Effets du feu sur les personnes

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1 Document LNE : G / C672X01 / CEMATE/1 Effets du feu sur les personnes Synthèse bibliographique - Juillet 2006 Eric GUILLAUME Responsable des activités Transports, Meubles Rembourrés, Toxicité et Ingénierie de la Sécurité Incendie, Division Comportement au Feu, Centre Energie, Matériaux, Emballage (CEMATE), Laboratoire national de métrologie et d essais (LNE)

2 Remerciements Nous tenons à remercier le service de documentation du LNE, et particulièrement Mme Poirot pour toutes ses recherches. L équipe de la division Comportement au Feu du LNE, et particulièrement Laurent Saragoza qui a fortement contribué, par ses lectures et avis, à l élaboration de ce document. Merci encore à Laurent pour son rôle de premier relecteur. Sa lecture approfondie et ses commentaires ont été fort utiles à la structure du document. Merci à Arvin Chaturvedi et Hervé Bazin pour leurs contributions personnelles. Les avis de David Purser, Gordon Hartzell, Juergen Pauluhn, Richard Gann et Loïc Chesné ont aussi été profitables et ont permis de construire le document le plus complet possible. Enfin, nous tenons à remercier tous les relecteurs, en particulier Franck Didieux du LNE, Daniel Joyeux et Yannick Le Tallec du CTICM, Philippe Fromy du CSTB pour leurs avis et le temps passé à étudier un tel document. Effets du feu sur les personnes Page 2/163

3 Table des matières 1 Introduction Généralités Effets du feu et stades de développement Effets psychologiques et physiologiques de l exposition au feu Statistiques relatives à l effet du feu sur les personnes Références Effets du flashover sur le changement de régime de feu Introduction Définition du flashover et critère d atteinte Critères de flashover Effet du flashover sur les personnes Références Risques liés à la perte de visibilité durant l évacuation Symboles et définitions Intérêt de la détermination de la visibilité des fumées Approche théorique de la production de fumées Evaluation de la quantité de fumée Modèles de visibilité Utilisation de l évaluation de l opacité des fumées en France Conclusions sur les modèles de visibilité Références Effets thermiques du feu sur les personnes Généralités Flux thermique radiatif incident Température Dose thermique globale Utilisation de l évaluation de l effet thermique sur les personnes en France Références Effets toxiques des effluents du feu Définitions Le danger lié à la toxicité des fumées Les espèces toxiques à considérer Les méthodes d analyse des fumées Critères d exposition Modèles de toxicité aiguë Effet toxique à long terme Utilisation de l évaluation de la toxicité des fumées en France Références Autres effets du feu sur les personnes Risque d anoxie Risque lié aux particules présentes dans les fumées Références Modélisation de l effet du feu sur les personnes Généralités Modélisation des différents effets du feu Perspectives et limitations Références Effets du feu sur les personnes Page 3/163

4 1 Introduction Le premier objectif des études d ingénierie de sécurité incendie est la préservation des personnes. Cet objectif consiste à évaluer les risques induits par le feu sur les personnes avoisinantes d une part en terme d incapacitation, ce qui sous-entend la préservation de la capacité des personnes à évacuer les lieux d un sinistre par leurs propres moyens, mais aussi en termes de létalité. Les risques liés au feu sur les personnes exposées sont principalement de trois natures : - La perte de visibilité : elle retarde l évacuation, désoriente les foules et peut les exposer plus longtemps ou de manière plus importante aux autres effets ; - Les risques thermiques liés au feu et aux fumées : ils peuvent entraîner l incapacitation ou une létalité au sein des populations. Ils sont liés au flux thermique et à la température ; - Les risques toxiques du feu : ils sont liés aux espèces chimiques présentes dans les fumées, et sont les plus importants. Ils sont incapacitants ou létaux, parfois à des distances considérables des foyers. A ces facteurs s ajoute le risque de développement rapide et incontrôlable du feu par flashover. Le risque pour les personnes dépend alors des trois critères sus-cités, mais le principal danger vient de l étape rapide que constitue le flashover dans l incendie. D autres effets sur les personnes peuvent s ajouter, comme l anoxie liée au manque d oxygène et les risques d étouffement liés à la présence de particules de suies. Les différents paragraphes qui suivent présentent l état de l art des connaissances dans le domaine. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre de l action 17 «Sécurité des personnes, comportement humain» du Projet National Ingénierie de la Sécurité Incendie. Du fait de l importance de ces travaux pour la communauté scientifique française et du financement alloué par le Projet National pour sa réalisation, le Laboratoire national de métrologie et d essais a complété et approfondi le travail sur financement propre de sa fiche R&D 199 «Ingénierie de la sécurité incendie». Effets du feu sur les personnes Page 4/163

5 2 Généralités 2.1 Effets du feu et stades de développement Les effets d un feu dépendent de son état de développement. Les risques présentés dans l introduction sont donc fortement corrélés avec le stade de développement du feu. Les feux peuvent être classés en quatre catégories : Les feux couvant ou sans flammes. Les feux bien ventilés avec des flammes importantes. Les feux mal ventilés. Les feux post-flashover. Note : Ces catégories diffèrent légèrement de celles présentées dans la norme ISO TS : 2004 : Lignes directrices pour l'évaluation des dangers du feu pour les personnes. En particulier, dans cette spécification technique, les deux dernières catégories sont groupées Les feux sans flammes Les feux sans flammes se produisent si les conditions de ventilation sont insuffisantes, la combustion des matériaux étant incomplète. La fumée dégagée contient alors de nombreux composés organiques et irritants [2]. Les observations suivantes peuvent être faites : Une très faible quantité de matériau décomposé peut causer des effets sévères sur les personnes. Par exemple, une exposition pendant une heure à des gaz de pyrolyse présents sous les seuils olfactifs peut conduire à une inflammation pulmonaire, ainsi qu à une intoxication sévère au monoxyde de carbone. Chaque année, les feux couvant font de nombreuses victimes. Le décès est consécutif à une longue exposition aux gaz de combustion sans que la victime ait pu en prendre conscience. La décomposition des matériaux en milieu sous-oxygéné est souvent très lente. Un délai significatif peut s écouler avant qu une concentration gazeuse dangereuse soit atteinte. Ce sont les personnes endormies qui encourent le plus grand risque. Elles sont tout d abord intoxiquées par le monoxyde de carbone, les gaz irritants provoquant ensuite de sérieux dommages pulmonaires Les feux en cours de développement Pour de tels feux les conditions de décomposition, particulièrement le rapport air/carburant, sont primordiaux et vont déterminer la quantité de gaz toxiques dégagée. A ce stade, les principaux dangers sont la température et le monoxyde de carbone puisque la quantité de fumée opaque et de gaz irritants est généralement faible, bien que variable en fonction du combustible considéré. Si le feu devient important, la température s élève et la quantité d air nécessaire à l entretien d une combustion complète devient rapidement insuffisante. La chimie de la combustion s en trouve alors modifiée et de nouvelles espèces gazeuses peuvent Effets du feu sur les personnes Page 5/163

6 être formées ou la répartition de celles-ci peut évoluer fortement. Le feu est contrôlé par la pyrolyse, puis s oriente vers un régime conditionné par la ventilation. Dans le cas d un feu se déclarant dans un local représentatif d une pièce d habitation, renfermant un fauteuil constitué de polystyrène et de polyéthylène, les événements suivants sont ceux de la référence [2] : Dès la troisième minute, la quantité de fumée présente entrave sérieusement l évacuation du fait de l obscurcissement et de la sensation d irritation. Durant la quatrième minute, la température atteint 220 C. Les personnes ressentent des brûlures sur la peau pouvant conduire à une incapacitation. A la cinquième minute, les gaz narcotiques provoquent une perte de connaissance. Le seuil de douleur due à la chaleur est atteint. Une personne exposée pendant plus de quatre minutes souffrira de brûlures de la peau et du larynx. Le décès pourra être du à l apparition d un œdème pulmonaire. Une personne exposée plus de six minutes, ne survivra pas plus d une heure après son évacuation Les feux mal ventilés A ce stade, la combustion est conditionnée par les conditions de ventilation. La référence [2] présente un exemple d effet de feu mal ventilé dans une pièce close. Dans ce cas, le taux d oxygène dans l air diminue très rapidement. Au-delà d une minute, il ne permet plus une combustion complète, et une fumée dense, riche en monoxyde de carbone (CO) et autres produits toxiques se dégage. L atmosphère devient rapidement mortelle [2]. Le décès de deux personnes a ainsi été constaté seulement quelques minutes après le début d un petit feu survenant dans une pièce close. Une analyse de sang a mis en évidence une dose de carboxyhémoglobine correspondant à seulement 50% de la dose létale admise. La conclusion tirée est que le décès est survenu suite à un manque d oxygène. Des essais ont montré que la combustion d un rideau de 500 g dans un local était à même de produire une atmosphère contenant 10 % d oxygène et 1 % de CO, potentiellement létale en quelques minutes [2]. Les revêtements muraux peuvent contribuer à la propagation du feu en dégageant des produits très toxiques, responsables d une atteinte irréversible de la santé des occupants. Ainsi, lors de l incendie survenu en 1989 à Manchester suite à un accident d avion, une analyse du sang des victimes a montré que leur décès était imputable au chlorure d hydrogène produit par la combustion du PVC, utilisé dans de nombreux revêtements [2]. Effets du feu sur les personnes Page 6/163

7 2.1.4 Les feux post-flashover De tels feux conduisent aux désastres majeurs et font de nombreuses victimes. Un feu postflashover est pleinement développé et sa vitesse de combustion et sa puissance dégagée sont élevées. Ainsi, la température atteint 1000 C et la quantité de fumée dégagée est importante. Ce type de feu peut conduire à l envahissement rapide d un immeuble par la fumée. Dans le cas d une mauvaise ventilation, l incendie consomme rapidement tout l oxygène de l air. Une atmosphère pauvre en oxygène, riche en CO et éventuellement en HCN se forme et se répand. Ces conditions réduisent considérablement les chances de fuite des occupants. Les feux post-flashover dégagent donc une fumée dense et hautement toxique qui se répand rapidement dans tout le local. C est elle qui est responsable de la plupart des décès. 2.2 Effets psychologiques et physiologiques de l exposition au feu Généralités En plus de toutes les incapacités préexistantes au sein des populations, les effets physiologiques et psychologiques liés à l'exposition aux effluents du feu peuvent affecter de manière significative la capacité des occupants à prendre les décisions efficaces pour accomplir leur propre évacuation ou pour se protéger Effets psychologiques Le déclenchement de l évacuation est lié à la perception par les occupants de leur capacité de tenabilité et aux diverses lignes de conduite possibles. La décision d évacuer ou non, et le choix d un chemin d évacuation impliquent la perception par les personnes des risques relatifs inhérents à chacune des décisions possibles. Cette perception est elle-même influencée par une combinaison de la vue de la fumée, du feu, de la sensation de la chaleur, de l'irritation oculaire et de la région supérieure de l appareil respiratoire. De façon générale, il est difficile d évaluer quantitativement les effets psychologiques d'une exposition au feu et fumées. De plus, leur effet principal conditionne le temps requis pour l évacuation. Effets du feu sur les personnes Page 7/163

8 2.2.3 Effets physiologiques Les effets psychologiques sont liés à des effets physiologiques qui peuvent avoir une influence sur la capacité physique des occupants à évacuer. La perte de visibilité par la fumée affecte la capacité des occupants à repérer et à évaluer efficacement leur situation par rapport aux sorties de secours. Certaines études expérimentales ont ainsi montré l effet de la densité de fumées sur la vitesse de déplacement et la capacité de mouvement. Les effets physiologiques résultant de l exposition aux effluents gazeux produits lors d un incendie peuvent conduire à différents degrés d atteintes irréversibles sur la santé, voire au décès. Ces effets sont les suivants : Diminution de l acuité visuelle à cause de l opacité de la fumée, de ses effets irritants et de la chaleur intense ; Brûlures cutanées par convection ou par rayonnement (flux thermique) ; Difficulté à respirer pouvant entraîner divers degrés de détresse respiratoire, voire conduire à l asphyxie ; (effets thermiques directs, paragraphe 5.3.1, colmatage des alvéoles par les suies, paragraphe 7.2) ; Perte de connaissance provoquée par l inhalation des gaz toxiques. D autres effets peuvent être considérés, comme le risque d anoxie induit par le manque d oxygène, ou l effet de colmatage des alvéoles pulmonaires par les suies. Les considérations majeures à prendre en compte pour évaluer les dangers physiologiques sont les suivantes : Le temps nécessaire à une atteinte irréversible sur la santé entraînant un retard dans l évacuation ; Le temps nécessaire pour que l atteinte irréversible sur la santé empêche l évacuation ; Le temps nécessaire à l apparition d une atteinte chronique, ou même pour provoquer le décès. L'irritation des régions de l appareil respiratoire aggrave souvent les effets dus à la perte de visibilité en affectant la vitesse de mouvement, la capacité à respirer efficacement, et la capacité à choisir des sorties de secours. L'exposition aux agents toxiques asphyxiants provoque principalement une dépression du système nerveux central, dont les effets se traduisent par un jugement altéré, une désorientation, la perte de coordination motrice et l inconscience. Pris conjointement, ces effets affectent le temps disponible et le temps requis pour l évacuation. Effets du feu sur les personnes Page 8/163

9 2.3 Statistiques relatives à l effet du feu sur les personnes Statistiques globales en France Généralités Origine incendies d'habitation domestique ont nécessité l'intervention des sapeurs pompiers en 2003 [4]. Ils ont pour départ : les locaux vide ordure (29%), souvent par malveillance, les chambres à coucher (sources du fumeur) (23%), les salles de séjour (21%), la cuisine (20%). Parmi ces sources, le défaut électrique représente environ le quart des départs de feux. Coût humain Parmi les 460 victimes recensées en 2003 (486 en 2002), 20 % des décès sont imputables à des barbecues allumés ou ravivés avec du White-Spirit ou de l alcool. Coût économique sinistres sont enregistrés par les assureurs, pour un coût moyen de euros. Le coût total des incendies domestiques s élève à environ 1,3 milliards d euros soit un coût supérieur de 160 % à celui engendré par le vol et de 30 % à celui provoqué par les dégâts des eaux Feux en milieu industriel Les statistiques de la CNAMTS [1] indiquent le nombre d incendies ayant entraîné des accidents de personnes en milieu industriel pour 2001 : - Les incendies en milieu industriel ont concerné 2 accidents sur et 2 décès sur 730. Le taux de décès est de 0,27 % - Le nombre de jours d incapacité temporaire imputables aux incendies a été de 5483, soit 0,02 %. Celui des taux d incapacité permanente a représenté 0,06 %. Les incapacitations ayant eu des effets pouvant contrecarrer une évacuation et ayant engendré des jours d interruption de travail est donc de 0,08 %. Ces chiffres montrent une prévalence faible des incendies graves dans l industrie. Néanmoins, les conséquences sont parfois très importantes : là où l incendie ne représente que 0,08 % d incapacités cumulées, il représente 0,27 % des décès. Les statistiques de la base ARIA du Bureau d analyse des risques et pollutions industrielles (BARPI) [3] indiquent que l incendie est la cause principale d accident industriel. Il représente 58 % des 2022 accidents recensés en Effets du feu sur les personnes Page 9/163

10 Feux en milieu domestique (habitation) En milieu domestique, l incendie représente en France victimes chaque année, dont 460 décès [4]. Un incendie se déclare toutes les 2 minutes, 1 sur 4 du fait d une installation électrique défectueuse. Ces chiffres correspondent à un taux de mortalité de 0,8 pour et un taux d incapacitation de 16 pour La FNSPF [4] indique de plus que la majorité des incendies se déclare la journée, mais que la majorité des décès survient la nuit, du fait de la détection retardée et de l état de veille (sommeil) des personnes. En 2003, il y a eu en France incendies d habitation. Le taux de victimes du feu, ayant eu des dommages même temporaires est donc de 10 %. Le taux de létalité est de 0,46 % dans les incendies domestiques. Ces chiffres sont bien plus importants que dans le domaine industriel Localisation des sinistres et populations concernées en France Bases de données INVS et INSERM Le taux de mortalité 1 par le feu en France est dans la moyenne haute européenne, d après l Institut de veille sanitaire [5]. Pour personnes, en 1999, ce taux est présenté cidessous par pays : Taux de mortalité du au feu pour habitants pour Taux de mortalité Pays-Bas Italie Allemagne Grande Bretagne Suède France Portugal Figure 1 : Taux de mortalité pour habitants en Europe Taux de mortalité : nombre de décès pour une population totale donnée. Ici, le taux de 0,7 pour habitants signifie donc que 7 décès sont imputables au feu en France par tranche de 1 million d habitants. Effets du feu sur les personnes Page 10/163

11 L analyse détaillée de ces chiffres montre que près de la moitié des décès est survenue dans la tranche d âge de 15 à 64 ans. Il n y a donc pas de surmortalité apparente en nombre chez les jeunes enfants et les personnes âgées, bien que celles-ci soient plus sensibles. Ce phénomène est vraisemblablement lié à une exposition plus importante des classes d âge intermédiaires. La référence [5] précise que tout âge confondu, une surmortalité masculine est observée et le sex-ratio est de 1,5. Cette surmortalité masculine atteint même 2,3 dans la tranche d âge ans. Bien que les causes ne soient pas spécifiées, il semble que les hommes aient tendance à plus s exposer (par exemple en tentant d éteindre les feux) et à être plus exposés du fait de leur taille en moyenne supérieure (le visage et la tête se trouvant plus exposés aux fumées). La référence [19] montre qu en situation d incendie, 70 % des hommes cherchent à intervenir sur le feu contre 33 % des femmes. Cette différence peut expliquer le déséquilibre homme/femme observé, celles-ci s exposant beaucoup moins que les hommes. La répartition des victimes par tranche d âge est présentée ci-dessous et dans les figures suivantes : Décès 0-14 ans ans 65 ans et plus Total Taux* 0-14 ans ans 65 ans et plus Total ,7 0,9 3,9 1, ,6 0,7 2,9 1, ,4 0,6 2,1 0,7 * : pour habitants Tableau 1 : Répartition des victimes par tranche d'âge En taux pour habitants, les classes de 65 ans et plus sont plus fortement touchées par la mortalité en cas d incendie. Le taux de mortalité a baissé fortement dans toutes les tranches d âge depuis Il est passé globalement de 1,3 à 0,7 décès pour habitants durant cette période. Effets du feu sur les personnes Page 11/163

12 Nombre de décès Evolution du nombre de décès liés à l'incendie en France 0-14 ans ans 65 ans et plus Total Années Figure 2 : Evolution du nombre de décès liés à l'incendie en France Effets du feu sur les personnes Page 12/163

13 Evolution du nombre de décès liés à l'incendie en France 1982 Taux pour habitants ans ans 65 ans et plus Total Années Figure 3 : Evolution du taux de décès liés à l'incendie en France Effets du feu sur les personnes Page 13/163

14 Les accidents provoqués par le feu sont référencés sous les codes X00 à X10 dans les codes CIM10 de l Organisation Mondiale de la Santé (OMS) [8] et de la direction générale de la santé. (Dans la précédente classification CIM9, ils étaient inscrits sous les codes E890 à E899). Ces codes sont ceux précisés dans les certificats de décès des personnes en France. L interrogation des données du CepiDC [6] [7] permet de préciser ces données par localisation, sexe et par tranches d âge. Ces statistiques sont très fiables, du fait de leur origine. Les codes CIM10 sont composés de 3 caractères principaux indiquant l exposition des personnes, suivies d un quatrième précisant l origine. Le caractère additionnel n a pas été étudié dans le présent document. Il inclut le type d établissement concerné. Les tableaux de synthèse des données du CepiDC sont présentés ci-dessous pour l année 2002 : Code CIM Correspondance 2 Total Homme Femme X00 : X01 : X02 : X03 : X04 : Exposition à un feu incontrôlé dans un bâtiment ou une structure. (incendie d habitation, ) Exposition à un feu incontrôlé à l extérieur des bâtiments ou structure (feux de forêt, ) Exposition à un feu contrôlé en bâtiment ou structure (chaudière, ) Exposition à un feu contrôlé à l extérieur des bâtiments ou structures (feux de camp, ) Exposition à des matériaux facilement inflammables (feux de gasoil, essence, ) X05 : Exposition suite à l inflammation des habits de nuit X06 : Exposition suite à l inflammation d autres vêtements X08 : Exposition à d autres sources de feu, fumée ou flammes X09 : Exposition indéterminée au feu Total victimes du feu (2002) Tableau 2 : Décès en France, d après la numérotation OMS Dans l analyse des données, il s avère que de nombreux enregistrements de décès liés au feu ne précisent pas le type d exposition (code X09). Dans les cas où l exposition est précisée, le décès est principalement liée aux feux incontrôlés (incendies), en particulier dans les habitations (code X01). Hors cas non précisés, ceux-ci représentent plus de 90 % des décès. Le Sex-ratio 3 total est de 1,5. Les données pour le code X00 (feux incontrôlés en bâtiment) et les taux de mortalité due au feu par rapport au nombre de décès sont présentés pour le code X00 dans les figures suivantes. 2 Ces catégories sont celles reprises par l OMS. Structure désigne tout environnement construit (entrepôts ) 3 Le sex-ratio indique le rapport entre le nombre de personnes de sexe masculin et féminin considérés. Un sexratio supérieur à 1 indique une prévalence masculine. Effets du feu sur les personnes Page 14/163

15 Mortalité - code CIM X00 Nombre de décès Femmes Hommes 0 <1 '1-4 '5-14 '15-24 '25-34 '35-44 '45-54 '55-64 '65-74 '75-84 '85-94 '95+ Tranche d'âge Figure 4 : Nombre de décès par tranche d âge et par sexe France, 2002 Effets du feu sur les personnes Page 15/163

16 Taux de décès - code CIM X00 Taux de décès dus au feu, par rapport au nombre total de décès. 1.40% 1.20% 1.00% 0.80% 0.60% 0.40% 0.20% Femmes Hommes 0.00% <1 '1-4 '5-14 '15-24 '25-34 '35-44 '45-54 '55-64 '65-74 '75-84 '85-94 '95+ Tranche d'âge Figure 5 : Taux de décès par tranche d âge et par sexe France, 2002 Effets du feu sur les personnes Page 16/163

17 Ces données montrent que les jeunes enfants présentent une susceptibilité particulièrement importante à cette cause de décès. Les enfants de sexe masculin, et d âge inférieur à 4 ans sont particulièrement concernés. Ces phénomènes sont principalement liés à l effet du feu sur les enfants, et en particulier des gaz toxiques, dont les effets sont détaillés au paragraphe Bases de données des SDIS (Hors BSPP et BMPM) Selon la source [10], les statistiques des pompiers, hors BSPP 4 et BMPM 5, sont reprises cidessous pour Ce tableau ne recense pas toutes les données existantes de tous les départements, mais seulement celles collectées dans la référence [10]. Décès Blessés graves 6 Blessés légers Etablissements recevant du public 19 8,9 % 18 3,6 % 207 6,1 % Habitations et bureaux ,0 % ,5 % ,0 % Locaux industriels 2 0,9 % 24 4,8 % 151 4,4 % Entrepôts et docks 1 0,5 % 6 1,2 % 35 1,0 % Véhicules 33 15,5 % 50 9,9 % 297 8,7 % Feux de forêt et de broussailles 8 3,8 % 21 4,2 % 91 2,7 % Feux de cheminées 3 1,4 % 70 13,9 % ,1 % Total Tableau 3 : Localisation des décès liés à l incendie en France, 1999 Le total pour la France entière est de 460 décès. L ajout des données de la BSPP et du BMPM ne suffit pas à compléter ce total. Les données présentées ci-dessus ne sont donc pas complètes pour l ensemble du territoire national et ne fournissent qu une indication de la répartition des types de sinistres rencontrés. Tant pour les décès que pour les blessés graves, il s avère que les deux tiers des victimes sont touchées dans le domaine de l habitation et des bureaux hors ERP. La seconde prévalence correspond aux incendies de véhicules. Ces données sont représentées graphiquement ci-après. 4 BSPP : Brigade des Sapeurs Pompiers de Paris, départements 75, 92, 93 et 94 5 BMPM : Bataillon des Marins Pompiers de Marseille 6 Les blessés graves sont ceux ayant été hospitalisés pour au-moins une nuit. Les blessés légers ont été traités par les pompiers sans hospitalisation Effets du feu sur les personnes Page 17/163

18 Répartition des décès - France (hors BSPP et BMPM) Feux de forêt et de broussailles 4% Véhicules 15% Entrepôts et docks 0% Feux de cheminées 1% Etablissements recevant du public 9% Locaux industriels 1% Habitations et bureaux 70% Figure 6 : Localisation des décès liés à l incendie, France, 1999 (Hors BSPP et BMPM) Effets du feu sur les personnes Page 18/163

19 Répartition des blessés graves - France (hors BSPP et BMPM) Feux de cheminées 14% Etablissements recevant du public 4% Feux de forêt et de broussailles 4% Véhicules 10% Habitations et bureaux 62% Entrepôts et docks 1% Locaux industriels 5% Figure 7 : Localisation des blessés graves liés à l incendie, France, 1999 (Hors BSPP et BMPM) Effets du feu sur les personnes Page 19/163

20 Répartition des blessés totaux - France (hors BSPP et BMPM) Feux de cheminées 19% Etablissements recevant du public 6% Feux de forêt et de broussailles 3% Habitations et bureaux 58% Véhicules 9% Entrepôts et docks 1% Locaux industriels 4% Figure 8 : Localisation des blessés liés à l incendie, France, 1999 (Hors BSPP et BMPM) Effets du feu sur les personnes Page 20/163

21 Informations de la Permanence Générale du LCPP La permanence générale du Laboratoire Central de la Préfecture de Police de Paris dispose d une base de donnée dans laquelle les victimes (décès et blessés emmenés à l hôpital) sont recensées sur les incendies pour lesquels ils interviennent, sur Paris et les départements 92, 93 et 94. L interrogation de la base [17] au 27 avril 2006 est présentée ci-dessous pour les blessés (ici, personnes ayant été conduites à l hôpital lors de l intervention des pompiers) et les décès : Table des blessés Année Total Nature de l affaire En nombre En % Attentat par engin incendiaire ,2% Attentat (autres et non classés) ,7% Déversement ,3% Incendie de bâtiment ,9% Incendie de cave ,7% Incendie de véhicule ,3% Incendie (autres et non classés) ,9% Total Tableau 4 : Base de la Permanence générale du LCPP : statistiques des blessés Table des décès Année Total Nature de l affaire En nombre En % Attentat par engin incendiaire ,0% Attentat (autres et non classés) ,5% Déversement ,5% Incendie de bâtiment ,7% Incendie de cave ,1% Incendie de véhicule ,8% Incendie (autres et non classés) ,3% Total Tableau 5 : Base de la Permanence Générale du LCPP : statistiques des décès Naturellement, les affaires considérées ne représentent pas l ensemble des affaires pour la zone couverte par la BSPP, mais uniquement celles ayant conduit à une intervention du LCPP, en général du fait de suspicion d acte de malveillance ou de procédure judiciaire. Ces éléments donnent néanmoins quelques indications. Les incendies criminels avérés ne représentent que 3,2 % des blessés et 3 % des décès. La grande majorité des victimes se retrouve dans les bâtiments. Enfin, en proportion, les feux de véhicules semblent faire plus de blessés que de décès, mais les valeurs sont statistiquement insuffisantes pour conclure de manière satisfaisante. 7 Statistique au 27 avril Statistique au 27 avril Effets du feu sur les personnes Page 21/163

22 2.3.3 Données étrangères : Statistiques du Canada Le Canada dispose de sources intéressantes. Bien que ces statistiques canadiennes soient intéressantes car très détaillées, elles ne sont pas nécessairement directement transposables dans le contexte européen. Néanmoins, elles présentent la manière de collecter les données. Dans la référence [9], pour 771 incendies étudiés en 1997, le nombre de décès est de 25 (16 adultes et 9 enfants), soit une moyenne de 1 décès pour 31 incendies. Le nombre de lésions traumatiques est de 45 (38 adultes et 7 enfants). Le taux de décès observé dans cette étude est de 3,2 % par incendie étudié. Le taux d incapacitation est de 5,8 % par incendie déclaré. Le rapport annuel des pertes causées par l incendie au Canada, présenté dans la référence [11], donne pour l année 2000 les informations suivantes : Un total de incendies a été rapporté, pour 327 décès et blessures, et un montant de pertes matérielles s'élevant à dollars canadiens (environ 850 millions d euros). Le taux de décès 9 par incendie est donc de 0,6 % par incendie et le taux d incapacitation 10 de 4,6 %. Le secteur de l'habitation est le plus touché par les incendies. En 2000, on y a enregistré incendies, soit 39 % du nombre total d'incendies signalés au Canada. Ces incendies ont entraîné 243 décès, soit environ 74 % des décès accidentels causés par l'incendie dans le pays. Ce chiffre est à comparer aux deux tiers environ obtenus en France. Cela représente un taux de décès de 1,1 %, ce qui est bien plus élevé que la moyenne. On meurt donc plus dans les feux d habitation que dans les autres types de sinistres. Quant aux pertes matérielles, elles se sont élevées à 529 millions de dollars canadiens (380 millions d euros), soit 45 % de la valeur totale des pertes. En comparaison, ces incendies d habitation ont donc le plus lourd tribut humain, mais pas nécessairement la plus forte incidence économique. 9 Le taux de décès représente le nombre de victimes de la cause considéré sur le nombre total de décès, à la différence du taux de mortalité, qui considère le nombre total d habitants. 10 Le taux d incapacitation représente le nombre de jours d incapacités liés à une cause sur le nombre total de jours d incapacité, toutes causes confondues. Effets du feu sur les personnes Page 22/163

23 Les détails sont repris dans le tableau et les graphiques suivants : Type de propriété Incendies Blessés Décès Nombre % Pertes (% du total) Nombre % Nombre % Bâtiment résidentiel ,48 44, , ,31 Lieu de rassemblement ,08 5, ,49 2 0,61 Etablissement public 462 0,86 0, ,94 7 2,14 Etablissement d affaire 588 1,09 2, ,92 0 0,00 Bâtiment commercial ,67 9, ,25 3 0,92 Usine, atelier de fabrication ,58 9, ,59 0 0,00 Bâtiment d entreposage ,45 5, ,33 6 1,83 Matériel de transport et propriétés spéciales ,60 11, , ,40 Propriétés diverses ,58 8, , ,79 Total Tableau 6 : Localisation des décès et blessés liés à l incendie au Canada, 2000 Note : Dans les références étudiées, les propriétés définies dans le tableau ne sont pas expliquées et diffèrent vraisemblablement du contexte français. Effets du feu sur les personnes Page 23/163

24 Répartition des incendies par nombre - Canada, 2000 Total = incendies Propriétés diverses 12% Bâtiment résidentiel 39% Matériel de transport et propriétés spéciales 36% Bâtiment d entreposage 2% Usine, atelier de fabrication 3% Bâtiment commercial 3% Lieu de rassemblement 3% Etablissement public 1% Etablissement d affaire 1% Figure 9 : Répartition des incendies par nombre et localisation, Canada, 2000 Effets du feu sur les personnes Page 24/163

25 Répartition des incendies par pertes - Canada, 2000 Propriétés diverses 11% Bâtiment résidentiel 40% Matériel de transport et propriétés spéciales 36% Bâtiment d entreposage 2% Usine, atelier de fabrication 3% Bâtiment commercial 3% Lieu de rassemblement 3% Etablissement public 1% Etablissement d affaire 1% Figure 10 : Répartition des incendies par pertes, Canada, 2000 Effets du feu sur les personnes Page 25/163

26 Répartition des incendies par blessés - Canada, 2000 Total = 2490 blessés Matériel de transport et propriétés spéciales 8% Propriétés diverses 5% Bâtiment d entreposage 2% Usine, atelier de fabrication 7% Bâtiment commercial 3% Etablissement d affaire 1% Etablissement public 4% Bâtiment résidentiel 68% Lieu de rassemblement 2% Figure 11 : Répartition des incendies par nombre de blessés, Canada, 2000 Effets du feu sur les personnes Page 26/163

27 Les détails du secteur résidentiel sont présentés ci-dessous : Type de bâtiment Logement pour une ou deux familles Appartement, logement, maison en rangée Maison à louer, pension, maison de chambre Hôtel, auberge, établissement de villégiature Incendies Nombre % Pertes (%) Nombre de blessés Nombre de décès % 51.4% % 11.6% % 0.7% % 1.6% 7 0 Auberge routière, motel % 0.1% 5 0 Dortoir % 0.2% 5 0 Maison mobile, caravane, roulotte % 2.5% Campement (usage saisonnier) 0 0.0% 0.0% 0 0 Divers % 31.8% Total % 100.0% Tableau 7 : Localisation des décès et blessés liés à l incendie au Canada, 2000, détails secteur résidentiel D autre part, ce document présente les variations du nombre de blessés et de décès depuis les dix dernières années. Les figures ci-après représentent ces différents éléments. Une baisse statistique des blessés et décès est observée depuis une dizaine d années. Ramenées à la population, des données comparables pour l année 1999, issues de la référence [12] permettent d établir les statistiques suivantes : Le taux d incendies est de l ordre de 180 pour habitants en Il était de près de 360 pour habitants en Dans la même période, le taux de mortalité par l incendie pour habitants est passé de plus de 2,5 à moins de 1 (rappel : 0,7 pour la France en 1999). Le taux de blessés est de l ordre de 5 pour habitants. Par type de logement, la fréquence et les effets des incendies sont les plus importants pour les logements d habitation. Les décès et les blessures liés à l incendie sont 11 à 12 fois plus nombreux dans les maisons de chambres et d hébergement que dans les maisons familiales. Les décès survenant dans les incendies de mobil-home sont six fois plus importants que dans les maisons familiales. De plus, les décès lors d incendies en milieu rural s avère plus important, de 1,5 à 4,3 fois plus que dans les zones urbaines. Le milieu rural est un facteur aggravant du fait des sources et de la distance des secours. Effets du feu sur les personnes Page 27/163

