PÔLE DES MESURES PHYSIQUES ET SCIENCES DE L INCENDIE SECTION INGÉNIERIE DU FEU Comportement des vérins équilibreurs automobiles en cas de feu de véhicule Essais réalisés les jeudi 25 et vendredi 26 juin 2015 au Fort de la Briche, Saint-Denis (93) Rédigé le 23/07/2015 par : Validé le 23/07/2015 par : Approuvé le 27/07/15 par : Le Responsable Technique Mathieu SUZANNE Le Chef de Section IDF Aurélien THIRY Le Chef du Pôle MPI Hervé BAZIN Ce document est la propriété intellectuelle du Laboratoire central de la Préfecture de Police. Il peut être utilisé, reproduit, à la condition que les informations ne soient pas altérées, que leur sens ne soit pas dénaturé et que leurs sources et la date de leur dernière mise à jour soient mentionnées.
2/26 Sommaire 1 Introduction 3 2 Objectifs 3 3 Site et dispositif expérimental 3 4 Conditions d essai, aménagement et foyer 3 4.1 Banc d essai 3 4.2 Conditions de ventilation 5 4.3 Foyers 5 4.4 Les essais 6 4.5 Mesures 6 4.6 Surveillance et enregistrement vidéo de l essai 7 4.7 Poste de mesure 7 4.8 Critère de réalisation des essais 7 5 Résultats 7 6 Synthèse 14 7 Annexes 15
1 3/26 Introduction Les véhicules comportent des équipements sous pression tels que les amortisseurs de suspension ou les vérins équilibreurs de capot ou de hayon de coffre. Lors d incendie de véhicule, ces équipements voient leur température et leur pression interne augmenter jusqu à provoquer leur endommagement voire leur projection. Les sapeurs pompiers ont recensé plusieurs accidents imputables à la projection d éléments métalliques constitutifs des vérins équilibreurs. Le constructeur RENAULT, alerté de ces incidents, a proposé dans le cadre de son projet de sécurité tertiaire de mener une étude en partenariat avec le LCPP pour évaluer le comportement de ces équipements. Le matériel testé a été fabriqué par un constructeur de vérin, STABILUS. 2 Objectifs Le but de cette campagne d essai était d obtenir des données sur le comportement de vérins équilibreurs équipant des véhicules Renault soumis à une flamme afin de mesurer : l augmentation de pression exercée par le vérin sur les supports du véhicule ; la température et la pression supportées par les systèmes de fixation des vérins. Ces essais ont permis d évaluer le risque lié à la destruction de ces équipements et de proposer des solutions éventuelles pour parer ce risque. Le risque de projection par effet missile a imposé de réaliser les essais dans un environnement protégé, en l occurrence un caisson de transport maritime. La surveillance du déroulement de l essai a été assurée par la mise en place de caméras visualisant le foyer, le vérin et le dispositif expérimental placé à l intérieur du caisson. 3 Site et dispositif expérimental Les essais ont été réalisés sur le site du Laboratoire central situé au Fort de la Briche à SaintDenis (93). Le dispositif expérimental était implanté dans un caisson de transport maritime de 20 pieds. 4 Conditions d essai, aménagement et foyer 4.1 Banc d essai Un banc d essai a été conçu par le LCPP et RENAULT et fabriqué par un sous-traitant. Ce banc a permis des tests sur différentes longueurs de vérin ; il comporte des platines de fixation différentes suivant la nature du test à effectuer.
4/26 Photo 1: vue du banc d'essai coté jauge de force. Photo 2: vue du banc d'essai coté fixation du vérin Le vérin à tester était placé entre les deux supports des platines ajustables en espacement par des tiges filetées. Deux boulons munis de poignées permettaient, manuellement, d ajuster la longueur entre platines. La symétrie du vissage, garantissant le bon positionnement du vérin dans l axe des fixations, était vérifiée. La hauteur du banc était réglable par les tiges verticales de chaque platine, permettant de s'assurer du positionnement du vérin dans la flamme. Cette hauteur a également dû intégrer la nécessité de maintenir le vérin en position oblique, joint d étanchéité vers le bas pour garantir la présence d huile de friction en partie basse du corps du vérin. Photo 3: détails de fixation de vérin. Photo 4: détails de fixation de jauge de force
5/26 Les deux modes de fixation du vérin étaient les suivants : de manière rigide en dévissant préalablement les rotules femelles vissées en bout de vérin (mode dit «rigide») ; sur la rotule de fixation normale installée dans les véhicules (mode dit «rotule»). Le point de fixation était en avant de la platine, dans l espace touché par les flammes du bac à combustible, afin d'exposer la rotule à une sollicitation thermique. Photo 5: deux types de platines de fixation : rigide ou à rotule. 4.2 Photo 6: vérin monté avec rotule et jauge de force dans le caisson d'essai. Conditions de ventilation Les deux portes du caisson ont été maintenues ouvertes et rabattues latéralement sur l ensemble de l essai afin de permettre une ventilation libre du foyer. 4.3 Foyers Le combustible utilisé était de l heptane. Les quantités utilisées ont été prévues pour obtenir des feux de vingt minutes. Les bacs ont été choisis en fonction de la longueur des vérins à tester (longs, moyens et courts). Ils ont été directement posés sur le sol du caisson. L allumage a été assuré à l aide d une torche enflammée.
