PHÉNOMÈNES DE LA COMBUSTION PROPAGATION DU FEU - COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX

Ingénieurs en Sécurité Industrielle Inflammabilité - Lutte contre l'incendie PHÉNOMÈNES DE LA COMBUSTION PROPAGATION DU FEU - COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX I - COMPOSANTS SUSCEPTIBLES DE BRÛLER SUR UN SITE INDUSTRIEL... 1 II - PROPAGATION DU FEU... 2 1 - Différents modes de propagation...2 2 - Différentes phases d un incendie...6 III - COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX... 7 1 - Définitions...7 2 - Réaction au feu...7 3 - Résistance au feu des éléments de construction...11 IV - AMÉLIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX... 13 1 - Rappels sur le transfert de chaleur...13 2 - Ignifugation...14 3 - Refroidissement...17 Ce document comporte 18 pages SE FEU - - Rév. 0 08/08/2005

1 I - COMPOSANTS SUSCEPTIBLES DE BRÛLER SUR UN SITE INDUSTRIEL Les risques sont ceux des bureaux et autres locaux, des laboratoires, des unités de production, transfert et stockage, et surtout des produits. Bureaux : - revêtements de sols, matériaux des cloisons et faux plafonds - tissus (rideaux, vêtements, ) - mobilier (sièges, meubles, ) - documents (papiers, films, ) - matériels électriques divers (ordinateurs, imprimantes, ) La limitation des risques passe, par exemple, par un mobilier métallique, un rangement en armoire fermée des papiers et documents, À titre préventif, il n est pas recommandé de stocker de produits hydrocarbonés dans les bureaux et il convient d éviter de fumer. Laboratoires Aux risques rencontrés dans les bureaux s ajoutent les risques liés aux produits chimiques et pétrochimiques. Salles de contrôle Les risques sont là aussi similaires à ceux des bureaux avec possibilité de présence de produits combustibles (échantillons, vêtements souillés ). A titre préventif, les salles de contrôle doivent être fermées et en légère surpression pour éviter des entrées extérieures de gaz combustible. Unités de production, transfert et stockage : - produits traités, véhiculés, stockés, sources principales de chaleur - éléments combustibles des équipements utilisés, par exemple, les câbles électriques et éléments de filerie, les vinyls, les boîtiers plastiques, certains flexibles - pendant les arrêts ou travaux : catalyseurs chargés en carbone et présence de produits pyrophoriques, platelages d échafaudages (on limitera les risques en utilisant des planchers métalliques) emballages divers - bois, carton, sacs plastiques : limitation des risques par consignes d ordre et de propreté chiffons, souvent gras et cordages : limitation des risques par consignes d ordre et de propreté - à cela peuvent s ajouter les risques liés à la végétation, sèche en été (limitation des risques par entretien)

2 II - PROPAGATION DU FEU 1 - DIFFÉRENTS MODES DE PROPAGATION a - Phénomènes À l instant où les réactions de combustion sont déclenchées, d importantes quantités de chaleur sont libérées et leur transmission peut entraîner une généralisation de l incendie. La propagation du feu s effectue par : - transmission de chaleur : conduction, convection, rayonnement - transport du feu : protection de corps enflammés Convention (c) Conduction (b) Rayonnement (d) Projection (e) Étincelles D SEC 1563 A Foyer initial Porte en fer Exemple de propagation d incendie b - Propagation par conduction C est le mode de propagation à travers un corps solide en contact avec une source chaude. Exemples : - feu dans un local qui se communique à un bâtiment mitoyen par échauffement de cloison - soudure au chalumeau sur une canalisation et inflammation de combustibles à l extérieur de la canalisation et à quelques mètres D SEC 1102 A Allumage par conduction - soudure sur le toit d un bac en service qui enflamme la phase vapeur La présence de conducteurs métalliques favorise évidemment le transfert de chaleur.

