Etude multi-échelle du comportement au feu d un siège et d une paroi types issus d un système de transport ferroviaire européen

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1 Etude multi-échelle du comportement au feu d un siège et d une paroi types issus d un système de transport ferroviaire européen Doctorant : Anycée CAMILLO Directeur de thèse : Thomas ROGAUME Co-encadrants : Eric GUILLAUME, Franck RICHARD 1

2 Plan de la présentation I- de la thèse II- Méthodologie III- Résultats et discussion IV- Application au scénario sélectionné V- Conclusion et perspectives 2

4 La sécurité incendie dans les trains Approche réglementaire Projet de recherche incendie Directive européenne 2008/57/CE : Exigences essentielles pour le système ferroviaire européen. Ouverture vers des études d Ingénierie de la Sécurité Incendie. Evaluer la sécurité incendie via des outils de modélisation numérique. 4

5 La sécurité incendie dans les trains Approche réglementaire Projet de recherche incendie Projet Transfeu, de 2009 à 2012 : Projet de recherche européen. Deux objectifs majeurs : Développer une nouvelle méthode de mesures des effluents gazeux provenant de la combustion des matériaux présents dans les trains. Développer une méthodologie de l ingénierie de la sécurité incendie afin de prédire les effets du feu dans le transport ferroviaire. 5

6 Positionnement du Doctorat dans le projet Transfeu Projet Transfeu : GT1 : Management du projet. GT2 : Essais à petite échelle sur la toxicité des effluents du feu. GT3 : Développement d un système de classification GT4 : Méthodologie de l ingénierie de la sécurité incendie. GT5 : Développement d outils de simulation numérique. GT6 : Validation de la classification conventionnelle et de la simulation numérique. GT7 : Exploitation, dissémination et contribution aux normes. 6

7 Objectifs du Doctorat GT4, GT5 et GT6 : Analyse de risque incendie Sélection des scénarios représentatifs Objectif : Prédire le développement d un incendie dans un train en prenant en compte les limites de l outil numérique utilisé. Etude multi échelles appliquée à deux produits Application au scénario sélectionné Effets du feu sur les passagers : Perte de visibilité Température de flamme et des fumées Flux de chaleur Gaz toxiques aigus 7

9 Scénario et produits sélectionnés Sélection du scénario via une analyse de risque Feu de bagage dans un Train type standard (un seul niveau, type RER) Source d incendie volontaire (brûleur de propane) : 75 kw (2 min) puis 150 kw (8 min) Air conditionné en continu 9

10 Scénario et produits sélectionnés Produits et matériaux étudiés : le siège Revêtement collé sur la coque Revêtement : laine, aramide et viscose Barrière anti-vandalisme : silicone, coton et cote de maille acier Couche intercalaire : aramide et polyimide Mousse : polyuréthane et mélamine Produits et matériaux étudiés : la paroi Gelcoat : polyester et ATH* Composite : résine polyester et ATH* et fibre de verre *ATH : Trihydrate d aluminium 10

11 Méthodologie Sélection du scénario via une analyse de risque Simulation de l incendie du scénario Distribution des effluents gazeux Simulation de la propagation et la combustion des produits Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux Simulation de la décomposition thermique de la matière Besoin d une approche multi échelles 11

12 Méthodologie : Approche multi échelles Echelle de la matière Décomposition thermique et paramètres cinétiques ATG/DSC Validation? Modélisation Source radiante Echelle du matériau Décomposition thermique et réaction au feu Echelle du produit semi-fini Comportement au feu, test en position verticale Cône calorimètre Medium Burning Item Validation? Validation? Modélisation Modélisation Brûleur propane Echelle du produit fini Validation? Comportement au feu Calorimétrie Modélisation Echelle du scénario Comportement au feu dans des conditions réelles Scénario Validation? Modélisation 12

14 Résultats Sélection du scénario via une analyse de risque Simulation de l incendie du scénario Distribution des effluents gazeux Simulation de la propagation et la combustion des produits Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux Simulation de la décomposition thermique de la matière PU + Mélamine 14

15 Echelle de la matière Démarche de travail : Résultats Littérature Essais ATG PU + Mélamine Mécanisme réactionnel Modèle de pyrolyse : f(y, Y r, Y O2, E a, A, n) Simplification et adaptation aux contraintes de FDS Optimisation 15

16 Echelle de la matière - Résultats : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel Foam Polyol Résidu 1 Donc les réactions proposées sont : 3 2 [Melon] 16

