliser.

Le modèle simple de source ponctuelle peut être utilisé pour des cibles placées à des distances nettement plus grandes que la largeur de la source et situées à des hauteurs du même ordre de grandeur que celle de la source. Il est plutôt utilisable pour des flammes et des cibles situées à l’extérieur de l’entrepôt (calcul de l’éclairement en limite de propriété par exemple).

Le modèle de mur de flamme peut par exemple être utilisé pour représenter le rayonnement d’un feu d’objets disposés en rack.

Le modèle de flamme cylindrique sera quant à lui plus approprié pour un foyer dont la largeur et la longueur sont du même ordre de grandeur de façon à pouvoir assimiler la surface du foyer à un cylindre horizontal. Ce pourrait par exemple être le cas pour un feu de stockage en palettes.

L’expression de l’éclairement sur une cible peut s’écrire : Ecl = FE_f en W/m², où F est le facteur de forme sans dimension et Ef l’émittance de l’émetteur de rayonnement en W/m². L’expression de F diffère selon le modèle géométrique de la flamme retenu.

Source ponctuelle : la source de rayonnement est assimilée à un point dont on n’a pas alors à connaître les dimensions réelles pour estimer l’éclairement sur une cible : la distance (d) est le seul paramètre entrant dans le calcul du facteur de forme. La source est notée 2, la cible, élément de surface, est notée d1. F_d1-2 = 1/d²

Mur de flamme : l’émetteur de rayonnement est un rectangle vertical représentant la flamme. Chaque « cible » est un autre rectangle, de petites dimensions, parallèle au premier, représentant un petit élément de surface de la cible. La distance entre le mur de flamme et une cible tient compte de la position de celle-ci, à la fois dans le plan et en hauteur.

Pour calculer l’éclairement, il faut connaître les éléments suivants.

• La surface rayonnante. Pour cela, on assimile la flamme à un rectangle dont on détermine la largeur et sa hauteur. Cette dernière correspond à une estimation de la hauteur moyenne de la flamme qui est en réalité de forme accidentée, avec des « creux » et des « bosses » instationnaires. Cet aspect complexe rend difficile l’évaluation de la hauteur moyenne de flamme, qui peut néanmoins être estimée en utilisant des formules de corrélation appropriées.
• La distance entre mur de flamme et cibles. On peut admettre que le bord de la flamme coïncide avec le bord du foyer.
• L’émittance moyenne du mur de flamme. Elle peut être estimée à partir de la température de la flamme si celle-ci est connue, à partir d’une hypothèse de fraction rayonnée de la puissance calorifique.
• Le facteur de forme. La cible est un élément de surface plane ; la source un rectangle parallèle au plan de la cible. La normale à l’élément, normale aussi au rectangle, passe par un sommet de ce rectangle (dont les côtés sont a et b). La cible est à la distance d du rectangle (figure suivante). La source est notée 2, la cible, élément de surface, est notée d1.

Flamme cylindrique : l’émetteur est assimilé à un cylindre vertical de base horizontale dont la surface est celle de l’emprise au sol du foyer.

Pour calculer l’éclairement, il faut connaître les éléments suivants.

• Le rayon du cylindre est déduit de la surface du foyer.
• La hauteur du cylindre émetteur. Elle peut être fournie à l’aide de formules de corrélations donnant la hauteur moyenne de flammes de diffusion.
• La distance entre cylindre et cibles. On peut admettre que le bord de la flamme coïncide avec le bord du foyer.
• L’émittance de la flamme. Elle peut être estimée à partir de la température de la flamme si celle-ci est connue, à partir d’une hypothèse de fraction rayonnée de la puissance calorifique ou bien encore à partir de formules de corrélations donnant la température sur l’axe vertical d’une flamme de diffusion.
• Le facteur de forme – la cible : une surface plane élémentaire dont la normale est perpendiculaire à l’axe d’un cylindre source. Le cylindre, de rayon r, est de longueur finie l ; une de ses bases est dans le plan contenant la normale à l’élément de surface. La distance entre le cylindre et la cible est d.

La source est notée 2, la cible d1.



Une solution plus fine peut consister à découper le cylindre en sources élémentaires constituées par des tranches horizontales d’épaisseur constante. À chaque tranche sont associées une température, une émissivité (ces deux termes fournissent l’émittance de la tranche), une position en hauteur et dans le plan horizontal et une épaisseur. La température retenue peut être fournie par une formule de corrélation donnant la température sur l’axe de la flamme. La hauteur de la flamme peut également être fournie par une formule de corrélation.