4.4 6/26 Les essais Les deux types de platine de fixation ainsi que la jauge de force ont permis de tester les vérins dans différentes configurations ; elles sont récapitulées dans le tableau ci-dessous : Nom d essai Mode de fixation Longueur du vérin Tarage du vérin (haut/bas) État du vérin Taille de bac S1E1 jauge/rigide moyen 533 N comprimé moyen S1E2 jauge/rigide moyen 700 N comprimé moyen S1E3 jauge/rigide moyen 690 N comprimé moyen S2E1 rotule/jauge moyen 700 N comprimé moyen S2E2 rotule/jauge moyen 700 N comprimé moyen S2EX rotule/rotule moyen 700 N comprimé petit SA rigide/rigide moyen 690 N détendu petit SB rotule/rotule long 610 N comprimé long SC rotule/rotule court 360 N comprimé petit SD rotule/jauge long 610 N comprimé long SE rigide/rigide long 610 N comprimé petit Le banc d essai était implanté en fond de caisson (voir illustration 1) afin d éviter que le foyer ne soit trop perturbé par des mouvements aérauliques et que le vérin ne soit pas propulsé hors du local d essai en cas de phénomène violent. Banc d essai Illustration 1: implantation du banc d essai dans le caisson (zone bleue). 4.5 Mesures Les mesures portaient sur la pression exercée sur les fixations du vérin et la température de flamme appliquée.
7/26 4.5.1 Pression Sur certains essais, une jauge de force (500 dan maximum) fournie par RENAULT était implantée en extrémité de montage du vérin. En cas d installation de la jauge, un écran thermique était nécessaire pour la protéger du rayonnement thermique produit par la flamme du foyer. La jauge était raccordée au système d acquisition de données du LCPP pour une fréquence de mesure d 1 Hz. 4.5.2 Températures Deux thermocouples étaient implantés sur le vérin pour mesurer la température de la flamme. Le premier thermocouple (nommé TC-P1 avant par la suite) était fixé sur la partie basse du corps du vérin (coté joint) alors que le second (TC-P2 arrière) était positionné sur la partie haute du corps. 4.6 Surveillance et enregistrement vidéo de l essai Deux caméras étaient disposées afin de filmer le comportement du vérin. Elles permettaient d observer le montage complet, la zone du foyer et la fixation du vérin en fonction du support utilisé (rigide ou rotule). Ce dispositif d enregistrement a été ponctuellement complété par une webcam et/ou une camera de type GoPro. 4.7 Appareil Position CCD 1 Placée à l intérieur du local. Filme le montage complet CCD 2 Fixée sur un trépied. Filme le foyer et le support du vérin Poste de mesure Le poste de mesure a été aménagé dans le local prévu à cet effet au rez-de-chaussée du bâtiment R+1. Le Boîtier Acquisition Énergie (BAE) était installé dans l «aire matériels» en entrée de caisson, permettant l acquisition du signal provenant des thermocouples et de la jauge de force. 4.8 Critère de réalisation des essais Aucune condition externe n était susceptible de différer la tenue des essais. Si, à l issue de la période de chauffe de vingt minutes, la pression mesurée en bout de vérin restait supérieure à la valeur initiale de début d essai, une période de vingt minutes de refroidissement était préconisée avant un démontage du dispositif expérimental et un changement de vérin. 5 Résultats Lors de l analyse des résultats, il est supposé que le comportement des vérins lors des essais n est que peu dépendant de leur taille (court, moyen, long), de leur tarage (de 533 N à 700 N) et de la présence d une rainure permettant de freiner le mouvement de la tige du vérin en fin de course.