3 c - Propagation par convection C est le mode de propagation résultant des mouvements d air ou de gaz chauds générés par les flammes. Les masses gazeuses très chaudes s élèvent en remplacement des masses d air frais et entraînent les flammes sur de grandes hauteurs, cependant le trajet peut être modifié vers l horizontale par l existence d obstacles ou de courants d air variés. La dilution gaz-combustible se fait au fur et à mesure des appels d air. Il peut y avoir saute de flamme, c est à dire que les gaz combustibles entraînés par les courants d air peuvent s enflammer très loin de leur point d émission. Exemples : - propagation du feu dans les gaines de ventilation et gaines techniques (hottes de laboratoire) - propagation du feu d un étage à l étage supérieur dans un bâtiment ou un immeuble d - Propagation par radiation La propagation s effectue en ligne droite et sans support. Elle résulte de la chaleur rayonnante dégagée par les corps portés à haute température ou à incandescence. On notera que ce ne sont pas les flammes qui rayonnent le plus de chaleur mais les corps solides qu ils soient portés à incandescence ou seulement portés à haute température. Cela explique qu il vaut mieux refroidir les parois des bacs voisins plutôt que la robe du bac en feu. Exemples : - inflammation d un bac voisin d un bac en feu - inflammation de bâtiments et habitations lors d un BLEVE e - Propagation par des corps enflammés (projections) - chute d objets enflammés - projection de liquides enflammés (BLEVE, feux en pied de torche, ) - projections d étincelles + D SEC 1564 A Propagation par projections - transport par le vent ou les courants de convection de brandons et flammèches - dards par rupture de ligne ou d équipement

4 f - Exemple industriel Ci-dessous un exemple de propagation d incendie par transmission de chaleur et transmission du feu. D SEC 1570 A Entrepôt en flammes

5 Embrasement généralisé D SEC 1573 A D SEC 1571 A Rafales d explosions de bouteilles de gaz D SEC 1574 A Entrepôt détruit

6 2 - DIFFÉRENTES PHASES D UN INCENDIE À la suite de tests pratiqués en local fermé, la NFPA (National Fire Protection Association) a établi les différentes phases d un incendie et estimé l évolution de la température avec le temps. Température Flash over Allumage début d'incendie Début de l'accélération de la combustion à l'emplacement d'origine Retombée du feu Phases 1 2 3 4 6 Latence Démarrage Accélération Embrasement Extinction généralisé Phénomènes primaires Feu couvant Feu ouvert Phénomènes secondaires Température temps lors d un incendie Durée D SEC 1575 A L examen de cette courbe permet de clarifier les moyens de prévention et de protection à mettre en œuvre pour prévenir un incendie ou limiter sa propagation : - phase 1 : - phase 2 : déceler la présence de gaz combustibles (opérateur, explosimètres, détecteurs fixes, ) supprimer tout risque de contact entre combustibles et source d ignition (équipements électriques, feux nus, travaux, ) déceler tout début d incendie (opérateur, détecteur de chaleur, de fumées, de feu) - phase 3 et 4 : empêcher tout développement catastrophique de l incendie mise en sécurité des tuyauteries et des capacités compartimentage protection des structures et des équipements (ignifugeage, sélection de matériaux résistant au feu ) refroidissement à l eau moyens d extinction

7 III - COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX 1 - DÉFINITIONS Le comportement au feu en cas d incendie des matériaux de construction est apprécié d après deux critères : - la réaction au feu c est-à-dire l aliment qui peut être apporté au feu et au développement de l incendie - la résistance au feu c est-à-dire le temps pendant lequel les éléments de construction peuvent jouer le rôle qui leur est dévolu malgré l action d un incendie 2 - RÉACTION AU FEU a - Aspects Législatifs Dans le cadre réglementaire français, la réaction au feu d un matériau est définie à la suite d essais de réaction au feu menés suivant les dispositions de l arrêté du 30 juin 1983 portant classification des matériaux de construction et d aménagement selon leur réaction au feu et définition des méthodes d essais. L arrêté du 21 novembre 2002 a fixé de nouvelles catégories de classification des produits de construction et d aménagement vis-à-vis de leur réaction au feu. Publié dans le cadre de la directive européenne Produits de construction, ce texte prévoit l introduction progressive de ces nouvelles catégories, désignées euroclasses, en remplacement de l actuelle classification française. b - Classement selon arrêté du 30 juin 1983 Les résultats de divers essais normalisés permettent de classer les matériaux et les éléments de construction en 5 catégories MO à M5 en fonction de leur : - combustibilité (qui dépend de leur pouvoir calorifique) - inflammabilité (qui dépend des dégagements de gaz et vapeurs combustibles libérés au cours de la combustion) Le processus des essais et le classement qui en découle peuvent être schématisés comme suit : ESSAIS DE COMBUSTIBILITÉ Incombustible M0 Combustible Essais d'inflammabilité Non inflammable M1 Inflammable Difficilement inflammable M2 Moyennement inflammable M3 Facilement inflammable M4 Très facilement inflammable M5 D SEC 1576 A Processus des essais et classement de réaction au feu des matériaux

