PPRT- Acculturation notions générales. technologiques - Journée PPRT CETE de Aix en Provence

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1 PPRT- Acculturation notions générales B. Le-Roux INERIS sur la vulnérabilité du bâti aux aléas technologiques - Journée PPRT CETE de Aix en Provence - 09/10/2012 DRA A 10223A

2 PPRT - Quelques notions générales Un phénomène dangereux: source potentielle de dommages libération d énergie ou de substance produisant des effets d une certaine intensité susceptibles d infliger un dommage à des enjeux vulnérables (vivants ou matériels). INCENDIE Effet: Thermique PHENOMENES DANGEREUX EXPLOSION Effet: Surpression DISPERSION ATMOSPHERIQUE Effet: Toxique

3 B. Le-Roux INERIS Vulnérabilité du bâti aux aléas technologiques Surpression - Journée PPRT CETE de Aix en Provence - 09/10/2012

4 Phénomène d Explosion Effets d une explosion: Onde de surpression Flamme / boule de feu dans des cas particuliers Projection Bruit => diminue lorsqu on s éloigne du centre de l explosion BLEVE sur un camion citerne: Belleville, Ontario, Canada, 2003

5 Dégâts provoqués par l onde de surpression Non tenue de la stabilité structurelle du bâtiment Effondrement global du bâtiment Non tenue des éléments de structures (parties d ouvrage): Apparition de moments de flexion, d efforts de traction, de compression Augmentation des contraintes internes et déformations des éléments de structure jusqu à éventuellement rupture

6 Dégâts provoqués par l onde de surpression Les dommages engendrés sur une structure dépendent : des caractéristiques de l onde de surpression incidente l intensité de l onde de surpression la durée du phénomène td La nature de l explosion => Fonction de la nature des produits et de la quantité mis en jeu Onde de choc: Explosion de bac d hydrocarbure BLEVE Déflagration: UVCE

7 Dégâts provoqués par l onde de surpression Les dommages engendrés sur une structure dépendent : De L orientation du bâtiment par l explosion: Interaction fluide structure rapport au centre de Explosion => formation d une onde de surpression qui se propage du centre d explosion vers l environnement: Onde de surpression incidente Rencontre avec la structure => Structure soumise à une onde de surpression réfléchie Préfl= C x Pinc avec C dépendant de l orientation de la structure par rapport à la direction de propagation de l onde de surpression incidente Déflagration Onde de choc P1/Pinc P2/Pinc P3/Pinc

8 Dégâts provoqués par l onde de surpression Les dommages engendrés sur une structure dépendent : Des caractéristiques géométriques des éléments: longueur, largeur, épaisseur Des conditions aux limites des éléments : fixation, liaisonnement Des propriétés mécaniques des matériaux Ductilité Domaine de déformation plastique Contrainte Rupture Domaine de déformation élastique Déformation Domaine de déformation plastique homogène Domaine de déformation élastique Contrainte Striction Rupture Déformation Comportement fragile Comportement plastique

9 Dégâts provoqués par l onde de surpression Les dommages engendrés sur une structure dépendent : Des caractéristiques géométriques des éléments: longueur, largeur, épaisseur Des conditions aux limites des éléments : fixation, liaisonnement Des propriétés mécaniques des matériaux Quelques exemples Contrainte 200 MPa Béton Acier Verre 20 MPa 2 MPa E=70GPa E=200GPa E=30GPa 30 MPa Déformation

10 Dégâts provoqués par l onde de surpression Les dommages engendrés sur une structure dépendent de: Du mode de réponse de l élément de structure soumis à un chargement dynamique Soumise à un effort soudain, une structure est accélérée et l effet de l inertie et des vibrations peut amener à une amplification ou une atténuation des contraintes internes par rapport à un chargement statique 3 modes de réponse: Quasi-statique statique: td >> T => facteur prépondérant = Intensité [modulo facteur d amplification (=2 pour une ODC par ex. et 1.6 pour une déflagration] Impulsionnel: td << T => facteur prépondérant=> impulsion Dynamique: mode de réponse intermédiaire => facteur prépondérant = intensité, durée, forme => complexe à analyser

