Résistance au feu et sécurité incendie

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1 Résistance au feu et sécurité incendie Franck GYPPAZ Nexans Research Center Avril 2014 Page 1/13

2 Sommaire 1 Introduction Développement du feu Inflammation Croissance / propagation Développement maximum Déclin Résistance au feu et technologies de câble Types d installation des circuits de sécurité Evaluation de la résistance au feu des câbles Exemples de protocoles de test de résistance au feu intrinsèque Exemples de tests en systèmes De la résistance intrinsèque des câbles à la résistance des systèmes Conclusion Page 2/13

3 1 Introduction On considère généralement qu une minute après le départ d un feu, un verre d eau suffit pour l éteindre. Au bout de deux minutes, un saut d eau est nécessaire et, passé trois minutes, le feu devient hors de contrôle. Seuls les pompiers ou des personnes bien entraînées peuvent intervenir pour contenir le sinistre. Il est donc crucial d avoir la possibilité d évacuer le bâtiment aussi vite que possible. Dans cette éventualité, une stratégie de sécurité incendie planifiée est primordiale. Des détecteurs de flammes, de feu et de fumée peuvent être installés dans toutes les zones du bâtiment afin d alerter les occupants et permettre leur évacuation pendant la première phase de l incendie. Mais, une fois le feu bien développé, des fumées se dégagent réduisant la visibilité. Pour y remédier, des panneaux lumineux aident les occupants à trouver les sorties. La fumée aveuglante et asphyxiante est aussi évacuée par des extracteurs. Dans tous les cas, ces équipements doivent être raccordés au réseau électrique. Le moyen le plus courant consiste à utiliser un câble résistant au feu afin de préserver la continuité électrique du système même dans des conditions extrêmes d incendie. Le présent Livre blanc vise à présenter le fonctionnement des câbles résistants au feu, ainsi qu à expliquer comment leur fiabilité et leur robustesse impacte la sécurité. 2 Développement du feu De façon générale, le développement d un incendie dans un bâtiment se déroule en quatre phases distinctes, illustrées ci-dessous. Température Temperature Possibilité d extinction Fire du extinction feu et d évacuation and escape possible Départ du feu Start of et fire & Inflammation Ignition propagation propagation Embrasement Flash over (flashover) Développement Fire fully developed maximum Rôle Role de of la réaction fire reaction au feu Rôle Role de of la résistance fire resistance au Echelle Time de temps Figure 1 : développement du feu Page 3/13

4 2.1 Inflammation Le triangle du feu (voir Figure 2) illustre le principe d un incendie. Le départ d une combustion nécessite la présence simultanée de trois éléments distincts, dans les proportions adéquates, à savoir un déclencheur, un combustible et un comburant (en général de l oxygène). Or, dans les appartements et les bureaux, deux de ces éléments sont toujours présents. Figure 2 : triangle du feu Le combustible correspond à l ensemble des matériaux : meubles, ordinateurs, papier, liquides inflammables, etc. L air, elle, apporte l oxygène nécessaire dans la pièce, sa teneur étant de 20,95 %. Il ne manque finalement qu une étincelle ou une flamme pour déclencher le processus infernal. Celle-ci peut être provoquée par un court-circuit à la suite du mauvais fonctionnement d un appareil électrique ou d un événement extérieur (feu dans une poubelle, cigarette, etc.). 2.2 Croissance / propagation Le combustible est alors porté à une température à laquelle il commence à se décomposer libérant des produits gazeux. Ceux-ci se diffusent dans la flamme et subissent une combustion en phase gazeuse, dégageant toujours plus de chaleur. En régime continu, la chaleur revient vers la surface du combustible, produisant toujours plus de fragments volatils entretenant du même coup le cycle de combustion. Finalement, la température globale dans la pièce augmente et l incendie continue de croître. Par convection, les gaz chauds ou particules enflamment d autres éléments dans la pièce. La pression augmente et les gaz tentent de s échapper par les ouvertures, enflammant de nouveaux foyers. Par ailleurs, selon l architecture du bâtiment, une importante quantité d énergie peut être transférée d une pièce à l autre par conductivité thermique, accroissant ainsi la probabilité de propagation du feu. Ce risque est d autant plus grand que la conductibilité thermique des éléments constitutifs est élevée. Page 4/13