17 Echelle de la matière - Résultats : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel 1 2 Donc les réactions proposées sont : 1 1 Foam Polyol Char Résidu 1 2 [Melon] 17

18 Echelle de la matière - Résultats : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel 1 Mécanisme trop compliqué pour une application à grande échelle (nombre de paramètres trop important) 2 Donc les réactions proposées sont : 1 1 Foam Polyol Char Résidu [Melon]

19 Echelle de la matière : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel 1 2 Modèle de pyrolyse : f(y, Y r, Y o2, E a, A, n) Simplification 1 2 Foam Char Résidu A, Ea, n et Y r de chaque réaction sont estimés par une technique d optimisation heuristique (algorithmes génétiques). 19

20 Echelle de la matière : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel Modèle de pyrolyse : f(y, Y r, Y o2, E a, A, n) Simplification Optimisation Comparaison expérimentale et numérique selon l analyse fonctionnelle d Hilbert 20

21 Echelle de la matière : Mousse Littérature Résultats Essais ATG Mécanisme réactionnel Modèle de pyrolyse : f(y, Y r, Y o2, E a, A, n) Simplification Optimisation Modèle de pyrolyse validé à cette échelle pour chaque matériau étudié Schéma applicable aux échelles supérieures? 21

23 Echelle du matériau Démarche de travail : Résultats Propriétés validées Échelle matière Propriétés thermophysiques Essais Cône Calorimètre Prédiction comportement au feu du matériau multi couches 23

24 Echelle du matériau Résultats expérimentaux : Résultats Essais Cône Calorimètre 50 kw/m 2 Essai normalisé (ISO ) : cône calorimètre. Densité de flux : 20 à 75 kw/m 2. Dimension de l échantillon : 100 x 100 mm 2 et Ep max = 50 mm. 24

25 Echelle du matériau Résultats numériques : Résultats Propriétés validées Échelle matière Propriétés thermo-physiques 50 kw/m 2 Essais Cône Calorimètre Prédiction Comparaison expérimentale et numérique selon les incertitudes expérimentales 25

26 Résultats Echelle du matériau - Résultats : Evolution de la décomposition thermique du matériau multi couches Formation d une couche de gaz qui isole thermiquement la mousse Hypothèses modèles FDS : Volume constant Pas de diffusion de gaz dans le solide Solutions proposées : Ajout d une couche fictive Conduction thermique de la mousse 26

27 Echelle du matériau Résultats : Propriétés validées Échelle matière Résultats Propriétés thermo-physiques Essais Cône Calorimètre Prédiction 50 kw/m 2 Solutions proposées selon les limites de FDS Comparaison expérimentale et numérique selon les incertitudes expérimentales 27

29 Echelle produit fini Démarche de travail : Brûleur + Siège Résultats Propriétés produit : Propriétés validées échelle matériau Propriétés thermo-physiques de la coque Barrière anti-vandalisme Réaction de combustion : multi combustibles Essai produit fini Prédiction du comportement au feu du produit Essai produit fini Prédiction de la génération de monoxyde de carbone 29

30 Résultats Echelle produit fini Résultats : Brûleur + Siège A : 30 s B : 270 s C : 480 s D : 510 s E : 600 s Essai produit fini : Siège entier Brûleur (propane) Conditions associées au scénario B C D A E 30 Méthodologie Résultats Scénario Conclusion

31 Résultats Echelle produit fini Résultats : Siège + Brûleur Distribution numérique de la densité de flux de chaleur Propriétés produit : Propriétés validées échelle matériau Propriétés thermo-physiques de la coque Barrière anti-vandalisme Réaction de combustion : multi combustibles Essai produit fini Prédiction Limite : Aspect structurel du siège au cours de la décomposition non considéré. 31 Méthodologie Résultats Scénario Conclusion

32 Résultats Echelle produit fini Résultats : Siège + Brûleur Brûleur Propriétés produit : Propriétés validées échelle matériau Propriétés thermo-physiques de la coque Barrière anti-vandalisme Réaction de combustion : multi combustibles Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO. Essai produit fini Prédiction Limites : Combustion du propane. Fraction unique de production de CO pour chaque maille. 32

33 Résultats Echelle produit fini Résultats : Siège + Brûleur Brûleur Propriétés produit : Propriétés validées échelle matériau Propriétés thermo-physiques de la coque Barrière anti-vandalisme Réaction de combustion : multi combustibles Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO. Essai produit fini Prédiction Jeu de données validé à cette échelle pour ce siège Multi combustibles? 33