28 Incendies de bâtiments résidentiels Répartition par nombre selon le type de logement Canada, 2000 Divers 35% Logement pour une ou deux familles 44% Campement (usage saisonnier) 0% Maison mobile, caravane, roulotte 3% Dortoir 0% Auberge routière, motel 0% Hôtel, auberge, établissement de villégiature 1% Maison à louer, pension, maison de chambre 1% Appartement, logement, maison en rangée 16% Figure 12 : Répartition des incendies par nombre et localisation, Canada, 2000, détails bâtiments résidentiels Effets du feu sur les personnes Page 28/163

29 Campement (usage saisonnier) 0% Incendies de bâtiments résidentiels Répartition par blessés selon le type de logement Canada, 2000 Divers 22% Maison mobile, caravane, roulotte 2% Dortoir 0% Auberge routière, motel 0% Hôtel, auberge, établissement de villégiature 0% Logement pour une ou deux familles 47% Maison à louer, pension, maison de chambre 2% Appartement, logement, maison en rangée 27% Figure 13 : Répartition des incendies par nombre de blessés, Canada, 2000, détails bâtiments résidentiels Effets du feu sur les personnes Page 29/163

30 Incendies de bâtiments résidentiels Répartition par décès selon le type de logement Canada, 2000 Divers 26.7% Campement (usage saisonnier) 0.0% Maison mobile, caravane, roulotte 4.9% Logement pour une ou deux familles 51.0% Dortoir 0.0% Auberge routière, motel 0.0% Hôtel, auberge, établissement de villégiature 0.0% Maison à louer, pension, maison de chambre 0.0% Appartement, logement, maison en rangée 17.3% Figure 14 : Répartition des incendies par nombre de décès, Canada, 2000, détails bâtiments résidentiels Effets du feu sur les personnes Page 30/163

31 Evolution du nombre de blessés et de décès sur 10 ans, Canada Nombre de blessés Blessés Décès Nombre de décès Figure 15 : Répartition du nombre de blessés et de décès liés à l incendie, Canada, Effets du feu sur les personnes Page 31/163

32 2.3.4 Causes des décès et des incapacitations Causes des décès liés au feu Très peu de données sont disponibles quant aux causes de ces décès, en particulier s ils sont liés à des effets thermiques ou plutôt à une intoxication, et dans ce dernier cas, quelle en était la cause. Aucune donnée spécifique à la France n a ainsi été obtenue, l origine de ces données provenant principalement de sources anglo-saxonnes. Les experts de la référence [13] s accordent pour estimer que les décès par inhalation d espèces toxiques dans le feu interviennent dans environ les deux tiers aux trois quarts des cas. Dans ces cas d intoxication létale, 90% des décès seraient liés presque exclusivement à CO et HCN. Levin [14] apporte des précisions intéressantes. En 1990, 76% des décès dans le feu seraient imputables à l inhalation de gaz toxiques [15]. Ce pourcentage a subi une croissance de 1% par an de 1979 à Ainsi, bien que le nombre total de décès liés au feu diminue partout en Europe et en Amérique du nord, le pourcentage attribué aux fumées augmente [16]. Les statistiques compilées par Hall [15] sont présentées ci-dessous : Année Décès totaux Inhalation fumée Brûlure Autres Tableau 8 : Causes de décès selon Hall, USA, Effets du feu sur les personnes Page 32/163

33 Evolution des causes de décès selon Hall, , USA 7000 Nombre de victimes Autres Brûlure Inhalation fumée Années Figure 16 : Répartition des causes de décès liés à l incendie, en nombre de victimes, USA, Effets du feu sur les personnes Page 33/163

34 Evolution des causes de décès selon Hall, , USA Propoortion (%). 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Années Autres Brûlure Inhalation fumée Figure 17 : Répartition des causes de décès liés à l incendie, en proportion, USA, Effets du feu sur les personnes Page 34/163

35 Les détails des décès ayant eu lieu dans les bâtiments sont présentés ci-après : Année Total Inhalation de fumées Brûlure Causes inconnues Autres causes Tableau 9 : Causes de décès selon Hall, USA, , détails pour les bâtiments Effets du feu sur les personnes Page 35/163

36 Evolution des causes de décès selon Hall, feux de structures, , USA 6000 Nombre de victimes Autres causes Causes inconnues Brûlure Inhalation de fumées Années Figure 18 : Répartition des causes de décès liés à l incendie, en nombre, USA, , détails pour les bâtiments Effets du feu sur les personnes Page 36/163

37 Evolution des causes de décès selon Hall, feux de structures, , USA Proportion (%). 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Années Autres causes Causes inconnues Brûlure Inhalation de fumées Figure 19 : Répartition des causes de décès liés à l incendie, en proportion, USA, , détails pour les bâtiments Effets du feu sur les personnes Page 37/163

38 L analyse détaillée de ces statistiques montre que, bien que le nombre total de décès ne cesse de diminuer, la part imputable à l inhalation de fumées croit. Cette part est bien plus importante dans les feux de bâtiments que dans les autres feux. En résumé, on meurt plus par inhalation de gaz toxiques dans les bâtiments et par brûlure dans les autres feux. La plupart des victimes décédées par inhalation de la fumée sont retrouvées à une distance souvent importante du foyer. Hall a exploité à la date de cette publication importante (1995) des données de 1979 à Il indique par ailleurs que le rapport entre décès par inhalation et par brûlure est probablement en 1995 de l ordre de 3 pour 1, soit 75 % Causes des incapacitations liées au feu Pour les incapacitations non létales, les données sont encore plus difficiles à obtenir. La référence [18] présente les statistiques obtenues au Royaume-Uni sur les effets des incendies n ayant pas entraîné de décès. Elles sont résumées dans le tableau ci-dessous et présentées graphiquement page suivante : Année Nombre total de blessés par le feu Nombre de blessés suite à une exposition aux gaz et fumées ,4% ,2% ,1% ,2% ,6% ,8% ,6% Tableau 10 : Victimes non décédées des incendies, Royaume-Uni, Le nombre de victimes non décédées dans les incendies suite à l inhalation de fumées est de l ordre de 30 à 40 %. Cette valeur est à comparer aux valeurs de létalité. Elle montre que le risque toxique engendre principalement des décès. Le nombre relativement bas des blessés suite à l inhalation montre que la survie est bien plus compromise que pour les autres effets du feu. Effets du feu sur les personnes Page 38/163

39 Nombre de blessés dans les incendies, Royaume Uni Nombre de blessés Nombre total de blessés par le feu Nombre de blessés suite à une exposition aux gaz et fumées Année Figure 20 : Victimes non décédées des incendies, Royaume-Uni, Effets du feu sur les personnes Page 39/163

40 2.3.5 Conclusions Quelle que soit l origine, ces statistiques montrent une prévalence des feux d habitation dans ceux causant le plus de victimes. Près des deux tiers des décès et des blessés se retrouvent ainsi dans les feux domestiques. Les feux dans les véhicules représentent la deuxième cause de décès en France. Néanmoins, le nombre de victimes a considérablement diminué ces dernières années. Les principaux effets de population observés sont une prévalence significative des décès masculins, plus particulièrement en taux pour les tranches d âge de moins de 5 ans et en nombre pour les tranches d âge ans. Très peu de données ont été obtenues quant à la cause de ces décès, mais les trois quarts semblent liés à l inhalation des fumées, et en particulier à l effet toxique. Cette proportion augmente, bien que le nombre total de victimes diminue. Des statistiques détaillées montrent par ailleurs que cette statistique ne se vérifie pas pour les blessés, ce qui signifie que les inhalations de fumée conduisent plus fréquemment au décès que les autres effets du feu. 2.4 Références [1] INRS ED5005 (2003) : le point des connaissances sur incendie et lieu de travail [2] Purser, D.A. in Improved Fire and Smoke-Resistant Materials for Commercial Aircraft Interiors: A Proceedings (1995) [3] Base ARIA Bureau d analyse des risques et pollutions industrielles (BARPI) : [4] Campagne nationale de prévention des incendies domestiques 2004 Dossier de Presse INPES 2004 [5] Institut de veille sanitaire BEH n 19-20/2004 Les accidents de la vie courante Mortalité par accidents de la vie courante : près de décès chaque année en France métropolitaine, C. Ermanel, B. Thélot [6] Base de données CépiDC de l INSERM IFR69 : interrogation sur les causes de décès en France - [7] Institut de veille sanitaire BEH n 30-31/2003 : Certification et codification des causes médicales de décès, Gérard Pavillon, Françoise Laurent, Centre d épidémiologie sur les causes médicales de décès, CépiDc-Inserm, Le Vésinet [8] Organisation Mondiale de la Santé : World Health Organisation, accès à la rubrique ICD : International Classification of Dies [9] Pertes causées par les incendies dans les Premières nations, Données tirées du rapport Pertes imputables aux incendies de 1997, AINC Effets du feu sur les personnes Page 40/163

41 [10] M. Huet M. Augereau, Face au Risque n 359 janvier CNPP Entreprise SARL [11] Council of Canadian Fire Marshals and Fire Commissioners - Rapport annuel Les pertes causées par l'incendie au Canada [12] Le point en Recherche - Août Série socio-économique Statistiques des incendies dans les habitations au Canada [13] G.L. Nelson, Carbon monoxide and fire toxicity : a review and analysis of recent work, Fire technology, vol 34, n 1, 1998,pp [14] Levin, B. C.; Kuligowski, E. D. : Toxicology of Fire and Smoke. Inhalation Toxicology. 2nd Edition. Chapter 10, CRC Press (Taylor and Francis Group), Boca Raton, FL, Salem, H.; Katz, S. A., Editor(s), p., 2005 [15] Hall, J.R, Jr, Harwood B, Smoke or Burns Which is Deadlier? NFPA Journal, January/February, 38-43, 1995 [16] Nelson, G.L., Fire and Polymers II, Materials and Tests for Hazard Prevention, Ed. ACS Symposium Series 599, American Chemical Society, Washington DC, 1995 [17] Interrogation de la base de donnée de la Permanence Générale, H. Bazin, Laboratoire Central de la Préfecture de Police de Paris, communication personnelle (27 avril 2006) [18] Safe Tolerable Limits for Carbon Monoxide? A Review of the Clinical and Fire Engineering Implications of a Single, Acute, Sub-Lethal Exposure, S.D. Christian, T.J. Shields, Journal of Fire Sciences, vol. 18, 2000, pp [19] Behavioral Response to Fire and Smoke, J.L. Bryan, The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 2 nd Edition, Section 3 / Chapter 12, National Fire Protection Association, Quincy, Massachusetts, Effets du feu sur les personnes Page 41/163

42 3 Effets du flashover sur le changement de régime de feu 3.1 Introduction Le stade de développement du feu est un point clé conditionnant le risque encouru par les personnes (voir paragraphe 2.1). Ainsi, un changement rapide des conditions thermiques au niveau du foyer peut avoir des conséquences considérables sur les effluents du feu. Le flashover correspond à une période particulière du développement du feu. Subitement, le flux thermique s accroît, ainsi que la quantité et la température des effluents, leur nature se trouvant modifiée. A ce stade, les personnes ont vraisemblablement évacué le local de départ du feu, mais tous ces effets peuvent avoir un impact considérable sur les conditions de leur évacuation, des victimes étant retrouvées fréquemment en des points éloignés du foyer. Dans une étude de risque du feu sur les personnes, la proximité de ce stade de flashover est donc un paramètre à considérer au même titre que les autres risques directement inhérents aux effets du feu. 3.2 Définition du flashover et critère d atteinte Dans un espace bâti, le développement du feu est influencé par l environnement : s il y a assez de combustible et d air, le développement du feu va atteindre une phase lors de laquelle toutes les surfaces combustibles s embrasent. A ce moment, le feu entre dans un stade totalement développé. Le flashover correspond à la période rapide de croissance du feu. 1 Débit Période de développement Flashover Feu pleinement développé Période de décroissance Feu s éteignant (conditions du flashover non atteintes) 2 Temps Figure 21 : Courbe de développement d un incendie d habitation Il n existe pas de définition précise du flashover, car il ne représente pas un état précis de l incendie comme l allumage. Il correspond à la période de transition rapide entre deux régimes de combustion. Avant le flashover, le feu est limité à un ou quelques objets qui Effets du feu sur les personnes Page 42/163

43 représentent une faible part de la charge calorifique et de la surface disponible. A la suite du flashover, tous les objets combustibles brûlent. Physiquement, le feu produit des gaz et des suies qui transportent une part de l énergie dans l espace formant la couche chaude de fumée. On estime généralement cette part comme étant de l ordre de 70 % du débit calorifique de la source. Cette énergie potentielle est dissipée en partie, par exemple de manière thermique dans le plafond. Cependant, la couche chaude en transporte une grande part sous forme de gaz et de solides chauds. La température de cette couche s élève avec la production de chaleur par le foyer initial. Les effluents, chargés en suies, émettent alors de la chaleur sous forme radiative vers un point de l espace selon la loi de Stefan-Boltzmann : avec : Q r = φ ε σ Q r : Eclairement énergétique émis par une fumée à la température T f (W/m²) ; φ : Facteur de configuration géométrique, dépendant de l angle entre l émission de la chaleur et le point considéré ; ε : Emissivité de la fumée ; σ : Constante de Stefan Boltzmann (σ = 56, W.m - ².K -4 ) ; T f : Température moyenne des fumées (K) Note : en retour, ce point étant à une température non nulle, un bilan de flux thermique est à établir entre le flux reçu et le flux émis au point considéré. 4 ( T f ) Dans un système stratifié, lorsque ce flux thermique radiatif produit par la couche chaude en direction du sol devient important, les matériaux environnants s embrasent. La plupart des auteurs estiment qu au-delà d un flux de 25 kw/m², l embrasement des matériaux combustibles se produit spontanément. Il y a alors occurrence de flashover : le développement du feu s accélère et la combustion concerne tous les matériaux disponibles. L embrasement ne se fait pas de proche en proche, mais simultanément à chaque endroit de la zone sous la couche chaude. Dans certains cas, cet embrasement a lieu lorsque de grosses quantités de gaz combustibles (gaz de pyrolyse et monoxyde de carbone) sont transportées par les fumées. Il y a alors combustion inversée, le combustible se trouvant alors dans la partie supérieure et le comburant au-dessous. Les conséquences sont les mêmes que précédemment : le rayonnement devient alors très intense et peut être suffisant pour provoquer l inflammation des autres items de la pièce. Ce phénomène de flamme inversée se rencontre avec les combustibles produisant de grosses quantités de gaz de pyrolyse. Effets du feu sur les personnes Page 43/163

44 3.3 Critères de flashover Les observations expérimentales montrent que le flashover se produit si la température au niveau du plafond est suffisante pour engendrer le flux radiatif nécessaire. Peacock [1] a résumé les différentes études sur le sujet, reprises dans le tableau ci-dessous : Auteur Température de la couche chaude ( C) Flux thermique critique au niveau du sol (kw/m²) Häggland Fang Budnick et Klein Lee et Breese Babrauskas Fang et Breese 706 ± Quintiere et Mc Caffrey ,7-25 Thomas Parker et Lee - 20 Tableau 11 : Conditions de Flashover Synthèse de Peacock En résumé, Peacock propose les valeurs limites de 600 C au niveau du plafond et 20 kw/m² au sol comme conditions nécessaires au flashover. Pour tous les auteurs étudiés, le dispositif expérimental est à chaque fois différent, et le combustible n est pas toujours identique. Certaines valeurs s écartent de manière significative des limites proposées par Peacock. En effet, le temps de montée en température peut également jouer un rôle sur la température critique observée au flashover. Il convient alors de considérer les bilans thermiques en prenant en compte les pertes de chaleur par les ouvertures et par les parois de l environnement étudié. Effets du feu sur les personnes Page 44/163

45 La limite de 20 kw/m² est à comparer à la valeur de 25 kw/m² communément admise pour l inflammation spontanée et immédiate de la plupart des matériaux et avec les flux critiques inflammation pilotée de différents matériaux, pour des temps d exposition pouvant atteindre 20 minutes et repris dans le tableau suivant : Matériau Flux critique Cône calorimètre ISO 5660 (kw/m²) Flux critique Test d inflammabilité ISO 5657 (kw/m²) Polyéthylène (PE) PMMA PX 9,5 9,5 PMMA FINN 12 8 Polypropylène (PP) 10,5 10 Polystyrène (PS) 8,5 13,5 Polyoxyméthylène (POM) 9,5 9,5 Carton 6 11 Panneau de bois aggloméré Tapis polyamide - 18 Gel coat polyester Tableau 12 : Flux critiques d inflammation de différents matériaux Note : Un matériau combustible de faible épaisseur comme un papier peint ou une peinture, placé sur un solide dense et non combustible comme un support métallique d épaisseur importante, ne peut pas être enflammé sans recourir à un flux très important, supérieur à 40 kw/m². En effet, l énergie apportée sous forme de flux thermique est dissipée dans le support. L inflammation peut être par ailleurs facilitée par des dispositions comme les angles, par effet de cheminée. La dispersion des valeurs observées par Peacock montre que les critères de température et de flux thermique seuls sont insuffisants pour caractériser toutes les occurrences de flashover. Hägglung a le premier montré qu un débit de combustion minimum était en outre nécessaire. Cela peut se traduire par un débit calorifique suffisant pour générer les conditions de l embrasement généralisé, car les pertes de chaleur par les parois et les ouvertures sont dépassées par la production de chaleur. Pour que la température sous le plafond augmente suffisamment, il faut en effet que l énergie dégagée sous forme de débit calorifique soit nettement supérieure à celle perdue par la ventilation naturelle et la dissipation thermique à travers les parois de la pièce en essai. Thomas et Mc Caffrey [4] ont ainsi démontré que la température sous le plafond pouvait être corrélée avec deux nombres adimensionnels X 1 et X 2 représentant respectivement le débit calorifique et l énergie perdue par dissipation de la chaleur. Effets du feu sur les personnes Page 45/163

46 Cette corrélation est présentée ci-dessous : X X 1 2 = g = g Q 1 2 ( C ρ ) T A H p 0 c 0 w 1 2 ( C ρ ) A H p h A k 0 t w Figure 22 : Corrélation de Mc Caffrey avec : Q c : Débit calorifique convectif (en kw) ; C p : Capacité thermique massique à pression constante des fumées (kj/kg.k) ; ρ o : Densité de l air à température ambiante (kg/m 3 ) ; T o : Température ambiante (K) ; A w : Surface de l ouverture (m²) ; H : Hauteur de l ouverture (m) ; h k : Coefficient effectif de perte de chaleur à travers les parois (kw/m².k) ; A t : Surface interne d échange entre les parois et le compartiment (m²). Les paramètres N et M permettent d ajuster la régression. La corrélation obtenue a permis de déduire l équation de Mc Caffrey, présentée ci-dessous : T = 480 X X Effets du feu sur les personnes Page 46/163

47 La résolution de cette équation permet le calcul du débit calorifique critique. En utilisant les termes adéquats, Drysdale [2][3] a proposé de calculer le débit calorifique critique pour atteindre le flashover comme étant la valeur correspondant à une élévation de température de 500 K. Dans ce cas, l équation devient : Q FO 1 ( h A A ) 2 = 610 H k t w Peacock a proposé une résolution simplifiée de l équation de Mc Caffrey, basée sur une température de la couche chaude supérieure à 600 C. Dans ce cas, le débit calorifique nécessaire pour obtenir des conditions de flashover est donné par la formule figurant cidessous : Q FO 1 ( h A A ) 2 = 740 H k t w Hägglund et Babrauskas [5] ont proposé une autre résolution de l équation de Mc Caffrey, donnant l équation suivante : Q FO 1,2 = 1050 A t At / Aw 3 + 0,247 H Dans chacune des équations présentées, Q FO désigne le débit calorifique critique pour qu il y ait occurrence de flashover (en kw). Il existe bien entendu différentes autres techniques pour définir l occurrence du flashover. En particulier, dans de nombreuses situations, la surface du foyer peut être suffisante pour déterminer le débit calorifique critique. 3.4 Effet du flashover sur les personnes Les risques inhérents au flashover sont décrits dans les parties suivantes : effets de flux thermique, sur les gaz (visibilité, toxicité, température). En particulier, les effets thermiques sont prépondérants dans cette phase de l incendie. Ces risques sont étudiés en dehors de la zone soumise à une occurrence de flashover, car celui-ci correspond à un niveau de flux du plafond vers le sol près de 10 fois supérieur à celui supportable pour les personnes (paragraphe 5.2). Toutefois, il est éventuellement à envisager pour les sapeurs pompiers intervenant dans un grand volume (de type entrepôt par exemple), dans lequel ils pourraient se retrouver piégés. Effets du feu sur les personnes Page 47/163

48 3.5 Références [1] R.D. Peacock, P.A. Reneke, R.W. Bukowski, V. Babrauskas - Defining flashover for fire hazard calculations - Fire Safety Journal 32 (1999) pp [2] D. Drysdale - Fire dynamics An overview - Short course on Fire Dynamics and Fire Safety Engineering Design - University of Edinburgh 31/03/03 02/04/03 [3] D. Drysdale - Fires in Compartments - Short course on Fire Dynamics and Fire Safety Engineering Design - University of Edinburgh 31/03/03 02/04/03 [4] B. Mc Caffrey, J. Quintiere, M. Harkleroad - Estimating room temperatures and the likelihood of flashover using fire test data correlations - Fire Technology Vol 17, n 2, pp (1981) [5] V. Babrauskas - Upholstered furniture room fires Measurements, comparison with furniture calorimeter data, and flashover predictions - Journal of Fire Science Vol 2, pp 5-19 (1984) Effets du feu sur les personnes Page 48/163

49 4 Risques liés à la perte de visibilité durant l évacuation 4.1 Symboles et définitions C : I λ : D (bel) : Contraste visuel Luminance à la longueur d onde λ Densité optique globale d un milieu, pour un trajet optique L donné. DO (bel/m) : Densité optique d un milieu, en l occurrence des fumées, rapportée à un trajet unitaire. En négligeant l effet de dépendance spectrale, I λ,0 D = L DO = log 10 Iλ k (m -1 ) : HAP : S (m) : σ s (m²/kg) : M (kg/m 3 ) : ω sa (kg/kg) : Contraste : Coefficient d extinction (ou d absorption) des fumées, lié d après la loi de Beer-Lambert (ou Bouguet-Beer-Lambert) à la luminance pour une longueur kλ L d onde λ et un trajet optique L par : I = I e λ 0,λ En négligeant la dépendance spectrale, k = DO.ln(10) 2,3.DO Hydrocarbures aromatiques polycycliques. Famille de composés à fort potentiel cancérigène constitués par l assemblage de quelques noyaux benzéniques. Visibilité, exprimée en m et représentant la distance à laquelle un effet de perte de contraste visuel se fait ressentir. Surface d extinction spécifique de la fumée Masse de suies par unité de volume gazeux Taux de production de fumée du combustible Opposition de couleurs qui se font ressortir mutuellement. Luminance : Quotient de l intensité lumineuse émise ou reçue par une surface, par l aire apparente de cette surface, pour un observateur lointain 4.2 Intérêt de la détermination de la visibilité des fumées Dans de nombreux incendies, l évacuation des personnes est l un des critères primordiaux pouvant orienter le sinistre vers une issue tragique. En effet, les personnes présentes lors du démarrage d un incendie doivent fuir rapidement. Cette évacuation ne peut se faire si la visibilité est insuffisante. La production de fumées au début de l incendie doit donc être faible, ou bien celle-ci doit être diluée ou évacuée par le système de désenfumage. Effets du feu sur les personnes Page 49/163

50 De plus, la présence de la fumée induit la présence de suies qui peuvent présenter un risque sur les individus. En effet, ces suies très fines sont inhalées et peuvent bloquer l arrivée d air dans l appareil respiratoire en formant une barrière mécanique. La visibilité est une conséquence physiopathologique de l opacité des fumées. Cela signifie que le paramètre à déterminer expérimentalement ou par le calcul est l opacité, exprimée sous forme de densité optique ou de coefficient d extinction. La visibilité, donc l effet sur les personnes, nécessite pour sa part de passer par un modèle, qui dépend de l objet que l on cherche à voir à travers une fumée de densité donnée, par rapport à un support donné. Des études ont montré que la fumée était perçue comme une barrière impénétrable pour les victimes des incendies. Dans des conditions normales, la vitesse moyenne de marche d un homme est de 1,2 m/s. Elle chute à 0,3 m/s dans un local enfumé lorsque la densité optique (DO) atteint 0,5. Pour une obscurité plus grande, les gens agissent comme s ils étaient dans le noir complet et suivent les murs pour se déplacer. En fait, ils hésitent à pénétrer dans la fumée lorsque la visibilité est inférieure à 3 m et ont plutôt tendance à revenir en arrière pour se réfugier dans un endroit qu ils estiment plus sûr. Expressions de la quantité de fumée La visibilité s exprime en mètres, le coefficient d extinction en m -1. Un débit fumigène est un débit volumique (en m 3 /s) de fumée ayant un coefficient d extinction donné (en m -1 ), et s exprime donc en m 2 /s. Il est noté RSP (Rate of Smoke Production) et ne dépend que de la source de fumée. Une quantité totale de fumée occupant un volume exprimé en m 3, est donc définie en m² et est notée TSP (Total Smoke Production). 4.3 Approche théorique de la production de fumées La fumée est composée des gaz de combustion, de gouttelettes d eau ou de combustible en suspension et de suies. La mesure d opacité prend globalement en compte ces différents facteurs en évaluant l atténuation de la lumière par les fumées. Pour considérer le risque que représente la perte de visibilité, il convient de déterminer ensuite la relation entre l atténuation lumineuse observée et la visibilité [20]. Les suies contenues dans la fumée sont principalement formées lors de la cokéfaction des combustibles, car la température est insuffisante pour oxyder tout le carbone. Ainsi, des noyaux aromatiques s accolent pour former des composés allant des HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) à des réseaux macromoléculaires (cokes). La formation des suies est donc liée de manière importante à la présence de noyaux aromatiques dans le combustible et à la facilité qu ont ceux-ci à se former (rapport molaire de carbone dans le monomère, nombre de liaisons C-C, présence de doubles liaisons). L énergie pour que ces noyaux s assemblent est inférieure à celle nécessaire à leur destruction et les suies se forment donc préférablement. Les composés comme le toluène ou les résines phénoliques par exemple, auront tendance à produire de grosses quantités de suies. Effets du feu sur les personnes Page 50/163

51 Des exemples de productions de suies pour différents combustibles figurent dans le tableau suivant : Combustibles Motif Carbone émis sous forme de suies Polyoxyméthylène (POM) ( CH 2 O) n 0,0 % Poly (méthacrylate de méthyle) (PMMA) CH H C 3 2 CH 3 C CO 2 CH 3 2 H C CH3 C CO 2 n 0,3 % Polypropylène (PP) CH CH 5,5 % 2 CH 3 n Polystyrène (PS) CH CH2 18,0 % n Tableau 13 : Pouvoir fumigène des matériaux en fonction du motif des molécules Ce tableau montre la présence de structures plus ou moins «Fumigènes». En effet, le POM ne présente pas de liaisons C-C et sa combustion ne génère pas de fumées. Le PMMA présente des liaisons C-C, mais certains atomes de carbone sont déjà oxydés et la configuration de la molécule ne permet pas le repliement des atomes en un cycle aromatique. Le polypropylène est composé de 3 liaisons C-C disposées spatialement à 120. Le monomère forme alors déjà un demi-cycle aromatique et la formation de suies est favorisée. Le polystyrène est déjà composé de noyaux aromatiques. L énergie nécessaire pour briser ces noyaux n étant pas toujours disponible, la formation de suies est très importante. Effets du feu sur les personnes Page 51/163

52 En fait, les processus de formation sont plus complexes. Le schéma ci-dessous présente les processus mis en œuvre dans le cas de la génération de produits aromatiques complexes lors de la combustion des hydrocarbures : Hydrocarbures polyaromatiques et particules, qui constituent la cause principale de l opacité des fumées [19] : C C C C C C C C C C C C Figure 23 : Processus de cyclation et formation de benzo-a-pyrène Une fois les hydrocarbures polyaromatiques formés, ceux-ci peuvent se condenser pour former des produits de plus en plus complexes et solides qui sont à la base des particules de suies. Ces réactions sont des réactions de cyclation et de condensation : Figure 24 : Processus de formation des différents HAP Effets du feu sur les personnes Page 52/163

53 Ces étapes se poursuivent jusqu à la formation de suies de plusieurs dizaines de nanomètres, qui s agglomèrent ensuite entre elles pour former des suies de quelques micromètres qui sont décrites au paragraphe 7.2. Tous ces composés, depuis le benzène jusqu aux suies macroscopiques, absorbent fortement la lumière blanche sur tout le spectre et sont à l origine de l opacité des fumées. Les types de suies formées semblent plutôt dépendre des conditions locales lors de la formation, que de la nature même des produits dégradés. Ainsi, il a été démontré que la combustion de cellulose, de tabac, de polyéthylène ou de PVC produisait les mêmes quantités de suies à haute température (1000 C) [19]. La différence de production observée dans les feux libres dépend ainsi plus de la température de flamme du produit et des conditions d oxydation ou de recombustion des particules que de la nature chimique propre du combustible. Cela s explique par des produits de craquage très proches pour tous les combustibles (méthane, éthane, éthylène, propane principalement). 4.4 Evaluation de la quantité de fumée Principe Tous les modèles d évaluation de la visibilité sont calculés à partir de l opacité des fumées, exprimée sous forme de concentration, de coefficient d extinction ou de densité optique. L opacité est donc le paramètre expérimental permettant la détermination de la visibilité. Celle-ci peut être évaluée par deux grandes familles de méthodes Méthodes directes Les méthodes de mesure directes de l opacité des fumées sont basées sur des atténuations optiques [12][13]. Les points essentiels sont repris ci-dessous : La méthode directe de mesure de l opacité des fumées consiste à mesurer l atténuation d un faisceau lumineux. En effet, si de la fumée se trouve sur le trajet optique entre une source de lumière et un détecteur, une partie du flux lumineux est perdu sous l influence de plusieurs phénomènes : - L absorption directe par les suies à la manière d un écran, pour les particules les plus grosses (dont les tailles sont de l ordre de quelques micromètres à quelques millimètres) - La diffraction du faisceau lumineux sur les petites particules et suies ayant une taille comparable à la longueur d onde du faisceau diffracté. - L absorption spectrale pour les gaz colorés comme les oxydes d azote qui présentent plusieurs bandes d absorption dans le visible. La mesure de la lumière transmise I est comparée à la transmission en l absence de fumée I 0. La valeur mesurée pour I dépend alors de la distance entre la source et le détecteur, de la concentration massique des fumées et des caractéristiques intrinsèques de la fumée, à savoir son coefficient d extinction. Effets du feu sur les personnes Page 53/163

54 L émission lumineuse du foyer, s il est trop près du dispositif expérimental, peut fausser la mesure réalisée par le détecteur en surévaluant la transmission lumineuse (le feu illumine le détecteur). La longueur d onde du faisceau lumineux est donc primordiale dans la mesure. Il existe deux types de sources lumineuses pour les opacimètres disponibles dans le commerce : - Les sources monochromatiques de type laser. Ces sources illuminent à une seule longueur d onde (350 nm, cas des lasers He-Ne). Cette source est reprise dans les essais selon les normes ASTM D 5485 [15] ou ISO 5660 [16] par exemple. - Les sources polychromatiques en lumière blanche. Ces sources sont plus proches de la réalité. Elles sont utilisées dans la norme DIN par exemple [14]. Rasbash et Phillips [1] précisent qu une source de lumière blanche stable, travaillant à une température de couleur de ( 2900 ± 100 ) K est idéale. Pour garantir la stabilité de l intensité lumineuse de la source, l alimentation de la lampe doit être très stable en tension. La mesure d opacité des fumées à l aide d une source monochromatique a été réalisée au cône calorimètre. Elle a montré la difficulté de mise en œuvre de cette méthode et une répétabilité médiocre, imputable à la forte dilution des fumées dans le conduit d évacuation. Ces phénomènes sont dus à la taille même des suies dégagées par les matériaux étudiés, qui est proche de la longueur d onde du faisceau. Ceci engendre une diffraction qui fausse la mesure. Néanmoins, la norme ASTM D 5424 précise que la différence observée en fonction de l utilisation d une source mono- ou polychromatique peut être négligeable pour les fumées de certains matériaux. Dans le cas de l utilisation d une source polychromatique en lumière blanche, les détecteurs sont très importants, car ils ne se comportent pas de la même manière à toutes les longueurs d ondes. Ainsi, dans les essais en ambiance, la source est un projecteur en lumière blanche et le détecteur une photopile à l oxyde de sélénium (NF EN 50268). Ce détecteur est adapté par son temps de réponse et sa sensibilité à des phénomènes lents et des trajets optiques importants. Pour des phénomènes dynamiques (mesures à l émission), le détecteur est le plus souvent constitué d une photodiode au silicium, très sensible dans le rouge et le proche infrarouge jusqu à 1100 nm. Ce type de détecteur très sensible a un temps de réponse négligeable. Il est adapté à une mesure dynamique sur un faible trajet optique, comme la mesure en cheminée. Effets du feu sur les personnes Page 54/163