8/26 Un récapitulatif des observations et mesures réalisées est donné dans le tableau1 ci-dessous : Nom d essai Temps rupture (s) S1E1 Température de rupture (ºC) TC-P1 TC-P2 ΔF à la rupture (dan) 66 275 185 78 Éclatement du corps du vérin Vérin propulsé hors des fixations rigides S1E2 215 530 215 190 Joint d étanchéité cède Vérin reste en position sur le banc S1E3 235 505 410 165 Éclatement du corps du vérin Vérin propulsé hors des fixations rigides S2E1 113 255 255 75 Rotule du vérin cède Vérin propulsé hors des fixations rigides 80 Éclatement du corps du vérin Projection de l ensemble du vérin Pas de rupture apparente du joint d étanchéité S2E2 98 340 375 Observations S2EX 290 535 406 Rotule basse cède et le vérin se détend Rotule haute cède et le vérin se pose sur le bac d heptane Joint d étanchéité cède Pas de projection SA 321 400 100 Sollicitation du joint d étanchéité uniquement Joint d étanchéité cède Vérin reste en position sur le banc 265 Projection du corps du vérin Fort impact dans paroi Tige reste en position sur le banc Projection du corps du vérin Rotule reste en position sur le banc Pas de rupture du joint SB 105 180 SC 125 245 265 SD 103 110 295 SE 115 290 45 77 Rotule du vérin cède Projection de l ensemble du vérin Pas de rupture apparente du joint d étanchéité Sollicitation du joint d étanchéité uniquement Joint cède et libère le gaz qu il contient Vérin reste en position sur le banc Afin de faciliter l analyse des résultats, les essais sont classés en différentes familles. La première rassemble l ensemble des essais pour lesquels aucune des deux fixations du vérin n est réalisée à l aide d une rotule mais avec des supports rigides. Cette première famille rassemble ainsi les essais S1E1, S1E2 et S1E3 lors desquels les vérins étaient comprimés en début d essai. Elle permet de ne s intéresser qu au comportement du vérin lorsque l ensemble de l élément (corps plus tige mobile) est soumis à la flamme. Au sein de cette première famille, deux comportements ressortent : 1 Les cases grisées indiquent que la configuration d essai utilisée ne permettait pas l implantation de la jauge de force.
9/26 les essais S1E1 et S1E3 pour lesquels le corps du vérin éclate, ce qui a pour conséquence de projeter le vérin (corps + tige) hors des platines de fixation (voir les photos 8 et 9) ; l essai S1E2 lors duquel le joint d étanchéité cède, n entraînant pas de projection du vérin hors du banc d essai (voir la photo 7). La conclusion obtenue grâce à cette première famille d essais est que, lorsque le joint d étanchéité cède avant l éclatement du corps du vérin sous pression, aucune projection d élément constitutif du vérin n est observée. L éclatement du corps lors de l essai S1E1 a eu lieu 66 secondes après l allumage. Les températures mesurées lors de l éclatement sont par conséquent très inférieures (maximum de 275 ºC) à celles obtenues lors des deux autres essais (maximum de l ordre de 500 ºC). La rupture du corps des vérins est obtenue pour deux augmentations de force très différentes : 78 dan pour S1E1 et 165 dan pour S1E3. Il est possible que la différence de comportement provienne de la différence de tarage entre les deux vérins (respectivement 533 N et 690 N). Pour l'essai S1E2, le joint cède lorsque l augmentation de force est de l ordre de 190 dan. Aucune généralisation des mesures à un comportement du vérin (rupture du joint, éclatement du corps ) ne semble possible avec les mesures effectuées sur les essais S1E1, S1E2 et S1E3. Photo 7: vérin resté en position lors de l'essai après la rupture du joint d étanchéité (S1E2). Photo 8: éclatement du corps du vérin (S1E3). Photo 9: comparaison de vérins moyens avant et après essai (S1E1).