11 Dégâts provoqués par l onde de souffle : outils Evaluer le comportement des structures aux effets de surpression 3 outils = 3 niveaux modélisation Outil 1 : méthodes forfaitaires surpression Outils simples mais incomplets => Non prise en compte de la durée du PhD Outil 2 : méthodes analytiques Outils simples, performants => Souvent pertinents et suffisants Outil 3 : méthodes numériques Outils complexes / performants à condition de porter une attention aux hypothèses de modélisation Guide: «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35). La résistance des structures aux actions accidentelles» - INERIS 2007

12 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour la vie humaine Seuils réglementaires (arrêté du 29 septembre 2005): 20 mbar : seuil des effets indirects par bris de vitres 50 mbar : seuil des effets irréversibles (SEI), «zone des dangers significatifs pour la vie humaine» 140 mbar : seuil des effets létaux (SEL), «zone des dangers graves pour la vie humaine» 200 mbar : seuil des effets létaux significatifs (SELS), «zone des dangers très graves pour la vie humaine»

13 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour la vie humaine Littérature (1) Surpression Effets 1 à 2 mbar bruit de fond (137 db, si basse fréquence 10-15Hz) 2 à 3 mbar grand bruit (143 db), "boum" sonique 20 mbar Blessures indirectes par bris de vitres 50 mbar Seuils des effets irréversibles (par effets indirects) 140 mbar Premiers effets létaux par effets indirects: 1% de létalité par effets indirects dans la population 200 mbar Effets létaux par effets directs: potentiellement 1% de létalité par effets directs dans la population (Hémorragie pulmonaire) mbar Effets directs: Probabilité de rupture des tympans = 1% 430 mbar Effets directs: Probabilité de rupture des tympans égale à 50 % 700 mbar Effets létaux par effets directs: potentiellement 99% de létalité (Hémorragie pulmonaire)

14 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour les structures: Seuils réglementaires (arrêté du 29 septembre 2005): 20 mbar : seuil de destruction significative des vitres 50 mbar ; seuil des dégâts légers 140 mbar : seuil des dégâts graves 200 mbar : seuil des effets domino 300 mbar : seuil des dégâts très graves

15 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour les structures (Littérature (1) Surpression Effets 1 à 2 mbar bruit de fond (137 db, si basse fréquence 10-15Hz) 2 à 3 mbar grand bruit (143 db), "boum" sonique 20 mbar 50 mbar (1) ) destruction de 10 % des vitres destruction de 75% des vitres 30 à 60 mbar Dégâts structurels mineurs, cloisons et éléments de menuiserie arrachés, tuiles soufflées 70 à 140 mbar Joints entre des tôles ondulées en acier ou en aluminium arrachés 140 mbar Effondrement partiel des murs des maisons 170 mbar Destruction à 50 % des maisons en briques mbar Murs en parpaings ou en béton non armé détruits 200 mbar Rupture des structures métalliques et déplacement des fondations 140 à 280 mbar Maisons inhabitables, effondrement partiel ou total de la toiture, démolition d 1 ou 2 murs extérieurs 350 à 500 mbar Maisons d habitation détruites

16 Ordre de grandeurs - illustrations Comparaison avec les effets du vent /ordre de grandeurs Onde de surpression Habitation Habitation soumise à 50 mbar ODC: Face1 (face perpendiculaire à la direction de propagation de l onde de surpression) Habitation soumise à 140 mbar ODC: Face1 (face perpendiculaire à la direction de propagation de l onde de surpression) Action équivalente à la pression dynamique 2000 kg/m kg/m2 Vent Habitation Habitation en zone 2 (Landes) - Paroi au vent Habitation en zone 4 (Bouche du Rhone) Paroi au vent Vitesse du vent (km/h) Action équivalente à la pression dynamique normale (Règle Neige et Vent NV65 ) kg/m kg/m2