8 Exemples : - le béton, les aciers et le verre (et le laine de verre) sont classés M0 - une plaque de plâtre cartonnée est classée en M1 - le polystyrène est classé de M1 à M4 - le bois est classé en M3 ou M4 selon l essence et l épaisseur Rappel : il est ici question de résistance à la combustion et non des conséquences éventuelles d une fragilisation (par exemple, les appels d airs liés à la rupture d une vitre, les pertes de rigidité d un acier, ) c - Classement selon arrêté du 21 novembre 2002 A1, A2, B, C, D, E, F sont les nouvelles classes en vigueur, communes à l ensemble des pays de l Union Européenne (des matériaux les plus combustibles à ceux qui le sont moins). Ainsi harmonisée, la classification Euroclasse devrait faciliter la libre circulation des produits de construction sur le territoire européen. Cinq essais normalisés caractérisent les matériaux. Schématiquement, par rapport au classement M, la classe F remplacera la catégorie des matériaux non classés, les matériaux relevant des catégories M1 à M4 se répartiront entre les classes B, C, D et E et les classes A1 et A2 sont accessibles aux produits à faible fraction organique et se substituent à la catégorie M0. L attribution d une euroclasse de réaction au feu est construite sur la contribution énergétique uniquement. Elle est accompagnée, pour certaines des euroclasses, de classifications additionnelles relatives à la production de fumées et/ou de particules ou gouttes enflammées.

9 Classe Norme essai Critère de classification Classification supplémentaire A1 ISO 1182 et Élévation de température< 30 C Perte de masse < 50 Pas d inflammation prolongée ISO 1716 Pouvoir Calorifique Supérieur < 1.4 (ou 2) MJ/kg A2 B C ISO 1182 ou ISO 1716 et ISO 13823 ISO 13823 et ISO 11925-2 exposition 30s ISO 13823 et ISO 11925-2 exposition 30s Elévation de température< 50 C Perte de masse < 50 Inflammation < 20s Pouvoir Calorifique Supérieur < 3 (ou 4) MJ/kg Accélération de la production énergétique < 120 W/s Propagation latérale de la flamme < bord de l éprouvette Dégagement thermique total < 7,5 MJ Accélération de la production énergétique < 120 W/s Propagation latérale de la flamme < bord de l éprouvette Dégagement thermique total < 7,5 MJ Propagation de flamme < 150 mm en 60s Accélération de la production énergétique < 250 W/s Propagation latérale de la flamme < bord de l éprouvette Dégagement thermique total < 15 MJ Propagation de flamme < 150 mm en 60s Fumées et gouttelettes/particules enflammées Fumées et gouttelettes/particules enflammées Fumées et gouttelettes/particules enflammées D ISO 13823 et ISO 11925-2 exposition 30s Accélération de la production énergétique < 750 W/s Propagation de flamme < 150 mm en 60s Fumées et gouttelettes/particules enflammées E ISO 11925-2 exposition 15s Propagation de flamme < 150 mm en 20s Gouttelettes/particules enflammées F Aucune performance déterminée Euroclasses des produits de construction hors les sols (Extrait JO de la République Française du 31/12/2002 p 22128)

10 d - Cas des câbles électriques Les câbles électriques sont classés en trois familles pour leur réaction au feu, selon la norme NFC 32.070 : - C1 : non propagateurs de l incendie - C2 : non propagateurs de la flamme - C3 : câbles ordinaires D SEC 1568 A Essai de résistance au feu de câbles