55 Densités optiques La méthode la plus simple pour corréler la transmission à l opacité est d effectuer la conversion en densité optique : I D = log o I Avec : D : Densité optique mesurée, en bel en fonction du temps ; I 0 : Intensité lumineuse transmise en l absence de fumées ; I : Intensité lumineuse transmise en présence de fumées (dans la même unité que I 0 ). Afin de s affranchir de la longueur du trajet optique, elle peut être ramenée à une longueur unitaire de la manière suivante : D DO = L Avec : DO : densité optique pour un trajet optique de 1 mètre, en bel/m ; D : densité optique mesurée, en bel ; L : longueur du trajet optique, en mètres. Coefficient d extinction (K) La loi de Beer-Lambert permet de déterminer l atténuation d un faisceau d une lumière à travers la fumée pour un chemin optique donné. La loi est dépendante de la longueur d onde, mais une approximation courante est utilisée et néglige cette dépendance spectrale. L atténuation moyenne du faisceau lumineux est traduite par l expression : I k.l = e I0 Avec : L : trajet optique (trajet suivi par la lumière à travers la fumée) (m) k : coefficient d extinction moyen de la lumière (m -1 ) Masse de particules de suies par volume gazeux Il est possible de déterminer la masse de particules de suies par volume gazeux. En effet, le coefficient d extinction de la lumière dépend de cette masse de suies et de leur propension à absorber la lumière, caractérisée par leur surface d extinction spécifique. Avec : k = σ C s s C s : concentration massique des particules de suies (kg.m -3 ) σ s : surface d extinction spécifique par unité de masse de suies (m 2.kg -1 ). Dans la bibliographie, σ s =10 m²/g [8] et plus précisément, (9,6 ± 3 ) m²/g [9] pour les hydrocarbures gazeux. Cette valeur dépend de nombreux paramètres et ne peut être connue avec précision que pour les combustibles simples, dans des conditions de combustion idéales. Effets du feu sur les personnes Page 55/163

56 4.4.3 Méthodes indirectes Le taux de production de fumées peut être mesuré ou approché par la méthode des ratios : Avec : ω sa m = m s c ω sa m s m c : Taux de production de suies du combustible (kg/kg) : Masse totale de suies produites (kg) : Masse de combustible brûlé correspondante (kg) Dans ce cas, la concentration de perte de masse du combustible est donnée par : Avec : ρ s ρ c = ω sa ω sa : Taux de production de suies du combustible (kg/kg) ρ c : Perte de masse du combustible, correspondant à la masse de combustible brûlé, rapportée au volume de dilution dans lequel les fumées s échappent. (kg/m 3 ) ρ s : Masse de suie des fumées dans le volume de dilution (kg/m 3 ) Effets du feu sur les personnes Page 56/163

57 Ainsi, à partir de la connaissance du facteur ω sa, du volume et de la perte de masse, il est possible de recalculer la masse de suie contenue dans les fumées. Des tables de ω sa sont disponibles dans la littérature. Une synthèse des valeurs est présentée dans le tableau cidessous : Matériau ω sa (g/g) 11 Chêne rouvre 0,015 Matériaux naturels Broussailles 0,015 Laine vierge pure 0,008 ABS 0,105 PMMA 0,022 PE 0,060 PP 0,059 PS 0,164 Matériaux synthétiques solides Silicone 0,065 Polyester-1 0,091 Polyester-2 0,089 Epoxy 0,098 PA 6-6 (Nylon) 0,075 Gomme silicone 0,005 GM21 0,131 Mousses PU souples GM23 0,227 GM25 0,194 GM27 0,198 GM29 0,130 Mousses PU rigides GM31 0,125 GM35 0,104 GM37 0,113 GM47 0,180 Mousses polystyrènes GM49 0,210 GM51 0,185 GM53 0,200 N 1 0,056 Mousses polyéthylènes N 2 0,102 N 3 0,076 N 4 0,071 PE à 25% Cl 0,115 PE à 36% Cl 0,139 Matériaux halogénés PE à 48% Cl 0,134 PVC pur 0,172 PTFE 0,003 ETFE 0,042 Tableau 14 : Taux de production de suies des combustibles Ces tables sont constituées en général à partir de valeurs expérimentales : Le combustible est pesé avant et après combustion, ce qui permet d évaluer m c. Les fumées sont aspirées et passent sur un filtre. La masse déposée sur le filtre représente m s. En présence de feux bien ventilés, les plastiques courants ont des taux de production de suies de 1 % à 10 %, les chiffres pour le bois étant légèrement inférieurs. Le taux moyen est de 11 Les valeurs sont indiquées pour des feux ventilés Effets du feu sur les personnes Page 57/163

58 l ordre de 4 %, avec une concentration massique en aérosol de 0,8 g/m 3. Cela correspond à perte de masse de l ordre de 20 grammes par m 3 d air. Dans le cas de feux sous-ventilés, le taux moyen de production de suies double [10]. Dans le cas d une combustion sous-ventilée, une concentration en suies de 0,8 g/m 3 correspond donc à une perte de masse de 10 g/m Modèles de visibilité Définition de la visibilité La visibilité est primordiale lors de la considération des évacuations et dépend du niveau de contraste entre un objet et son environnement. Pour un objet isolé placé sur un fond uniforme, le contraste peut être défini par la formule [1] : Avec : C = B B o 1 B Bo : luminance de l objet considéré : luminance du fond. Dans des conditions d illumination solaire, le contraste d un objet noir placé sur un fond blanc est alors de C = - 0,02 [2]. Cette valeur est couramment utilisée comme limite de visualisation d un objet. La visibilité d un objet est alors la distance nécessaire pour réduire le contraste à la valeur de - 0,02. La visibilité dépend de nombreux paramètres, dont l illuminant considéré, le coefficient d extinction des fumées et l acuité visuelle des individus elle même fonction de la dilatation de la pupille. La visibilité n est pas mesurée directement mais peut être calculée par différents modèles à partir d une mesure de densité ou de concentration de fumées. Les modèles existants sont présentés ci-après. Effets du feu sur les personnes Page 58/163

59 4.5.2 Modèles simplifiés Ces modèles sont obtenus à partir d essais. Ils montrent une corrélation de type log/log entre la densité optique des fumées (et donc le coefficient d extinction car K = DO x ln(10)) et la visibilité. Ils sont présentés de manière graphique ci-dessous : Visibilité en fonction de la densité optique 100 Densité (db/m) Rasbash (1951) Densité (db/m) Malhotra (1967) Densité (db/m) Jin ( ) Corrélation simplifiée Butcher et Parnell (1979) 10 Visibilité (m) 1 0,1 0, Densité optique (db/m) Figure 25 : Modèles simplifiés densité optique / visibilité La corrélation simplifiée de Butcher et Parnel est du type : DO S = 10 k S = 23 Avec : DO : densité optique par unité de longueur, en bel par mètre (k=do ln(10)) S : Visibilité, en mètre Effets du feu sur les personnes Page 59/163

60 4.5.3 Modèles de Jin, Rasbash et Babrauskas Jin [3] suggère que la limite du coefficient d extinction admissible est égale à 0,15 m -1 (DO = 0,06 bel/m) pour les personnes non familiarisées avec le trajet de secours. Pour les sujets connaissant le chemin d évacuation, cette limite est de 0,5 m -1 (DO = 0,2 bel/m). Rasbash [4] suggère une limite de visibilité de 10 mètres, équivalente à une densité optique de 0,08 bel/m (k=0,19 m -1 ) Babrauskas [5] place la limite d évacuation à un coefficient d extinction de 1,2 m -1 (DO = 0,5 bel/m) Modèle Densité optique limite (bel / m) Coefficient d extinction (m -1 ) Jin Chemin d évacuation inconnu 0,06 0,15 Jin Chemin d évacuation connu 0,20 0,50 Rasbash 0,08 0,19 Babrauskas 0,50 1,2 Tableau 15 : Modèles de Jin, Rasbash et Babrauskas La comparaison montre des valeurs très disparates. L influence de la connaissance du chemin d évacuation est évidente. Les propositions de Jin (chemin d évacuation inconnu) et de Rasbash sont les plus sécuritaires et fixent la limite de visibilité pour une évacuation sans complications aux alentours de K=0,15 à 0,20 m Modèles de Jin et Yamada Jin [6] a étudié le lien entre la visibilité et le coefficient d extinction pour différents systèmes. Les études réalisées étaient basées sur le contraste visuel minimum acceptable dans deux configurations, pour aboutir à deux lois simplifiées : 1) Pour les systèmes réfléchissants : 2) Pour les systèmes lumineux : K x S = 3 K x S = 8 Dans les deux cas, K représente le coefficient d extinction exprimé en m -1 et S la visibilité, donnée en mètres. Cette corrélation est valable pour des trajets entre 5 et 15 mètres. Effets du feu sur les personnes Page 60/163

61 Visibilité en fonction du coefficient d'extinction selon Jin pour des systèmes réfléchissants (K.S = 3) et pour des systèmes lumineux (K.S = 8) 100 Visibilité S (m) 10 K.S=3 K.S=8 1 0, Coefficient d'extinction k (m -1 ) Figure 26 : Modèle de Yin et Yamada pour les objets réfléchissants et lumineux Les données provenant de ce modèle ont été obtenues à l aide de personnes observant derrière une vitre au travers de la fumée, et ne tiennent donc pas compte de l effet irritant induit par les fumées. Cet effet a tendance à dégrader la visibilité, en engendrant clignements des yeux et larmoiements. L irritation est due aux gaz acides absorbés au niveau des larmes lubrifiant les yeux, ainsi qu à la présence de suies se déposant à la surface de l œil et provoquant des clignements. Jin et Yamada [7] ont alors étudié l effet réel de la fumée de combustion de bois sur l acuité visuelle. Ils ont mis les sujets dans l environnement du feu, avec un masque respiratoire mais sans protection des voies oculaires. Ils ont ainsi constaté que l effet d irritation dans le cas d un feu de bois était important pour des coefficients d extinction supérieurs à 0,25 m -1. Effets du feu sur les personnes Page 61/163

62 4.5.5 Modèle de la norme ISO Ce modèle repose sur le contraste visuel minimum détectable [11]. Il estime que les occupants d un local sont incapables d assurer leur propre évacuation lorsqu ils n arrivent plus à distinguer leurs mains devant eux. Avec : ln( C) = σ s M L C : Contraste visuel minimum détectable. En général, C = -0,02 M : Masse de suies par volume gazeux, exprimée en g/m 3 L : Longueur du trajet optique, en mètres : Surface d extinction spécifique de la fumée (m²/g) σ s Dans la bibliographie, on donne σ s =10 m²/g [8] 12. La limite de visibilité est généralement atteinte pour une combustion de 20 grammes de matière par m 3 d air pour un feu ventilé et de 10 grammes par m 3 d air pour un feu sous-ventilé. Des expériences ont montré que le seuil de visibilité des objets réfléchissants est atteint à une concentration massique en suies d environ 0,3 g/m 3 /L et pour les objets lumineux d environ 0,8 g/m 3 /L où L représente un trajet optique compris entre 5 et 15 mètres. La première valeur est recommandée pour l évaluation de la visibilité des escaliers, portes, parois 4.6 Utilisation de l évaluation de l opacité des fumées en France Principe La caractérisation de l opacité des fumées est fondamentale dans l évaluation de la perte de visibilité due aux fumées. En particulier, dans le domaine des transports, ce critère a été retenu depuis longtemps, car il est fondamental. Il a été introduit récemment dans le domaine du bâtiment Domaines des transports Dans le domaine du transport ferroviaire ou de l aéronautique, l essai pour la détermination de l opacité est basé sur la chambre à fumée «NBS», décrite dans la norme NF X (équivalente à l ASTM E 662:2003). Dans cet essai, une éprouvette de matériau combustible disposée en position verticale est soumise à un flux radiatif incident de 25 kw/m². L attaque est éventuellement complétée par la présence de flammes pilotes appliquées sur la surface du matériau et destinées à enflammer les gaz de pyrolyse de celle-ci. L atténuation lumineuse est mesurée au moyen d un faisceau lumineux (lumière blanche) traversant le dispositif. Des deux conditions de dégradation (avec ou sans flammes pilotes), seule la plus sévère est retenue. 12 Plus précisément, comme donné précédemment, la valeur de (9,6 ± 3 ) m²/g [9] peut être obtenue pour les hydrocarbures gazeux. Cette valeur dépend de nombreux paramètres et ne peut être connue avec précision que pour les combustibles simples, dans des conditions de combustion idéales. Effets du feu sur les personnes Page 62/163

63 Dans le domaine ferroviaire, on s intéresse à l obscurcissement total sur les 4 premières minutes (le VOF4 de la norme NF F ) et à la densité maximum atteinte. Cette notion de 4 minutes est le temps exigé pour arrêter un train et démarrer l évacuation. Dans l aéronautique, on s intéresse à la densité maximale atteinte après 4 minutes. Dans les domaines de la marine civile, militaire et dans la future norme européenne ferroviaire (pren ), l essai retenu est celui de la norme ISO Cet essai est similaire au précédent du point de vue de la mesure, mais le modèle de dégradation est différent. L éprouvette est soumise à un flux radiatif incident produit par un four conique, placé au-dessus de l échantillon. Le flux incident est de 25 kw/m² avec ou sans flamme pilote, ou de 50 kw/m² sans flamme pilote. La condition entraînant le maximum de production de fumée est retenue. A noter : dans les essais selon le référentiel marine civile, la toxicité est mesurée lors de l essai de détermination de l opacité des fumées, après que la densité maximale de fumées a été atteinte. Dans le futur référentiel ferroviaire européen, il est envisagé une détermination en continu durant l essai, ou à un temps donné. Les débats ont lieu actuellement pour optimiser ce paramètre Domaine du bâtiment Dans le domaine du bâtiment, les Euroclasses ont introduit en matière de réaction au feu un paramètre relatif aux fumées. Celles-ci n étaient pas considérées auparavant dans la réglementation française. La réglementation du domaine du bâtiment est établie par l arrêté du 21 novembre 2002 relatif à la réaction au feu des produits de construction et d aménagement (Décision 2000/147/CE de la Commission (JOCE du 23/02/2000) [17]. Les essais de référence, NF EN (matériaux de construction) et NF EN ISO 9239 (revêtements de sol) sont ainsi équipés d un opacimètre en lumière blanche. La mesure est réalisée en continu. Les paramètres retenus sont le SMOGRA, exprimé en m²/s², et qui correspond à l indice de croissance du RSP, ainsi que le TSP (voir paragraphe 4.2). Ils permettent d établir la classification additionnelle «fumée», qui est notée s1, s2 et s3 en fonction du niveau de performance atteint. D autres exigences «fumées» existent dans le bâtiment : Le système de désenfumage est rendu obligatoire dans certains locaux par le Code du Travail (article R du décret n du 31 mars 1992). Il est précisé pour les établissements recevant du public (ERP) par les articles DF et l Instruction Technique 246, révisés par l arrêté du 22 mars 2004 [18], et par la R17 de l APSAD pour les bâtiments industriels. L Instruction Technique 246 décrit un ensemble de dispositions ou la possibilité de recourir à l ingénierie du désenfumage afin de dimensionner un système de désenfumage dans les ERP. Les objectifs de sécurité retenus sont ceux de l article DF1, c est à dire l extraction en début d incendie d une partie des fumées et gaz de combustion de sorte que les cheminements destinés à l évacuation du public restent praticables. Effets du feu sur les personnes Page 63/163

64 Les critères cités par exemple sont : - la hauteur exempte de fumée mesurée depuis le sol doit être suffisante, et toujours supérieure à 1,8 m, - le flux de chaleur reçu par les personnes doit être supportable. Les critères restent cependant imprécis. Le législateur estime que cet objectif de sécurité est rempli par l approche descriptive ou par le recours à l ingénierie du désenfumage. 4.7 Conclusions sur les modèles de visibilité Deux familles de méthode d évaluation de l opacité des fumées existent. Les méthodes directes se basent sur la mesure du coefficient d extinction des fumées ou d un autre paramètre optique similaire. Les méthodes indirectes mettent en relation la masse de combustible considéré à la production de suies par l intermédiaire d un facteur caractéristique du combustible. L opacité étant déterminée, il convient de choisir le modèle adéquat pour la corréler à la perte réelle de visibilité. L évaluation de la visibilité est un paramètre primordial de la sécurité incendie. Néanmoins, par analogie avec la toxicité, il est difficile d apprécier les variabilités d effets au sein des populations. C est pourquoi, en supposant une loi de variabilité des individus de forme normale, le critère de sécurité choisi doit être élevé. Ainsi, pour une visibilité de 10 mètres, le coefficient d extinction de l ordre de 0,3 m -1 pour un système réfléchissant (Jin K S=3) à 0,15 m -1 (Jin Chemin d évacuation inconnu) peut être envisagé. Cette valeur reste néanmoins à préciser en fonction de l utilisation. 4.8 Références [1] E.J. McCartney - Optics of the Atmosphere Wiley and Sons, New-York (1976) [2] C. Crane Human Tolerance Limit to elevated temperature: An empirical approach to the dynamics of Acute Thermal Collapse - Federal Aviation Administration, Memorandum Report N ACC [3] T. Jin, J. Fire and Flamm.,vol. 12, p 130 (1981) [4] D.J. Rasbash, Fire Intl., 5 (40) 30 (1975) [5] V. Babrauskas, Technical note 1103, National Bureau of Standards, Washington (1979) [6] T. Jin, J. Fire and Flamm., 9, 135 (1978) [7] T. Jin T. Yamada, Fire Science and Technology, 5, 79 (1985) Effets du feu sur les personnes Page 64/163

65 [8] G.W. Mulholland, M.Y. Choi, Measurement of the mass Specific Extinction Coefficient for Acetylene and Ethene Smoke using the Large Agglomerate Optics Facility, Proceedings of the Combustion Institute, 27, 1998, pp [9] A. D. Putorti, Design parameters for stack-mounted light extinction measurement devices, NISTIR 6215, 1999 [10] A. Tewarson, Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires, in SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Sect 3 p 92 (1995) [11] ISO / TS : 2002 : (Epreuve française) : Composants dangereux du feu Lignes directrices pour l estimation du temps disponible pour l évacuation, utilisant les caractéristiques du feu [12] ASTM D 5424 : Smoke obscuration of insulating materials contained in electrical or optical fiber cables when burning in a vertical cable tray configuration [13] NF EN : 2000 : Méthodes d essai communes aux câbles soumis au feu - Mesure de la densité des fumées dégagées par les câbles brûlant dans des conditions définies. Partie 1 : Appareillage - Partie 2 : Procédure [14] DIN (1989) : Lichtmeßstrecke f. Rauchentwicklungsprüfungen [15] ASTM 5485 : Corrosivity using Cone Calorimeter [16] ISO 5660 : Essais au feu. Réaction au feu - Débit calorifique des produits du bâtiment (méthode au calorimètre conique) [17] arrêté du 21 novembre 2002 relatif à la réaction au feu des produits de construction et d aménagement, JO du 31 décembre 2002 pp [18] arrêté du 22 mars 2004 relatif à la révision des articles DF sur le désenfumage et à l Instruction Technique 246, JO du 1 er avril 2004 pp [19] Harvey, R.G. (1991) Polycyclic Aromatic Hydrocarbons: Chemistry and Carcinogenicity, Cambridge University Press. pp [20] Soot. Hamins, A. : Environmental Implications of Combustion Processes. Chapter 3, CRC Press, Boca Raton, FL, Puri, I. K., Editor, p., Effets du feu sur les personnes Page 65/163

66 5 Effets thermiques du feu sur les personnes 5.1 Généralités En 1743, la Marquise de Breteuil, dans son traité sur le feu [10] expliquait déjà : «Les hommes ne peuvent soutenir la chaleur [ ] nous mourerions bientôt, si l air qui nous entoure, fait seulement monter le thermomètre à 90 degrés», soit environ 45 C, pour une exposition prolongée. Les effets thermiques du feu sur les personnes ont trois principales origines : - Un débordement de la thermorégulation qui engendre une élévation de la température corporelle. Comme la fièvre, cette élévation engendre des maux de tête et peut entraîner la mort au-dessus de 42 C. L évacuation de la chaleur par thermorégulation étant basée sur le principe de l évaporation de la sueur, l humidité ambiante est primordiale ; - Une atteinte des voies respiratoires, caractérisée par un dessèchement ou des brûlures à différents niveaux : gorge, trachée et bronches, alvéoles pulmonaires ; - Un effet direct sur la peau qui peut être d origine radiative (flux radiatif incident), sans contact de la peau avec les fumées, ou lié à la convection et au contact des tissus avec les fumées. Ces atteintes peuvent être caractérisées par deux grandeurs : le flux thermique incident et la température des fumées. Ces grandeurs peuvent correspondre à deux niveaux de sollicitation : - Le niveau de sollicitation thermique suffisant pour brûler la peau et les poumons. Il est comparable à un effet suraigu, c est à dire aux expositions uniques fortes, mais de courte durée ; - L exposition pour laquelle l hyperthermie est suffisante pour causer une dégradation des capacités mentales, diminuant la capacité d évacuation et de survie. Ce niveau est comparable à un effet subaigu, c est à dire à une exposition unique moyenne, mais prolongée. Il est avéré que des brûlures de l appareil respiratoire liés à l inhalation d air contenant moins de 10 % d eau n ont jamais été observées sans atteintes préalables de la peau. Cela signifie que la limite de tenabilité liée aux brûlures de la peau est en général plus basse que celle liée au système respiratoire. Si l air inhalé est plus chaud que la température corporelle, il est rapidement refroidi lors de son entrée dans l organisme. Néanmoins, des brûlures de l appareil respiratoire sont observées dès 60 C dans de l air saturé en humidité. Cela signifie que la teneur en eau des fumées est un critère important dans l effet thermique du feu, en particulier pour l atteinte des voies respiratoires. La notion de dose thermique permet de rendre compte du niveau de sollicitation thermique en termes de flux et de température, mais aussi de durée d exposition. Effets du feu sur les personnes Page 66/163

67 5.2 Flux thermique radiatif incident Effets du flux thermique radiatif Le flux thermique radiatif participe aux risques pour les personnes et contribue de manière importante au développement du feu. Avec la température, il présente des risques pour les personnes : le flux thermique engendre des brûlures directes de la peau en fonction de l exposition. Les différents effets pathologiques observés en fonction du flux thermique sont présentés dans le tableau suivant : Flux thermique (kw/m²) Effet physiopathologique 1,0-2,5 Limite de tenabilité de la peau en 30 minutes Effet descriptif ou correspondance Rayonnement solaire en zone tropicale - 5,0 Cloques en 30 secondes Bris de vitres par effet thermique 8,0 - Début de combustion spontanée du bois 9,5 Seuil de douleur en 6 secondes - 90,0 Destruction immédiate des tissus 150,0 - Rayonnement émis par une surface chaude (<850 C) Rayonnement émis par une surface très chaude (1000 C) Tableau 16 : Effets du flux thermique radiatif Le tableau et différentes sources bibliographiques donnent une limite de tenabilité de la peau de 2,5 kw/m². Le flux radiatif dépend strictement de la direction de propagation, car il est de nature électromagnétique. Il échauffe donc en priorité les zones corporelles en regard direct avec la source. Ainsi, une partie du corps peut être exposée intensément, les autres parties restant dans de l air frais. La température de la peau dépend alors du bilan thermique se produisant à sa surface, donc du flux incident, mais aussi du flux de chaleur évacué dans le corps plus particulièrement par le sang. Ces considérations expliquent la présence d un seuil net de 2,5 kw/m², au-delà duquel le sang ne peut plus assurer l évacuation du flux de chaleur incident. Ce bilan thermique dépend donc du flux incident, de l émissivité de la peau (ou plus exactement son coefficient d absorption), mais aussi du débit de circulation du sang sous la peau et de la proximité des vaisseaux de la surface. Parmi les populations, très peu de différences existent à ce niveau entre les individus. La valeur de l émissivité de la peau humaine est de (0,98 ± 0,01), quelle que soit la couleur et en tout point du corps [11] [12]. Effets du feu sur les personnes Page 67/163

68 Trois sources de flux thermique radiatif sont à considérer dans l incendie : - Le flux thermique direct émis par le foyer. Il se propage en ligne droite depuis ce foyer. Il est le plus intense en terme de flux, mais est localisé et les personnes ne sont pas nécessairement soumises à son action durant un temps prolongé lors de l évacuation. L effet porte en général vers la face et les membres supérieurs. Dans le cas d un feu pleinement développé, ce flux thermique peut porter à de longues distances et engendrer des effets «domino». C est pourquoi il est particulièrement traité dans le suivi des conséquences à distance des feux très développés (dommages collatéraux, possibilités d intervention) ; - Le flux thermique issu de la fumée est lié à son émissivité et à sa température. Dans un système stratifié, toute la surface sous les fumées reçoit de celles-ci un flux radiatif fonction de la puissance quatrième de la température des fumées. Cette source est celle décrite au paragraphe 3. Elle assimile les fumées à un corps gris, voire noir. Dans ce cas, l effet peut être considérable pour les personnes en cours d évacuation, même à des distances importantes du foyer. L effet est en général dirigé vers le sommet du crâne et les épaules ; - Le flux thermique issu des parois. Une paroi thermiquement fine peut s échauffer et transmettre du flux par rayonnement sans pour autant qu il y ait de passage de fumées. C est le cas dans les incendies de navires à cloisonnements métalliques non protégés (hors cantons), ou par exemple pour les personnes présentes après l extinction d un feu : Les murs se comportent alors comme un corps gris et rendent la chaleur accumulée sous forme de rayonnement, selon la loi de Stefan-Boltzmann Temps d atteinte des effets incapacitants La limite de tenabilité de la peau au flux thermique radiatif est estimée à 2,5 kw/m², pour une exposition voisine de 30 minutes. Aucun effet significatif n a été observé sur les capacités des personnes et pour le temps nécessaire à l évacuation pour ce niveau de sollicitation. Au-delà de cette valeur, le délai de brûlure de la peau a été décrit par Stoll et. al [8]. Ce délai correspond à l apparition de brûlures du second degré. Il est établi d après l équation : avec : t Irad = 4 Q 1,35 t Irad Q : temps de tenabilité, exprimé en minutes; : flux radiatif incident, exprimé en kw/m² Effets du feu sur les personnes Page 68/163

69 L incertitude sur le temps calculé par cette équation est estimée à 25 %. Le tracé de ces valeurs est présenté ci-dessous : Effet radiatif du feu Temps d'incapacitation (min) Flux radiatif incident (kw/m²) Figure 27 : Effet du rayonnement thermique sur les personnes Dose thermique radiative Il est possible de considérer que l occupant accumule une dose de chaleur amenée par rayonnement au cours du temps. Une dose de flux radiatif accumulé par minute peut alors être définie par rapport à l équation précédente. Définir une dose thermique radiative seule n est néanmoins pas nécessairement pertinent, car le rayonnement n est pas toujours majoritaire dans l effet thermique sur les personnes. Une dose thermique globale, prenant en compte les différentes sources de chaleur, est décrite au paragraphe Température Effet de la température La température a différents effets physiopathologiques sur l homme. En particulier, une exposition courte à de hautes températures engendre des effets directs tels que des brûlures du derme ou de l appareil respiratoire, alors qu une exposition plus modérée peut n engendrer que de l hyperthermie. Les recherches réalisées lors de l essai de feu d école de Los Angeles de 1959 [3] a montré qu une température de 66 C à une hauteur de 1,5 m conduisaient à des conditions critiques pour l évacuation. Le NRCC (Canada) a conclu [4] qu une température de 150 C était la Effets du feu sur les personnes Page 69/163

70 température maximum de l air pouvant être respiré durant une période très courte, l air étant parfaitement sec. D autres études [5] ont montré qu une exposition à 100 C représente un niveau suffisant pour engendrer l hyperthermie et des brûlures locales en 2 à 5 minutes. L effet de la présence de vapeur d eau, présente dans les fumées en quantités importantes, engendre des effets à des températures inférieures. Dans l air humide, des brûlures de la peau sont observables à 100 C, et toute évacuation devient impossible dès 150 C [5]. Une table croisant température, effet physiopathologique et durée de tenabilité a été établie par l US Navy [6] et est présentée ci-dessous : Température Incapacitation Létalité 90 C 35 minutes 60 minutes 150 C 5 minutes 30 minutes 190 C Immédiate 15 minutes 200 C Dommages irréversibles aux voies respiratoires 340 C Mort instantanée Tableau 17 : Effets de la température sur les personnes données US Navy Le tracé graphique des données de létalité est présenté ci-dessous : 70 Effet létal de la température y = x x R 2 = Délai de létalité (min) Température ( C) Figure 28 : Effet de la température sur les personnes données US Navy Ces valeurs sont données pour de jeunes soldats entraînés et ne reproduisent donc pas nécessairement le comportement d une population civile, la population considérée étant vraisemblablement plus résistante du fait de son jeune âge et de sa condition physique. Effets du feu sur les personnes Page 70/163

71 5.3.2 Temps d atteinte des effets incapacitants Comme pour le flux radiatif, le délai d incapacitation suite à l effet de la chaleur apportée par convection en contact d un gaz chaud peut être calculé. Cette incapacitation correspond au délai d apparition de brûlures et de douleurs importantes. Deux relations ont été établies, en fonction du niveau d habillage des personnes, les habits jouant le rôle d isolant thermique par rapport à l échauffement. Ces relations sont valables pour des teneurs en vapeur d eau des gaz inférieures à 10 %. La relation établie pour les sujets complètement habillés (hiver, pantalon, bras couverts) est présentée ci-dessous [9] : t Iconv 8 3, 61 ( 4,1 10 ) = T La relation pour des sujets légèrement vêtus (T-shirt, short, robe légère) est la suivante [7] : t Iconv 7 3, 4 ( 5 10 ) = T avec : t Iconv : temps de tenabilité, exprimé en minutes; T : température du gaz, en C Ces deux équations sont empiriques et ont une incertitude estimée à 25 %. Le tracé des valeurs est présenté ci-dessous : Effet thermique convectif du feu Temps d'incapacitation (min) Sujet largement vêtu Sujet légèrement vêtu Température ( C) Figure 29 : Effet incapacitant de la température sur les personnes Effets du feu sur les personnes Page 71/163

72 Pour un sujet légèrement vêtu, la température de 67 C engendre des effets incapacitants en 30 minutes. Cette valeur est conforme à celle de la référence [3] et peut être utilisée dans les études de danger pour les expositions courtes. Une exposition prolongée à 42 C peut elle aussi entraîner la mort, par débordement de la thermorégulation, mais pour des temps d exposition longs Dose thermique convective Des douleurs dues à l hyperthermie ou aux brûlures apparaissent rapidement chez les victimes d un incendie. Une équation de «Fractional Effective Dose» a été développée pour la chaleur et est présentée dans la norme ISO [1]. La relation établie est la suivante : FED chaleur = 1/ exp(5,1849 0,0273. T ) Dans cette équation, T est la température en degrés Celsius. 5.4 Dose thermique globale La réponse des personnes à une sollicitation thermique est liée à un effet dose de chaleur sur une durée d exposition. Une exposition courte à une forte sollicitation radiative ou convective est en général moins tolérable qu une exposition plus longue à une sollicitation moindre, du fait de la nature des effets mis en jeu : brûlures dans le premier cas et hyperthermie dans le second. La dose totale reçue par des personnes exposées durant un temps donné peut être calculée pour un feu donné d après la formule [1] : FED t = 2 t1 1 t Irad 1 + t Iconv t Les termes t Irad et t Iconv de l équation correspondent respectivement aux valeurs présentées aux paragraphes et Dans le cas où le flux radiatif serait inférieur au seuil de 2,5 kw/m², le premier terme de l équation est éliminé. La FED est basée sur une variation dans la susceptibilité des populations. Ainsi, l atteinte d une FED de 1 signifie que 50% d une population subit de sévères effets thermiques gênant l évacuation et entraînant des brûlures conséquentes. Une valeur de 0,3 correspond à l atteinte de 11,4 % de la population. Effets du feu sur les personnes Page 72/163

73 5.5 Utilisation de l évaluation de l effet thermique sur les personnes en France Instruction technique 246 L instruction technique 246 constitue l annexe 3 de l arrêté du 22 mars 2004, relatif au désenfumage des établissements recevant du public. La réglementation propose dans le chapitre 8 de cette annexe la possibilité d utiliser l ingénierie du désenfumage afin de valider les prescriptions relatives au désenfumage. Dans ce chapitre, il est demandé de remplir l objectif de l article DF1, c est à dire d extraire, en début d incendie, une partie des fumées et gaz de combustion de telle sorte que les cheminements destinés à l évacuation du public restent praticables. Les critères proposés sont que la hauteur libre de fumée soit suffisante, c est à dire toujours supérieure à 1,8 m, mais aussi que le flux de chaleur reçu par les personnes soit supportable. Néanmoins, aucun critère n est proposé. Les paragraphes précédents peuvent apporter des éléments de réponse satisfaisants pour remplir cet objectif ICPE soumises à autorisation Une recommandation sur les niveaux de flux thermique existe dans l arrêté du 29 septembre 2005, relatif à l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation (JO n 234 du 7 octobre 2005). Des valeurs de référence sont définies pour les structures et pour les personnes. Les valeurs ont pour but de déterminer les conséquences environnementales d un feu à grande échelle. Les critères retenus pour les structures sont les suivantes : Flux Effet 5 kw/m² Destructions de vitres significatives 8 kw/m² 16 kw/m² 20 kw/m² Seuil des effets domino, correspondant au seuil de dégâts graves sur les structures Seuil d'exposition prolongée des structures, correspondant au seuil des dégâts très graves sur les structures, hors structures béton Seuil de tenue du béton pendant plusieurs heures et correspondant au seuil des dégâts très graves sur les structures béton 200 kw/m² Seuil de ruine du béton en quelques dizaines de minutes Tableau 18 : Effets du flux thermique radiatif sur les biens selon l arrêté du 29 sept Effets du feu sur les personnes Page 73/163