5 2.3 Développement maximum Dans une pièce fermée, son embrasement généralisé (flashover) peut se produire si la température globale devient suffisamment élevée (500 à 600 C) et la teneur en oxygène suffisante. Le feu passe alors soudainement d une phase de croissance à un état de développement maximum, enflammant totalement la surface de tous les matériaux combustibles présents. La pression interne devient énorme dans l espace clos, engendrant un risque d explosion à travers les ouvertures. Dans le même temps, la chaleur dégagée est à son maximum et les gaz chauds (de même que les flammes) peuvent se propager très loin du point de départ. Finalement, le feu se diffuse d une pièce à l autre suivant le même cycle menaçant rapidement la vie des occupants et l infrastructure du bâtiment. 2.4 Déclin Quand la quantité de matériau combustible ou la teneur en oxygène ne suffit plus à entretenir le cycle de combustion, le feu commence à décroitre. C est un signe manifeste que la fin de l incendie est proche. Néanmoins, il peut s agir d un piège. En effet, le déclin s amorce dès que la teneur en oxygène n est plus assez élevée pour entretenir la combustion. La quantité de chaleur dégagée baisse, mais la température peut continuer à augmenter pendant un certain temps. Dans ce cas, des particules et des gaz combustibles chauds sont toujours produits et peuvent s enflammer à nouveau si de l air frais arrive dans l environnement comme lors de l ouverture d une porte. 3 Résistance au feu et technologies de câble Pendant la première phase d un incendie, la priorité est d arrêter ou de freiner autant que possible sa propagation pour rendre possible son extinction. Dans le même temps, il faut s assurer que les personnes peuvent être évacuées en toute sécurité. Nexans a développé divers systèmes «retardateurs de feu» et propose bon nombre d entre eux sous la marque ALSECURE pour les applications bâtiment. Quand l incendie est hors de contrôle, la situation devient critique. Le feu se propage rapidement, dégageant une chaleur intense, une fumée opaque et des substances toxiques qui limitent considérablement les possibilités d évacuation. Des équipements spéciaux sont alors employés pour indiquer les sorties, extraire les substances nocives, etc. Ces équipements de sécurité doivent être connectés au réseau électrique. Il est bien connu que les détecteurs de fumée usuels ne sont parfois pas fiables, les occupants oubliant de les tester et d en changer les piles régulièrement les rendant inopérant. De ce fait, des câbles résistants au feu sont souvent utilisés pour assurer leur alimentation électrique ou pour les interconnecter. Il s agit alors d éléments «actifs» car ils doivent conserver leur continuité électrique ou transmettre un signal pendant un laps de temps suffisant lors de l incendie. Page 5/13