11 3 - RÉSISTANCE AU FEU DES ÉLÉMENTS DE CONSTRUCTION La classification est établie en fonction : - du respect de certains critères - de la durée du respect de ces critères Cette classification repose sur l arrêté du 3 juin 1999, avec mise en place, en parallèle de la réglementation européenne. a - Essais de résistance au feu Les essais de résistance au feu se déroulent suivant un programme reproductible d évolution de la température en fonction du temps. La courbe standard (courbe température/temps normalisée dite ISO), qui cherche à refléter l évolution de la température des éléments de construction dans un incendie, obéit à l équation : θ g = 20 + 345 log 10.(8t + 1) θ g : température des gaz dans le compartiment en feu (en C) t : temps après le début de l essai (en minutes) Température ( C 1200 1000 800 600 400 200 D SEC 1577 A 0 15 30 60 90 120 180 240 300 360 Courbe ISO : température/temps Durée de l'essai (mm) b - Critères de résistance au feu Selon la réglementation française, 4 critères sont considérés pour l ensemble des matériaux combustibles : - critère n 1 : résistance mécanique, ce qui signifie stabilité de l élément de construction et maintien du rôle mécanique (un poteau continue à supporter les charges) - critère n 2 : étanchéité aux flammes et aux gaz chauds ou inflammables. L élément formant écran est considéré comme non étanche aux flammes dès que s est enflammée une nappe de coton placée à 25 mm derrière l élément. (exemple des murs pare-feu) - critère n 3 : absence d émission de gaz inflammables sur la face de l élément non exposé à l incendie. Ce critère n est plus respecté dès que les gaz émis prennent feu à l approche d une flamme quelconque et continuent à brûler pendant au moins 20 secondes après éloignement de la flamme

12 - critère n 4 : isolation thermique. Ce critère est respecté tant que réchauffement moyen sur la face non exposée à l incendie ne dépasse pas 150 C (cet échauffement pouvant ponctuellement atteindre 180 C) Les éléments de construction sont alors classés de la façon suivante : Catégorie de classement Critères Stable au feu (SF) Pare-flamme (PF) Coupe-feu (CF) 1. Résistance mécanique x x x 2. Étanchéité x x 3. Non émission gaz x x 4. Isolation thermique x Dans chaque catégorie, le classement s exprime en degré en fonction du temps pendant lequel l élément satisfait aux différents critères. Ces degrés de résistance au feu réglementaires sont : 1/4 h, 1/2 h, 3/4 h, 1 h, 1 h 1/2, 2 h, 3 h, 4 h, 6 h. Le degré retenu correspondant à la valeur immédiatement inférieure au temps pendant lequel l élément satisfait effectivement les différents critères. Application Un mur porteur, au cours d un essai normalisé, donne les résultats suivants : - critère n 1 : 380 mn - critères n 2 et 3 : 128 mn - critère n 4 : 56 mn Comment classer ce mur pour résistance au feu? Par ailleurs, les critères retenus par le Comité Européen de Normalisation dans le cadre de l élaboration des Eurocodes (normes expérimentales européennes) sont les suivants : résistance ou stabilité mécanique (R) ; étanchéité aux flammes (E) ; isolation thermique (I). Ces critères, très proches des critères français, se définissent comme suit : - résistance (R) : critère permettant d évaluer la capacité d une structure ou d un élément de structure à résister aux actions spécifiées pendant une exposition au feu donnée - étanchéité (E) : critère permettant d évaluer la capacité d un élément de séparation à empêcher le passage des flammes et des gaz chauds - isolation thermique (I) : critère permettant d évaluer la capacité d un élément séparatif à empêcher une transmission excessive de chaleur c - Résistance au feu des conducteurs et câbles électriques Les câbles électriques sont classés, selon la réglementation française, en deux familles : - CR1 : câbles résistant au feu - CR2 : câbles ordinaires Dans la nouvelle réglementation européenne, la résistance au feu s exprime selon une échelle de durée, déterminant 5 catégories : 15, 30, 60,90 ou 120 minutes de tenue au feu.

13 IV - AMÉLIORATION DU COMPORTEMENT AU FEU DES MATÉRIAUX Améliorer le comportement au feu ne modifie pas la réaction au feu. Son but est de ralentir les effets néfastes de l incendie, par exemple la possibilité de fluage des structures et leur effondrement., donc de respecter le premier critère de résistance au feu. 1 - RAPPELS SUR LE TRANSFERT DE CHALEUR Lors d un transfert de chaleur, le flux thermique Φ exprime le débit de chaleur échangé au travers de 1m 2 de surface d échange : Φ en W/ m 2 ; Q en W ; S en m 2 Φ = Q S Le flux thermique au travers d une paroi d épaisseur e soumise à un potentiel thermique t est donné par : Φ = λ t/e λ conductibilité thermique en W.m -1.K -1, t en C, e en m e/λ est la résistance qui transfert de chaleur par conduction L augmentation de température d un matériau soumis au feu est donc : t = Φ e / λ Composant Conductibilité thermique (W/m. C) à 20 (*) Cuivre 390 Aluminium 210 Acier 45 Acier Inox 316L 15 Béton 0,10 à 0,85 Vermiculite 0,14 à 0,19 Verre 0,5 à 1 Laine de verre 0.04 Liège 0,10 Exemple de valeurs de conductibilités thermiques (*) la conductibilité thermique diminue quand la température augmente En cas d incendie, la chaleur produite va porter progressivement les éléments voisins de la source à haute température. Si l action en surface de ces éléments est rapide, la phase d homogénéisation de la température sur l ensemble de l élément prendra un certain temps, fonction de la résistance au transfert de chaleur.