74 Les critères proposés pour les effets radiatifs sur les personnes sont accompagnés de valeurs exprimées en flux et en dose : Flux Dose Effet 3 kw/m² 600 [(kw/m²) 4/ ³].s 5 kw/m² [(kw/m²) 4/ ³].s 8 kw/m² [(kw/m²) 4/ ³].s Seuil des effets irréversibles délimitant la «zone des dangers significatifs pour la vie humaine» Seuil des effets létaux délimitant la «zone des dangers graves pour la vie humaine» mentionnée à l'article L du code de l'environnement Seuil des effets létaux significatifs délimitant la «zone des dangers très graves pour la vie humaine» mentionnée à l'article L du code de l'environnement Tableau 19 : Effets du flux thermique radiatif sur les personnes selon l arrêté du 29 sept Ces valeurs sont à comparer avec le seuil de 2,5 kw/m², correspondant à un effet incapacitant en 30 minutes. Seul l effet radiatif est évalué dans les ICPE. Dans l étude d impact, les zones correspondant aux différents niveaux de flux sus-cités doivent être déterminées. 5.6 Références [1] ISO / TS : 2002 (Epreuve française) : Composants dangereux du feu Lignes directrices pour l estimation du temps disponible pour l évacuation, utilisant les caractéristiques du feu [2] INRS ED Incendie et lieux de travail [3] Operation School Burning, National Fire Protection Association, Boston, MA, USA, 269, 1959 [4] Shorter, G.W. et al. The St Lawrence Burns, NFPA Quarterly, 53, (4), pp , avril 1960 [5] Budnick E.K., Klein D.P. and O Laughlin R.J., Mobile Home bedroom Fire Studies: The role of Interior Finish, National bureau of standards Interim report (NBSIR) , Septembre 1978 [6] Naval ships technical manual (NSTM) Chap.555 Volume 1, Surface ship firefighting S9086-S3-STM-010/CH-55V1R9, Naval Sea System Command, Washington DC, Décembre 2001 [7 ] D.A. Purser. Toxicity Assessment of Combustion Products, in SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, P. J. DiNenno, Ed., 2nd ed., National Fire Protection Association, Quincy, MA, Sect. 2, 1995, pp [8] A. M. Stoll, M.A. Chianta Method and Rating System for Evaluation of Thermal Protection, Aerospace Medicine, 40, 1969, pp Effets du feu sur les personnes Page 74/163

75 [9] C. Crane. Human Tolerance Limit to Elevated Temperature: An Empirical Approach to the Dynamics of Acute Thermal Collapse, Federal Aviation Administration, Memorandum Report No. ACC , 1978 [10] «Dissertation sur la nature et la propagation du feu», Marquise de Breteuil, Paris, Académie des Sciences (1738), Prault Fils Paris, édition 1744, Bibliothèque Nationale de France [11] Fraden J., Medical infrared thermometry (review of modern techniques), Temperature Its Measurement and Control in Science and Industry (TIMCSI), 1992, 6, 2, [12] Love T. J., in: Shitzer A., Eberhart R. C. (ed.), Heat transfer in medicine and biology, Plenum Press, 1985, vol. 2, Effets du feu sur les personnes Page 75/163

76 6 Effets toxiques des effluents du feu 6.1 Définitions Asphyxiant : Carboxyhémoglobine : Produit toxique provoquant la détresse respiratoire d un organisme par manque d oxygène. Cette détresse entraîne une dépression du système nerveux central avec perte de connaissance entraînant rapidement le décès. Les gaz asphyxiants sont principalement le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, le cyanure d hydrogène. L asphyxie peut également survenir suite à une raréfaction de l oxygène, avec ou en l absence de gaz asphyxiants. La saturation en carboxyhémoglobine est le pourcentage d hémoglobine converti en carboxyhémoglobine, cette dernière pouvant provoquer la mort. Ce complexe est formé par réaction de l hémoglobine avec le monoxyde de carbone inhalé. Courbe Concentration/temps : Représentation graphique de la concentration d un gaz toxique en ppm ou d un effluent du feu en g.m -3 en fonction du temps. Dose d exposition : Quantité d un gaz toxique ou d un effluent du feu disponible pour l inhalation, c est à dire l intégration de la courbe concentration/temps. FEC : Fractional Effective Concentration - Rapport de la concentration d un gaz toxique avec celle qui est supposée prédire un effet donné sur un sujet exposé à cette concentration. FED : Incapacitation Fractional Effective Dose - Rapport entre le produit Ct d un toxique gazeux produit lors d un essai donné, et le produit Ct d un toxique évalué statistiquement à partir de données expérimentales indépendantes, de façon à provoquer un effet (létalité) chez 50 % des animaux soumis à l essai pendant des périodes d exposition et de post exposition spécifiées. Les valeurs temps de ce rapport s annulant mathématiquement, la FED n est donc que le rapport de la concentration moyenne d un toxique gazeux et de la valeur de sa LC50 pour une même durée d exposition. S il n est pas utilisé pour un toxique spécifique, le terme FED représente la somme des FED de chaque toxique présent dans une atmosphère de combustion. Impossibilité physique d accomplir une tâche spécifique : par exemple évacuer un local encombré par de la fumée. Effets du feu sur les personnes Page 76/163

77 Irritants Substance qui enflamme les tissus (provoquant ainsi un afflux de sang) et les organes en provoquant une sensation de douleur. Les gaz irritants présents dans les effluents du feu sont principalement le chlorure d hydrogène, le fluorure d hydrogène, le bromure d hydrogène, les oxydes d azote, l acroléine, le formaldéhyde, l acétaldéhyde, le dioxyde de soufre, l ammoniac et le sulfure d hydrogène. La stimulation par les irritants des récepteurs nerveux dans les yeux, le nez, la gorge et la trachée-artère entraînent divers stades d inconfort et de douleur causés par les réactions physiologiques de défense. Lethal exposure dose 50 : Lethal concentration 50 : Narcotique : La LCt50 est le résultat de la multiplication de la concentration d un gaz toxique par le temps d exposition qui entraîne la mort de 50 % d une population d animaux d essai d une espèce donnée, dans des conditions spécifiées. Elle est exprimée en grammes minute par mètre cube. La LC 50 est la concentration d un gaz toxique exprimée en ppm ou en g.m -3, déterminée statistiquement à partir des concentrations expérimentales qui provoquent le décès de 50 % des animaux après une exposition pendant 30 minutes et une post-exposition de 14 jours. Des valeurs similaires peuvent être obtenues pour 5 % ou 1 % de la population. Substance qui provoque une altération des capacités physiques, comme par exemple la possibilité de s échapper, ou une perte de connaissance. Produit Ct / dose d exposition : Le produit Ct pour un toxique gazeux (ppm.min) ou pour un effluent du feu (g.m -3.min) est obtenu par intégration de la courbe concentration temps dans un environnement. Toxique : Substance nocive pour les organismes vivants. On distingue la toxicité aiguë, à effet immédiat pour une exposition unique, de la toxicité chronique obtenue par accumulation de multiples expositions, ou d une exposition faible mais prolongée. Note : Ces définitions complètent celles officielles présentées dans la norme NF EN ISO : Sécurité au feu Vocabulaire. Effets du feu sur les personnes Page 77/163

78 6.2 Le danger lié à la toxicité des fumées Généralités Les fumées sont la principale cause de mortalité lors d un incendie. De nombreux travaux ont montré que c est leur inhalation qui va faire le plus de victimes [1-4]. Les fumées sont dangereuses en raison des produits toxiques qu elles contiennent, pour leur température élevée et pour leur opacité qui désoriente les victimes en les empêchant de trouver rapidement la sortie. Les paragraphes qui suivent présentent les différents aspects de la toxicité des fumées. Il faut préciser que les caractéristiques des fumées dépendent beaucoup du type de sinistre [2] Et de la nature du combustible considéré. En particulier, certaines notions sont essentielles dans l évaluation du danger lié à la toxicité des fumées. La référence [55] fait l état de l art de ces notions. L objectif de sécurité est défini au travers des critères retenus. En particulier, il convient de s intéresser aux effets incapacitants et létaux des fumées, ce qui implique de s intéresser aux effets des substances présentes. Ces substances peuvent être irritantes, asphyxiantes ou narcotiques Facteurs décisifs pour la survie Le temps de survie des victimes d un incendie est inversement proportionnel à la concentration et à la toxicité des produits dégagés. La concentration des produits toxiques dégagés en fonction du temps, la densité de fumée et la chaleur dépendent de : La variation de la croissance du feu. Elle dépend du taux de perte de masse du combustible et du volume dans lequel les gaz sont dispersés. La quantité de produits toxiques dégagée par unité de masse du matériau brûlé. Le potentiel toxique des produits correspond à la concentration d exposition (kg/m 3 ) ou la dose d exposition (kg.min/m 3 ou ppm.min/m 3 ) nécessaire pour produire des effets toxiques ainsi que les effets équivalents en terme de chaleur et de diminution de la visibilité. Une évaluation de ces effets nécessite la connaissance des concentrations ou des doses d exposition qui réduisent ou empêchent l évacuation. Il est important de noter que pour toute intoxication, le corps humain dispose toujours d un ou plusieurs processus de détoxication, qu il soit mécanique (tapis mucociliaire) ou biochimique. C est le débordement de ce processus qui engendre les effets toxiques des substances. Dans certains cas, ce sont les produits intermédiaires des processus d assimilation des composés qui se révèlent toxiques dans l organisme. L effet apparaît alors de façon retardée, mais est tout aussi dangereux. Un autre critère essentiel est le taux d absorption du produit par l organisme. Ainsi certains produits comme l acide chlorhydrique ont un taux d absorption de plus de 90 %, alors que d autres comme le benzène ne sont absorbés qu à raison de quelques pourcents et se retrouvent majoritairement dans l air expiré. Effets du feu sur les personnes Page 78/163

79 D autre part, un soin essentiel doit être apporté à l évaluation de la toxicité des fumées et à la période de post-exposition. En effet, certains toxiques ont une action plus ou moins lente, éventuellement modifiée par la présence de suies. Dans ce cas, des individus assurant leur évacuation sans incapacitation apparente peuvent décéder des suites de leur exposition plusieurs heures à plusieurs jours après. C est pourquoi dans les études portant sur des animaux l exposition est toujours suivie d une période d observation de 14 jours. Dans les incendies réels, les personnes exposées aux gaz doivent donc être suivies médicalement plusieurs jours après leur exposition Effet des gaz irritants Dans la fumée, les principaux irritants sont : Les acides inorganiques : les halogénures d hydrogène (chlorure d hydrogène (HCl), bromure d hydrogène (HBr) et fluorure d hydrogène (HF)), le dioxyde de soufre (SO 2 ) et les oxydes d azote (NO x ) [5-6] Certains composés organiques tels que les aldéhydes de faible poids moléculaire (acroléine, formaldéhyde, acétaldéhyde). Actuellement, plus de 20 substances irritantes ont été mises en évidence dans la fumée. Lorsque qu une victime est exposée à une atmosphère irritante, elle ressent tout d abord une sensation d irritation des yeux, du nez, de la gorge, puis des poumons. Cette irritation est proportionnelle à la concentration en gaz irritant. Ainsi, pour le chlorure d hydrogène, il a été montré que l aptitude des personnes à évacuer n est pas compromise pour une concentration comprise entre 100 et 500 ppm. Au-delà de 1000 ppm, l évacuation devient impossible [7]. Les fumées issues de la combustion des matériaux synthétiques ou naturels comportent de nombreux composés irritants. Purser [2] a fait l hypothèse de l additivité des effets des gaz irritants. Dans ce cas, le concept de FIC (Fractional Irritant Concentration) peut être introduit pour évaluer les effets toxiques [8]. La FIC de chaque gaz est obtenue en faisant le rapport entre la concentration mesurée et la concentration critique (voir le tableau ci-dessous). Cette concentration critique est considérée comme étant sévèrement irritante pour les hommes. La FIC totale s obtient en faisant la somme des FIC individuelles de chaque gaz (1). Si FIC tot atteint l unité, l atmosphère devient hautement irritante et toute tentative d évacuation devient impossible. Au-delà de cette valeur, la victime peut perdre connaissance. Le niveau de FIC peut alors atteindre des valeurs traduisant la mise en danger de la vie de la personne. FIC tot = FIC HCl + FIC HBR + FIC HF + FIC SO2 + FIC NO2 + FIC org CHCl CHBr C CSO C HFl NO C 2 2 Org FIC tot = (1) CC CC CC CC CC CC HCl HBr HF SO2 NO2 Org Effets du feu sur les personnes Page 79/163

80 Dans cette expression, FIC org représente la somme des FIC de tous les composés organiques. Les Ci désignent les concentrations observées pour chacune des espèces i. Les CCi représentent les concentrations critiques de ces espèces i. Les valeurs proposées par Purser sont reprises dans le tableau suivant : Gaz irritant HCl HBr HF SO 2 NO 2 CC (ppm) pour 5 min d exposition Tableau 20 : Concentrations critiques de gaz irritants d après [2] 25 pour 30 min d exposition Malgré tout, l auteur précise que l additivité n est pas tout à fait vérifiée avec le dioxyde d azote puisque la toxicité des mélanges binaires (NO 2 et autres gaz toxiques) est plus importante que celle des deux gaz pris séparément [2]. A basse teneur, il est admis que les irritants ont un effet bronchoconstricteur réflexe qui diminue la capacité respiratoire et augmentent la fatigue, mais protégeant partiellement les poumons Effet des gaz asphyxiants (ou narcotiques) Le monoxyde de carbone (CO), l acide cyanhydrique (HCN) et le dioxyde de carbone (CO 2 ) sont à l origine de la presque totalité des décès dus à l intoxication par les fumées. Les effets de ces trois espèces sont détaillés ci-dessous : Le CO est le principal asphyxiant. Il serait responsable de 90 % des décès liés à l inhalation de gaz lors d un incendie. En effet, de nombreuses analyses post-mortem ont mis en évidence des taux de carboxyhémoglobine suffisamment élevés pour provoquer la mort [9]. Lors d un incendie, la quantité de CO dégagée est liée à la quantité d oxygène disponible et à la nature du matériau qui brûle. Dans la plupart des situations, la production de ce gaz est importante et rapide. Des concentrations de 7 à 11%, soit 20 fois la concentration létale chez l animal, ont été mesurées pour la combustion de 127 kg de matériaux synthétiques dans une enceinte de 8 m 3 [2]. Le rapport CO sur CO 2 permet d autre part d apprécier l oxygénation du foyer. L asphyxie par le CO résulte de la complexation de ce gaz avec l hémoglobine du sang, pour former un complexe beaucoup plus stable que l oxyhémoglobine normalement formée avec l oxygène (L oxyhémoglobine est la molécule permettant de véhiculer l oxygène vers les organes du corps au moyen de la circulation sanguine). Une étude [10] a montré qu une réduction de 50 % de la concentration sanguine en oxyhémoglobine entraîne rapidement le décès. L activité physique liée à l évacuation est aussi un paramètre à prendre en compte pour évaluer la quantité de CO inhalée, puisqu un comportement de fuite double la vitesse d absorption de ce gaz. Le taux de carboxyhémoglobine dans le sang à partir duquel les capacités de fuite d un homme sont altérées est de l ordre de 30 % [4]. Au niveau Effets du feu sur les personnes Page 80/163

81 intracellulaire, l asphyxie se manifeste aussi par une inactivation de certains enzymes responsables de la respiration. Le cyanure d hydrogène (HCN) figure parmi les gaz faisant le plus de victimes lors des incendies. Cet asphyxiant peut même provoquer le décès plusieurs jours après l inhalation, ou entraîner des problèmes respiratoires chroniques [11]. Les molécules d HCN provoquent l asphyxie par inhibition de la respiration au niveau des mitochondries, qui sont les organites énergétiques des cellules. Le mécanisme d asphyxie est en effet lié à l action des ions cyanure sur la cytochrome-oxydase, enzyme terminale de la respiration mitochondrienne. Le troisième asphyxiant par le nombre de ses victimes est le dioxyde de carbone (CO 2 ). Ce gaz provoque un phénomène d hyperventilation, qui va accroître la quantité de gaz toxiques inhalée [12]. A forte dose, son action isolée engendre des effets narcotiques similaires à ceux de CO, la pression partielle de CO 2 étant suffisante pour que l oxygène soit remplacé par ce dernier au-niveau de l hémoglobine. La principale difficulté réside dans l estimation de l effet de synergie existant entre gaz asphyxiants d une part, et de l effet de synergie ou d antagonisme pouvant exister entre ces asphyxiants et d autres gaz. Enfin, certains décès sont la conséquence d asphyxie simplement provoquée par la baisse de la concentration en oxygène aux environs de l incendie. Ce cas sera traité par la suite. Les asphyxiants affectent les systèmes cardio-vasculaire et nerveux par sous-oxygénation, ce qui entraîne rapidement une perte de connaissance suivie immédiatement par le décès. Au début de l intoxication, les effets sont peu visibles. Si la durée d exposition augmente, l individu est tout d abord dans un état similaire à l ébriété, puis il perd rapidement connaissance. Dans tous les cas, les systèmes nerveux et cardio-vasculaire sont les premiers touchés par les asphyxiants, car ils sont toujours actifs et consomment l oxygène. Lorsque la respiration mitochondrienne est entravée, soit par défaut d alimentation en oxygène (effet de CO, CO 2 ) ou perte de la capacité à l utiliser pour raison enzymatique (effet de HCN), les cellules touchées meurent rapidement. Il est important de noter que l effet toxique dépend de l activité du système nerveux et du système cardio-vasculaire. Ainsi, la susceptibilité à l intoxication est fort différente entre un sujet au repos et un sujet en activité. De fait, un sujet soumis à la panique s intoxique encore plus rapidement Variabilité des effets au sein des populations La plupart des données toxicologiques utilisées pour la détermination de l effet des fumées sont issues d études de laboratoires impliquant des animaux jeunes et en bonne santé. Ces modèles animaux ne reflètent pas fidèlement le modèle humain, et de nombreux processus enzymatiques d intoxication et de détoxication sont différents entre les espèces. Les valeurs de létalité sont déterminées chez le rat ou la souris, car ces rongeurs ont une dynamique de population importante permettant des essais sur des populations significatives avec un taux de reproduction élevé. Néanmoins, leur modèle respiratoire est très différent du Effets du feu sur les personnes Page 81/163

82 nôtre. En présence de CO 2, ces espèces ont la capacité de diminuer leur métabolisme, en ralentissant leur rythme cardiaque et leur rythme respiratoire de manière à ingérer moins de toxiques. Au contraire, dans la même situation l homme a tendance à augmenter son rythme respiratoire et à aggraver son intoxication par les autres espèces. Des modèles comme les primates sont plus fidèles. En particulier, les expérimentations sur les babouins se rapprochent du métabolisme des enfants, mais ces essais posent des problèmes d éthique, et le taux de reproduction des espèces ne permet pas d étudier des populations statistiques conséquentes. Enfin, au sein même d une espèce, et en particulier de l espèce humaine, les variabilités sont très importantes. Elles ont une origine génétique, mais peuvent aussi être liées aux maladies passées ou présentes du sujet : tuberculose passée, asthme par exemple. Dans ces souspopulations humaines, certaines sont très importantes. Ainsi, les sous-populations les plus sensibles sont les jeunes enfants, les personnes âgées, et les asthmatiques (15 % d enfants et 5 % d adultes). Les enfants les plus jeunes sont plus sensibles à l intoxication car leur métabolisme est plus rapide. Ils respirent en proportion beaucoup plus de gaz que les adultes, si l on ramène le volume d air inspiré à la masse corporelle. Les personnes âgées sont aussi victimes d une plus grande sensibilité. Les personnes souffrant de troubles cardiovasculaires sont très sensibles aux asphyxiants CO et HCN, qui provoquent un ralentissement puis un arrêt du cœur. Les asthmatiques et les personnes souffrant d affections respiratoires (bronchites chroniques, par exemple) sont particulièrement sensibles aux effets bronchoconstricteurs engendrés par les expositions aux basses concentrations en irritants. Les fortes concentrations ont également des effets considérables dans ces populations, la capacité respiratoire initiale étant déjà inférieure à celle des individus sains. 6.3 Les espèces toxiques à considérer Dans les fumées de combustion, plus de 200 composés différents peuvent être identifiés. Ce sont pour la plupart des composés organiques et des oxydes de carbone, mais de nombreuses espèces peuvent apparaître en fonction du combustible considéré. Certaines sont stables et d autres ne subsistent que quelques jours, heures, voire secondes. De nombreux composés se révèlent toxiques pour l homme et leur étude doit être approfondie. Le présent paragraphe décrit les espèces toxiques principales présentes dans les fumées de combustion des matériaux (hormis la vapeur d eau), en explicitant leurs effets pathologiques. Les critères indiqués pour chacun des gaz suivants sont décrits au paragraphe 6.5. Dans des feux spécifiques, de nombreux autres composés peuvent intervenir dans la toxicité du mélange gazeux. Il convient alors de se référer à la littérature spécialisée pour déterminer quelles espèces peuvent être présentes dans les fumées. Effets du feu sur les personnes Page 82/163

83 6.3.1 Dioxyde de carbone CO 2 Le dioxyde de carbone est présent en grande quantité dans les fumées de combustion de presque tous les matériaux. A faible dose, il n est pas toxique en soi, mais engendre un effet d hyperventilation qui augmente les risques d absorber d autres polluants. A forte dose, il présente néanmoins un effet asphyxiant. La table ci-dessous présente les effets du CO 2 sur l homme [31]. Pourcentage volumique de CO 2 dans l air Effet physiopathologique 10 % Céphalées 13 et vertiges % Narcose 15 Tableau 21 : Effets physiopathologiques du dioxyde de carbone Monoxyde de carbone CO Dès que le dioxyde de carbone est présent dans les fumées, la thermodynamique prévoit la formation de monoxyde de carbone en proportion variable selon le combustible et les conditions de ventilation. Pour un feu de méthane en conditions ventilées, très peu de CO est produit. Au contraire, pour un feu de bois en conditions sous-ventilées, son taux de production peut être considérable. Le monoxyde de carbone est exclusivement absorbé par la respiration, et l intoxication intervient au niveau pulmonaire. Le CO est toxique par anoxie du fait de son affinité avec l hémoglobine 200 fois plus élevée que le dioxygène. La carboxyhémoglobine a donc une durée de vie beaucoup plus importante, et sa persistance dans le sang est de plusieurs jours. De ce fait, la dose totale de CO absorbée est à prendre en compte dans le processus d intoxication aiguë. La teneur létale limite admise pour une exposition au CO seul est de 50 % à 60 % de carboxyhémoglobine. Une teneur de 30 % de carboxyhémoglobine gène l évacuation. Le seuil de toxicité admis (incapacitation - SEI) est de l ordre de 1750 mg/m Céphalées : Douleur à la tête, à la périphérie ou au niveau des méninges. (Tiré de BLOUIN, Maurice; BERGERON, Caroline et all. Dictionnaire de la réadaptation, tome 1 : termes techniques d'évaluation. Québec : Les Publications du Québec, Vertiges : Sensation erronée de déplacement des objets environnants par rapport au corps ou inversement. (Tiré de BLOUIN, Maurice; BERGERON, Caroline. Dictionnaire de la réadaptation, tome 2 : termes d'intervention et d'aides techniques. Québec : Les Publications du Québec, 1997) 15 Narcose : Sommeil provoqué artificiellement par une substance narcotique. Torpeur pathologique. (Tiré de Terminologie de neuropsychologie et de neurologie du comportement. Recherche et réd. Louise Bérubé. 1991) Effets du feu sur les personnes Page 83/163

84 Une table simplifiée des effets du CO [31] peut être établie : Pourcentage volumique de CO dans l air Effet physiopathologique 0,01 % Céphalées 0,05 % Vertiges 0,1 % Syncope 16 0,2 % Coma 17, mort rapide 0,5 % Mort immédiate Tableau 22 : Effets physiopathologiques du monoxyde de carbone Cette table demeure indicative, car elle ne reprend pas les effets des durées d exposition. Les courbes de Chauvin [26] sont plus précises et sont caractéristiques de l accumulation de CO dans l organisme. Ces courbes permettent de construire, pour une durée d exposition de 15 minutes, les courbes d intoxication au CO en fonction de la teneur dans les fumées, ainsi que la courbe concentration / temps correspondant à une carboxyhémoglobine de 60 %, considérée comme rapidement létale. Ces différentes courbes sont présentées ci-après. Le monoxyde de carbone est par ailleurs un gaz combustible, en particulier à haute température, et participe aux phénomènes de roll-over ou de flashover. 16 Syncope : Perte de connaissance brève et temporaire (de quelques secondes à quelques minutes), due à une anoxie cérébrale par réduction globale de la circulation cérébrale, presque toujours secondaire à une perturbation cardiovasculaire systémique. (Tiré de Terminologie de neuropsychologie et de neurologie du comportement. Recherche et réd. Louise Bérubé, 1991) 17 Coma : Dégradation de l'état de conscience qui empêche la communication réceptive et expressive avec le milieu environnant. Cet état d'inconscience duquel le sujet ne peut être éveillé par la stimulation verbale ou même douloureuse peut être attribuable à une atteinte structurale, à une affection métabolique ou à un agent toxique exogène ou endogène qui entravent les mécanismes de l'éveil à différents degrés. (Tiré de Terminologie de neuropsychologie et de neurologie du comportement. Recherche et réd. Louise Bérubé, 1991) Effets du feu sur les personnes Page 84/163

85 Abaques d'exposition en fonction du temps (sujet en activité) Carboxyhémoglobine HbCO % ppm 750 ppm 1000 ppm 2000 ppm 5000 ppm ppm Temps d'exposition (min) Figure 30 : Taux de carboxyhémoglobine en fonction du temps sujet en activité Effets du feu sur les personnes Page 85/163

86 Abaques d'exposition en fonction du temps (sujet endormi) Carboxyhémoglobine HbCO % ppm 750 ppm 1000 ppm 2000 ppm 5000 ppm ppm Temps d'exposition (min) Figure 31 : Taux de carboxyhémoglobine en fonction du temps sujet endormi Effets du feu sur les personnes Page 86/163

87 100 Exposition au CO - 15 minutes Activité COHB (%) Sommeil COHB (%) Carboxyhémoglobine (HBCO %) Concentration dans l'air (ppm) Figure 32 : Taux de carboxyhémoglobine en fonction de la concentration exposition de 15 minutes Effets du feu sur les personnes Page 87/163

88 Intoxication par CO (Effet de CO seul - teneur critique pour 60% HbCO) Teneur létale (ppm) Sujet endormi y = 82665x -0,8229 R 2 = 0, Sujet en activité y = 34934x -0,7892 R 2 = 0, Temps d'exposition (min) Figure 33 : Rapport concentration / temps pour une carboxyhémoglobine à 60 % (létalité) Effets du feu sur les personnes Page 88/163

89 6.3.3 Cyanure d hydrogène HCN Le cyanure d hydrogène est la forme gazeuse de l acide cyanhydrique. Il est présent dans les fumées de combustion de tous les matériaux azotés, naturels (laine, bois ) ou artificiels (mélamines, polyamides ) L acide cyanhydrique est un narcotique puissant. (SEI de 55 mg/m 3 ). Il est, avec le monoxyde de carbone, la principale cause de risque toxique létal des fumées. L acide cyanhydrique est absorbé par la respiration et par la peau. Il se complexe avec la cytochrome-oxydase, une enzyme essentielle à la production énergétique au niveau intracellulaire, provoquant ainsi la mort de la cellule par défaut d énergie. La mesure de la teneur en cyanure dans le sang donne une indication de la quantité en cours d assimilation par l organisme au moment du décès, mais est insuffisante pour caractériser totalement l intoxication, le cyanure ayant déjà agi n étant pas révélé par cette mesure (voir paragraphe 6.6.7). De plus cette teneur décroît, même après le décès car le cyanure continue à être assimilé. La courbe de létalité de HCN [27] dans l air est présentée ci-après. Dans l organisme, une partie du cyanure libre est détoxiqué sous forme de thiocyanates. Une autre partie se trouve complexée de manière stable avec la cytochrome-oxydase, la rendant inactive. Une partie est présente sous forme de méthoxyhémoglobine dans le sang. Enfin, une partie est rejetée sous forme d acide cyanhydrique par la peau et les poumons. Effets du feu sur les personnes Page 89/163

90 Intoxication par HCN (Effet de HCN seul) Teneur létale (ppm) y = 2064,3x -0,8809 R 2 = 0, Temps d'exposition (min) Figure 34 : Rapport concentration / temps pour la létalité par HCN seul Effets du feu sur les personnes Page 90/163

91 6.3.4 Composés chlorés et bromés Chlorure d hydrogène HCl et bromure d hydrogène HBr Les acides halogénés (Chlorure d hydrogène, acide chlorhydrique, bromure d hydrogène, et acide bromhydrique) sont des irritants pulmonaires forts (SEI respectivement de 150 et 170 mg/m 3 ) qui provoquent des toux et dyspnées 18. Ils peuvent également provoquer des œdèmes du poumon, même quelques jours après l exposition. Ils peuvent entraîner une destruction tissulaire au niveau pulmonaire et brachial [32]. Ils sont considérablement irritants pour les muqueuses oculaires et gênent la vision [34]. Il est avéré que le risque de létalité dû à HCl n apparaît que pour les très fortes teneurs. L effet combiné d HCl et d autres toxiques, en particulier CO et HCN, s est révélé additif, bien que sans synergie [32]. Il est à noter que le seuil de détection olfactif de HCl est de 1 ppm, ce qui est bien inférieur à une concentration pouvant avoir des effets significatifs. Les données disponibles sur le chlorure d hydrogène font état d une LC50 chez le rat de mg/m 3 pour une exposition de 5 minutes et de mg/m 3 pour une exposition de 30 minutes. Les effets du chlorure d hydrogène ont été étudiés chez les primates, en particulier chez le babouin qui est un modèle animal transposable à l homme. Le babouin possède en effet un système physiologique proche de celui de l enfant. L incapacitation n a pas été observée pour des doses allant jusqu à ppm sur 5 minutes d exposition ou ppm.min. Aucun effet sur le système pulmonaire n a été observé pour une exposition à la concentration de ppm durant 15 minutes. La LC 50 du chlorure d hydrogène est de 3120 ppm pour une exposition d une heure. Le bromure d hydrogène a un mode d action similaire au chlorure d hydrogène. A haute concentration, il engendre des brûlures sévères de la peau, des yeux et des voies respiratoires. Il peut provoquer des oedèmes pulmonaires retardés fatals. La LC 50 du bromure d hydrogène est de 2860 ppm. Ces gaz sont produits par la combustion de matériaux spécifiques (PVC pour le chlorure d hydrogène, matériaux ignifugés au pentabromodiphényle pour le bromure d hydrogène par exemple) Phosgène Le phosgène CO(Cl 2 ) s observe parfois dans les feux de matériaux chlorés. Ce produit s hydrolyse instantanément en deux molécules de chlorure d hydrogène dans l organisme. Sa toxicité atteint cependant nettement plus du double de celle d HCl, du fait que cette hydratation se produit directement au-niveau du système respiratoire. L IDLH du phosgène est ainsi de 2 ppm, pour seulement 100 ppm pour HCl. La LC 50 est de 340 ppm (rat, 30 minutes). 18 Dyspnée : Difficulté ou gêne à la respiration. (A. DOMART, J. BOURNEUF - Nouveau Larousse médical. Paris 1981.) Effets du feu sur les personnes Page 91/163

92 Autres composés chlorés Les dioxines, particulièrement les TCDD (Tétrachlorodibenzodiphényles) sont parfois présentes mais toujours en faibles quantités. La nature exceptionnelle des incendies permet de s affranchir de l étude de ces composés, qui sont caractérisés par une bio-accumulation dans les graisses et donc un effet toxique non pas aigu, mais chronique. Ces composés sont en revanche étudiés dans l incinération Autres composés bromés Des composés organobromés étaient couramment utilisés comme retardateurs de flammes dans les matériaux synthétiques et pouvaient se retrouver en faibles traces dans les fumées. Néanmoins, leur usage est de plus en plus restreint Fluorure d hydrogène HF L acide fluorhydrique est un irritant puissant (SEI de 17 mg/m 3 ). Il produit des brûlures immédiates de la peau et des muqueuses qui s aggravent secondairement. Comme tous les irritants, les yeux et le système respiratoire sont fortement touchés et HF peut conduire à l œdème retardé du poumon. Le fluorure d hydrogène forme l ion fluorure dans l organisme. Cet ion s associe aux ions calcium (hypocalcémie), ce qui engendre des troubles cardiaques et neurologiques. La LC 50 constatée chez le singe est de 1420 mg/m 3 pour une exposition de 60 minutes. Ce gaz est produit lors de la combustion de certains matériaux naturels (laine) ou synthétiques (PTFE, PVDF, PVF2 ). Dans le cas de combustion d une matrice ne contenant pas d hydrogène (cas d un PTFE pur par exemple), le gaz produit est du difluorocarbonyle COF 2. Ce produit s hydrolyse instantanément en deux molécules d acide fluorhydrique dans l eau ou au contact des tissus humains. Comme le phosgène, ce composé est nettement plus toxique que HF Produits soufrés Dioxyde de soufre SO 2 Le dioxyde de soufre (SO 2 ) est un irritant fort (SEI de 260 mg/m 3 ). La toxicité est liée à la dissolution de sulfites dans le sang 19. Les symptômes s observent essentiellement au-niveau du système respiratoire. A faible concentration (moins de 50 ppm), il a essentiellement une action au-niveau des voies supérieures, mais des concentrations plus fortes (800 ppm / 8h) peuvent conduire à l œdème laryngotrachéal ou pulmonaire. Cet effet est souvent retardé, du fait de l action antagoniste du tapis-roulant mucociliaire (remontée permanente de mucus par des cils depuis les poumons vers les voies supérieures). 19 Le dosage des S-sulfites dans le plasma est un excellent indicateur de l intoxication par le dioxyde de soufre. Effets du feu sur les personnes Page 92/163