6 Principalement, trois technologies sont mises en œuvre pour produire des câbles résistants au feu. Les premières générations de câbles résistants ont été fabriqués à partir de conducteurs en cuivre recouverts par du mica et isolés par des polyoléfines réticulées. Dans ce cas, le cœur de la technologie est le mica et les performances du câble sont liées à sa qualité, sa nature, au fournisseur et au rubanage de ce matériau. La deuxième génération repose sur des conducteurs à isolation silicone. Ce matériau a la propriété de former une protection céramique autour du conducteur lorsqu il brûle, maintenant dans le même temps une résistance électrique élevée. Il s agit de la solution la plus couramment employée pour les applications dans le bâtiment. La dernière génération est un système innovant, propriété de Nexans, et connu sous la marque INFIT. Celui-ci combine les avantages des solutions bases mica et silicone sans leurs inconvénients respectifs (le mica est difficile à dénuder, le silicone mou et fragile). Figure 3 : isolant INFIT après un feu 4 Types d installation des circuits de sécurité Les installations de sécurité peuvent être envisagées de deux manières. La première consiste à poser des câbles résistants au feu directement sur des chemins de câbles (supports, échelles, etc.), ayant des performances au moins équivalentes en termes d intégrité. Cela est facilement réalisé par des monteurs. La seconde solution est plus élaborée et complexe. Les câbles sont tirés à l intérieur de systèmes techniquement protégés préfabriqués ou bien construits sur site. Ceux-ci présentent l avantage d assurer la résistance au feu même pour des câbles standard. En effet, la température à l intérieur du système n excède jamais leur point de défaillance (>100 C). Cette propriété spéciale peut être obtenue, par exemple, au moyen d additifs particuliers qui dégagent de l eau lorsqu ils sont exposés à des températures élevées. Malheureusement, ces systèmes sont extrêmement sensibles aux menaces externes, comme les chocs mécaniques. Une simple fissure suffit à leur faire perdre leur fiabilité, la chaleur pouvant pénétrer à l intérieur. Leur installation est également beaucoup plus coûteuse et longue. En outre, certains espaces doivent leur être réservés dans les bâtiments par les architectes en raison de leur volume. Enfin, une fois installés, leur maintenance est difficile. Page 6/13

7 Un autre inconvénient est rarement souligné : ces systèmes peuvent faciliter la propagation du feu à l intérieur du bâtiment. En cas de court-circuit, les câbles standards peuvent s enflammer et le feu progresse rapidement le long du cheminement dessiné par le conduit dans tout le bâtiment, quasi impossible à détecter. Les systèmes de protection deviennent alors une menace. Tout bien considéré, il semble beaucoup plus approprié et bien moins coûteux d installer des circuits de sécurité comportant exclusivement des câbles résistants au feu. Résistance Fire Resistance au feu pour forcâbles unprotected électriques Electric non protégés Cables Cable Systèmes Management de gestion de Systems câbles pour for les fire installations resistant résistantes au feu installations Systèmes Manufactured de protection Protective préfabriqués Systems pour les câbles for standard standard cables Systèmes Built de onsite protection Protective construits sur Systems site pour les câbles for standard standard cables Figure 4 : types d installation des circuits de sécurité 5 Evaluation de la résistance au feu des câbles L incendie étant une préoccupation majeure, les instances de normalisation (IEC, CENELEC, ainsi que les organismes nationaux) s en préoccupent depuis de nombreuses années. Elles ont proposé divers protocoles de test de résistance au feu destinés à évaluer la fiabilité des câbles. Les principales différences consistent en la modification de la durée des essais, de la température du feu ou de la flamme ou encore en l ajout d une contrainte mécanique et de phases d arrosage. Par ailleurs, deux philosophies distinctes peuvent être mises en œuvre : soit en testant la résistance au feu intrinsèque des câbles, soit en évaluant la performance des câbles posés sur leur système. Les différents protocoles de test sont décrits ci-après. Page 7/13

8 5.1 Exemples de protocoles de test de résistance au feu intrinsèque Norme internationale : IEC partie 11 et parties associées 21, 23 et 25 IEC & & -23 & -23 (cable horizontal on metallic rings) (câble horizontal sur des anneaux métalliques) Longueur Cable diameter minimale : : mm 1200 mm Minimum length : 1200 mm Caractéristiques du test Test Température characteristics de flamme : 850 C Nombre Flame temperature d anneaux : 750 C Ring number Diam. câble : 10 5 Diam. câble >10 2 cable dia 10 5 Tension : nominale du câble Durée : 105 cable min dia 10 2 (90 Voltage min au feu : cable + 15 min nominal sous tension) voltage Duration : 105 min Condition (90min with fire requise + 15 min : under voltage) Continuité Requirement de fonctionnement : 105 min Function continuity 105 min Norme européenne : o EN EN EN / / IEC IEC (montage («U» mounting en «U» sur on une a plaque fire proof réfractaire) frame) Diamètre Cable diameter du câble :: 20 mm Longueur Minimumminimale length :: 1200 mm / test Caractéristiques Test characteristics du test Température Flame temperature de flamme : : 850 C Choc Mechanical mécanique shock : toutes : each les 5 min Rayon Bending de courbure radius : cable : cf. fabricant manufacturer du câble Tension : nominale du câble Voltage : cable nominal voltage Durée : min Duration : min Condition requise : Requirement : Continuité de fonctionnement Function min continuity min Page 8/13