14 2 - IGNIFUGATION Améliorer la résistance au feu s appelle l ignifugation. L ignifugation, qui va jouer sur λ, peut être obtenue de différentes façons : couche statique, effet chimique, combinaison des deux. On attendra de cette protection qu elle soit efficace pendant un temps minimum fixé, qu elle permette la pulvérisation ou projection d eau de refroidissement, qu elle résiste aux chocs thermiques et ne soit pas un danger complémentaire en cas d incendie par émission de vapeurs nocives. La protection devra ne pas favoriser la corrosion, être stable dans le temps et résister aux intempéries pour ce qui est des protections en plein air. a - Protection par couche statique Dans ce cas, la protection est assurée par une protection externe qui apporte une augmentation directe de la résistance au transfert de chaleur : - protection par laine de roche constituée de fibres minérales (t de fusion > 1000 C) utilisée sous forme de plaques ou d enduit (λ = 0,10 W/m. C) - protection par couche de béton, couramment effectué dans l industrie pétrochimique Température Modification structurelle < 100 C Dilatation À partir de 100 C De 150 à 180 C A partir de 400 à 500 C Évaporation de l eau contenue dans les pores du béton Contraction du ciment durci et dilatation des granulats constitutifs Décomposition de Ca(OH) 2 : la vapeur d eau produite peut mener à écaillage 570 C Modification de structure minérale du quartz 700 C 800 C De 1150 à 1200 C Au delà de 1300/1400 C Décomposition des phases d hydrate de silicate de calcium Décomposition du carbonate de calcium en CaO et gaz carbonique Le béton commence à fondre Le béton n est plus qu une masse fondue, Modification du béton en phase d échauffement

15 D SEC 1565 A Résistance comparée des structures béton et éléments métalliques (R.G.S n 111 de mars 1992) D SEC 1566 A Poteau métallique ignifugé Aprés l'incendie, les poteaux ignifugés ont tenu Effet de l ignifugeage sur les poteaux de structure

16 - par le passé protection par éléments d amiante (λ = 0,155 W/m. C) ou contenant de l amiante ont été installées mais les risques liés à l amiante en interdisent dorénavant l emploi. - protection par enfouissement (cas des stockages gaz) - b - Protection par effet chimique Application en surface de produits ignifuges (silicate ou borate de sodium) sous forme de peinture et de vernis qui donnent naissance, sous l action de la chaleur, à une couche protectrice vitrifiée. Imprégnation en profondeur du bois (phosphate d ammonium). On notera que, par nature, la formation d une couche carbonisée lors de la combustion isole le bois non brûlé de la chaleur dégagée par les flammes. Peinture intumescente (à base d hydrates de carbone ou de polyols) qui s expanse lorsque la température atteint 250 à 300 C. Elles forment ainsi une mousse ( meringue ) isolante avec dégagement de l eau contenue. D SEC 1572 A Application de peinture intumescente c - Combinaison des deux effets Projection de mortier à base de vermiculite (minéral de la famille des micas) qui se déshydrate sous l action de la chaleur avec une importante augmentation de volume (λ = 0,07W/m. C).

17 3 - REFROIDISSEMENT II s agit le plus souvent de refroidir à l eau par ruissellement, diffuseurs ou sprinklers les matériaux pour améliorer leur résistance au feu, tout en assurant une absorption maximale de calories par la vaporisation de l eau. D SEC 1567 A Protection par ruissellement d'eau Exemple de protection par rampe sur un four (Rhourd Nouss) Protection par ruissellement et diffuseurs d eau Pour certains équipements de stockage (sphères, bacs), l administration fixe par arrêtés les débits minima requis.