2.3.1 - Phase de démarrage

On admet par exemple l’allumage accidentel d’un premier objet entreposé dans les rayonnages au niveau du sol de la zone de stockage. Le volume investi par les flammes dans les rayonnages augmente par l’effet des échanges thermiques convectifs et radiatifs entre les flammes, panaches et écoulements gazeux.

Le volume d’air présent dans la cellule est suffisant pour permettre le développement de ce feu. Il n’est donc pas nécessaire que des portes extérieures ou des exutoires de fumée soient ouverts.

La durée de l’action thermique sur la cible est limitée dans le temps (quelques dizaines de minutes).

Le poteau, la poutre de la structure à l’endroit du départ de feu sont concernés par ce scénario. La première phase de démarrage est suivie de celle de l’extension du feu aux rayonnages voisins. La chronologie des événements successifs (allumages successifs, effondrement, déversement) devient alors pratiquement impossible à prévoir et à représenter à l’aide d’une approche par le calcul même si on pouvait utiliser un critère de propagation pour un matériau donné, par exemple un critère de température, ce critère n’aurait plus de valeur en cas de chute de produit enflammé des rayonnages. On peut seulement prétendre qu’elle aboutit à un feu impliquant une grande quantité de combustible, libérant ainsi un débit calorifique de plusieurs MW sur une surface de stockage croissante.

L’oxygène présent dans la cellule est susceptible de ne plus être en quantité suffisante pour permettre un développement du feu. Des ouvertures supplémentaires peuvent être nécessaires. Différents états d’ouverture des portes d’accès aux quais et des exutoires de fumées doivent être examinés.

L’ensemble des poutres et la partie haute des poteaux situés loin du foyer sont sollicités par les gaz chauds accumulés sous le plafond. Les parties basses de poteaux situés à proximité du feu peuvent en plus être sollicitées par le rayonnement thermique direct des flammes.

2.3.3 - Phase de feu développé

La surface impliquée par le feu désormais importante (quelques centaines de m2). Le débit calorifique maximal peut approcher la centaine de MW. L’influence de l’état des portes d’accès aux quais et des exutoires de fumées sur les températures atteintes par les gaz doit être examinée. Ici plus encore qu’aux phases précédentes des ouvertures sur l’extérieur sont nécessaires pour atteindre le débit calorifique considéré. La couche de fumée est désormais épaisse. La sollicitation thermique de cibles placées en plafond est exclusivement due aux gaz chauds à son contact Les poutres, et tout ou partie de la hauteur des poteaux, sont sollicités par les gaz chauds.

2.3.4 - Incendie d’un canton

La surface impliquée par le feu est égale à celle d’un canton. Le débit calorifique maximal dépasse la centaine de MW. À ce niveau de puissance la quantité de combustible présent permet une durée de l’incendie de plusieurs heures. Pour permettre un tel débit calorifique il est nécessaire que toutes les portes d’une cellule soient ouvertes, ainsi que les exutoires de fumées. La surface utile d’exutoires ainsi que l’instant d’ouverture de ces derniers sont les paramètres de ces scénarios. La couche de fumée est désormais épaisse. La sollicitation thermique de cibles placées en plafond est exclusivement due aux gaz chauds à son contact. Les poutres et tout ou partie de la hauteur des poteaux sont sollicités par les gaz chauds.

2.3.5 - Incendie d’une cellule

La surface impliquée par le feu est égale à celle d’une cellule, pouvant atteindre plusieurs milliers de m². Le débit calorifique maximal dépasse plusieurs centaines de MW. Le feu est généralisé et les gaz chauds remplissent tout le volume de la cellule considérée. Tous les éléments de la structure sont sollicités par les gaz chauds. Pour le cas où l’on admet la ruine de la couverture, les gaz chauds accumulés dans la cellule sont rapidement évacués et les éléments de la structure sont alors chauffés par les gaz chauds provenant des flammes des foyers.

2.4.1 - Rappel sur les outils de calculs disponibles

Les modèles de feu permettent, à partir des données fournies par l’utilisateur (géométrie du bâtiment, caractéristiques du foyer déclenchant le scénario, caractéristiques des sources potentiellement combustibles à son voisinage, conditions aérauliques et thermiques initiales régnant dans le bâtiment, etc.) de calculer au cours du temps les actions thermiques sur des cibles, ici les éléments de structure d’un entrepôt.

Les modèles peuvent être regroupés en 3 grandes familles.

Les modèles locaux (ou de champs) : on écrit localement des équations de bilan et d’échange. Par exemple : les équations aux dérivées partielles de Navier- Stokes (conservation de la quantité de mouvement). On introduit des modèles de turbulence, de combustion, de cinématique chimique, d’échanges de chaleur par rayonnement entre gaz et parois.