9 o EN avec pulvérisation d eau EN Annexe E & E & BS BS (montage («U» mounting en «U» on sur a une fire plaque proof réfractaire) frame) Tel Similar EN 50200, to EN avec pulvérisation with water d eau spray Température Flame temperature de flamme : 850 C : 850 C Durée : 30 min Duration : 30 min (15 min feu et chocs + 15 min feu, chocs et eau) (15 min fire & Shock + 15 min fire & shock & water) BS Température Flame temperature de flamme : 950 C : 950 C Durée Duration : 120 : 120 min min (60 min feu et chocs + 60 min feu, chocs et eau) (60 min fire & Shock + 60 min fire & shock & water) Conditions Requirements requises : : Continuité de fonctionnement 30 min (Annexe Function E) continuity 30 min (Annex E) Continuité Function de continuity fonctionnement 120 min 120 ( BS min test) (BS) o EN EN EN / IEC / IEC («U» mounting on a metallic ladder) (montage en «U» sur une échelle métallique) Diamètre Cable diameter du câble :: > 20 mm Longueur Minimum minimale length :: 1500 mm Caractéristiques Test characteristics du test Température Flame temperature de flamme 850 C : 850 C Choc Mechanical mécanique shock : toutes : each les 5 min Rayon Bending de courbure radius : cable : cf. fabricant manufacturer du câble Tension : nominale du câble Voltage : cable nominal voltage Durée : min Duration : min Condition Requirement requise : : Continuité de fonctionnement Function continuity min 120 min Norme française : NFC 32070, test n 3 NFC CR1 (Câble Cable horizontal place dans in un a metallic tube métallique tube if unarmoured si non armé) Diamètre Cable diameter du câble : mm mm Longueur Minimum minimale length : 1200 mm Caractéristiques Test characteristicsdu test Montée Temperature en température ramp : : from de à 920 C to 920 C puis then palier a plateau pendant for au minimum moins 15 15min T = 345 Log (8t min +1) Choc mécanique : toutes les 30 sec sur Mechanical le tube (ou sur shock le câble : 1 s il each est 30s armé) on a tube Tension or the : nominale cable if du armoured câble Voltage : cable nominal voltage Condition requise : Continuité Requirement de fonctionnement : 65 min function continuity 65 min Norme allemande : DIN VDE 0472 partie 814 Ce test est similaire à la norme IEC associée à la partie 21, à l exception de la durée d exposition au feu qui est de 3 heures à 400 V, puis 24 heures sous tension hors feu. Page 9/13