10/26 La seconde famille rassemble les essais S2E1, S2E2 et SD. Ce sont les configurations pour lesquelles le vérin était fixé en son extrémité haute par une rotule alors que la jauge de pression mesurait l augmentation de poussée générée par le vérin sur le banc en partie basse. Au sein de cette seconde famille, deux comportements ont été identifiés : pour l essai S2E2, le corps du vérin a éclaté avant que la rotule ne cède. Par conséquent, ce comportement est assimilé à ceux observés avec la première famille, lorsque aucun support rotule n était utilisé (voir paragraphes précédents). Photo 10: vérin projeté dans le mur suite à l échappement de son corps lors de l'essai S2E2. Photo 11: éclatement du corps du vérin lors de l'essai S2E2. pour les essais S2E1 et SD, la rotule située en partie haute du vérin a cédé ; le vérin n étant alors plus retenu (support jauge de force implanté en partie basse), il s est détendu et a été projeté hors du banc d essai par «effet détente». Un examen visuel des deux vérins en fin d essai laisse penser que leurs joints d étanchéité étaient toujours fonctionnels. Le temps auquel les projections de vérin se sont produits (par «effet détente» ou lors de la rupture du corps) est de 104 ± 7 s pour une poussée de 77 ± 2,5 dan sur la jauge de force. Les températures maximales mesurées lors de la rupture de la rotule étaient de 255 et 295 C côté opposé à la jauge de force et de 375 C lors de l éclatement du corps.
Photo 12: rotule endommagée par la sollicitation thermique et l'impact dans la cloison (essai SD) 11/26 Photo 13: joint d étanchéité semblant intègre suite à l'essai SD. Photo 14: l ensemble du vérin a été projeté dans la Photo 15: l ensemble du vérin a été projeté dans la paroi (essai SD). paroi (essai SD) Il apparaît en conclusion que, si la liaison rotule cède alors que le vérin est toujours comprimé, le système peut être projeté assez violemment hors du banc d essai s il n est pas retenu par une autre rotule ; la projection sera d autant plus violente que la chauffe préalable de l équipement sera importante. La troisième famille rassemble les essais S2EX, SB et SC pour lesquels deux platines de type rotule étaient utilisées pour implanter le vérin sur le banc d essai. Pour ces trois essais, la faiblesse de l une des rotules (voire les deux) a été observée avant qu une rupture du joint d étanchéité ou du corps du vérin ne soit obtenue. Dans cette configuration d essai, la faiblesse de la rotule a entraîné trois comportements distincts : dans le premier cas, l essai S2EX, la rotule côté tige a cédé ce qui a entraîné la détente de cette tige qui s est posé sur un bord du bac d heptane. Le vérin ainsi que la seconde rotule étaient toujours exposés à la flamme. Lorsque cette seconde rotule a cédé à son tour, le vérin, qui n était plus comprimé, s est posé sur le banc disposé quelques centimètres en dessous. La nouvelle configuration d essai correspondait alors à un vérin détendu, directement sollicité par des
12/26 flammes. Sous l effet de la chaleur, le joint d étanchéité a cédé ; le gaz et l huile s échappant en direction du bac d heptane ont créé une boule de feu, mais ce phénomène n a pas eu pour conséquence de projeter le vérin. Les conclusions tirées de cet essai se rapprochent de celles obtenues sur l essai S1E2. Photo 16: les deux rotules du vérin, toujours en position sur les supports après l'essai S2EX. Dans les deux autres cas de cette troisième famille, SB et SC, c est la rotule haute, côté corps du vérin, qui a cédé en premier. Le déroulement de ces essais est identique aux configurations S2E1 et SD présentés précédemment, à l exception près que le côté tige du vérin était maintenu par une rotule et non pas seulement inséré dans un support rigide. Dans le cas de l essai SC, la rotule côté tige a cédé lors de la détente du vérin, ayant pour conséquence de projeter hors du banc d essai l ensemble «corps du vérin et tige». Des conclusions identiques aux essais S2E1 et SD sont par conséquent obtenues pour cette configuration avec une projection par «effet détente» du système étudié. Photo 18: vérin après l'essai SC - la rotule côté corps du vérin est endommagé, le joint d'étanchéité semble toujours fonctionnel et la rotule côté tige est restée fixée sur le banc. Photo 17: projection du vérin par «effet détente» prise de vue au moment de l'impact avec la paroi (essai SC). Pour le test SB, la rotule côté tige est restée en position au moment de la détente et la tige s est désolidarisée du corps du vérin. La projection par «effet détente» s est alors conjuguée à un «effet missile» avec l échappement du gaz sous pression contenu dans le corps ainsi que l inflammation de
13/26 l huile qu il contenait (voir photo 19). L énergie cinétique du vérin au moment de la projection lors de cet essai SB était supérieure à celle de l ensemble des autres essais ; cela peut être constaté par l impact laissé par le vérin sur la tôle du caisson dans lequel les essais ont été réalisés (voir photo 20). Photo 19: projection par «effet missile» du vérin contre la paroi du caisson (essai SB). Photo 20: trace d'impact du vérin sur la paroi du caisson vue depuis l'extérieur (essai SB). Une dernière famille rassemble les essais SA et SE pour lesquels la fixation du vérin sur le banc a été réalisée sans rotule et pour lesquels le vérin n était soumis aux flammes que dans une zone proche du joint d étanchéité. Cette configuration a permis de vérifier l hypothèse selon laquelle une détérioration rapide du joint d étanchéité sans endommagement (ou minime) des rotules ni rupture mécanique du corps n entraîne pas la projection du vérin. Cette hypothèse a été vérifiée dans deux configurations : tige du vérin en position sortie (SA) ou comprimée (SE). Pour ces deux configurations, le joint d étanchéité a cédé (après 321 et 115 secondes pour les essais SA et SB respectivement) expulsant le gaz et l huile contenus dans le corps mais n entraînant pas de projection du vérin hors du banc d essai. Photo 21: rupture du joint d'étanchéité lors de l'essai SE. Photo 22: vérin après rupture du joint d'étanchéité à la fin de l'essai SE.