93 Le dioxyde de soufre réagit aussi avec la cornée, engendrant une kératite et une inflammation de l iris Sulfure d hydrogène H 2 S Le seuil de détection olfactif très faible de ce gaz est de 0,1 ppm. Les effets irréversibles sont observés pour des teneurs de 360 ppm pour une exposition de 10 min, 330 ppm pour 20 min ou 300 ppm pour 30 min. La létalité est observée pour des expositions de l ordre du double de ces valeurs, ou de 440 ppm durant une heure [36]. Le sulfure d hydrogène présente deux effets. Le premier est une irritation locale des yeux, du nez et de la gorge (observé au-dessus de 100 ppm), pouvant conduire à l œdème pulmonaire retardé. Le second est un effet asphyxiant similaire à celui de HCN dans son mode d action. Une teneur de 1000 ppm engendre le décès en quelques minutes. 500 ppm provoquent coma, œdème pulmonaire et une mort rapide sans traitement [37]. Le sulfure d hydrogène est un gaz extrêmement inflammable, surtout généré par la pyrolyse des produits soufrés (caoutchoucs par exemple). Quand sa présence est détectée, il est toujours observé à faible dose et accompagné des autres effluents soufrés Disulfure de carbone CS 2 Le disulfure de carbone est présent à l état de traces dans les fumées de combustion. Le produit a une odeur forte très spécifique (odeur de «camembert»), olfactivement détectable dès 0,1 ppm. Etant peu soluble dans l eau, il est donc peu absorbé par l organisme. Il est assimilé par la respiration et dans une moindre mesure par voie cutanée. Son effet est principalement une atteinte du système nerveux central. La LC 50 par inhalation est de 8000 ppm pour le rat, sur une exposition de deux heures. Cette dose est considérable par rapport aux quantités présentes dans les fumées et son étude n est que secondaire devant les autres toxiques. Ses effets chroniques sont néanmoins plus importants. C est un gaz extrêmement inflammable qui réagit avec des espèces oxydantes (NO x ). Il se décompose progressivement dans l air en oxydes de carbone et SO Autres produits soufrés Il existe par ailleurs d autres composés soufrés pouvant potentiellement être présents à l état de traces dans les fumées, comme les mercaptans et les thiols. Bien que ces composés puissent être relativement toxiques, ils ne sont pas étudiés ici du fait de la faible proportion qu ils peuvent représenter. Effets du feu sur les personnes Page 93/163

94 6.3.7 Oxydes d azote NO La chimie des oxydes d azote dans les fumées de combustion est très complexe. Il existe de nombreuses espèces différentes, et de nombreux équilibres entre elles. Ils sont issus de la combustion de matériaux azotés, en particulier ceux présentant des groupes nitrés. Les principaux oxydes d azote rencontrés sont le monoxyde d azote NO, et dans les feux les plus chauds et ventilés, le dioxyde d azote NO 2. En dessous de températures de flamme de l ordre de 800 C, NO sera majoritaire devant NO 2. Les oxydes d azote NO et NO 2 sont des irritants puissants (SEI NO 2 à 100 mg/m 3 ). Ils provoquent toux et larmoiements qui gênent l évacuation. Une forte dose peut conduire à la mort par œdème pulmonaire aigu. Le NO 2 est de loin le plus toxique des oxydes d azote. La toxicité de NO 2 vient de son absorption par l eau présente à la surface des cellules pulmonaires. La toxicité des oxydes d azote est donc principalement liée à leur solubilité dans l eau. Le protoxyde d azote N 2 O s observe parfois dans les fumées de combustion des matériaux azotés. C est un gaz anesthésique. Sa toxicité n intervient que pour de fortes doses, inhalées sur une durée très prolongée. Dans ce cas une atteinte du système nerveux et de la moelle osseuse apparaît du fait d une interaction sur le métabolisme de la vitamine B12. Il existe d autres oxydes d azote, plus ou moins stables. Ils sont tous présents à l état de traces comparativement aux trois précédents. En particulier, N 2 O 5 ou NO 3 peuvent exister. NO 2 est toujours présent sous forme de monomère NO 2 et de dimère N 2 O Aldéhydes Les aldéhydes sont des composés issus de la dégradation à température relativement modérée des produits contenant une double liaison carbone-oxygène, de préférence en extrémité de chaîne. Ils sont détruits à haute température et sont ainsi rarement présents dans les feux très chauds et bien ventilés. Au contraire, ils peuvent abonder dans les combustions incomplètes. Les principaux combustibles dégageant ces produits sont les résines formo-phénoliques, ou les panneaux de bois agglomérés à la résine formaldéhyde (Panneaux de type Médium ) Les aldéhydes sont des produits extrêmement irritants à faibles doses. Les plus courants dans les effluents du feu sont le formaldéhyde, l acétaldéhyde et dans une moindre mesure l acroléine. Du fait du fort pouvoir irritant de ce dernier, son effet peut être considérable. Généralement, s intéresser au formaldéhyde et à l acroléine suffit à caractériser l effet de ces espèces Ammoniac NH 3 L ammoniac est dégagé dans les combustions incomplètes de matériaux azotés, plus particulièrement dans les phases de décroissance du feu ou lorsque tout l oxygène a été consommé. C est un gaz combustible mais peu inflammable (Limite Inférieure d Inflammabilité de 16 %, Limite Supérieure d Inflammabilité de 25 %). L inhalation Effets du feu sur les personnes Page 94/163

95 d ammoniac provoque des irritations intenses et des lésions caustiques des yeux et des voies respiratoires. Etant très hygroscopique, il est en grande partie absorbé dans les voies respiratoires supérieures, sans pénétrer massivement jusqu au niveau pulmonaire. La LC 50 de l ammoniac est de ppm pour 10 minutes d exposition chez la souris ou 4837 ppm pour une heure. De ce fait, ce gaz est à considérer comme un toxique mineur dans les fumées, car il se retrouve souvent présent, mais à des teneurs généralement bien inférieures à ce seuil de toxicité et toujours accompagné d autres composés azotés, en particulier le cyanure d hydrogène et les oxydes d azote bien plus toxiques Hydrocarbures Les hydrocarbures sont présents en grandes quantités lors de combustions incomplètes et lorsque la production de gaz de pyrolyse est importante (feu couvant prêt à redémarrer, occurrence de flashover par exemple). Deux grandes familles sont présentes dans les fumées : les produits de craquage thermique et les dérivés aromatiques. Dans la période de craquage du combustible solide, différents hydrocarbures légers sont formés. Ce sont ces espèces qui participent à la combustion. On en retrouve en général des traces imbrûlées, particulièrement dans les phases de croissance et de décroissance du feu. Dans cette famille, on retrouve principalement le méthane, mais aussi l éthane, l éthylène, le propane, le propylène et éventuellement des composés en C4. Ces différents composés sont primordiaux dans le processus de combustion, mais n ont pas de toxicité aiguë, ni même à long terme. Ils ne présentent aucun danger immédiat pour les personnes, si ce n est leur inflammabilité. Les dérivés aromatiques présents proviennent également du processus de craquage, mais sont aussi des résidus de combustion. La présence de noyaux aromatiques dans la flamme engendre une coloration jaune/orange de celle-ci, mais aussi une augmentation du taux de rayonnement du foyer. Les dérivés aromatiques présents dans les fumées sont de tailles très variées, pouvant aller jusqu aux composés solides (traités aux paragraphes 4 et 7.2). 20 Dans ces composés aromatiques, deux groupes sont à distinguer : Le premier comprend les composés à un cycle aromatique : principalement phénol, benzène, styrène et toluène. Ces composés sont caractérisés par une toxicité chronique, hormis le phénol qui peut présenter un effet toxique aigu dans les teneurs rencontrées dans les fumées de combustion. Ces composés sont produits en particulier si un noyau aromatique est présent dans le motif du combustible : résines et mousses phénoliques, polystyrène par exemple. Ils sont aussi formés lors des combustions difficiles, par recombinaison de radicaux éthylène et acétylène dans la flamme jusqu à former des cycles aromatiques plus stables. Le second groupe est constitué par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP). Le plus toxique de ces composés est le benzo-a-pyrène. Ces composés se forment dans la flamme par agrégation des noyaux aromatiques libres. Ils ont une 20 A température ambiante, en général, les composés en C1 à C4 sont gazeux, les composés en C5 à C15 sont liquides et les composés au-delà de C15 sont solides. La composition des fumées en hydrocarbures gazeux dépend donc fortement de sa température. Effets du feu sur les personnes Page 95/163

96 toxicité chronique considérable (cancérogènes). Le processus de formation de ces composés est décrit au paragraphe 4.3 et leur participation à la formation de particules au paragraphe Benzo(a)pyrène C 20 H 12 Les données relatives à l exposition au benzène [33] sont reprises à titre indicatif dans le tableau ci-dessous : Teneur Effet 25 ppm Pas d effet observé 50 à 100 ppm Céphalées, asthénie 500 ppm Symptômes accentués 3000 ppm Tolérance de 30 à 60 minutes ppm Convulsions - Mort en 5 à 15 minutes Tableau 23 : Effets physiopathologiques du benzène Le phénol engendre des symptômes similaires, auxquels s ajoute l irritation des voies respiratoires Autres produits organiques Acrylonitrile CH 2 CHCN L acrylonitrile est une substance entrant dans la composition de différentes matières plastiques, principalement les copolymères acrylonitrile-styrène (SAN) ou copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS). En cas de pyrolyse et de combustion de ces produits, l acrylonitrile peut se retrouver présent en quantités non négligeables dans les fumées. L acrylonitrile est absorbé par voie respiratoire et cutanée. Il est toxique en exposition aiguë, et provoque des larmoiements, puis une phase convulsive suivie d une paralysie fatale. L effet est celui des nitriles et cyanures produits dans l organisme lors de la détoxication. La LC 50 observée chez le rat, pour une exposition de 4 heures, est de 470 mg/m 3. La substance a par ailleurs de nombreux effets chroniques à long terme. Effets du feu sur les personnes Page 96/163

97 Acide formique HCOOH et acide acétiquech 3 COOH L acide formique et l acide acétique sont utilisés dans la fabrication de nombreux produits combustibles, comme les résines formo-phénoliques ou les acétates de cellulose par exemple. La LC 50 de l acide formique chez le rat est de mg/m 3 pour une exposition de 15 minutes. L acide formique est un irritant puissant, et un produit inflammable. L acide acétique est un irritant à fortes concentrations Monomères Dans les fumées de combustion des matières plastiques ou de substances chimiques, il est très fréquent de retrouver des traces du produit ou du monomère de départ, particulièrement lors des phases de pyrolyse. Ces produits sont en plus fortement combustibles. Par exemple, la pyrolyse du PMMA dégage une quantité importante de méthacrylate de méthyle. Ce composé est toxique par irritation des voies oculaires et respiratoires. 6.4 Les méthodes d analyse des fumées Généralités Pour mesurer correctement l effet toxique des fumées, il convient de définir quel est l effet à étudier : incapacitation ou létalité. Il est souhaitable de connaître ou de rechercher le maximum d espèces toxiques potentiellement présentes. Les espèces les plus fréquentes peuvent par exemple représenter 90 % du potentiel létal des fumées, mais seulement 50 % de leur potentiel irritant. L aspect cinétique de production est aussi essentiel. Certains produits dégagent des quantités très importantes de toxiques dans les premières minutes, alors que d autres en dégagent moins, mais plus longtemps. Il est alors difficile de déterminer dans quel cas les fumées présentent le plus de danger pour les personnes. La prévision de l effet toxique des fumées peut se faire de deux manières : - A l aide de méthodes directes. Ces techniques consistent à exposer un animal servant de modèle à des fumées de combustion et observer l effet direct sur la population animale. Ils sont présentés au paragraphe Ils sont de moins en moins utilisés, du fait d une représentativité plus ou moins bonne des modèles animaux, et de l éthique sur ce type d expérimentation ; - A l aide de méthodes indirectes. Celles-ci consistent à analyser les fumées (paragraphe 6.4.3), puis à comparer les résultats obtenus à des critères (paragraphe 6.5) par l intermédiaire de modèles prenant en compte les effets conjoints des différents paramètres (paragraphe 6.6). Les méthodes indirectes ont néanmoins de nombreux points sensibles. Ainsi, certains modèles prennent en compte l évolution des doses reçues sur une période, alors que d autres ne Effets du feu sur les personnes Page 97/163

98 s intéressent qu à la quantité totale de chaque espèce reçue durant un temps prédéfini. De plus, les méthodes employées pour analyser les espèces présentes dans les fumées doivent avoir démontré leur adéquation : limites de détection, sensibilité, justesse et fidélité de la méthode ou l existence d interférents sont les points clés dans le choix d une méthode. Enfin pour toutes les méthodes, directes ou indirectes, il convient de toujours retenir qu une différence fondamentale peut exister entre des feux de laboratoire à petite échelle et des situations réelles d incendies pour lesquelles la variété des combustibles, des températures et de la chimie de la combustion et de la post-combustion sont essentielles. Des réflexions sont actuellement en cours pour échantillonner et caractériser la fumée d incendies réels au sein de l ISO TC92/SC Méthodes directes L effet toxique des fumées est difficile à évaluer directement. En particulier, la létalité ne peut être déterminée que sur des modèles animaux. Il est naturellement exclu de faire appel à des modèles humains, quel que soit le niveau d exposition. De plus les expérimentations animales longues et coûteuses sont devenues de plus en plus marginales ces dernières années, voire totalement interdites dans certains pays européens. [22] La norme allemande DIN est un exemple permettant de déterminer expérimentalement la LC 50 d un cocktail de fumées. Cette norme utilise un montage destiné à étudier la décomposition thermique de matériaux solides ou liquides dans certaines conditions, sous un flux d air. Les rats sont exposés aux gaz toxiques. Des analyses de sang sont réalisées sur les rats décédés pour doser la carboxyhémoglobine. Une première série de tests consiste à fixer le débit de l air dans le tube de décomposition à une valeur constante. Le mélange des gaz toxiques provenant de la décomposition est dilué avec de l air frais. Si la toxicité de ce mélange est trop élevée (100 % des animaux décédés) la quantité d air frais est augmentée. De plus, le taux d oxygène dans la chambre d exposition est toujours supérieur à 12 %. Le RAIT (Relative Acute Inhalation Toxicity) : rapport entre le nombre de rats décédés et le nombre de rats présents au début du test peut alors être déterminé. Pour la deuxième série d essais, le débit d air dans la zone de décomposition est fixé à une valeur constante. Pour chaque essai, le mélange des gaz de décomposition était dilué par une quantité d air frais constante, mais différente à chaque fois. Cela donne des concentrations différentes d effluents gazeux de décomposition à partir desquelles la relation concentrationlétalité est déduite. Cette méthode permet de déterminer expérimentalement la LC 50 du matériau. Pour les essais avec les rats, la norme DIN conseille d utiliser d abord la première méthode afin de faire le bon choix du volume d air frais à introduire. Les animaux sont exposés pendant 30 minutes à ces produits de combustion, puis sont gardés sous surveillance pendant 14 jours. Outre les tests biologiques sur les rats (pesée au début de l essai, mesure du temps jusqu au décès, analyse de sang, examen par dissection des animaux décédés), les concentrations en CO, CO 2, O 2, HCN, HCl dans la chambre d exposition et la perte de masse de l échantillon sont mesurées. Effets du feu sur les personnes Page 98/163

99 Le tableau ci-dessous présente un exemple de LC 50 déterminées directement en dynamique dans une chambre d exposition, pour plusieurs matériaux [35]. Les LC 50 sont ramenées à un gramme de matériau : Matériau LC 50 par gramme Laine 0,4 Polypropylène 0,9 Polypropylène FR 1,2 Mousse polyuréthane FR 1,3 PVC 1,4 Mousse polyuréthane 1,7 SAN 2,0 ABS 2,2 ABS FR 2,3 Polyamide 6,6 2,7 Coton 2,7 Polyamide 6,6 FR 3,2 Chêne rouvre 3,6 Polystyrène 6,0 Tableau 24 : Exemple de détermination directe de la LC 50 par gramme de différents matériaux Ces valeurs signifient que, dans le volume d essai considéré, la valeur de 1 correspond au seuil de létalité, qui serait produite par la combustion d un gramme de matériau. Pour que la combustion de 100 grammes de matière ne produise pas de fumées létales, ce volume devrait être au moins multiplié par un facteur 100. Ces valeurs sont bien entendu données à titre indicatif, pour une configuration expérimentale d exposition. Une étude similaire a été réalisée dans d autres conditions et n a pas montré les mêmes classements entre matériaux Méthodes indirectes Les méthodes indirectes font appel à la caractérisation analytique des fumées en recourant à des techniques analytiques adaptées. Un modèle tentant de reproduire l effet cumulé des différentes espèces analysées est ensuite utilisé. Les différents modèles pouvant être utilisés font l objet du paragraphe 6.6. Il est évident que les modèles ne sont efficaces que : - Si les analyses permettent de caractériser toutes les espèces présentes ayant un effet toxique dans les fumées ; - Si le modèle prend bien en compte les effets relatifs de toutes les espèces considérées. De plus, le modèle peut considérer l effet cinétique de l intoxication. On doit alors recourir à une technique analytique en dynamique permettant d apprécier cet aspect. A l heure actuelle, ces méthodes indirectes sont les seules d usage courant. Effets du feu sur les personnes Page 99/163

100 Il est important de noter qu il n existe pas de méthode universelle d analyse des gaz toxiques présents dans les fumées. Il est nécessaire de recourir à de nombreuses techniques différentes afin d analyser les fumées de la combustion. L objet de ce paragraphe n est pas de présenter toutes les techniques éprouvées dans le domaine des fumées, mais de déterminer les paramètres essentiels de celles-ci et les méthodes les plus utilisées. L un des points clés de choix d une méthode est son adéquation avec la matrice gazeuse constituant les fumées, ainsi que ses limites de quantification et de détection, sa justesse et sa fidélité (répétabilité et reproductibilité) sur le domaine utilisé Méthode par FTIR La méthode d analyse des gaz par FTIR a été utilisée dans le domaine de la sécurité incendie suite au programme d étude européen SAFIR [38]. Ce programme a permis l élaboration de la norme ISO La technique consiste à échantillonner le gaz au travers d une cellule de mesure et à enregistrer la réponse spectrale, en général sur la plage de fréquences allant de 650 à 4000 cm -1. A chaque fréquence, la position des bandes d absorption et leur intensité permettent respectivement de déterminer la nature des espèces et la quantité présentes. Cette technique est capable de mesurer des concentrations de l ordre de moins de 1 ppm pour les espèces absorbant dans l infrarouge dans des conditions spécifiques d analyse. L analyse permet la mesure dynamique des concentrations, avec des pas de temps de l ordre de 5 secondes, ce qui permet de calculer l évolution de la toxicité des fumées en fonction du temps. Néanmoins, la technique est onéreuse et demande une formation avancée des opérateurs. Effets du feu sur les personnes Page 100/163

101 2.6 Sample 10 - Tue Oct 15 13:32: P1 cel. 210 mm 600 C Absorbance Wavenumbers (cm-1) Figure 35 : Exemple de spectre FTIR de fumées de combustion. Effets du feu sur les personnes Page 101/163

102 Autres méthodes Les méthodes «classiques» d analyse sont décrites dans la norme NF ISO et dans la norme NF X Ces méthodes sont d usage très courant dans de nombreux laboratoires, mais ne permettent pas d approcher la cinétique de dégagement des espèces (hormis pour CO et CO 2 ). Beaucoup de ces méthodes sont fondées sur l absorption ou l adsorption du gaz dans un milieu de piégeage, puis sur l analyse ultérieure du contenu de ce milieu. Ainsi, des gaz comme le chlorure d hydrogène et le bromure d hydrogène sont piégés dans l eau. Le SO 2 requiert un milieu peroxydé, à base d eau oxygénée, alors que l hydroxyde de sodium est adapté à HCN, HF ou NO 2. Les aldéhydes requièrent une adsorption sur des médias particuliers (silice greffée de DNPH) ou une absorption dans un milieu acide saturé en DNPH. Les HAP peuvent être adsorbés sur du charbon actif. Les techniques analytiques mises en œuvre après piégeage sont des méthodes chromatographiques (Chromatographie liquide ionique et chromatographie liquide haute performance), des méthodes classiques (titrimétrie, électrochimie, spectrocolorimétrie) ou des couplages de méthodes comme la GC-MS (chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse) Exemple de méthodes de références Le tableau ci-dessous présente les méthodes ayant été reconnues comme satisfaisantes pour analyser le potentiel toxique des fumées de combustion des matériaux d aménagement du domaine naval militaire (Norme STANAG 4602 AFAP3). Pour la sécurité à bord des sousmarins, la toxicité des fumées est en effet un paramètre essentiel. Gaz Techniques alternatives d analyse Technique d analyse de référence Dioxyde de carbone CO 2 FTIR, GC NDIR Monoxyde de carbone CO FTIR, GC NDIR Oxydes d azote NO x Chimie-luminescence, (NO + NO 2 ) spectrophotométrie FTIR, IC NDIR Dioxyde de soufre SO 2 Fluorescence UV, FTIR, NDIR IC Acide fluorhydrique HF ISE IC Acide bromhydrique HBr Titration, FTIR IC Acide chlorhydrique HCl Titration, FTIR, ISE IC Acide cyanhydrique HCN Spectrophotométrie, FTIR IC Acrylonitrile CH 2 CHCN GC GC/MS Ammoniac NH 3 Titration, FTIR IC Formaldéhyde HCHO IC, GC/MS, Titration, spectrophotométrie HPLC Phénol C 6 H 5 OH HPLC GC/MS Benzène C 6 H 6 HPLC GC/MS Styrène C 6 H 5 CHCH 2 HPLC GC/MS Toluène C 6 H 5 CH 3 HPLC GC/MS Sulfure d hydrogène H 2 S Titration IC Acide formique HCOOH HPLC IC Disulfure de carbone CS 2 GC GC/MS Acroléine CH 2 CHCHO GC/MS, Titration HPLC Acétaldéhyde CH 3 CHO GC/MS, Titration HPLC Tableau 25 : Exemple de méthodes de référence pour l analyse des espèces toxiques Effets du feu sur les personnes Page 102/163

103 6.5 Critères d exposition Généralités La toxicité d une substance dépend de la notion de dose, c est à dire de la concentration de cette substance et du temps d exposition. Les effets des divers composés ont été décrits aux paragraphes 6.2 et 6.3. Trois types d exposition sont à différentier : - La toxicité suraiguë ou aiguë, correspondant à une intoxication massive durant un temps très court ; - La toxicité subaiguë, correspondant à une intoxication unique et élevée, durant un temps plus ou moins long ; - La toxicité chronique. Cette dernière correspond à des expositions modérées mais fréquentes. Elle n est pas traitée dans ce document. Les effets d un toxique peuvent être immédiats ou retardés quel que soit le type d exposition considéré, et correspondent à une tenabilité par rapport à un effet donné. En général, les effets considérés sont : - L incapacitation, qui est l aptitude du toxique ou du mélange de toxiques à avoir des effets irréversibles sur les personnes ou entravant sa capacité à évacuer - La létalité, correspondant à un nombre donné de victimes. Ces effets sont donc relatifs à un niveau d exposition de référence, correspondant à l un des critères présentés ci-après Relation dose-effet Les effets toxiques létaux résultant de la présence dans l air d'un produit toxique dépendent de la concentration (C) du polluant émis dans l'atmosphère et de la durée d exposition (T) à cette concentration. On peut admettre que les effets létaux suivent la loi de Haber : Avec : Effet = f (C x T) C : concentration T : durée d'exposition f : un modèle (par exemple, le modèle probit) Le produit C x T représente une dose d exposition Une extension de la loi de Haber est admise et consiste à écrire : Effet = f (Cn x Tm) où n et m sont des paramètres de régression. Effets du feu sur les personnes Page 103/163

104 Le modèle statistique employé est le modèle «probit». L analyse probit permet de corréler la proportion d effets (par exemple la mortalité) au niveau d exposition, caractérisé par une concentration et une durée. La probabilité que la substance induise un effet donné s écrit : log( C) + m log( t) p = F σ p est donc la probabilité qu un individu choisi au hasard et exposé à une concentration C de substance pendant un temps T présente une réponse donnée. On suppose une distribution lognormale des tolérances, c est-à-dire que le logarithme des tolérances est distribué selon une loi normale centrée réduite. Pour faire fonctionner ce modèle mathématique, il convient de disposer des données suivantes : C i : la concentration d exposition du groupe i b i : le nombre d animaux ou d individus dans le groupe i et exposés à la concentration C i y i : le nombre d animaux ou d individus affectés, selon un critère défini (par exemple incapacitation ou létalité) par le traitement parmi les b i exposés à la concentration C i t i : le temps d exposition du groupe b i. p est donc défini à chaque niveau i par le rapport entre b i et y i. L estimation des paramètres de régression (m, µ et σ) est obtenue par une analyse bayésienne des mesures des effets à différentes concentrations. Les intervalles de confiance sont déterminés sous l'hypothèse d'une fonction de vraisemblance binomiale. Le calcul peut être basé sur un comptage du taux d occurrence de l effet escompté des individus de la population. Dans le cas de l analyse des décès, il permet la détermination des LC50, LC 5 et LC 1 pour un temps t donné est présenté ci-dessous : LC LC LC = exp = exp = exp µ ( µ m log( t) ) ( µ 1,645 σ m log( t) ) ( µ 2,33 σ m log( t) ) Ce calcul est connu sous le nom de loi log-probit. Les coefficients 1,645 et 2,33 viennent des coefficients de la loi normale à respectivement 95 % et 99 %. Ils estiment donc que les effets suivent une loi normale au sein des populations. Il n existe néanmoins pas de loi connue pour la susceptibilité humaine aux espèces toxiques et cette simplification est nécessaire. Effets du feu sur les personnes Page 104/163

105 6.5.3 Critères d incapacitation Les IDLH Les IDLH (Immediately Dangerous to Life and Health) sont les concentrations atmosphériques maximales d une substance toxique dans l air qui peuvent être respirées pendant 30 minutes, sans appareil autonome de respiration, sans qu il y ait d effet irréversible pour la santé ou le pronostic vital. Ces valeurs sont celles utilisées le plus souvent pour traduire l incapacitation dans les études de toxicité des fumées. Les IDLH ont été déterminées par le NIOSH (National Institute for Occupational Safety and Health - USA) et ont été publiées en Cette détermination a été réalisée en collaboration avec un autre organisme : l OSHA (Occupationnal Safety and Health Administration). Les IDLH ont été déterminées pour 387 substances à partir de données toxicologiques connues à cette date. Néanmoins, ces données étaient limitées pour bon nombre de ces substances. Ainsi, le NIOSH a décidé de proposer des IDLH révisées en 1994 [16]. Pour déterminer les IDLH de 1987, les données de toxicité aiguë sur l homme par inhalation ont été utilisées préférentiellement. Lorsqu elles n étaient pas disponibles, ce sont respectivement les données de toxicité aiguës par inhalation sur les animaux, puis celles de toxicité sur les animaux par voie orale qui ont été utilisées [16]. Quand les données de toxicité aiguë n étaient pas disponibles ou insuffisantes, les toxicités chroniques ou des données extrapolées à partir d autres produits chimiques ayant les mêmes propriétés toxiques ont été utilisées. Pour la détermination des IDLH révisées (1994), les paramètres utilisés sont en priorité la toxicité humaine aiguë, puis des données relatives à la concentration létale aiguë (LC) pour d autres mammifères (rats, souris, cochons d Inde et hamsters). Il a été décidé d utiliser en priorité les concentrations létales fiables les plus faibles et préférentiellement les LC 50 ajustées à 30 minutes. D autres données sont utilisables, en particulier : La dose létale (LD) pour les mammifères (rats, souris, cochons d Inde et hamsters). Il a été décidé de retenir les LD les plus faibles avec préférentiellement les LD 50. Des données de toxicité chroniques. Enfin, si aucune autre donnée n était fiable, il a été décidé d utiliser des données valables pour d autres substances de toxicité proche. Il convient de préciser que les IDLH de 1987 ont été utilisées comme concentrations critiques par le Ministère de l Environnement, sous le nom de SES (Seuils des Effets Significatifs). En effet, les SES sont utilisées dans le Guide de la Maîtrise de l Urbanisation (SEI, 1990) pour dimensionner la zone à partir d un point de stockage de matières dangereuses dans laquelle la concentration de la substance est supposée ne plus provoquer d effets irréversibles sur la santé de la population après une exposition de 30 minutes. Cette zone sera appelée DES pour Distance des Effets Significatifs dans le Guide de la Maîtrise de l Urbanisation. Les seuils des effets significatifs sont maintenant appelés seuils des effets irréversibles et sont décrits au paragraphe Effets du feu sur les personnes Page 105/163

106 Pour information, une zone est aussi définie pour la limite des effets létaux. Elle est appelée DEL (Distance des Effets Létaux). Cette zone est déterminée à partir de la concentration de substance toxique supposée provoquer la mort de 1 % de la population. Note : Les valeurs guide recommandées par l EPA (Environment Protection Agency) pour l impact sur les personnes sont le dixième des IDLH de Seuils des effets irréversibles Les seuils des effets irréversibles (SEI) délimitent la «zone des dangers significatifs pour la vie humaine». Ils ont remplacé les seuils des effets significatifs. Ces valeurs sont celles recommandées par le Ministère de l Ecologie et du Développement Durable, dans le cadre des études de danger relatives aux installations classées pour la protection de l environnement (ICPE) soumises à autorisation. Ces valeurs sont décrites dans l arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation (JO n 234 du 7 octobre 2005). La définition des S.E.I. actée le 4 juin 1998 est la suivante : Le «seuil des effets irréversibles» correspond à la concentration maximale de polluant dans l air, pour un temps d exposition donné, en dessous de laquelle on n observe pas d effets irréversibles chez la plupart des individus. Les SEI sont des seuils de toxicité aiguë. A partir des études de laboratoire sur les substances retenues pour leurs effets, les concentrations seuils sont calculées et proposées pour des durées d exposition de 1, 10, 20, 30 et 60 minutes et permettent de déterminer des zones d effets correspondantes. Ces valeurs sont proches des IDLH de Un groupe de travail chargé de les élaborer a été mis en place depuis plusieurs années. Ce groupe est composé de représentants et d experts toxicologues du Ministère de l'ecologie et du Développement Durable, du Ministère de la Santé (DGS), de l'ineris, de l INRS, de l IRSN, du CAP de Rennes, de centres hospitalouniversitaires et de représentants de l'industrie Chimique. Les seuils de toxicité aiguë sont ainsi évalués selon la méthodologie «Emission accidentelle d une substance chimique dans l atmosphère -Méthodologie de fixation des seuils des effets létaux et des effets irréversibles dans le cadre de la Maîtrise de l Urbanisation» 21 développée par l INERIS et adoptée le 3 mai 2001, par le groupe du consensus national. Cette méthodologie a été développée afin d évaluer scientifiquement et avec transparence les données toxicologiques disponibles permettant de fixer les seuils de toxicité aiguë en cas d'émission accidentelle dans l'atmosphère à partir d un site industriel. Les seuils ainsi fixés par le groupe du consensus sont utilisés dans les études de dangers en contexte industriel, mais peuvent aussi être utilisés en situation d incendie. 21 La méthodologie «Emission accidentelle d une substance chimique dans l atmosphère -Méthodologie de fixation des seuils des effets létaux et des effets irréversibles dans le cadre de la Maîtrise de l Urbanisation» est disponible sur le site internet de l INERIS ( Effets du feu sur les personnes Page 106/163

107 6.5.4 Critères de létalité Concentrations létales (LC 50 ) Les LC 50 sont les valeurs de létalité communément admises par la communauté. Elles sont basées sur des expérimentations animales et doivent donc préciser le modèle animal utilisé (rat, souris ou cobaye en général), mais aussi le temps d exposition. Lorsque rien n est précisé, la valeur concerne une exposition du rat durant 30 minutes. Quand des LC ont été déterminées pour d autres durées d exposition, elles peuvent être ajustées à 30 minutes de la façon suivante : LC 50 = LC ( 30 min ) 50 ( t ) t 0,5 Dans cette expression, LC 50 (t) est la LC 50 déterminée pour t heures d exposition. n est un facteur de correction déterminé par Berge et ses collaborateurs (voir le tableau ci-dessous). Cet ajustement ne peut se faire que pour des durées supérieures à 30 minutes. Le tableau ci-dessous présente les facteurs de correction utilisés par le NIOSH pour calculer la LC 50 à 30 minutes à partir de la LC 50 pour une autre durée d exposition : 1 n Temps (heures) t 0, Facteur de correction n 1,0 1,25 1,6 1,8 2,0 2,15 2,3 2,4 2,5 Tableau 26 : Facteurs de correction utilisés dans le calcul des LC 50 Ces valeurs ont une réelle base scientifique, car elles correspondent à l exposition de populations animales réelles. La principale difficulté d utilisation des LC 50 est la transposition du modèle animal à l homme, chaque espèce ayant des voies métaboliques différentes. D autres limites sont souvent définies, comme la LC 1 et la LC 5, représentant respectivement 1 % et 5 % d atteinte de la population. Le mode de calcul de ces valeurs est défini au paragraphe Effets du feu sur les personnes Page 107/163