10 Norme britannique : o BS (voir EN avec pulvérisation d eau) o BS 6387 A, B, C, S BS 6387 cat. A A B B C C S S (cable horizontal on rings) (câble horizontal sur des anneaux) A : 650 C B : 750 C C & S : 950 C Minimum Longueur minimale length : : 1200 mm Caractéristiques du test Test Température characteristics de flamme : Flame temperature A : 650 C : B A : 750 C 650 C C B : & 750 C S : 950 C : 950 C Brûleur : vertical Burner position : vertical Tension : nominale du câble Voltage Durée : 180 : cable min, nominal ou 20 min voltage pour cat. S Duration : 180 min or 20min for cat S Condition requise : Continuité Requirement de fonctionnement : 180 min Continuité Function de continuity fonctionnement 180 min 20 min pour Function cat. S continuity 20 min for Cat S o BS 6387 W BS 6387 cat. WW (cable horizontal on rings) (câble horizontal sur des anneaux) Caractéristiques de l échantillon Sample characteristics Longueur minimale : 1500 mm Minimum length : 1500 mm Caractéristiques du test Test characteristics Température de flamme : 650 C Pulvérisation Flame temperature d eau par : 650 C sprinkler Tension Water spray : nominale with sprinkler du câble Durée Voltage : 30 : cable min nominal voltage (15 Test min duration feu + 15 min : 30 feu min et eau) (15 min fire + 15 min fire & water) Condition requise : Continuité Requirement de fonctionnement : 30 min Function continuity 30 min o BS 6387 X, Y, Z BS 6387 cat. X X Y Y Z Z («(montage Z» mounting en «Z» on sur a une fire plaque proof réfractaire) frame) X : 650 C Y : 750 C Z : 950 C Cable Diamètre diameter du câble : 0 : mm Minimum Longueur minimale length : : 1200 mm Caractéristiques Test characteristicsdu test Flame Température temperature de flamme : from : de 650 à to 950 C mechanical Choc mécanique shock : toutes : each les 30s sec Bending Rayon de radius courbure : cable : cf. fabricant manufacturer du câble Voltage Tension : nominale cable nominal du câble voltage Durée : 15 min Test duration : 15 min Condition Requirement requise : : Continuité Function de continuity fonctionnement 15 min 15 min Page 10/13

11 5.2 Exemples de tests en systèmes Norme allemande : DIN Dans ce cas, les systèmes sont testés à leur charge nominale (entre 10 et 30 kg/m). Les câbles sont pliés pour former en «S» sur les systèmes. Test Test in Furnace en four (system test DIN ) (Test système, DIN ) Minimum Longueur minimale length : 4 : 4 m Test characteristics Caractéristiques du test Fire temperature : from ambiant to > Température de feu : de la temp C ( T = 345 Log [8t min +1] ) ambiante jusqu à 1000 C ( Bending radius : cable ) manufacturer Voltage : 400V Rayon Duration de courbure : : cf fabricant min du câble Tension : 400 V Requirement Durée : : - 90 min Function continuity Condition requise 90 min : Continuité de fonctionnement min Norme belge : NBN Ici, aucune charge n est appliquée au système. Les câbles traversent le mur et sont scellés avec du ciment. Test Test in Furnace en four NBN NBN Minimum Longueur minimale length : : 4 m Test characteristics Caractéristiques du test Fire temperature : from ambiant to > Température de feu : de la temp. ambiante 1000 C jusqu à ( T = 345 > 1000 C Log [8t min +1] ) ( Bending radius : cable ) manufacturer Voltage : 400V Rayon de courbure : cf. fabricant du câble Duration : min Tension : 400 V Durée : min Requirement : Function continuity Condition requise : min Continuité de fonctionnement min Page 11/13