17 REX accident: quelques illustrations Bâtiment à charpente métallique: 50 mbar Bâtiment à ossature métallique: 140 à 200 mbar Bâtiment à ossature métallique: mbar

18 REX accident: quelques illustrations Maison individuelle Maisons individuelles: 50 à 140 mbar Maisons individuelles: 200 mbar

19 Dégâts provoqués par l onde de souffle : outils 3 outils = 3 niveaux modélisation Evaluer le comportement des structures aux effets de surpression Analyser la stabilité globale de la structure soumis à l onde de surpression Analyser la tenue élémentaire (par élément de façade, par vitrage ou par porte). Méthodes analytiques : Analogie masse-ressort associée soit à un: Calcul statique linéaire équivalent (SDOF - DLF) Calcul dynamique non linéaire P P P (t ) Méthodes numériques Logiciel EF ABAQUS, ANSYS, NASTRAN / ASTER, CAST3M Logiciel EF intégrant des codes et règles de conception (ROBOT, HERCULE, SICAP ). Logiciel de dynamique rapide Logiciel de dynamique rapide AUTODYN, LS DYNA, ABAQUS EXPLICIT. Xm Xm Guide: «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35). La résistance des structures aux actions accidentelles».

20 B. Le-Roux INERIS Vulnérabilité du bâti aux aléas technologiques Thermique - Journée PPRT CETE de Aix en Provence - 09/10/2012

21 Effets thermiques Les effets thermiques peuvent résulter de trois modes de transmission: Convectif: chaleur transmise par circulation d air chaud Radiatif: chaleur transmise par rayonnement (soleil) Conductif: chaleur transmise par contact Quelques exemples d origines des effets thermiques:

22 Dégâts provoqués par les effets thermiques d un phd Dégâts sur les structures: Propagation d un incendie au bâtiment Inflammation/ auto-inflammation des matériaux => Combustibilité des matériaux Non tenue structurelle des bâtiments Affaissement/ Déformation ou rupture des éléments de structure engendrée par: une perte des propriétés mécaniques des matériaux l apparition d efforts, de contraintes internes ou de déplacements par dilatation thermique dégradation irréversible = changement de la composition chimique des matériaux

23 Dégâts provoqués par les effets thermiques d un phd Modification propriétés intrinsèques des matériaux Abaissement module de Young Abaissement limite élastique Abaissement résistance à la rupture f y,θ Contrainte σ (MPa) Froid f c,θ Contrainte σ (MPa) Froid Chaud Chaud α E a,θ = tan α ε p,θ ε y,θ Acier ε t,θ ε u,θ Déformati on ε (-) ε c1,θ Beton ε cu1,θ Déformati on ε (-) Acier/ Béton: résistance à la rupture /2 à 500 C

24 Dégâts provoqués par les effets thermiques d un phd Dilatation thermique Flambage Dilatation différentielle

25 Dégâts provoqués par les effets thermiques: outils 3 outils = 3 niveaux modélisation Outil 1 : méthodes forfaitaires thermique Outil 2 : méthodes simplifiées Outil 3 : méthodes avancées Guide: «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35). La résistance des structures aux actions accidentelles» - INERIS 2007

26 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour la vie humaine: Seuils réglementaires (arrêté du 29 septembre 2005): 3 kw/m2 ou 600 [(kw/m2) 4/3 ].s: seuil des effets irréversibles (SEI), «zone des dangers significatifs pour la vie humaine» 5 kw/m2 ou [(kw/m2) 4/3 ].s: seuil des effets létaux (SEL), «zone des dangers graves pour la vie humaine» 8 kw/m2 ou [(kw/m2) 4/3 ].s: seuil des effets létaux significatifs (SELS), «zone des dangers très graves pour la vie humaine»