14/26 Il a été décidé de ne pas procéder à la réalisation d essais supplémentaires, la majorité des configurations d essais et leurs conséquences semblant avoir été observées. Note : le Laboratoire central n a réalisé aucun examen sur les vérins après essais afin de confirmer leur mode de rupture (état du joint, pression interne, détérioration de la rotule ). L ensemble des vérins a été numéroté et transmis à Renault en fin de campagne d essai. 6 Synthèse Le déroulement des essais est résumé dans le logigramme ci-dessous (voir illustration 2). Les conséquences des essais sont classées par ordre décroissant de «gravité» : Projection du vérin par «effet missile» > projection du vérin par «effet détente» > projection du vérin suite à l éclatement du corps > vérin reste en place Dans l absolu, seuls les cas où le vérin reste en place ne présentent aucun risque pour les premiers intervenants des services de secours. Il n est pas possible d évaluer si le vérin a assez d énergie pour être projeté hors du véhicule suite à une explosion du corps. Illustration 2: logigramme de synthèse des essais. Les chiffres correspondent au nombre d'essai réalisé pour chaque configuration. Afin d éviter un phénomène violent, il apparaît que la méthode la plus efficace est de permettre une détérioration rapide du joint d étanchéité avant que les rotules ne perdent leurs propriétés mécaniques ou que le corps du vérin n éclate. Renforcer les rotules afin qu elles ne cèdent pas peut mener, dans certains cas, à l éclatement du corps du vérin avant que le joint d étanchéité ne perde son intégrité et permette l évacuation des gaz. Les mesures effectuées lors des essais ne permettent pas de relier les valeurs de température ou de force générée par le vérin sur le banc à un comportement du système (détérioration du joint d étanchéité, projection par effet détente ). Afin de vérifier le comportement des vérins à un incendie, certains constructeurs de vérin appliquent localement une flamme seule générée par un bec bunsen sur l extrémité du corps du vérin, dans la zone contenant le joint Il apparaît clairement, à la suite des présents essais, que les conclusions obtenues
15/26 lorsque la totalité du vérin et de son système d attaches est exposé à un foyer 2 sont très différentes de celles qui peuvent-être obtenues avec l'application d'une flamme de bec bunsen dans la zone du joint. En effet, cette dernière configuration d essai ne prend pas en compte les problématiques liées à une dégradation prématurée des rotules de fixation ni celles concernant une montée en pression du corps du vérin menant à un éclatement de ce dernier avant que le joint ne perde son intégrité. 7 Annexes Les mesures obtenues sur les onze essais sont tracées dans les graphiques 1 à 11. 2 Configuration d essai LCPP/RENAULT
Graphique 1: essai S1E1. 16/26
Graphique 2: essai S1E2. 17/26
Graphique 3: essai S1E3. 18/26
Graphique 4: essai S2E1. 19/26
Graphique 5: essai S2E2. 20/26
Graphique 6: essai S2EX. 21/26
Graphique 7: essai SA. 22/26
Graphique 8: essai SB. 23/26
Graphique 9: essai SC. 24/26
Graphique 10: essai SD. 25/26
Graphique 11: essai SE. 26/26