108 Seuils des effets létaux (SEL) Les seuils des effets létaux sont des valeurs recommandées par le Ministère de l Ecologie et du Développement Durable, dans le cadre des études de danger relatives aux installations classées pour la protection de l environnement (ICPE) soumises à autorisation. Ces valeurs sont décrites dans l arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation (JO n 234 du 7 octobre 2005). La définition des S.E.L actée le 4 juin 1998 est la suivante : le «seuil des effets létaux» correspond à la concentration maximale de polluants dans l air, pour un temps d exposition donné, en dessous de laquelle on n observe pas de décès chez la plupart des individus. Deux SEL sont à différencier : Les seuils des effets létaux (SEL) correspondant à une LC 1 % délimitent la «zone des dangers graves pour la vie humaine» ; Les seuils des effets létaux significatifs (SELS) correspondant à une LC 5 % délimitent la «zone des dangers très graves pour la vie humaine» Autres valeurs AEGL Le comité AEGL (Acute Exposure Guideline Levels) propose des séries de valeurs pour chaque composé. Ces valeurs sont données pour des temps d exposition de 10, 30 et 60 minutes. Trois niveaux d AEGL sont définis comme suit : AEGL-1 : Concentration pour laquelle, dans une population incluant les personnes sensibles, mais excluant les personnes hypersensibles, aucun inconfort notable n est observé. Ce seuil concerne la limite au-dessous de laquelle des odeurs et des goûts sont perçus, ou des sensations d irritation et de mal-être sans autre conséquence. AEGL-2 : Concentration pour laquelle, dans une population incluant les personnes sensibles, mais excluant les personnes hypersensibles, des effets irréversibles ou sérieux et prolongés peuvent être observés ou engendrer une réduction de la capacité à s échapper. Les concentrations comprises entre l AEGL-1 et l AEGL-2 sont celles où un manque de confort peut être observé. AEGL-3 : Concentration pour laquelle, dans une population incluant les personnes sensibles, mais excluant les personnes hypersensibles, des effets pouvant entraîner le décès ou des dommages sérieux et irréversibles peuvent être observés. Les concentrations comprises entre l AEGL-2 et l AEGL-3 représentent les niveaux d exposition pour lesquels des effets irréversibles ou à long terme, ou une réduction de la capacité à évacuer sont observées. Effets du feu sur les personnes Page 108/163

109 ERPG Aux USA, l AIHA (American Industrial Hygienist Association) publie les valeurs ERPG : Emergency Response Planning Guidelines. Ces valeurs sont données pour une durée d exposition d une heure. Les trois niveaux sont définis de la manière suivante : ERPG-1 : Concentration maximum dans l air au-dessous de laquelle il est montré qu aucun individu ne présente d effet notable, même transitoire, suite à une exposition de une heure pour laquelle rien d autre n est perçu si ce n est une odeur supportable. ERPG-2 : Concentration maximum en dessous de laquelle il est montré que la plupart des individus exposés durant une heure présentent des effets qui ne sont pas néanmoins irréversibles ou sérieux pour la santé, ou pouvant conduire à limiter leur capacité à se protéger. ERPG-3 : Concentration maximum en dessous de laquelle il est montré que la plupart des individus exposés durant une heure présentent des symptômes qui néanmoins n engendrent pas d effets irréversibles sur le pronostic vital. Ces valeurs sont utilisées couramment en toxicité, mais ne sont pas disponibles pour tous les produits présents dans les fumées Autres valeurs Les EEGL (Emergency Exposure Guidance Levels) sont des valeurs seuils définies par le NRC National Research Council (NRC) Committee on Toxicology (COT) pour le Department of Defense (DOD), et spécifiques aux militaires. Les durées d exposition sont de 1 à 24 heures. Elles correspondent à des effets significatifs mais tolérables, pour lesquels des effets temporaires peuvent être acceptés. Ces valeurs ont été développées pour de jeunes militaires entraînés, et ne sont donc pas représentatives des populations civiles communes, en particulier des jeunes personnes et des personnes âgées. D autres valeurs d exposition existent dans la littérature : les TLV-TWA (Threshold Limit Values Time Weighted Average USA), les PEL (Permissible Exposure Limits OSHA USA), les REL (Recommended Exposure Limits NIOSH USA) et les VME (Valeurs moyennes d exposition - France) sont toutes des valeurs limites d exposition adaptées au droit du travail, exprimées pour des expositions moyennes de 8 heures. Les TLV-STEL (Thresold Limit Values Short Term Exposure Limit USA) et les VLE (Valeurs limites d exposition - France) sont des valeurs limites d exposition adaptées au droit du travail, exprimées pour des expositions ponctuelles de 15 minutes. Ces valeurs rendent compte d un effet toxique chronique, et ne sont pas nécessairement adaptées à l étude de l exposition des personnes aux incendies, hormis dans le cas d études d impact sur les pompiers. Il faut noter qu il existe aussi des valeurs françaises, dites SER (Seuils des effets réversibles). Effets du feu sur les personnes Page 109/163

110 6.5.6 Table résumée des critères d incapacitation pour les effluents du feu Sans précision supplémentaire, les informations présentes dans cette table proviennent des références [50], [51], [52] et [53]. IDLH 1987 ppm / 30 min IDLH 1994 ppm / 30 min AEGL (ppm / 30 min) ERPG (ppm) SEI ppm / 30 min Dioxyde de carbone Monoxyde de carbone ND Monoxyde d azote [49] ND ND ND Dioxyde d azote [46] , Dioxyde de soufre ,2 0, , Fluorure d hydrogène [44] Bromure d hydrogène Chlorure d hydrogène [42] , Cyanure d hydrogène [43] , Acrylonitrile [41] Ammoniac [45] Formaldéhyde [47] , ND Phénol ND Benzène Styrène Toluène Sulfure d hydrogène [48] , , Acide formique Sulfure de carbone Acroléine 5 2 0,03 0,18 2,5 0,1 0,5 3 - Acétaldéhyde ND : Non déterminé Tableau 27 : Seuils d incapacitation pour les espèces toxiques les plus courantes dans les fumées Note : ces valeurs sont celles trouvées dans la littérature à la date du présent rapport. Elles sont sujettes à modifications régulières. Effets du feu sur les personnes Page 110/163

111 6.5.7 Table résumée des critères de létalité pour les effluents du feu Les valeurs de LC50 sont données pour le modèle animal rat, pour une exposition de 30 minutes. Ces valeurs dépendent des études considérées. Seule la valeur la plus pertinente, arrondie, est présentée ci-dessous [19]. Il conviendra de se référer à la littérature spécialisée pour l usage de ces valeurs. LC 50 rat, 30 min ppm SEL 30 min ppm Dioxyde de carbone Monoxyde de carbone Monoxyde d azote [49] 1710 (?) ND Dioxyde d azote [46] Dioxyde de soufre Fluorure d hydrogène [44] Bromure d hydrogène Chlorure d hydrogène [42] Cyanure d hydrogène [43] Acrylonitrile [41] (?) 236 Ammoniac [45] (?) 4767 Formaldéhyde [47] 750 ND Phénol - - Benzène - - Styrène (?) - Toluène > Sulfure d hydrogène [48] (?) Acide formique (?) - Sulfure de carbone - - Acroléine Acétaldéhyde ND : Non déterminé (?) : valeurs incertaines Tableau 28 : Seuils de létalité pour les espèces toxiques les plus courantes dans les fumées Note : ces valeurs sont celles trouvées dans la littérature à la date du présent rapport. Elles sont sujettes à modifications régulières. Effets du feu sur les personnes Page 111/163

112 6.5.8 Comparaison des critères d incapacitation et de létalité Les valeurs des IDLH de 1987 et des LC 50 utilisés pour les calculs de toxicité sont comparées dans le tableau ci-dessous pour les composés les plus fréquemment rencontrés : Composé IDLH 1987 (ppm) LC 50 (ppm) LC 50 / IDLH Dioxyde de carbone (CO 2 ) ,6 Monoxyde de carbone (CO) ,8 Cyanure d hydrogène (HCN) ,3 Chlorure d hydrogène (HCl) Dioxyde de soufre (SO 2 ) Bromure d hydrogène (HBr) Fluorure d hydrogène (HF) Tableau 29 : Comparaison entre seuils d incapacitation et de létalité Le tableau montre que le poids des IDLH et des LC 50 du bromure d hydrogène et du fluorure d hydrogène est très différent. Le rapport LC 50 /IDLH, est très variable. De l ordre de 3 pour le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et le cyanure d hydrogène, il atteint 76 et 97 respectivement pour le bromure et le fluorure d hydrogène. Les critères d incapacitation et de létalité sont donc très différents et fonction des espèces chimiques, car ils traduisent des phénomènes sensiblement non proportionnels. Or, dans la littérature [9], une FED de 1/3 est fréquemment utilisée pour caractériser l incapacitation, la valeur de 1 traduisant la létalité (la FED représente la létalité car elle est calculée sur la base des LC 50 ). Ce seuil de 1/3 pour traduire l incapacitation n est ainsi pertinent uniquement si CO, CO 2 et HCN sont les seuls toxiques présents dans les fumées. D autres composés sont en proportion bien plus incapacitants que létaux. Autrement dit, le seuil de 1/3 correspond pour CO et HCN à 50 % d incapacitation au sein d une population, mais aussi à un résidu de 10 % de létalité. Pour ces espèces, considérer un risque d incapacitation de 50 % de la population correspond donc à un résidu de population représentant 10 % de létalité. Si d autres espèces sont présentes, cette approximation n est plus applicable. Il convient alors de traiter létalité et incapacitation avec des modèles et des valeurs seuils différents. En particulier, les irritants présentent un fort effet incapacitant, mais un faible effet létal. Les critères ont été présentés précédemment. Les modèles utilisables pour caractériser la toxicité du mélange de gaz que constituent les fumées est présenté au paragraphe 6.6. Effets du feu sur les personnes Page 112/163

113 6.6 Modèles de toxicité aiguë Les différentes espèces toxiques sont présentes en diverses proportions dans les fumées. Leur effet joint n est pas facile à considérer. En particulier, il existe des effets de synergies ou d antagonismes entre les espèces chimiques Modèle d atteinte irréversible sur la santé par exposition aux gaz toxiques Les effets de la plupart des gaz asphyxiants et irritants sont additifs. Cela n est pas valable pour le dioxyde de carbone qui a un effet synergique avec celui des autres gaz toxiques puisqu il provoque une hyperventilation [6]. Les effets des gaz irritants sont additifs [13]. Une équation basée sur la FED (Fractional Effective Dose) prédit le temps qui va s écouler avant la perte de connaissance [2]. FED in = (FED CO + FED HCN + FED irr ).V CO2 + FED CO2 + FED O2 FED CO, FED HCN, FED IRR, FED CO2 et FED O2 représentent respectivement les FED du CO, de l HCN, des gaz irritants, du CO 2 ainsi que de l appauvrissement en oxygène. V CO2, est un coefficient de correction de l effet du CO 2 et dépend de la concentration en dioxyde de carbone. Les différentes expressions des FED sont données ci-dessous [2] : FED CO = (8, ( CO) 1,036 ). t /30 FED HCN = ( t /[exp( 5,396.0,023.HCN )] FED + FED irr = FEDHBr + FEDHCl + FEDHF + FEDSO + FED 2 NO2 org FED O = t /[exp( 8,13 0,54(20,9 % 2 )] 2 O FED CO = t /[exp( 6,1623 0,5189.% CO2 )] 2 V CO = exp( 0,1903.% CO ,0004) / 7,1 Les concentrations des gaz sont exprimées en ppm sauf celles du CO 2 et de l O 2 qui sont exprimées en pourcentages. t représente le temps pendant lequel la victime est exposée à cette atmosphère. Lorsque la FED in (FED d atteinte irréversible) atteint 1, la victime perd connaissance. L équation (2) permet donc d estimer le temps nécessaire à l évanouissement. La mort, survient pour une FED in de 2 ou 3. Effets du feu sur les personnes Page 113/163

114 6.6.2 Modèles de la norme ISO TS Cette norme a pour but de permettre aux occupants d un local en feu de s échapper en toute sécurité, c est à dire sans atteinte irréversible sur la santé ou décès. Elle est basée sur les limites hautes et basses des concentrations des effluents d un incendie auxquelles peuvent être soumis les occupants d un bâtiment. L exposition à des concentrations plus élevées que la limite haute provoquerait de sérieuses atteintes à la santé sur une majorité de victimes. Si les concentrations sont inférieures à celles de la concentration limite basse, toutes les personnes exposées devraient pouvoir évacuer sans aucune atteinte à la santé. Cette norme s intéresse donc aux conséquences de l exposition aux effluents toxiques d un incendie. Elle s adresse aux victimes qui se trouvent au contact des gaz toxiques sans subir d effets thermiques. Elle se compose de plusieurs modèles de calcul de la toxicité Modèle des gaz asphyxiants Ce modèle est donné par l équation suivante : FED n t2 = i=1 C i t ( Ct) 1 C i est la concentration du gaz asphyxiant i en ppm et (Ct) i, la dose d exposition en ppm.min nécessaire pour provoquer l atteinte irréversible sur la santé. Les FED sont déterminées pour chaque gaz asphyxiant pour une exposition d une durée t 2 -t 1. Leur somme est alors comparée avec la FED totale pour laquelle une perte de connaissance est prévue. Si la FED mesurée lors de l essai est supérieure à cette valeur, les conditions pour évacuer les lieux en toute sécurité ne sont pas garanties. En prenant seulement en compte le monoxyde de carbone et le cyanure d hydrogène (cas général), l équation s écrira : (Ct) CO vaut ppm.min [17] (Ct) HCN vaut 220 ppm.min [7]. t2 [ CO] ( Ct) 2 FED = t + t 1 CO t t 1 i t [ HCN ] ( Ct) Cette équation ne prend pas en compte la raréfaction de l oxygène et ne pourra être utilisée que si la concentration de ce gaz reste supérieure à 13 %. L équation n est applicable que pour de courtes durées d exposition, dans le cas où l activité physique n est pas trop intense. HCN t Effets du feu sur les personnes Page 114/163

115 Si la concentration du CO 2 dépasse 2 %, la FED totale des asphyxiants doit être corrigée par le facteur V CO2 afin de prendre en compte l augmentation de la quantité de gaz toxiques inhalée du fait de l hyperventilation provoquée par le dioxyde de carbone. Ce facteur V CO2 s obtient à partir de la concentration en CO 2 [7]. V CO = exp 2 [% CO ] En cas d absence de données expérimentales pour Ct, une valeur générique qui représentera seulement une approximation du risque encouru est utilisée. La valeur LCt 50 /3 est généralement admise comme l approximation de la dose d exposition conduisant à l atteinte irréversible sur la santé. Bien que les LCt 50 soient déterminées en utilisant des rats, elles sont aussi valables pour les humains d après la norme ISO [18], remplacée par la norme ISO TS Modèle des gaz irritants Les effets irritants sur les voies aériennes et sur les poumons sont évalués en utilisant l équation suivante. Si à un instant quelconque de l exposition la concentration dépasse un certain seuil, de sévères effets d irritation pouvant gêner ou même empêcher l évacuation devraient se produire. FEC = IC [ HCl] [ HBr] [ HF] [ SO2 ] [ NO2 ] [ acroléine] [ Formaldéhyde] [ Irri tan t] i HCl IC HBr IC HF IC SO2 IC NO2 IC acroléine Les indices critiques (IC) pour chaque irritant sont donnés dans le tableau ci-dessous. Si la FEC dépasse 1, une atteinte irréversible sur la santé de la victime qui va empêcher l évacuation est prédite. IC HF i IC i Gaz irritant HCl HBr HF SO 2 NO 2 Acroléine Formaldéhyde IC en ppm Tableau 30 : Indices critiques utilisés pour le calcul de FEC dans la norme ISO De nombreuses autres espèces irritantes, présentées au paragraphe 6.3, peuvent être produites lors d un incendie. Les termes correspondants peuvent alors être ajoutés à l équation précédente. Effets du feu sur les personnes Page 115/163

116 6.6.3 Modèle de la norme ISO (Modèle N-gaz) La toxicité est estimée par la FED. Elle s écrit : FED = n t Ci dt ( C t ) i= 1 t0 C i est la concentration du composant toxique i, exprimée en ppm ; (C.t) i est le produit de la concentration par la durée, exprimé en ppm.min de la dose d exposition spécifique nécessaire pour provoquer l effet toxicologique. Lorsque le temps d exposition considéré est de 30 minutes, la simplification mathématique entraîne alors que la FED devient le rapport entre la concentration moyenne de toxique gazeux et la valeur de sa LC 50 de ce composé (donnée pour 30 minutes). Lorsque la FED vaut 1, une létalité de 50 % des animaux exposés est prédite. Concrètement, le pouvoir toxique (LC 50 ) est calculé à partir des données analytiques de l atmosphère de combustion pour CO, CO 2, O 2 et, le cas échéant, pour HCN, HCl et les autres toxiques. Il est possible d exprimer une LC 50 d un combustible comme étant la masse de combustible suffisant pour engendrer une FED de 1 dans un volume de 1 m 3. La FED se calcule alors à l aide de la formule suivante : i FED = [ CO] [ HCN ] [ HCl] [ C ] LC 50CO + LC 50 HCN + LC 50HCl + LC i 50Ci +... [C i ] est la concentration du gaz toxique i en ppm ; LC 50ci est la LC 50 du gaz toxique i en ppm. Les valeurs de toutes les concentrations de gaz représentent les valeurs du produit C.t intégré, relevées sur toutes leurs courbes respectives concentration / temps pour une période d essai de 30 minutes divisée par 30 pour chaque période de 1 minute. Au lieu de l équation précédente, pour calculer la FED produite en 30 minutes, dans le cas où l appauvrissement en oxygène est important ou si les concentrations de CO 2 sont suffisamment élevées (> 1 %) pour avoir un impact significatif sur la toxicité du CO, l équation suivante peut être utilisée. m[ CO] = [ CO2 ] m[ CO] + [ CO ] b FED = b 21 LC [ O ] [ O ] 2 50 O 2 [ HCN ] [ HCl] [ HBr] LC HCN LC HCl LC HBr 21 2 [ HCN ] [ HCl] [ HBr] (21 5,4)% 150 ppm 3700 ppm 3000 ppm Dans cette équation, les concentrations des produits toxiques sont les concentrations moyennes sur trente minutes Effets du feu sur les personnes Page 116/163

117 Les paramètres m et b dépendent de la concentration en CO 2 : Si [CO 2 ] est inférieure à 5%, m = -18 et b = ; Si [CO 2 ] est supérieure à 5%, m = 23 et b = Pour chaque gaz toxique, les concentrations létales (LC 50 ) sont déterminées à partir d essais sur des rats en bonne santé. Elles correspondent aux concentrations gazeuses nécessaires pour tuer 50 % des animaux au cours d une exposition de 30 minutes ou durant les 14 jours qui suivent cette exposition. Ce modèle est parfois appelé «modèle à N-gaz». L équation suivante tient compte de l effet d hyperventilation du CO 2 sur tous les autres toxiques en utilisant un multiplicateur V CO2, ainsi que des effets toxiques directs du CO 2 en utilisant un facteur additif A. FED [ CO] [ HCN ] [ Irri tan ts] LC V = + + CO2 50CO LC50HCN LC50irri tan ts Les facteurs V CO2 et A qui traduisent l effet d hyperventilation provoqué par le CO 2 sont indiqués dans le tableau ci-dessous : + A % de CO 2 V CO2 A 2, ,25 0,1 4 1,4 0,2 5 1,5 0,25 Tableau 31 : Valeurs des facteurs correctifs liés au CO 2, ISO Dans la norme ISO 13344, il est alors possible de calculer la LC50 d un matériau dans des conditions de combustion données. La LC 50 d un combustible est alors déterminée en utilisant l équation suivante : m LC50 = FED V m représente la perte de masse en grammes du combustible, V représente le volume de l enceinte d essai en m 3. LC 50 est donc exprimé en g.m -3. Cette façon d exprimer les risques toxiques liés à un matériau dans une situation de combustion donnée est néanmoins très discutable et sujette à incompréhensions. Il est préférable d éviter son utilisation. Effets du feu sur les personnes Page 117/163

118 6.6.4 Modèle de Purser Description du modèle Ce modèle est présenté dans le document «Fire and Smoke - Resistant Interior Materials for Commercial Transport Aircraft» [2]. Il est dérivé du modèle de Levin [54], précurseur du modèle N-gaz. Dans ce document, la toxicité est évaluée en prenant en compte les gaz asphyxiants et les gaz irritants. Ces gaz toxiques provoquent à la fois une toxicité aiguë et une toxicité à long terme. Les effets aigus entraînent une baisse du jugement, une atteinte irréversible sur la santé et enfin la mort. Les effets à long terme sont les lésions irréversibles sur certains organes et le développement de cancers. Le modèle à N-gaz de la norme ISO [19] est présenté dans cet ouvrage. Ce modèle prend en compte les gaz suivants (CO, CO 2, HCN, HCl, HBr) ainsi que l appauvrissement en oxygène. Si le dioxyde d azote est aussi pris en compte dans le calcul [20], l équation est : FED = m[ CO] [ CO ] b 21 LC [ O ] [ HCN] 0,4[ NO ] [ NO ] 2 50 O 2 + LC 50 HCN LC 50 2 NO 2 + 0,4 LC 50 2 NO 2 [ HCl] [ HBr] + + LC50HCl LC50HBr LC 50 NO 2 = 200 ppm. Les valeurs des autres paramètres sont identiques à ceux de l équation présentée au paragraphe Le modèle à N-gaz a été développé pour prédire les décès au cours de l exposition, mais aussi à long terme. Plus la valeur de la FED est proche de 1, plus les effluents gazeux sont toxiques. Lorsqu elle vaut 1, une atteinte irréversible sévère sur la santé de la victime est prédite. Elle sera suivie rapidement par une perte de connaissance puis par le décès Validation du modèle Ce modèle a été évalué à partir d expérimentations animales. Pour évaluer le potentiel toxique d un matériau donné à partir du modèle à N-gaz, la combustion d un échantillon est réalisée en mesurant la concentration des gaz dégagés. Une valeur grossière de la LC 50 totale est alors prédite. Ensuite, six rats sont exposés à la fumée d un échantillon dont la taille est calculée pour que la combustion produise une atmosphère équivalente à la LC 50 précédemment déterminée. L hypothèse suivante est faite : si un certain pourcentage (différent de 0 ou de 100) d animaux meurt, la LC 50 déterminée par cet essai est proche de la véritable LC 50. Une absence de victimes met en évidence un caractère antagoniste de la toxicité des gaz de combustion. Par contre, la mort de tous les animaux indique que d autres gaz toxiques non pris en compte sont présents. Plusieurs essais aussi bien à moyenne qu à grande échelle ont montré qu un modèle à 6-gaz (paragraphe 6.6.3) était capable de prédire assez correctement les décès [21]. Effets du feu sur les personnes Page 118/163

119 6.6.5 Modèles incapacitants additifs Ces modèles simplifiés permettent d estimer l effet incapacitant à partir de contributions similaires de chacun des gaz toxiques considérés. Ils sont utilisés dans le domaine ferroviaire [14], ou dans la marine militaire Modèle de la norme NF F Pour déterminer l indice de toxicité conventionnel (ITC) de la norme NF F , le matériau est pyrolysé à une certaine température et les effluents gazeux dégagés sont recueillis. La quantité de chaque gaz toxique qui serait dégagée au cours de la combustion de un gramme de matériau est utilisée. A partir de ces données, l indice de toxicité conventionnel s écrit : ti ITC = 100. i CCi Dans cette équation, t i est le taux de production du gaz toxique i, exprimé en mg/g de combustible et CC i sa concentration critique exprimée en mg par m 3 d air. Les concentrations critiques utilisées dans la norme NF F sont les IDLH [16] (Immediatly Dangerous to Life and Health) de 1987 (voir paragraphe 6.5.3) 22. Note : La norme NF F détermine une classification («classement F») prenant en compte cette valeur d ITC, mais aussi l opacité des fumées, avec néanmoins un poids moins important pour cette dernière. L Indice de toxicité Conventionnel ainsi établi a la dimension d un volume minimum (au facteur 100 près) dans lequel il convient de diluer les fumées issues de la combustion d un gramme de matériau, de sorte que la concentration finale corresponde au seuil d incapacitation. En d autres termes, cet indice peut être utilisé afin de prédire la masse de combustible pouvant brûler dans un volume sans engendrer de risques incapacitants pour les personnes. Ce type d indice a été repris pour d autres référentiels (BS 6853:1999 par exemple) Modèle de la norme STANAG 4602 Afin de déterminer le risque toxique des fumées de combustion des matériaux d usage maritime militaire, de nombreux gaz sont dosés. Ces gaz sont représentatifs des produits de décomposition des matériaux selon différents modes de dégradation. Les essais sont réalisés au four tubulaire. Les concentrations mesurées pour chacun des gaz sont exprimés en ppm/100 g/m 3. Suite aux essais, un indice de toxicité est calculé par la formule suivante : TI C Cf C + Cf C + Cf θ1 θ 2 θ 3 = Cθn + + Cfn 22 Les IDLH de 1987 utilisées sont alors exprimées en mg/m 3 à 20 C, et non en ppm comme d usage habituel. Effets du feu sur les personnes Page 119/163

120 Les concentrations seuils utilisées dans le calcul permettent de déterminer la contribution relative à l indice de chaque gaz en fonction de la létalité potentielle de l espèce considérée. Ces valeurs sont indiquées dans le tableau ci-dessous : Formule Cf (ppm) Dioxyde de carbone CO Monoxyde de carbone CO 4000 Oxydes d azote NO x (NO + NO 2 ) 100 Dioxyde de soufre SO Fluorure d hydrogène (acide fluorhydrique) HF 50 Bromure d hydrogène (acide bromhydrique) HBr 150 Chlorure d hydrogène (acide chlorhydrique) HCl 500 Cyanure d hydrogène (acide cyanhydrique) HCN 90 Acrylonitrile CH 2 CHCN 200 Ammoniac NH Formaldéhyde HCHO 500 Phénol C 6 H 5 OH 250 Benzène C 6 H Styrène C 6 H 5 CHCH Toluène C 6 H 5 CH Sulfure d hydrogène H 2 S 180 Acide formique HCOOH 1600 Disulfure de carbone CS Acroléine CH 2 CHCHO 5 Acétaldéhyde CH 3 CHO 4000 Tableau 32 : Concentrations-seuils utilisées dans la norme STANAG 4602 Les valeurs Cf sont spécifiques à la marine militaire et extraites des rapports ci-dessous : - Defence Science & Technology Laboratories - Knowledge Services, Kentigern House, 65 Brown Street, Glasgow, G2 8EX, UK. - Report for DERA Holton Heath on toxicity of inhaled gases. IL1003/1/TM/BIO/U/999/95. October (DRIC Ref. CDL 57733) - Toxicity of inhaled gases. DERA/CBD/CR96/046/1.0. January (DRIC Ref. CDL 56521) L indice de toxicité a la dimension d un volume dans lequel les fumées de combustion de 100 grammes de matière doivent être diluées pour atteindre le seuil de létalité. Effets du feu sur les personnes Page 120/163

121 6.6.6 Autres modèles recensés Modes de calcul définis dans les documents ISO Le rapport technique ISO TR 9122 partie 5 «Toxicity Testing of Fire Effluents - Prediction of the Toxic Effects of Fire Effluents», présente différents modes de calcul de la toxicité qui ont été repris dans le WP 3 du projet FIRESTARR [23]. Ces modèles sont tous basés sur la même approche. Pour pouvoir les appliquer, il faut d une part connaître la composition de l atmosphère dans laquelle se dégagent les produits de combustion à chaque instant, et d autre part les effets toxiques du mélange des produits de combustion Modèle du NRC-CNRC (Canada) Ce modèle s écrit : t [ C( t t ) C ] a dt t0 Dans cette expression, C 0 est le seuil de concentration critique du composé toxique, t est le temps minimum pour qu un effet toxique se produise, (t-t ) représente le temps écoulé et a est une constante spécifique à ce composé toxique. Le modèle NRC permet d évaluer la différence de toxicité entre le seuil et la situation réelle Le modèle du NIST (États Unis) Ce modèle s écrit de la façon suivante : mφco φ + φ b LC CO 2 HCN 50, HCN 21 φo + 21 LC 2 50, O2 1 φ CO est la concentration de CO en ppm volumique φ CO2 est la concentration de CO 2 en pourcentage volumique φ HCN est la concentration en HCN en ppm volumique φ O2 est la concentration en oxygène en pourcentage volumique m et b sont respectivement la pente et l ordonnée à l origine de la droite qui traduit l augmentation de la toxicité du monoxyde de carbone lorsque la concentration en CO 2 dépasse 5 %. Effets du feu sur les personnes Page 121/163

122 Le modèle d atteinte irréversible sur la santé humaine Ce modèle prend en compte les effets physiologiques des produits gazeux : CO, HCN, O 2 et CO 2. Il s écrit à partir des FI (doses fractionnelles d exposition incapacitantes) : [( FI + FI ) V FI ] FI + N = CO HCN CO2 Dans cette expression, FI N représente la FI de tous les gaz narcotiques, FI O celle de la FI due à l appauvrissement en oxygène et V CO2 est un coefficient multiplicateur qui prend en compte l effet d hyperventilation du CO 2. o Effets de synergie entre CO et HCN et modèle de dosage sanguin Les effets individuels de CO et de HCN dans le sang ont été présentés aux paragraphes et Ces deux gaz sont à l origine de la plupart des décès. C est ainsi que, très tôt, se sont développés des modèles de prise en compte des effets de ces gaz à partir de leur concentration dans le sang, afin d évaluer l effet de synergie de ces deux composés [39]. Le CO présent sous forme de carboxyhémoglobine (COHb) traduit directement l effet de ce composé sur l organisme. En cas de décès, sa teneur décroît lentement. Les individus normaux peuvent avoir 5 à 10 % de carboxyhémoglobine, notamment s ils sont fumeurs ou s ils travaillent dans la circulation automobile. Un individu atteignant 70 % de COHb est en danger de mort immédiate. Le taux d ions cyanure dans le sang permet de mesurer la quantité d acide cyanhydrique en cours d assimilation. Une partie est présente sous forme de complexe cyanure / cytochromeoxydase. Dans une situation d intoxication aiguë, il est établi qu une concentration dans le sang de 3 mg/l suffit à entraîner la mort [40]. Néanmoins, la teneur de cyanure sanguin décroît rapidement après le décès des personnes et le prélèvement doit être réalisé et analysé au plus vite. Il doit en outre tenir compte du temps passé. Il est difficile d associer le taux de cyanure sanguin aux critères d incapacitation et seule la létalité est présentée ici. A la manière des modèles de FED pour les gaz, il est possible de définir un indice d intoxication par ces deux asphyxiants à partir des analyses sanguines. Cet indice est appelé «Fractional Toxic Concentration in blood» et noté FTC blood [39]. Cet indice est calculé par la formule suivante : FTC blood COHb = 70 (%) CN + 3 mg / L Si cet indice vaut 1, la personne est en danger de mort. Cela signifie d une part qu un taux de carboxyhémoglobine de 70% ou le taux de cyanure sanguin de 3 mg/l peuvent à eux-seuls entraîner la mort et d autre part que leur action jointe est synergique. Les techniques d analyse mises en œuvre doivent néanmoins être adaptées aux intoxications par les fumées et font actuellement l objet d études par l ISO TC92/SC3/WG2 sous la référence ISO CD Effets du feu sur les personnes Page 122/163

123 6.7 Effet toxique à long terme La toxicité à long terme suite à une exposition aiguë unique est un phénomène très mal connu, du fait du manque d informations statistiquement fiables. L ISO TC92/SC3, qui s intéresse à l effet du feu sur les personnes et l environnement, a retenu cette thématique afin de recenser les différentes expériences existantes à ce sujet. Christian et Shields [57] présentent des travaux sur les séquelles liées à l intoxication au CO. Ils montrent que 23 % des patients admis ont présenté des séquelles de nature neurologiques à plus ou moins long terme. Cet effet est relativement plus important chez les femmes que chez les hommes, peut-être du fait d une différence d organisation du cerveau. Les populations jeunes semblent nettement moins sujettes aux séquelles que les personnes âgées. Ces données ne sont néanmoins disponibles que pour CO. De nombreux autres composés peuvent présenter des effets retardés, qui se manifestent pour certains des années après l exposition. Ces composés peuvent même engendrer des cancers, en particulier du poumon suite à l agression directe de la moelle et du sang (composés organiques). 6.8 Utilisation de l évaluation de la toxicité des fumées en France Principe A l heure actuelle, les essais de toxicité sont principalement réservés aux matériaux combustibles présents dans le domaine des transports. En particulier, les domaines ayant des contraintes fortes en terme d évacuation sont les principaux demandeurs : aéronautique ou ferroviaire par exemple. Dans les cas extrêmes où l évacuation est impossible, comme dans le domaine militaire, ces contraintes deviennent même essentielles. Elles viennent toujours en complément aux exigences de réaction au feu Marine civile A l OMI, la détermination de la toxicité des fumées est pratiquée par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourrier (IRTF) couplée à la chambre à fumée ISO Elle est décrite dans le code FTP, résolution A 653(16). La mesure est réalisée à un point temporel fixe, situé après le maximum de densité de fumée dans la chambre, en un point donné de celle-ci. Dans ce cas, certaines espèces gazeuses peuvent se condenser sur les parois et ne sont donc plus mesurables, en particulier les gaz fortement hydrosolubles comme HCl, HBr, HF, et dans une moindre mesure HCN, SO 2 et NO x. Le nombre de gaz analysé n est pas très important. Effets du feu sur les personnes Page 123/163