Le domaine étudié est découpé en un grand nombre de volumes de contrôle ou « mailles » au niveau desquels les grandeurs sont supposées uniformes. À chaque maille sont attribuées des inconnues représentant les valeurs des grandeurs physiques recherchées. Il s’agit alors de résoudre numériquement, de manière locale et instationnaire, les équations de Navier Stokes traduisant les lois d’échange et de conservation de la masse, de la quantité de mouvement, des espèces et de l’énergie.

Cependant, la puissance de calcul des ordinateurs ne permet actuellement pas une utilisation pratique de tels outils pour un bâtiment constitué de plusieurs niveaux eux-mêmes constitués de plusieurs locaux.

Il faut de bons algorithmes de résolutions. Quelques programmes de ce type donnent de bons résultats. Le logiciel FDS est aujourd’hui largement utilisé en ingénierie. Il en existe d’autres.

Les modèles globaux (de zones ou de volumes finis) : le volume concerné par les effets du feu est découpé en « grosses » zones où on admet que les caractéristiques sont uniformes (mais variables au cours du temps). Les équations de bilan et d’échange sont « peu » nombreuses et conduisent à des systèmes d’équations différentielles du temps.

L’idée de base d’un découpage en zones d’un espace de bâtiment concerné par un feu vient de l’observation que les gaz chauds issus d’un foyer s’accumulent sous le plafond d’un local en présentant une frontière basse à peu près horizontale avec l’air frais situé au-dessous. Ceci est valable pour des locaux de forme géométrique classique, des parallélépipèdes rectangles ainsi que pour des foyers placés en partie basse du local et assez puissants par rapport aux dimensions du local et en l’absence de « courants d’air » importants.

Des dizaines de modèles de ce type sont plus ou moins opérationnels. Les moyens de calcul et les algorithmes de résolution numérique nécessaires sont plus accessibles. Le CSTB utilise le logiciel CIFI2009 qu’il a développé et qui a fait l’objet de confrontations au niveau international.

Les modèles « simples ». Ce sont :

• soit des formules physiques permettant le calcul approché de l’évolution d’une grandeur (la hauteur de flamme, le débit d’air entraîné par un foyer…), donc des modèles ponctuels ;
• soit des résultats de traitement statistique (corrélations, régression…) de mesures effectuées en situations réalistes, qui sont utilisées de façon prédictive à l’intérieur de certaines limites.

Ils visent plutôt des ordres de grandeurs. Ces modèles conduisent à des calculs rapides. Par exemple, les formules permettant de calculer la hauteur de flamme sont dans la pratique destinées à estimer si la flamme d’un foyer peut « toucher » un élément haut dans un bâtiment (et mettre en danger sa stabilité).

2.4.2 - Choisir un modèle et utiliser un logiciel

Les quelques questions suivantes peuvent aider le praticien de l’ISI à choisir le modèle (formule de corrélation, modèle global, modèle de champ) approprié pour répondre à la question posée et le logiciel associé.

• Quels sont les objectifs de sécurité ?
  • protection des personnes ;
  • protection des biens et des structures ;
  • protection de l’environnement.
• Quelles sont les fonctions importantes pour la sécurité qui doivent être maintenues ?
  • la stabilité d’un entrepôt, le compartimentage d’une cellule ou d’un ensemble de cellules ;
  • l’efficacité d’un dispositif de désenfumage naturel ou mécanique ;
  • le fonctionnement d’un équipement sensible à la sécurité (réseau d’alimentation en eau d’extinction).
• Quels sont les phénomènes physiques qu’il conviendra de représenter ?
  • allumage du premier foyer et développement de son activité ;
  • extension du feu aux objets combustibles voisins ;
  • tous les objets présents participent à la combustion ;
  • action thermique sur un dispositif de détection, une tête d’arrosage, un exutoire de fumée ;
  • action thermique sur un élément de structure ;/li>
  • interaction eau/foyer ;
  • sollicitation thermique des ouvertures vers l’extérieur (bris de vitrage), à l’intérieur du bâtiment (portes, par exemple) ;
  • pression à l’intérieur du local.
• À quel stade de développement du feu s’intéresse-t-on ?
  • à l’allumage ;
  • pendant la phase de croissance du feu (pré-inflammation généralisée) ;
  • au stade d’un feu généralisé (post-inflammation généralisée).
• Quelles sont les cibles ?
  • personnes, secours ;
  • objets combustibles, équipements ;
  • structure ;
  • environnement.
• Où se situe la cible relativement à la source d’agression ?
  • dans ou hors du local source du feu,
  • dans les flammes ou le panache thermique du foyer,
  • dans un écoulement de gaz chauds sous plafond ou dans une couche de gaz chauds accumulés sous le plafond,
  • à proximité d’une paroi.

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