12 Europe et futur Règlement des Produits de Construction : EN Comme pour la DIN , les systèmes sont soumis à une charge de 20 kg/m et chacun doit avoir le même niveau de performance que les câbles testés. En outre, les câbles sont pliés en forme de «U» ou de «S» sur les systèmes. Test Test in en Furnace four EN50577 Minimum Longueur minimale length : 4 : 4 m Test characteristics Caractéristiques du test Fire temperature : from ambiant to > Température de feu : de la temp. ambiante 1000 C ( T jusqu à = 345 > Log 1000 C [8t min +1] ) ( Bending radius : cable ) manufacturer Voltage : rated voltage Rayon de courbure : cf. fabricant du câble Duration : min Tension : nominale Durée : min Requirement : Function continuity Condition requise : min Continuité de fonctionnement min 6 De la résistance intrinsèque des câbles à la résistance des systèmes La norme NFC définit un test permettant d évaluer la résistance au feu des câbles à leur tension nominale (500 V). 1,5 m de câble est placé dans un tube inox, et l ensemble à l intérieur d un four tubulaire. Ce four chauffe le câble suivant la courbe temps-température ISO 834 et des chocs mécaniques sont appliqués sur le tube toutes les 30 secondes. Dans ces conditions, le câble doit conserver sa continuité électrique pendant au moins 65 min. Quatre sur cinq tests satisfaisants sont nécessaires pour attester de la conformité du câble. Test au feu NFC CR1 Système techniquement protégé Cette performance a été mise en cause par les autorités françaises de sécurité, cellesci arguant du degré très élevé de fiabilité, de robustesse et de sécurité des câbles standard installés dans des systèmes techniquement protégés résistant au feu 1 heure. En effet, les systèmes techniquement protégés mis en œuvre avec des câbles standard concurrence, en termes de sécurité, les installations électriques reposant exclusivement sur des câbles résistants au feu. Un initiative a donc été lancée par le Sycabel (Syndicat professionnel des fabricants de câbles) et dirigé techniquement par le Centre de Recherche Nexans (NRC) de Lyon. La stratégie a consisté à quantifier le potentiel de résistance au feu de câbles CR1 placés sur un support lui même résistant, lors d un test en four de grande dimension simulant un incendie réel. L objectif était de déterminer si l intégrité électrique était préservée pendant au moins 1 heure. Ce type de montage offre l avantage d être moins coûteux, moins encombrant et plus facile à installer que les systèmes techniquement protégés. Page 12/13

13 Le résultat final a largement dépassé nos attentes, puisque les 20 échantillons ont tous satisfait aux conditions requises (intégrité électrique préservée pendant plus de 60 min) avec une durée de vie moyenne de 85 min. Cette conclusion a été présentée aux autorités françaises et validée comme étant au moins équivalente à la performance des câbles standard installés dans des systèmes de protection résistants au feu. Dans un premier temps, cela va nous permettre d installer nos gammes actuelles ALSECURE PLUS et ALSECURE PREMIUM sous le marquage ALSECURE PLUS SECURISE et ALSECURE PREMIUM SECURISE dans les zones U10/J10 (établissements hospitaliers, maisons de retraite). En outre, cela représente une passerelle avec le futur Règlement des Produits de Construction (RPC). En effet, très prochainement, les câbles résistants au feu seront testés de cette manière selon le protocole EN En bref, les gammes ALSECURE PLUS et ALSECURE PREMIUM sont extrêmement sûres pour les zones publiques hautement sensibles. 7 Conclusion En cas d incendie, les conditions d évacuation influent considérablement sur les possibilités pour les occupants de quitter le bâtiment en toute sécurité. Les sorties de secours doivent être clairement identifiées. La visibilité doit être suffisante pour que les personnes trouvent leur chemin vers la sortie. Celles-ci doivent être alertées le plus rapidement possible. Enfin les équipements spéciaux, destinés à maintenir de bonnes conditions d évacuation aussi longtemps que possible, doivent continuer à fonctionner sans faille : extracteurs de fumée, détecteurs de feu/flamme ou de fumée, etc. Diverses stratégies de sécurité peuvent être mises en œuvre afin de préserver l intégrité électrique des circuits de sécurité. Il apparaît que les câbles résistants au feu, en particulier les gammes ALSECURE PLUS et ALSECURE PREMIUM installées sur des systèmes de gestion de câbles résistant au feu, sont suffisamment adaptés, fiables et robustes pour garantir la sécurité. Ils ont démontré leur résistance au feu intrinsèque ainsi que la capacité de maintenir l intégrité électrique lorsqu ils sont installés sur des supports simulant des installations électriques réelles. Pour les architectes et les constructeurs, cette solution doit être privilégiées par rapport à des systèmes techniquement protégés. Page 13/13