124 Pour l acceptation des matériaux, des seuils propres à l OMI sont définis par gaz et repris dans le tableau ci-dessous : Gaz Seuil (ppm) Monoxyde de carbone CO 1450 Acide chlorhydrique HCl 600 Acide bromhydrique HBr 600 Acide fluorhydrique HF 600 Acide cyanhydrique HCN 140 Oxydes d azote NO x 350 Dioxyde de soufre SO Tableau 33 : Concentrations-seuils utilisées dans la marine civile Note : Les seuils proposés, comparés à ceux d autres référentiels, ne correspondent pas aux données présentées précédemment : les effets toxiques de l acide fluorhydrique et de l acide cyanhydrique sont sous-évalués et ceux du dioxyde de soufre surévalués. Ces seuils sont conventionnels. Un matériau peut par exemple dégager tous les gaz en quantités juste inférieures à chaque seuil et être accepté. Au contraire, un matériau ayant un seul gaz en quantité au niveau du seuil pourrait être refusé Marine militaire La toxicité des fumées est considérée dans le choix des matériaux d aménagement des navires militaires, en particulier dans le domaine des sous-marins. Le principe est décrit dans la norme STANAG 4602 et le document AFAP3 associé. L application aux sous-marins est décrite dans le référentiel technique de la DGA, RT Ce référentiel a remplacé l Instruction Technique En navire militaire, et en particulier dans les sous-marins, l évacuation est impossible du fait des contraintes militaires. Le référentiel ainsi concerné est le plus sévère disponible à l heure actuelle. L essai consiste à brûler une faible quantité de matériau et à analyser les gaz produits. Le modèle de dégradation est le four tubulaire de la norme NF X , mais il est utilisé à 350 C et 800 C. Ces deux températures sont représentatives des températures de pyrolyse et de combustion vive d un matériau, reproduisant ainsi deux phases du feu. 20 gaz sont analysés à 350 C et 15 à 800 C. Ensuite, un indice de toxicité est calculé à partir des concentrations obtenues, exprimées en ppm/100g/m 3, pondérées par leur indice relatif de létalité. Les gaz étudiés dans le cadre de la marine militaire et le modèle utilisé sont repris au paragraphe Effets du feu sur les personnes Page 124/163

125 6.8.4 Aéronautique Dans l aéronautique, les essais sont décrits dans le référentiel FAR 25 de la FAA. Ces essais sont repris et précisés par les principaux constructeurs sous forme de référentiel propre, en particulier pour la toxicité. Les référentiels de Boeing, Airbus et Bombardier sont très similaires. L essai de toxicité réalisé consiste à mesurer dans la chambre à fumée NBS (NF X ) les concentrations moyennes en différentes espèces après 4 minutes d essai et durant 15 minutes. Les méthodes employées peuvent être les techniques classiques par barbotage pour lesquelles l échantillonnage est décrit dans la norme NF X Les espèces étudiées, variables en fonction des référentiels constructeurs, prennent en compte au minimum CO, CO 2, HCl, HBr, HF, SO 2. Les mesures réalisées sont individuellement comparées à des seuils propres et ne font pas l objet d une utilisation dans un modèle de toxicité Transport ferroviaire Le transport ferroviaire a très tôt été soumis à des exigences de toxicité des fumées, du fait de plusieurs raisons : premièrement, les foyers primaires peuvent provenir des éléments apportés par les voyageurs : bagages Dans ce cas, il est primordial que les matériaux présents n augmentent pas le risque toxique des fumées. Deuxièmement, le temps nécessaire à l arrêt du train et à l évacuation, ainsi que les faibles volumes d air disponibles rendent nécessaire de limiter le potentiel toxique des fumées de combustion. La démarche retenue dans ce cadre est décrite dans la norme NF F Chaque matériau présent dans le train, et plus particulièrement ceux à proximité des voyageurs 23, est soumis à des essais de réaction au feu, d opacité et de toxicité des fumées. Deux classements sont ainsi réalisés sur le matériau : un classement M ou I pour la réaction au feu, et un classement F, englobant opacité et toxicité des fumées. Les critères sont variables en fonction de ces deux paramètres. L essai de toxicité des fumées est basé sur la NF X gaz sont étudiés : CO, CO 2, HCl, HBr, HF, HCN et SO 2. Un indice de toxicité est alors calculé. Ce calcul est décrit au paragraphe Cette réglementation est en vigueur depuis 1988 et a permis d atteindre un niveau de sécurité très intéressant. Elle a été reprise par d autres réseaux étrangers (BS 6853:1999 au Royaume-Uni, norme italienne par exemple) et est maintenant applicable, dans le cadre de la TSI High Speed (Technical specification for interoperability statut de loi européenne) pour l aptitude d un train à circuler librement en Europe, pour peu que sa vitesse soit supérieure à 190 km/h. Actuellement, une norme européenne (pren 45545) est en cours de développement afin de remplacer la norme NF F Les débats sont en cours sur l essai de toxicité, qui s orienterai sur une variante de celui décrit dans la marine civile. Les discussions actuelles portent sur la possibilité d utiliser une méthode cinétique, c est à dire une mesure en continu 23 Les limites de masses de matériaux à tester et l applicabilité des essais dépendent du risque inhérent au type de véhicule ferroviaire (couchettes, circulation en tunnel ) ainsi que de la localisation de ces matériaux par rapport aux voyageurs. Effets du feu sur les personnes Page 125/163

126 du potentiel toxique des fumées, ou une méthode ponctuelle, plus simple mais pour laquelle une partie des informations serait perdue. Les seuils de toxicité retenus sont basés sur des critères d incapacitation et reprennent les SEI français Bâtiment Il existe un essai de toxicité dans le domaine du bâtiment en France. Celui-ci porte sur les matériaux présents en qualité d isolants dans les établissements recevant du public et n étant classés ni M0, ni M1. Les matériaux constitutifs des sièges sont traités s ils ne sont pas équipés d une enveloppe hermétique infusible à 200 C et classée M1 ou M2. Cette méthode est décrite dans l Arrêté du 4 novembre 1975 modifié par l'instruction du 1 er décembre 1976, portant réglementation de l'utilisation de certains matériaux et produits dans les établissements recevant du public. Elle est complétée par le Procès-Verbal CECMI du 07 avril 2003 référencé DDSC/SDDCPR/DDSC6/VG/PD/N 190 et portant sur la séance du 10 décembre Les essais sont réalisés sur environ un gramme d'échantillon, suivant les prescriptions de la norme NF X Chaque prise d'essai est prélevée dans l'épaisseur du matériau. La température du four tubulaire est réglée à 700 C et le gaz de balayage employé est de l azote. Les quantités d azote (N) et de chlore (Cl), susceptibles de se dégager sous forme d acide cyanhydrique ou d acide chlorhydrique, exprimées en g/g de matériau testé, sont calculées à partir des analyses précédentes selon les formules suivantes : ,5 1 1 = où 36, [ N] = [ HCN ] et [ Cl] [ HCl] - [N] est la quantité totale d azote (en g/g de matériau) présent dans le matériau - 14/27 est le rapport entre la masse de l azote et la masse de HCN - [HCN] est la quantité d HCN dégagée par le produit en mg/g de matériau - [Cl] est la quantité totale de chlore (en g/g de matériau) présent dans le matériau - 35,5/36,5 est le rapport entre la masse du chlore et la masse de HCl - [HCl] est la quantité d HCl dégagée par le produit, en mg/g de matériau - 1/1000 est le rapport de conversion de mg en g L acceptabilité est prononcée en fonction du volume de la pièce, les quantités totales d azote et de chlore obtenues ne devant pas dépasser respectivement 5 grammes et 25 grammes par mètre cube de local. Cet essai n est pas pertinent en soi, notamment parce qu il omet totalement le CO, qui est le toxique engendrant le plus grand nombre de victimes dans les incendies. Effets du feu sur les personnes Page 126/163

127 6.8.7 ICPE soumises à autorisation Une recommandation sur les niveaux d exposition aux gaz toxiques existe dans l arrêté du 29 septembre 2005, relatif à l'évaluation et à la prise en compte de la probabilité d'occurrence, de la cinétique, de l'intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation (JO n 234 du 7 octobre 2005). Les valeurs de référence sont les SEI, les SEL et les SELS définies pour les personnes. Les valeurs ont pour but de déterminer les conséquences environnantes d un feu à grande échelle. Aucun modèle de toxicité n est préconisé, et seule une comparaison des seuils est réalisée. 6.9 Références [1] K. Sumi, Y. Tsuchiya, Canadian Building Digest - 197, Evaluating the Toxic Hazard of Fires [2] Purser, D.A. in Improved Fire and Smoke-Resistant Materials for Commercial Aircraft Interiors : A Proceedings (1995) [3] M. Imbert et coll., Toxicité aiguë des fumées d incendie, Encyclopédie Médico- Chirurgicale (Paris), Toxicologie-Pathologie professionnelle, G-10 (1997) [4] Garnier R., Chataigner D., Efthymiou M.L., Toxicité des Produits de Dégradation thermique des Principaux Polymères - Données Expérimentales, Réanimation Med. Urg., pp (1990) [5] P. Rechenbach, Fires Today : Risk and Protection for Fire Fighters, Proceedings of Flame Retardants Conference 2000, 8-9 Febuary 2000, London (UK), pp (2000) [6] Determination of Acrolein, Formaldehyde and other Versatile Components from Combustion of Conductor Wires from Polyolefin Coated Communication Cables, Proceedings of 8th International Interflam 99 Conference, 29th June - 1st July 1999, Edinburgh, pp , 1 (1999) [7] Purser D.A., Toxicity assessment of combustion products, pp. I-200 à I-245, in The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, C.L. Beyler, ed. Quincy, Massachusetts: National Fire Protection Association [8] Purser D.A., Interactions Between Behaviour Patterns and Physiological Impairment in Escape from Fire, présenté à la conférence Interflam 93, Oxford, United Kingdom, du 30 mars au 1 er avril 1993 [9] ISO/TS 13571, Fire Hazard Analysis: Life Threat Components of Fire (2002) Effets du feu sur les personnes Page 127/163

128 [10] J. Troitzsch, Fire Gas Toxicity and Pollutants in Fires - The Role of Flame Retardants, Proceedings of Flame Retardants Conference 2000, 8-9 Febuary 2000, London (UK), pp (2000) [11] Y. Claire et al, Fire Retardacy of Polymers, the Use of Intumescence, M. Le Bras, G. Camino, S. Bourbigot and R. Delobel Eds, The Royal Society of Chemistry, pp (1998) [12] Étude sur l amélioration de la norme NF F , Risque de toxicité des fumées dégagées par des matériaux utilisés dans les véhicules de transport ferroviaire, rapport du Laboratoire National d Essais n C 607 X 22, décembre 1995 [13] Hartzell, G.E., W.G. Switzer and D.N. Priest, Modelling of toxicological effects of fire gases, Journal of Fire Sciences, 3, pp , 1985 [14] Norme française NF F , Matériel roulant Ferroviaire, Comportement au Feu, Choix des Matériaux (Octobre 1988) [15] Norme française NF X (Juillet 2001) : Méthodes d analyse des gaz provenant de la dégradation thermique Norme française NF X (Juillet 2001) : Méthode de dégradation thermique au four tubulaire [16] National Institute for Occupational Safety and Health, Documentation for Immediately Dangerous to Life and Health Concentrations [17] Kaplan, H.L., Grand A.F., Switzer W.G., Mitchell, D.S., Rogers W.R., Effect of Combustion Gases on Escape Performance of the baboon and the rat, J. Of Fire Sciences, 3(4), pp (1985) [18] ISO/TR ; Toxicity testing of fire effluents - part 2: Guidelines for biological assays to determine the acute inhalation toxicity of fire effluents (basic principles, criteria and methodology) [19] Norme ISO : «Détermination du pouvoir toxique létal des effluents du feu» [20] Levin B.C., E. Brown, M. Navarro and M. Paabo, Further Development of the N-gas Model: an Approach for Predicting the Toxic Potency of Complex Combustion Mixtures, In Fire and Polymers, G. Nelson, ed ACS Symposium Series, Washington D.C.; American Chemical Society (1995) [21] Babrauskas V., R.H. Harris Jr, E. Braun, B.C. Levin, M. Paabo and G.G. Gann, Large Scale Validation of Bench Scale Fire Toxicity Tests, pp 3-12 in Interflam 90, Fire Safety, C.A. Franks ed. London, Interscience Communication (1990) [22] Norme allemande DIN : Producing Thermal Decomposition Products from Materials in a Air Stream and their Toxicological Testing ; Decomposition Apparatus and Determination of Test Temperature (Avril 1981) Effets du feu sur les personnes Page 128/163

129 [23] FIRESTARR Work Package 3 :Evaluation of Toxic Potency 24 [24] Rapport du CSTB : pré-étude des conditions de modélisation des effets du feu dans le tunnel de Base ferroviaire du projet Lyon-Turin [25] FIRESTARR Work Package 4: Small Scale Test Results: Toxic Gas Analysis [26] Le monoxyde de carbone - Jean-luc GERONIMI - Ed. Tec & Doc 2000 ISBN : [27] Cyanides - In Encyclopaedia of Chemical Technology Kirk-Othmer 3 rd edition Volume 7, pp William R. JENKSEI - Du Pont de Nemours & Co. Inc Ed. Wiley Interscience ISBN : [28] Generation of heat and chemical compounds in fires - In The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering - 2 nd edition Section 3, Chapter 4 pp Archibald TEWARSON - Ed. NFPA Society of Fire Protection Engineers 1995 ISBN : [29] An Introduction to Fire Dynamics, 2 nd edition D. DRYSDALE Ed. John Wiley & sons (Chichester) ISBN [30] Ministère de l environnement - DPPR/SEI/JJ-SES 17/07/96 : Seuils de toxicité - Liste des Seuils des Effets Significatifs [31] INRS ED 789 Incendie et lieux de travail [32] The toxicity of hydrogen chloride and of the smoke Generated by Poly(Vinyl Chloride), including effects on Various animal Species, and the implications for Fire Safety R.K. Hinderer, M.M. Hirschler, proceedings of Characterization and toxicity of smoke symposium, H.K. Hasegawa, ASTM STP 1082 (1988), ISBN [33] INRS fiche toxicologique 49 : Benzène (2004) [34] INRS fiche toxicologique 19 : Chlorure d hydrogène (1997) [35] Experimental Toxicology of Pyrolysis and Combustion Hazards H.H. Cornish, K.J. Hahn, M.L. Barth Environmental Health Perspectives vol 11, pp (1975) [36] Hydrogène sulfuré, INERIS-DRC ETSC-Sti 00DR294 [37] INRS fiche toxicologique 32 : sulfure d hydrogène (1997) [38] SAFIR Smoke gas analysis by Fourier transform infrared spectroscopy Contract nr SMT 4 CT Seul le rapport final de l étude Firestarr est du domaine public, mais ne présente pas ces détails. Les rapports des différents Work Package sont consultables au LNE sur demande, mais ne peuvent être copiés ou distribués sans l accord de l ensemble des membres du projet. Effets du feu sur les personnes Page 129/163

130 [39] ISO TC92/SC3/WG2/CD Analysis of blood for asphyxiant toxicants Carbon monoxide and hydrogen cyanide, enregistré NWIP le 24/02/2006, A. Chaturvedi, FAA, Document discuté au meeting de l ISO TC92/SC3 de San Antonio (USA), avril [40] A. Chaturvedi (FAA), communication personnelle. [41] Seuils de toxicité aiguë Acrylonitrile, rapport INERIS-DRC ETSC- MBs/STi N 01DR149.doc (2002) [42] Seuils de toxicité aiguë Chlorure d hydrogène, rapport INERIS-DRC-99-TOXI APi/SD - 00DR010bis_vers2.DOC [43] Seuils de toxicité aiguë Cyanure d hydrogène, rapport INERIS-DRC ETSC/TOXI- STi - 02DR06.doc (2005) [44] Seuils de toxicité aiguë Fluorure d hydrogène, rapport INERIS-DRC ETSC- STi - 03DR072.doc (2003) [45] Seuils de toxicité aiguë Ammoniac, rapport INERIS-DRC ETSC- STi - 03DR035.doc (2003) [46] Seuils de toxicité aiguë Dioxyde d azote, rapport INERIS-DRC ETSC- STi- dioxyde_azote_seuils.doc (2004) [47] Seuils de toxicité aiguë Formaldéhyde, rapport INERIS-DRC ETSC- BDo-n 03DR011.DOC (2004) [48] Seuils de toxicité aiguë Hydrogène sulfuré, rapport INERIS-DRC ETSC- STi - 00DR294_version1.doc (2000) [49] Seuils de toxicité aiguë Monoxyde d azote, rapport INERIS-DRC ETSC- STi - monoxyde_azote_seuils.doc (2005) [50] Site Internet du NIOSH, rubrique IDLH, [51] Base IPCS INCHEM : Chemical Safety Information from Intergovernmental Organizations, [52] Site Internet de l AIHA, rubrique ERPG, [53] Site Internet de l EPA, rubrique AEGL, [54] Levin, B. C.; Kuligowski, E. D. : Toxicology of Fire and Smoke. Inhalation Toxicology. 2nd Edition. Chapter 10, CRC Press (Taylor and Francis Group), Boca Raton, FL, Salem, H.; Katz, S. A., Editor(s), p., 2005 [55] Advances in Combustion Toxicology, ed. G. Hartzell, Technomic Publishing Company. Volume 1 : ISBN N Volume 2 : ISBN N Volume 3 : ISBN N Effets du feu sur les personnes Page 130/163

131 [56] Sublethal Effects of Smoke on Survival and Health. Gann, R. G.; Averill, J. D.; Butler, K. M.; Jones, W. W.; Mulholland, G. W.; Neviaser, J. L.; Ohlemiller, T. J.; Peacock, R. D.; Reneke, P. A.; Hall, J. R., Jr., Human Behavior in Fire: Understanding Human Behavior for Better Fire Safety Design. International Symposium, 2 nd Proceedings. March 26-28, 2001, Boston, MA, Interscience Communications Ltd., London, England, pp, [57] Safe Tolerable Limits for Carbon Monoxide? A Review of the Clinical and Fire Engineering Implications of a Single, Acute, Sub-Lethal Exposure, S.D. Christian, T.J. Shields, Journal of Fire Sciences, vol. 18, 2000, pp Effets du feu sur les personnes Page 131/163

132 7 Autres effets du feu sur les personnes 7.1 Risque d anoxie Effets de la diminution du taux d oxygène Au sein d un environnement, la teneur en dioxygène conditionne les paramètres de combustion. De plus, cette teneur est un critère essentiel pour la sécurité des personnes. La teneur dans l air est d environ 21 % à pression atmosphérique ambiante. Les effets d une baisse de la teneur en dioxygène sont repris dans le tableau ci-dessous [1] : Teneur volumique dans l atmosphère 17 % Effet Baisse de la vision nocturne Accroissement de la quantité d air inspiré Accélération du rythme cardiaque 16 % Vertiges 15% 12 % 10 % 6 % Troubles du jugement et de l attention Episodes d apnée Fatigabilité, Perte du contrôle de la motricité Fortes perturbations du jugement et de la coordination musculaire Perte de conscience Lésions cérébrales irréversibles Incapacité à se mouvoir Nausées Vomissements Respiration spasmodique Mouvements convulsifs Mort en 5 à 8 minutes Tableau 34 : Effets physiopathologiques de la diminution de la teneur en dioxygène Ce tableau montre que même pour de faibles variations de teneur en dioxygène, l effet peut être similaire à celui du CO 2 et favoriser l intoxication par hyperventilation. Pour les faibles teneurs, la mort survient rapidement. Les effets significatifs menant à l incapacitation s observent vers 15 à 16 %. Les dommages irréversibles s observent à 12 %. Ces concentrations peuvent entraîner la mort si l exposition se prolonge. Des effets conduisant au décès en quelques minutes sont obtenus pour des teneurs de 6 % Mesure La mesure de la teneur en dioxygène des fumées est très simple à mettre en oeuvre avec une bonne précision au moyen de sondes électrochimiques, la technique de référence étant l analyse paramagnétique. Effets du feu sur les personnes Page 132/163

133 7.1.3 Utilisation Dans les fumées d incendie, la diminution du taux d oxygène est rarement le seul facteur déterminant pour les risques liés aux voies respiratoires : l effet d anoxie de l oxygène est en effet joint aux effets complémentaires liés à la toxicité des gaz. Le modèle N-Gaz de la norme ISO 13344, présenté au paragraphe 6.6.3, le modèle de Purser, présenté au paragraphe et le modèle développé par le NIST présenté au paragraphe permettent de prendre en compte cet effet de synergie entre les gaz toxiques et la baisse de la concentration en dioxygène. 7.2 Risque lié aux particules présentes dans les fumées Définitions Ces définitions sont issues des références [4] et [5]. Diamètre aérodynamique moyen d une particule : Diamètre d une sphère de masse volumique 1 g/cm 3, possédant la même vitesse de chute dans l air calme que la particule réelle considérée. Fraction inhalable : fraction massique des particules totales en suspension dans l air pouvant être inhalée par le nez et la bouche. La fraction inhalable dépend entre autres de la vitesse et de la direction du gaz contenant les particules, de la fréquence respiratoire et de l orientation de la personne dans le flux de gaz.. Fraction extrathoracique : fraction massique des particules inhalées qui ne peuvent pas pénétrer au-delà du larynx. Fraction thoracique : Fraction massique des particules inhalées pénétrant au-delà du larynx. Fraction trachéobronchique : Fraction massique des particules inhalées pénétrant au-delà du larynx mais ne pénétrant pas dans les voies aériennes non ciliées (alvéoles). Fraction alvéolaire : Fraction massique des particules inhalées qui pénètrent dans les voies aériennes non ciliées (région profonde de l appareil respiratoire). Effets du feu sur les personnes Page 133/163

134 7.2.2 Nature et formation des aérosols dans les fumées Les aérosols des fumées sont composés de particules et de gouttelettes de liquides de petite taille. Les gouttelettes sont composées d hydrocarbures plus ou moins lourds, souvent aromatiques, et formant des goudrons en suspension. Ces produits sont en partie décrits au paragraphe , et leur processus de formation fait l objet du paragraphe 4.3. Les gouttelettes présentes dans les aérosols de fumée sont sphériques. Dans les feux d hydrocarbures ou de polyoléfines, il est admis que les particules de suie sont presque exclusivement composées de carbone (au moins 90 % en masse ) et d hydrogène. Une grande partie du processus de formation des particules est présenté au paragraphe 4.3. Les composés polyaromatiques formés s agglomèrent en vésicules de carbone, qui se collent les unes aux autres. Le processus est détaillé par les schémas ci-dessous [7] [17] : a) Agglomération des HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) et des cycles en molécules planes de plus en plus grosses ; b) Répartition des molécules planes en feuillets de quelques molécules d épaisseur, agglomérées par leurs liaisons Pi à la manière du graphite ; c) Agglomération des groupes de molécules ; d) Formation d une particule élémentaire de suie. Une telle particule forme une sphère d environ 30 nm de diamètre. Figure 36 : Processus de formation des particules élémentaires de carbone dans les fumées Effets du feu sur les personnes Page 134/163

135 Ensuite, les particules élémentaires s agglomèrent entre elles de manière désordonnée pour former des particules plus grosses par des liaisons de Van Der Waals. Des images par microscopie électronique à transmission des suies sont présentées ci-dessous : Figure 37 : Images par MET de particules de suie Ces images montrent des noyaux de quelques dizaines de nanomètres, constitués par ces particules élémentaires qui s agglomèrent pour former des structures complexes pouvant atteindre plusieurs micromètres de taille. Les particules de carbone présentes dans les fumées représentent un risque pour les personnes. La taille, la forme et la nature de ces particules, mais aussi le gaz dans lequel elles sont en suspension conditionnent leur toxicité. Dans de nombreux feux, la présence de charges minérales peut engendrer la formation de particules minérales, comme les hydrates d aluminium (ATH par exemple), les oxydes de titane (pigments blancs), les oxydes métalliques (oxyde d antimoine par exemple) ou des particules de quartz. La granulométrie et l effet de ces particules sont très variable et dépendent de leur dispersion dans la matrice initiale. Leur effet toxique est ainsi à considérer, bien que le détail des principes ne puisse être envisagé dans le présent document Mesure des particules Une mesure indirecte des particules est réalisée lorsque la densité des fumées est mesurée. Des techniques permettent ainsi de reconstituer la concentration massique en particules des fumées, à partir d informations sur la nature des fumées et de leur densité optique. Ces techniques sont évoquées au paragraphe Néanmoins, elles recourent à un coefficient σ s appelé surface d extinction spécifique par unité de masse de suies, dont la connaissance est entachée d une incertitude importante. La valeur de σ s admise est de (9,6±3,0) m²/g pour un illuminant en lumière blanche à 2700 K et (8,5±2,0) m²/g pour un illuminant monochromatique He-Ne à 633 nm [5]. Cette technique de détermination par opacimétrie est donc peu adaptée. De plus, l effet des particules est entre autres lié à leur taille. De ce fait, plus encore que la quantité totale de particules, l essentiel est de connaître leur répartition par taille. Cette connaissance de la Effets du feu sur les personnes Page 135/163

136 granulométrie des particules est essentielle dans la détermination de leurs effets directs sur l homme. Différentes techniques de mesure sont adaptées en fonction du niveau de détail souhaité. La référence [3] présente de manière intéressante les différentes techniques utilisables et leur justification. Les données ci-dessous montrent les résultats issus d une détermination de la taille des particules de suies du PMMA réalisée sur les effluents produits au cône calorimètre, à l aide d un impacteur en cascade permettant l obtention de classes de granulométrie : Granulométrie des particules - PMMA Fraction de la masse totale (%) Diamètre de coupure du plateau (µm) Droite de Henry - PMMA Fractile U (loi lognormale) Diamètre de coupure au plateau (µm) Taux de production de particules de suie : 11,2 mg/g Diamètre aérodynamique moyen : 0,36 µm Ecart-type de distribution : 0,17 µm Figure 38 : Mesure de la taille des particules présentes dans les fumées de PMMA Effets du feu sur les personnes Page 136/163

137 Les données présentées montrent que le PMMA produit principalement des suies très fines, d un diamètre inférieur à 0,48 µm. Le diamètre statistique correspondant est de 0,36 µm, mais il conviendrait de disposer de données complémentaires pour caractériser les très petites particules. Actuellement, une norme sur la mesure de particules dans les effluents du feu est en cours d élaboration au sein de l ISO TC92/SC3/WG2. Le projet est présenté et animé par la France. Toutefois, il est nécessaire de rappeler que la taille des particules de suie dépend de leur «temps de résidence» dans la flamme, correspondant au temps d agglomération. Les essais de laboratoire sur ce phénomène sont peu représentatifs de la réalité Effet des particules sur les personnes Courbes standard d inhalation Avant de déterminer l effet sur les personnes, il convient de définir comment ces particules pénètrent l organisme. Globalement pour un aérosol, trois zones d action sont possibles : les voies respiratoires supérieures, l arbre bronchial ou les sacs alvéolaires. Ces différentes parties de l organisme sont physiologiquement extrêmement différentes. La définition des différentes fractions respirables est donnée au paragraphe La fraction alvéolaire est la plus dangereuse pour la santé : En effet, les voies supérieures sont ciliées et peuvent évacuer les particules mécaniquement mais les alvéoles ne sont pas munies de ce dispositif. Lorsque qu elles pénètrent jusqu aux alvéoles, les particules se retrouvent piégées et ne peuvent être éliminées que par digestion cellulaire. Les fractions alvéolaire et thoracique dépendent du rythme respiratoire et ne sont que des approximations d un cas moyen. Aérosol total Bouche - nez Fraction non inhalable Fraction inhalable Larynx Fraction extra-thoracique Fraction thoracique Bronchies / alvéoles Fraction alvéolaire (respirable) Fraction trachéo-bronchique Figure 39 : Définition des fractions de pénétration des particules Ainsi, en général, la nuisance et la profondeur de pénétration des particules croit à mesure que leur taille décroît. Effets du feu sur les personnes Page 137/163

138 Les particules les plus grosses, de diamètre supérieur à 10 µm, se déposent dans les conduits nasaux [9]. D après Mahaffey & Miller [10] et Peterson [11], les particules de moins de 10 µm sont trop petites pour être filtrées par l appareil respiratoire humain. Elles peuvent traverser les voies respiratoires supérieures (nez et bouche) et pénétrer dans les voies respiratoires inférieures. Des courbes standard de définition des différentes fractions sus-citées ont été établies. Elles donnent la probabilité qu une particule d une taille donnée atteigne les différents niveaux de l arbre respiratoire. Elles sont conventionnelles. Des tables précises de valeurs existent dans les références [4] et [5]. Ces courbes signifient par exemple qu une particule de 4 µm a une probabilité de 89,3 % d être présente jusqu au larynx, 89 % de probabilité d être présente entre le larynx et les bronchioles, 50 % de chance d être encore présente au-niveau des alvéoles des sujets sains et 11 % des sujets à risque 25. Dans l exemple présenté précédemment pour le PMMA, une partie très importante des suies a une probabilité de pénétration alvéolaire importante, le diamètre aérodynamique moyen étant de 0,36 µm et plus de la moitié des particules ayant moins de 0,42 µm. Le choix de l utilisation d une courbe conventionnelle dépend du risque à mettre en évidence. Ainsi, la convention inhalable est choisie si les particules provoquent l effet étudié à tous niveaux de l arbre pulmonaire, alors que la convention alvéolaire sera retenue pour celles ayant un effet local au fond des poumons. Chaque convention correspond aux fractions pénétrant dans une zone de l organisme, et non à celle s y déposant. En particulier, pour la convention alvéolaire, une partie des particules inspirées est expirée sans se déposer et n aura donc pas d effet biologique.. 25 Pour les enfants et les adultes atteints de certaines maladies respiratoires, la région trachéobronchique collecte plus de particules de faible diamètre aérodynamique, par rapport aux adultes sains. Une courbe «dégradée», appelée convention alvéolaire haut risque, peut alors être utilisée Effets du feu sur les personnes Page 138/163

139 Pourcentage de pénétration (%) Courbes conventionnelles Convention inhalable (%) Convention thoracique (%) Convention alvéolaire (%) Convention alvéolaire haut risque (%) Taille de la particule (µm) Figure 40 : Courbes conventionnelles de pénétration des particules Effets du feu sur les personnes Page 139/163

140 Toxicité des particules par inhalation Les particules déposées aux différents niveaux de l arbre respiratoire provoquent des effets variés sur la santé qui dépendent de leurs propriétés toxicologiques et de leur site de déposition [3]. Lors de l'inhalation, les grosses particules (appelées PM10, et dont le diamètre est inférieur à 10 µm) peuvent atteindre les voies aériennes supérieures et les poumons. Celles que l'on désigne sous l'expression de 'particules fines '(PM2,5, dont le diamètre est inférieur à 2,5 µm) sont plus dangereuses, car elles pénètrent plus profondément dans les poumons où elles peuvent atteindre la région alvéolaire. Si les PM10 finissent par disparaître de l'air ambiant dans les quelques heures qui suivent leur émission, les PM2,5 peuvent rester en suspension pendant des jours, voire plusieurs semaines après leur émission. L USDA [9] considère que les particules de diamètre moyen (entre 5 et 10 µm) ont tendance à se déposer dans les voies respiratoires de taille moyenne (bronchioles) puis sont éliminées par action ciliaire et par la toux. Des corrélations ont été établies entre la concentration en particules de diamètre inférieur à 10 µm (PM10) et la diminution des fonctions pulmonaires (des corrélations identiques existent avec les concentrations en CO, en formaldéhyde et en acroléine). Les plus petites particules dites respirables (diamètre entre 0,5 et 5µm [9] ), inférieures à 3µm [12] ou inférieures à 2,5µm [13] parviennent jusqu à la région alvéolaire des poumons où elles sont ingérées par des macrophages. Ces particules transportent des composés chimiques dans les poumons où ils peuvent être «absorbés» par la circulation sanguine. Les particules peuvent provoquer des lésions à proximité de leur site de dépôt, en particulier si des gaz corrosifs sont adsorbés. La présence des suies potentialise toujours fortement la toxicité des gaz [16]. Les particules de suies de combustion étant principalement composées de carbone, elles se comportent comme des pièges constitués de «charbons actifs» et peuvent relarguer certains composés présents à leur surface. Ces composés peuvent alors être libérés ultérieurement et leur action est prolongée. Il est avéré [8] que le SO 2 (paragraphe ) est particulièrement bien adsorbé aux suies. Les particules les plus fines présentes à des concentrations relativement basses, peuvent, surtout chez l enfant, irriter les voies respiratoires ou altérer les fonctions respiratoires. Certaines particules très petites (0,2 à 0,5µm) ne se déposent pas et repartent à travers les voies respiratoires pendant l expiration [9]. En dehors de leur effet aigu immédiat, les particules peuvent avoir un effet à long terme suite à une intoxication aiguë. Tout d abord, une diminution de la capacité pulmonaire peut survenir par obstruction mécanique de certaines alvéoles. Les sacs alvéolaires n étant pas ciliés, et certaines particules étant trop grosses pour la digestion cellulaire par les macrophages, l organisme ne dispose pas de moyen d élimination efficace pour ce type d agression. La capacité pulmonaire diminue en conséquence, ce qui favorise l apparition d asthme et de syndromes chroniques de perte de capacité pulmonaire. Les particules les plus fines se déposent au fond des sacs alvéolaires et gênent les échanges gazeux. Elles peuvent être liées à la naissance ou au développement de cancers du poumon Effets du feu sur les personnes Page 140/163