27 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour la vie humaine Description Flux thermique Littérature (1) (kw/m²) Soleil à 12 h en été (Casablanca) 1 Douleur Effet Seuil brûlure 1 er degré Dose thermique ([kw/m²] 4/3.s) Gaz de france HSE 92 Seuil brûlure 2 ème degré (Hymes) 105 (HSE) 200 (Hymes) 700 Seuil brûlure 3 ème degré (HSE) 1000 Effets létaux (1%) (Baker et al.) 1000 Effets létaux (50%) 2000 Seuil admissible d'exposition du personnel 1,6 Seuil des blessures irréversibles (Baker et al.) 3 Intervention possible pendant quelques minutes pour des urgences de personnel sans protection, mais avec vêtements appropriés. (API) Seuil de létalité (Baker et al.) 5 Intervention possible pendant 1 minute pour des urgences de personnel sans protection, mais avec vêtements appropriés. (API) Seuil admissible d'intervention en tenue ignifuge 8 4,7 6,3 (1) Ministère de l écologie et du développement durable (MEDAD) Guide technique relatif aux valeurs de référence de seuils d effets des phénomènes accidentels des installations classées - Octobre 2004 Niveau possible pour du personnel pendant quelques secondes pour de l'évacuation seulement. (API) 9,5

28 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour les structures: Seuils réglementaires (arrêté du 29 septembre 2005): 5 kw/m2 : seuil de destruction significative des vitres 8 kw/m2: seuil des effets dominos, seuil des dégâts graves sur les structures 16 kw/m2: seuil d exposition prolongée des structures et correspondant au seuil des dégâts très graves sur les structures, hors structures béton 20 kw/m2, 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.

29 Outil 1 = Méthode forfaitaire: Ordres de grandeurs Pour les structures: Littérature (1) (1) INERIS - «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35). La résistance des structures aux actions accidentelles» Nature du dommage Flux critique (kw/m²) Déformations conséquentes des éléments en 2 matériaux synthétiques Affaissement et rupture des vitres 4-5 Apparition d un risque d inflammation pour les matériaux combustibles (tels que le bois) en présence d une source d ignition Inflammation du diesel en 120 s 10 Inflammation de la végétation Fonte des plastiques 12 Résistance supposée d'un immeuble normal 14 Inflammation des surfaces exposées au flux radiatif et 15 ainsi rupture et/ou destruction des éléments de structure en bois ou en matériaux synthétiques Flux limite de tenue des structures pour une 16 exposition prolongée, hors structures en béton Inflammation du diesel en 40 s 20 Déformations conséquentes de structures métalliques. 25 Inflammation spontanée du bois Affaissement ou rupture des structures en acier

30 Dégâts provoqués par les effets thermiques: outils Evaluer le comportement des structures aux effets de surpression 3 outils = 3 niveaux modélisation Outil 1 : méthodes forfaitaires thermique Outils simples mais incomplets => Non prise en compte de la durée du PhD Analyser la tenue élémentaire (par élément de façade, par vitrage ou par porte). Analyser la stabilité globale de la structure soumis aux effets thermiques Outil 2 : Méthode de calcul simplifié Outil 3: Méthode de calcul avancé Outil 3: Méthode de calcul avancé Guide: «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35). La résistance des structures aux actions accidentelles» - INERIS 2007

31 Outils 2: Méthodes simplifiées Sélection de modèles de développement de feu: Feu interne: Modèle feu simplifié - courbe normalisée Calcul de la température des gaz Feu externe ThC ou ThT BF: Modèle de rayonnement Calcul des flux thermique de surface ou dose thermique Modèles de feu simplifiées ou avancées Modèle thermique dans la structure Calcul du champs de température dans l élément de structure Modèle de structure avancé avec correction du comportement des matériaux en fonction de l évolution de la température -Calcul des déplacements et des contraintes - Comparaison avec les critères de vulnérabilité retenus

32 Merci pour votre attention Ref: Ministère de l écologie et du développement durable (MEDAD) Guide technique relatif aux valeurs de référence de seuils d effets des phénomènes accidentels des installations classées - Octobre 2004 INERIS - «Formalisation du savoir et des outils dans le domaine des risques majeurs (DRA-35 35). La résistance des structures aux actions accidentelles» Methods for the determination of possible damage to people and objects resulting from releases of hazardous materials. TNO Green book CPR 16E, 1stedition, The Netherlands Organisation of applied scientific research

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