34 Application : scénario Sélection du scénario via une analyse de risque Simulation de l incendie du scénario Distribution des effluents gazeux Simulation de la propagation et la combustion des produits Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux Simulation de la décomposition thermique de la matière PU + Mélamine 34

35 Application : scénario Echelle réelle Démarche de travail : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario (géométrie, condition initiales et limites) Essai scénario Prédiction du comportement au feu et génération du CO 35

36 Application : scénario Echelle réelle Résultats : t = 0s, puissance du brûleur = 75 kw t = 40s, trois portes s ouvrent t = 120s, puissance du brûleur = 150 kw t = 600 s, arrêt du brûleur Mesures à échelle réelle : Température (siège et couloir) Opacité des fumées Concentration des gaz (deux points de mesure) Surface impactée des produits P1 P2 36 Méthodologie Résultats Scénario Conclusion

37 Application : scénario Echelle réelle - Résultats : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario Essai scénario Prédiction P2 P1 P1 Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO 2. P2 37

38 Application : scénario Echelle réelle - Résultats : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario P1 P2 Essai scénario P1 Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO P2 Prédiction Nouvelle approche : prescrire une quantité de CO à partir des résultats expérimentaux 38

39 Application : scénario Echelle produit fini : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario Paroi + Brûleur Essai scénario Prédiction Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO. Essai produit fini Nouvelle approche pour générer CO Hypothèses approche prescrite : Chaque unité de surface dégage la même quantité de CO. La quantité dégagée de CO provient de l essai du MBI (flux incident 50 kw/m 2 ). Espèces injectées considérées nonréactives. 39

40 Application : scénario Echelle produit fini : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario Paroi + Brûleur Essai scénario Prédiction Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO. Essai produit fini Nouvelle approche pour générer CO Jeu de données validé à cette échelle produit fini Echelle du scénario? 40

41 Application : scénario Echelle réelle - Résultats : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario Essai scénario Prédiction P1 P2 Essai produit fini Nouvelle approche pour générer CO P1 Limite numérique : Résultats de CO simulé surestimés (CO injecté qui provient du bruleur peut être influencé par la géométrie de l essai à l échelle produit). Limites expérimentales : Incertitude de mesure. Répétabilité de l essai. 41

42 Application : scénario Echelle réelle - Résultats : Propriétés validées à l échelle produit fini Scénario Essai scénario Prédiction P2 P1 P2 Essai produit fini Nouvelle approche pour générer CO Approche prescrite : Bonne alternative au modèle Cependant nécessite des données expérimentales (Echelle produit semi-fini dans ce cas). 42

44 Conclusion Analyse de risque incendie Sélection des scénarios et produits représentatifs Etude multi échelles appliquée à deux produits Approche multi échelles : Compréhension du comportement au feu des matériaux. Données d entrée pour FDS. Application au scénario sélectionné 44

45 Conclusion TGA/DSC Approche Multi échelles Echelle de la matière : Influence de la concentration d O 2 sur la phase condensée lorsque le matériau est soumis à un flux de chaleur. Recommandation du couplage ATG+IRTF pour valider les mécanismes réactionnels. Mécanisme réactionnel de chaque matériau simplifié. Optimisation des paramètres cinétiques. Echelle du matériau : Compréhension du comportement au feu de la phase condensée du matériau. S adapter aux limites des modèles de FDS en fonction de cette compréhension. Difficulté à simuler la réaction au feu lorsque le matériau est exposé à un faible flux. 45

46 Conclusion Echelle produit fini : TGA/DSC Approche Multi échelles Compréhension du comportement au feu dans des conditions d utilisation finale. Présence de multi-combustibles. Difficulté à simuler la génération du CO. Approche prescrite pour le CO validée à cette échelle selon une nouvelle approche. Echelle Scénario : Difficulté à simuler la réaction au feu lorsque le matériau est exposé à un faible flux. Meilleur résultat pour le CO obtenu par l approche prescrite. Répétabilité des essais à grande échelle. 46

47 Perspectives TGA/DSC Approche Multi échelles Modèle de combustion de FDS à 2 étapes Tester l approche prescrite pour le CO avec d autres gaz. Amélioration du modèle de combustion à fraction de mélange de FDS (multi combustibles). Tester les modèles de FDS version 6. 47

48 Merci de votre attention Doctorant : Anycée CAMILLO Directeur de thèse : Thomas ROGAUME Co-encadrants : Eric GUILLAUME, Franck RICHARD 48