141 même longtemps après l exposition aiguë. Il est néanmoins extrêmement difficile de disposer de données toxicologiques de ce type, du fait de la variété des agressions que subissent les poumons durant la vie (cigarette, pollution automobile, amiante ). L effet des particules sur la mortalité est néanmoins établi dans le cas des émissions environnementales chroniques. L effet des particules sur les poumons est donc lié à l apparition d asthme chronique, à la diminution de la capacité pulmonaire. A long terme, des cancers peuvent survenir. Cet effet peut être effectif encore plusieurs jours après le feu et ce risque demeure donc pour les personnes présentes après sinistre, qui doivent porter des masques adaptés aux particules les plus fines Effets indirects des particules Flux radiatif Le flux radiatif issu d une couche de fumée est lié à sa température, mais aussi à sa concentration en particules, car celles-ci constituent un corps gris émettant du rayonnement. Ces phénomènes sont à l origine du risque de flashover décrit au paragraphe 3, ainsi que de l effet thermique radiatif sur les personnes décrit au paragraphe 5.2. La connaissance de la granulométrie des particules, de leur nature et de leur pouvoir émissif est essentielle, en particulier dans les sous-modèles radiatifs utilisés dans les modèles champ. Filtration et effets électriques Un autre effet important des particules est leur effet additionnel, en particulier sur les installations de sécurité. Les particules s insinuent partout en engendrant des courts-circuits, car elles sont composées de carbone et conduisent l électricité. Dans les systèmes où la filtration est essentielle, comme le domaine du nucléaire, la connaissance de leur granulométrie est essentielle au dimensionnement des filtres en situation d urgence car les particules ont la capacité d adsorber les radioéléments. Effets de la taille des particules sur la perte de visibilité Pour la perte de visibilité, décrite au paragraphe 4, les particules de petite taille diffusent la lumière [11]. Cependant, toutes les particules ne diffusent pas la lumière de la même façon. Celles de taille proche des longueurs d onde du visible (c est-à-dire entre 0,3 et 0,8 µm) diffusent le plus la lumière [14] et réduisent par conséquent le plus la visibilité. Schaefer [15] précise que le diamètre des particules réduisant le plus la visibilité est voisin de 0,6 µm. En général, une particule de plus de 1 µm diffuse la lumière proportionnellement au carré de son rayon. Une particule submicrométrique la diffuse proportionnellement à la puissance 6 de son rayon [12]. D autre part, les particules émises peuvent se coaguler à d autres particules et provoquer ainsi une augmentation de la concentration en particules de plus gros diamètre [15]. Effets du feu sur les personnes Page 141/163

142 Considérations environnementales L incidence des particules de l atmosphère sur l'environnement a été un souci important durant une longue période. Les hygiénistes industriels se sont rendu compte de l'effet de santé potentiel lié à l'exposition aux particules fines. La pollution atmosphérique par les particules en suspension réduit l espérance de vie de chaque personne vivant dans l'ue d environ 8,6 mois. L origine de ces particules est en partie de cause incendiaire, mais cette source reste minoritaire en dehors des zones directement exposées aux fumées d incendies de grande ampleur. En dehors de ces zones, la contribution des incendies est négligeable devant les sources relatives aux activités liées à la fourniture d énergie, la circulation automobile et l industrie. En se déposant sur les plantes, les particules bloquent les stomates, organites intervenant dans respiration chlorophyllienne, ce qui favorise le dépérissement des végétaux. Pour les animaux, l effet est similaire à celui observé sur l homme. Aucun effet toxique n a été observé lors de la digestion des particules et seul l effet d inhalation semble présenter un risque certain Valeurs limites d exposition L'OMS souligne que vies pourraient être sauvées d'ici 2010 en Europe grâce à l'application de la directive 1999/30/CE. Cette directive fixe la valeur limite journalière des PM 10 à 50 µg/m 3 et leur valeur limite annuelle à 40 µg/m 3. Les chiffres sur les PM 2,5 ne sont pas encore établis. Or les PM2,5 sont de loin les plus toxiques. De plus, il n existe pas à l heure actuelle de valeurs-seuils définies pour des expositions aiguës. La teneur de 250 µg/m 3 a été retrouvée dans plusieurs sources pour les PM Références [1] INRS ED 789 Incendie et lieux de travail [2] Particles from Fire : Evaluation of the particulate fraction in fire effluents using the cone calorimeter - Le Tallec Y. (LNE), Saragoza L. (LNE), Hertzberg T (SP), Blomqvist P (SP), proceedings of Interflam 2004, Edimbourg [3] Renoux A, Boualud D. : Les aérosols physique et métrologie Editions Lavoisier Tec & Doc Paris, ISBN [4] Norme NF EN 481 : Atmosphères des lieux de travail - Définition des fractions de taille pour le mesurage des particules en suspension dans l'air. [5] Norme NF ISO 7708 (1996) : Qualité de l'air - Définitions des fractions de taille des particules pour l'échantillonnage lié aux problèmes de santé [6] A. D. Putorti, Design parameters for stack-mounted light extinction measurement devices, NISTIR 6215, 1999 Effets du feu sur les personnes Page 142/163

143 [7] M.W.I. Schmidt, A.G. Noack, Black carbon in soils and sediments: Analysis, distribution, implications, and current challenges - Global Biogeochemical cycles, vol. 14, pp (2002) [8] Plan régional Qualité de l air - Généralités sur la pollution de l air et ses effets sur la santé et l environnement DRIRE région Nord Pas de Calais, 2000 [9] USDA, Health Hazards of Smoke, USDA Forest Service, Missoula Technology and Development Center, MTDC, 8 p. [10] Mahaffey L.; Miller M., Introduction to fire effects RX 340, cours, Northern training center, Chap IV Air Quality, 13p. [11] Peterson J.L., Air quality, smoke management, and prescribed fire. Proceeding of the 1990 Pacific Northwest Range Management Short Course, Fire in Pacific Northwest Ecosystems, janvier 1990, Pendleton, OR, Corvallis, OR, Department of Rangeland Resources, Oregon State University, pp [12] Mobley H.E. ; Barden C.R. ; Bigler Crow A. ; Fender D.E. ; Jay D.M. ; Winkworth R.C, Southern forestry smoke management guidebook. USDA Forest Service general technical report SE-10, 140p. [13] Ward D.; Hardy D.C., 1991 Smoke emissions from wildland fires, Environment International, Vol.17, pp [14] Sandberg D.V.; Martin R.E., Particle sizes in slash fire smoke. USDA Forest Service research paper PNW-199, 7 p. [15] Schaefer V.J., Some physical relationships of fine particle smoke. Proceedings annual : 13 Tall Timbers Fire Ecology Conference; Tallahassee, Florida, mars 1973, pp [16] Levin, B. C.; Kuligowski, E. D. : Toxicology of Fire and Smoke. Inhalation Toxicology. 2nd Edition. Chapter 10, CRC Press (Taylor and Francis Group), Boca Raton, FL, Salem, H.; Katz, S. A., Editor(s), p., 2005 [17] Soot. Hamins, A. : Environmental Implications of Combustion Processes. Chapter 3, CRC Press, Boca Raton, FL, Puri, I. K., Editor, p., Effets du feu sur les personnes Page 143/163

144 8 Modélisation de l effet du feu sur les personnes 8.1 Généralités Le développement de l évaluation des effets du feu sur les personnes est intimement lié à celui des modèles plus généraux utilisés en ingénierie de la sécurité incendie. Les différents effets présentés ne disposent néanmoins pas tous d un modèle physique explicite. Tous ne peuvent donc pas être reproduits correctement par le calcul Introduction Tous les produits de construction combustibles et les produits d aménagement peuvent produire de la fumée nocive. La plupart des victimes succombent à l inhalation de fumées, mais celle-ci n est pas encore pris en compte dans la réglementation bâtiment. Le danger de la fumée est une fonction de son pouvoir toxique, de l'exposition d'une personne à une concentration (variable) de fumée et de l effet thermique au cours du temps. Certains des effets se produisent progressivement au cours d une exposition continue, d'autres se produisent presque instantanément. La concentration et la distribution de la fumée dans une habitation en feu, un bâtiment public ou un véhicule dépendent de facteurs tels que la composition chimique et les taux de combustion des produits brûlant, du taux et de la direction de la ventilation, et de l éventuelle mise en action d'un système d extinction ou de désenfumage. Le temps d'exposition est une fonction de la période de la détection et de l'alarme, de la conception du bâtiment, des possibilités de mouvement de la population considérée, et de la présence des sauveteurs. La sévérité des effets dépend donc de tous ces éléments et de la sensibilité des occupants aux composants chimiques et aux effets de la fumée Prédiction de la létalité due au feu Les effets que la fumée peut avoir sur des occupants ou sur le personnel d intervention peuvent conduire à la létalité. Afin de limiter cet effet, de nombreuses réglementations ont été définies dans chaque domaine. Les plus élaborées sont celles présentes dans le domaine des transports publics, où les configurations géométriques étroites et la ventilation aggravent les effets du feu. Les professionnels de la sécurité incendie disposent de plus en plus d outils pour estimer des expositions aux fumées potentiellement mortelles. Ils ont été développés intensivement depuis les dix dernières années. Des outils comme HAZARD I permettent de combiner certains des facteurs de risque présentés et de prévoir les effets d un feu donné. La routine d EXITT implantée dans HAZARD I, le logiciel EXIT 89 ou EXODUS [4], par exemple, offrent la capacité de simuler le mouvement de personnes dans un environnement d incendie. Effets du feu sur les personnes Page 144/163

145 La Fire Protection Research Foundation a développé une méthode pour calculer le risque d'incendie en combinant l'analyse du scénario avec l'analyse de risque [2]. De nombreux calculs ont été réalisés, pour lesquels la survie des occupants a été évaluée. Dans de nombreux cas, les prévisions sont suffisamment en conformité avec l'occurrence réelle et sont suffisamment corrélées à la physique établie du feu. Aussi la communauté admet un certain degré de confiance en ces possibilités prédictives, quand les analyses sont exécutées par les personnes bien informées et que les données d entrée nécessaires à la réalisation des calculs sont suffisantes Prédiction des effets sub-létaux du feu Il existe des rapports de survivants d incendies disant que la fumée et la chaleur ont empêché leur progression vers des sorties du fait d une altération prolongée de leur santé, ou des cas où l'évacuation d occupants valides a été ralentie par la présence de victimes au sol. Ces phénomènes sont les conséquences d'un éventail d'effets sub-létaux que la fumée peut avoir sur des personnes pendant leur exposition, sans causer directement la mort : Les effets physiologiques de l incapacitation : incapacité à effectuer sa propre évacuation, réduction de la vitesse de sortie due, par exemple, à une irritation sensorielle (yeux, poumons), à la chaleur ou aux dommages infligés par le rayonnement des flammes et les fumées, réduction des capacités motrices, et obscurcissement visuel. Ces différents paramètres ont été discutés précédemment. Les effets psychologiques : choix d'un chemin d évacuation plus long ou plus dangereux dû, par exemple, à une acuité mentale diminuée combinée à un obscurcissement visuel. Chacun de ces paramètres peut limiter la capacité à s'échapper, à survivre et à demeurer en bonne santé après l exposition au feu. Il existe néanmoins de nombreuses difficultés quant à l analyse de la contribution de ces effets sub-létaux dans les études d impact sur les personnes. Ces difficultés résultent entre autres : Du nombre souvent non maîtrisé de personnes affectées et de la sévérité des affections ; De l erreur consistant à assigner les effets prolongés observés uniquement au feu, sans prendre en compte l inhalation de poussières, d irritants ou de fumée de tabac dans la vie courante des personnes; De la variabilité des effets du feu, comme celle des productions de gaz toxiques en fonction des conditions locales de combustion, qui sont souvent au moins aussi importantes que la nature même du combustible ; De la différence entre l état du mélange gazeux sur son lieu de production et son état au-niveau des victimes potentielles ; Des méthodes de mesure ou des données insatisfaisantes ou inaccessibles sur les effets sub-létaux de la fumée, ainsi que de l interprétation contradictoire des données existantes ; Effets du feu sur les personnes Page 145/163

146 8.1.4 Commentaires Les modèles retenus pour évaluer les effets létaux ou sub-létaux des fumées doivent donc prendre en compte toutes les approximations inhérentes à des modèles basés sur des données pas toujours consensuelles, et sujettes à d importantes variations au sein des populations. En tout état de cause, il conviendra de déterminer premièrement à l aide des modèles si les personnes ont été en contact avec les fumées, mais cette analyse ne suffit pas : d une part, les fumées diffusent vers l air sain progressivement (diffusion gazeuse) et d autre part, les effets thermiques radiatifs n ont pas besoin de fumées comme support matériel. 8.2 Modélisation des différents effets du feu Modèle radiatif et flux incident Des sous-modèles radiatifs sont codés et implémentés dans les modèles de zone et les modèles champ. Ces modèles sont à même de calculer le flux thermique radiatif issu des fumées et des flammes vers les personnes. En général, pour la flamme, le modèle a une formulation de type ratio du débit calorifique local, alors que le modèle utilisé pour les fumées possède une formulation en T 4 de type Stefan-Boltzmann. Les paramètres d entrée de ces modèles sont variables, mais certaines données sont la dépendance spectrale, la concentration et l émissivité des espèces présentes dans les fumées. Or, une connaissance parfaite de l ensemble des espèces présentes dans les fumées et la résolution spectrale étendue de l infrarouge au visible n est pas envisageable dans la simulation de combustions à grande échelle à l heure actuelle, entre autres pour des raisons de puissance de calcul. Les incertitudes inhérentes à ces différents paramètres d entrée demeurent donc importantes, tout comme des simplifications mathématiques limitent la qualité du calcul. Pour qu un calcul d effet radiatif soit pertinent, il convient de plus de reproduire les positions adéquates pour les émetteurs (flammes, fumées) et les récepteurs (personnes). A l heure actuelle, ce calcul peut se faire en plaçant des cibles reproduisant les personnes dans leur physionomie, prenant en compte leur coefficient d orientation, et en suivant le flux incident et le bilan thermique à la surface de ces cibles. Les critères retenus peuvent être basés sur le flux limite de 2,5 kw/m² présenté au paragraphe 5.2. Les modèles de zone peuvent être utilisés pour un calcul rapide de ce type. Sous la couche chaude, le flux radiatif est alors uniforme. La validité du calcul dépend en grande partie de la pertinence du système stratifié, mais aussi du solveur utilisé et de ses paramètres. L un des jeux de paramètres essentiels est le terme source. L hypothèse généralement faite est un débit calorifique et un bilan thermique conditionnant la température d un média dont le débit de production est induit par le débit calorifique, au moyen du bilan matière. Il en résulte une covariance directe entre ces deux paramètres. Le débit fumigène est le paramètre essentiel et Effets du feu sur les personnes Page 146/163

147 le calcul prend en compte une estimation moyenne des flux dépendant de la concentration en suies et de la température calculées. Dans un modèle champ, le flux incident provient de toutes les directions de l espace et est variable en fonction des divers éléments résolus. La concentration en suies ou/et en vapeur d eau, par exemple, peut être variable à chaque point de l espace, tout comme la température, résultant d un bilan thermique complexe. Chaque maille de fumée est alors un émetteur et un récepteur de rayonnement différent. Le calcul d effet sur les personnes est alors bien plus fin. Les espèces présentes dans les fumées peuvent être dépendantes (cas des modèles «mixture fraction»), c est à dire avec une unique équation de transport pour une variable «fumée» définissant des taux de proportionnalité entre espèces, ou une équation de transport différente peut être résolue pour chaque espèce. Le rayonnement est alors résolu par différentes techniques. Les méthodes de volumes finis (angles solides) et les méthodes de Monte-Carlo sont alors les plus à même de calculer le flux reçu en provenance de nombreuses directions de l espace. D autres méthodes, comme les techniques de flux sont souvent plus limitées. Certains modèles d évacuation intègrent par ailleurs des couplages avec des modèles de zone ou des codes à champ, afin de tenter de prédire à la fois la tenabilité, mais aussi le mouvement des personnes. Les variabilités des populations et les réponses psychologiques montrent néanmoins les limites de tels développements. Ceux-ci sont présentés au paragraphe Lors du recours à un calcul d effet thermique radiatif sur les personnes, les éléments qui doivent figurer dans les hypothèses sont : - Les hypothèses sur la source : o Son émissivité, o Sa dépendance spectrale (résolution spectrale, par bandes, nombre de bandes ), o Les espèces considérées (en général, hydrocarbures, eau, dioxyde de carbone), o La résolution de différents aspects du rayonnement induits par l équation RTE (émission, absorption, diffusion ), o La méthode de résolution utilisée (méthode FVM, de flux, de Monte-Carlo ) - Les hypothèses sur le récepteur : o Son émissivité (son coefficient d absorption), o Ses attributs de mouvement, o Les cibles concernées et la variation de leur éclairement dans le temps (facteur d orientation) - Les hypothèses sur les critères retenus et leur justification. L habillement des zones exposées ou le refroidissement par l air ambiant (en particulier en cas de mouvement) sont ainsi des paramètres déterminants dans ces modèles, sans pour autant que ceux-ci apparaissent dans les formulations ou les critères. La pigmentation de la peau n a pas d effet pour le rayonnement infrarouge, ce qui élimine ce paramètre comme susceptibilité au sein des populations. D autres éléments sont envisageables en fonction du modèle considéré. Il est difficile d introduire le mouvement dans ce type de calculs, et par-là même le refroidissement lié à la vitesse de déplacement dans l air, car ils correspondent à des changements de conditions aux limites qui ne sont pas nécessairement bien prises en compte avec les techniques de résolution adaptées au traitement des incendies. Effets du feu sur les personnes Page 147/163

148 En résumé, plus la connaissance du contenu des fumées est élaboré, plus le modèle peut être complexe et l effet radiatif des fumées finement reproduit. Néanmoins, les limitations évoquées, comme les méthodes numériques ou les variabilités au sein des populations, rendent cette tâche difficile Modèle de transport et effet thermique convectif Les équations de transport et les bilans de matière et d énergie permettent de calculer la température des fumées et de l air présent. Dans les modèles de zone, le calcul consiste à obtenir une zone de température élevée (la couche chaude), et une zone de température plus modérée (la couche froide). Ces deux couches sont supposées à température uniforme. Dans le modèle champ, les températures moyennes de chaque élément fini constituant le domaine de calcul sont déterminées. Les critères présentés au paragraphe peuvent alors être utilisés (67 C en 30 minutes ou 42 C pour une exposition prolongée). Le calcul de dose thermique est relativement simple à réaliser. Il convient que le modèle soit à même de reproduire le comportement des mouvements fluides au plus près de la réalité pour espérer une résolution relativement précise. Les paramètres influents sur l effet thermique convectif sont par ailleurs l humidité et la vélocité des gaz en contact avec les personnes. Une vitesse relative doit être considérée si les personnes sont en mouvement. Lors du recours à un calcul d effet thermique convectif sur les personnes, les éléments qui doivent figurer dans les hypothèses sont : - Les hypothèses sur la sollicitation thermique : o La température absolue des gaz, o Les vecteurs vélocité des gaz, o La teneur en eau du gaz, o La méthode de résolution utilisée (LES, DNS, k-ε RANS ) - Les hypothèses sur les personnes : o Ses attributs de mouvement, - Les hypothèses sur les critères retenus et leur justification Dose thermique La dose thermique peut être implémentée dans les modèles à même de traiter les deux phénomènes présentés précédemment. Des calculs de dose thermique réalisés selon la méthode décrite au paragraphe 5.4 peuvent être utilisés. Les dispositions énoncées précédemment sont applicables. Certains outils commerciaux, comme le logiciel EXODUS [3][4] ou EXIT89 [3] possèdent ce type d algorithme intégré, mais ne sont pas adaptés à une résolution spatiale et temporelle précise du feu. De plus, l interprétation de ce type de données couplées à l évacuation est ardue. Effets du feu sur les personnes Page 148/163

149 Les logiciels champ connus n utilisent pas ce type d algorithme, mais résolvent les paramètres nécessaires à son utilisation et peuvent donc être réalisés en post-traitement. La difficulté de considérer les flux radiatifs pour des cibles en mouvement reproduisant les personnes impose de travailler en général avec les flux reçus au sol et aux températures moyennes à différentes hauteurs. Un calcul de dose thermique global serait néanmoins possible à partir de ces outils Modèle de transport et perte de visibilité La perte de visibilité est modélisable seulement si les suies ont été déterminées en proportion et en mouvement, et la cible souhaitée spécifiée. En effet, au paragraphe 4.5, il a été présenté que la visibilité ne peut être définie dans l absolu, mais seulement par rapport à un objet à visualiser. Dans ce cadre, la visibilité est corrélée par l intermédiaire d un modèle au coefficient d extinction des fumées. La modélisation de ce coefficient d extinction dépend de plusieurs paramètres. En premier lieu, le terme source utilisé et la manière dont il définit la production de suies est primordial. Cette production peut être calculée, par une chimie à étapes, indexée sur la production de CO (ces deux phénomènes sont liés [12] ) ou dans le cas général spécifiée comme un ratio du débit de perte de masse. Ensuite, les équations bilan de matière et éventuellement de quantité de mouvement permettent d étudier la répartition de ces fumées. Le lien entre concentration en fumées et coefficient d extinction est réalisé à partir d un paramètre défini comme la surface d extinction spécifique des fumées. Cette surface est présentée au paragraphe Sa valeur n est bien connue que pour certaines suies et une erreur importante est introduite à ce niveau. La surface d extinction spécifique est un paramètre numérique du logiciel de simulation. Le modèle de visibilité relie ensuite le calcul du coefficient d extinction à l effet sur les personnes, en général par rapport à la vision d un système réfléchissant ou lumineux. Les modèles les plus utilisés sont les modèles de Yin et Yamada, présentés au paragraphe Ces modèles supposent l utilisation d une constante empirique, qui constitue un paramètre numérique du logiciel de simulation. Il est donc plus précis de calculer les concentrations massiques en suies que les coefficients d extinction, ceux-ci étant plus précis que la visibilité. Les deux paramètres numériques utilisés alors sont primordiaux et doivent être rappelés dans les paramètres de simulation. Des logiciels comme FDS [5] sont équipés d un algorithme de calcul de la visibilité des fumées, mais les valeurs par défaut utilisées ne sont pas nécessairement précisées. FDS utilise une surface d extinction spécifique de 10 m²/g et par défaut une constante de Yin de 3. Il est important de noter qu avec ce type de modèles, et dans l état actuel des connaissances, l effet de synergie entre perte de visibilité et effets irritants des gaz et des suies sur les yeux n est pas pris en compte par les modèles. Effets du feu sur les personnes Page 149/163

150 Lors du recours à un calcul de perte de visibilité sur les personnes en mouvement, les éléments qui doivent figurer dans les hypothèses sont : - Les hypothèses sur la sollicitation : o Les paramètres de production de suies, o Les paramètres de mouvement des suies, o La méthode de résolution utilisée pour ce mouvement (Zone, LES, DNS, k-ε RANS ) - Les hypothèses sur les personnes : o ses attributs de mouvement, - Les hypothèses sur les critères retenus et leur justification : o Surface d extinction spécifique ; o Modèle utilisé et justification ; o Système visé et éventuellement constante de Yin Modèle de transport et effets des gaz toxiques L effet toxique des fumées est un paramètre très difficile à calculer, d une part du fait de la finesse des modèles de production et de transport, et d autre part du fait de la variabilité des effets sur les personnes. Trois étapes sont à considérer dans la modélisation de l effet toxique : 1. La première étape concerne le terme source de production de toxiques. La chimie prise en compte au-niveau des modèles de combustion permet d atteindre ce paramètre avec différentes résolutions. Les modèles globaux sont les plus simples. Ils sont établis sur une combustion basée sur le mélange des espèces [5]. Ils font appel à une réaction simple à une étape. Des modèles plus complexes peuvent être utilisés. Ces modèles sont très difficiles à développer. Un exemple de modèle de prédiction de la production d oxydes d azote est présenté dans les références [6],[7] et [8]. Il montre, outre les erreurs de modélisation (justesse et fidélité du modèle) un grand nombre d étapes réactionnelles, engendrant un surcoût de temps calcul rédhibitoire. A l heure actuelle, un calcul identique pour l ensemble des espèces est trop complexe et manquerait de données expérimentales fiables. Deux approches existent pour le terme source. La plus simple est de faire appel à un terme source prescrit, par exemple suite à des expérimentations à grande échelle. La plus complexe consiste à calculer le développement du terme source et des espèces émises. 2. La seconde étape de la modélisation de l effet toxique est le transport. Dans les modèles simplifiés, ce transport se fait globalement, par l intermédiaire d un scalaire unique. Les modèles les plus complexes font appel à une résolution d une équation de transport par espèce. Cette étape est primordiale pour prédire les concentrations des espèces issues du terme source au-niveau de la zone d exposition des personnes. Résoudre une équation de transport par espèce engendre néanmoins des surcoûts de temps calcul considérables. La chimie réactionnelle des espèces en dehors de leur zone Effets du feu sur les personnes Page 150/163

151 de production est par ailleurs très mal connue et n est en général pas prise en compte. Cette approximation n est pas vérifiée dans la réalité du fait de nombreux phénomènes : disparition du formaldéhyde au profit de l acide formique, équilibres entre CO et CO 2 ou piégeage des espèces sur les suies et les condensas par exemple ne sont pas modélisés. 3. La troisième étape consiste à calculer, à partir de la résolution des deux étapes précédentes et de la connaissance des concentrations présentes au point d exposition, l effet sur les personnes du mélange de gaz. L effet toxique réel dépend, entre autres, de la concentration locale en gaz, du passif d exposition, mais aussi de l état de stress de la personne (rythmes cardiaque et respiratoire). Il n existe pas de modèle absolu, mais l utilisateur pourra se baser sur les modèles présentés au paragraphe 6.6. Ainsi, faire appel à une modélisation de la toxicité requiert une bonne résolution spatiale et temporelle du mouvement des fumées. Les modèles champs s y prêtent bien mieux que les modèles de zone. Néanmoins, des tentatives ont été réalisées et des algorithmes sont implémentés dans des outils comme les logiciels EXODUS [3][4] ou EXIT89 [3]. Il est évident que les résultats issus de tels calculs sont sujets à discussion. Des travaux sur le calcul de la toxicité par les modèles champs peuvent néanmoins être envisagés. L université de Greenwich expérimente par exemple de tels couplages sur le logiciel SmartFire. Le LNE [9] a développé des outils utilisables pour calculer des champs de FED ou FEC selon l ISO à partir du logiciel FDS. Figure 41 : Plan de coupe d indice de toxicité dans une simulation de feu à grande échelle Naturellement, à l heure actuelle, de telles interprétations ne peuvent être réalisées que dans les cas simples de foyers bien connus et dont les taux de production d espèces ne varient pas dans le temps. Outre le calcul, l interprétation et la discussion des résultats demeurent difficiles (voir paragraphe 6.5). Effets du feu sur les personnes Page 151/163

152 Lors du recours à un calcul d effet toxique des fumées sur les personnes en mouvement, les éléments qui doivent figurer dans les hypothèses sont : - Les hypothèses sur la sollicitation : o Les paramètres de production de toxiques, o Les paramètres de mouvement des toxiques, o La méthode de résolution utilisée pour ce mouvement (Zone, LES, DNS, k-ε RANS ) - Les hypothèses sur les personnes : o Leurs attributs de mouvement et de susceptibilité aux toxiques, - Les hypothèses sur le modèle utilisé : o Le type de modèle et sa justification scientifique, o L objectif de sécurité sous-jacent : létalité, incapacitation - Les critères retenus et leur justification : o Les valeurs seuils retenues pour cet objectif. 8.3 Perspectives et limitations Prédiction des effets du feu Pour l effet thermique du feu, les évolutions principales vont concerner dans les années à venir leur couplage avec les modèles d évacuation. En effet, l intégration de doses thermiques sur des personnes en mouvement est dorénavant possible. Les améliorations doivent porter d une part sur la connaissance des variabilités de susceptibilité des populations et d autre part sur une bonne prise en compte des zones exposées et des incidences de rayonnement. Ce dernier point ne peut être résolu que par les modèles champ. Pour les modèles de zone, l approximation peut être que le flux reçu par les surfaces horizontales provient des fumées stratifiées et que le flux reçu par les surfaces verticales en regard avec le foyer provient du feu. La part convective est quant à elle à la base des modèles et a subi de nombreuses validations. Comme énoncé précédemment, l effet toxique est sans doute le plus difficile à modéliser à l heure actuelle, du fait de la faible fiabilité des modèles décrits, mais aussi des limitations numériques des modèles. Cet effet est promis à de nombreux développements. La chimie de la combustion et l amélioration des modèles permet d espérer prochainement une amélioration considérable de la prédiction des termes sources de fumées [13]. Néanmoins, la prise en compte de la chimie post-combustion et le temps de calcul correspondant à toutes ces dispositions ne permet pas d envisager la possibilité de ce type de calcul dans des situations d incendie complexes avant plusieurs années. Pour la perte de visibilité, il convient avant tout d identifier la nature et la quantité de suies présentes, c est à dire de résoudre un terme source. De nombreux travaux sont en cours à ce niveau. En particulier, il est avéré que le taux de production de suies par le feu est proportionnel au taux de production de CO pour de nombreux produits [12] dans le cas de feux ventilés. Prédire le taux de production de suies dans d autres conditions est plus difficile et sujet à d actives recherches. En général, le coefficient d extinction des fumées est modélisé comme un gaz. Enfin, le modèle de visibilité choisi est sujet à discussion. Les améliorations Effets du feu sur les personnes Page 152/163

153 futures peuvent principalement porter sur le terme source, mais aussi sur la chimie post-combustion des suies et sur l effet qu a l agglomération de celles-ci sur leur coefficient d extinction. Tous ces phénomènes sont encore mal connus à l heure actuelle. Enfin, la modélisation du mouvement des particules est très difficile et en plein développement. Les équations de transport sont en général résolues par rapport à des particules lagrangiennes et l aspect brownien du mouvement est éludé. L une des premières difficultés de la modélisation des particules est la prise en compte de leurs interactions (chocs, agglomération ), mais aussi la connaissance expérimentale de leur forme, masse et répartition, du fait de la complexité des phénomènes mis en jeu lors de leur formation (voir paragraphe 7.2.2). Il est probable que la modélisation du mouvement des particules demeure très partielle durant encore de nombreuses années Influences combinées entre les effets Les différents risques du feu sur les personnes sont traités comme agissant plus ou moins indépendamment. En réalité, des interactions entre les effets sont susceptibles de se produire. Par exemple, les effets des irritants sensoriels sur les yeux sont additifs avec l'obscurcissement de fumée, ayant pour résultat la désorientation additionnelle. Ce point a été évoqué dans les modèles de visibilité (paragraphe 4.5), mais aucun modèle n a été développé pour lier concentrations en irritants, nature de ceux-ci et perte de visibilité. La présence d irritants peut également avoir une certaine influence sur l'asphyxie. Les irritants peuvent affecter les modèles de respiration, entraînant la bronchoconstriction et le changement de rapports de ventilation et d irrigation des poumons. Ils ont alors un effet qui peut être considéré, sous certaines réserves, comme additif à celui des asphyxiants. Les particules conditionnent la perte de visibilité, mais sont aussi liées fortement aux phénomènes de flux thermique émis par les fumées et peuvent transporter au-niveau des poumons des gaz toxiques dont l effet sera alors retardé. De façon générale, ces interactions sont considérées comme relativement mineures comparées aux effets primaires des différents composants. Des développements de modèles combinés seront encore à faire afin de considérer les différents aspects sur les personnes et de définir des populations cibles Variabilité des populations Au sein des populations, les effets physiologiques et psychologiques de l incendie peuvent limiter les décisions efficaces pour accomplir leur propre évacuation ou pour se protéger. Les effets psychologiques sont très variables d un individu à un autre, mais aussi entre un individu seul et son comportement en groupe. Ces effets conditionnent grandement son potentiel de survie et peuvent être influencés par de nombreux paramètres : éducation, expériences précédentes de situations critiques, religion ou appartenance ethnique par exemple. Il est ainsi avéré qu une étude sur une population donnée ne donne pas nécessairement des résultats similaires avec une autre population exposée au même stimulus. Cette réponse porte Effets du feu sur les personnes Page 153/163

154 sur la décision d évacuer, mais aussi sur le comportement en cours d évacuation et des choix effectués. Lors des incendies d octobre 2005 dans des hôtels parisiens, des individus ont ainsi préféré se suicider plutôt que de trouver des solutions pour se mettre à l abri, alors que des zones de sécurité existaient encore. Au contraire, lors des attentats du World Trade Center du 11 septembre 2001, des individus ont ralenti l évacuation car ils ont mal jugé la gravité de la situation et téléphonaient durant leur descente par les escaliers. L objet de ce document n est pas de présenter les modèles d évacuation. Les modèles de base étaient des modèles d écoulement et ont évolué ces dernières années vers des modèles maillés. La référence [20] décrit les grands principes de ce type d outils pour lesquels l effet de variabilité des populations est introduit par l intermédiaire de fonctions statistiques relatives aux vitesses de déplacement des personnes. Ces vitesses sont influencées par les conditions environnantes, voire par les fumées dans les outils les plus récents. Un exemple d effet de propriétés de populations sur un calcul d évacuation, basé sur des données morphologiques, est donné ci-après [17]. Figure 42 - Calcul d évacuation réalisé en fonction de propriétés de populations données La référence [19] présente une excellente synthèse des connaissances actuelles sur le comportement des personnes en situation d incendie, et un exemple concret des décisions des personnes. En particulier, la théorie montre que le comportement humain est avant tout basé sur sa perception du danger. Celle-ci s opère en 6 étapes : reconnaissance, validation, définition, évaluation, engagement (décision), réévaluation. Des modèles de stress humain ont ainsi été développés pour prendre en compte l état des personnes en situation d incendie [21]. Cet état peut conduire des personnes à des conduites inadaptées à la préservation de leur propre vie, bien que parfois compréhensibles : comportement de panique, état de choc ou retour en arrière (besoins irrésistibles de récupérer des biens ou des personnes). Ces états Effets du feu sur les personnes Page 154/163