Potentialité des modèles de calcul en matière de désenfumage

Journée SSPS 05.05.2011 Désenfumage & Installations aérauliques Potentialité des modèles de calcul en matière de désenfumage Didier Guignard, ECA Vaud

Des fumées et des hommes Désenfumage: gérer des fumées, dimensionner des systèmes Qu est-ce qu un modèle? Contraintes et paramètres de départ Pertinence et limitations des modèles de calcul Valeur ajoutée de l ingénierie feu Reconnaître des méthodes ou des ingénieurs spécialisés? Conclusions et perspectives Sources: feuerwehr.ch, lavoixdunord.fr, lemainelibre.fr2

Pourquoi gérer des fumées? Parce que 90% des décès en cas d incendie sont dus aux fumées Parce qu on peut prévoir comme la fumée va se comporter Parce que tout local incendié devra tôt ou tard être désenfumé Pour la sécurité des personnes présentes Pour limiter l augmentation des températures Pour améliorer la visibilité Parce que c est imposé par le cadre légal Source: Fiches SPI, lefigaro.fr 3

Dimensionner les installations de désenfumage? Eléments-clé: Naturel / Mécanique Surfaces, débits Emplacements, répartition Mise en fonction, asservissement Méthodes de dimensionnement Valeurs prescriptives Approches performantielles (ingénierie) Guide de création Source: des présentations socialisteachasseneuil.blogspot.com ECA ECA 2008 4

Dimensionner le désenfumage? Une synthèse CH, F, D Cas simple AEAI Etats de la Technique, documents de référence Concept spécial (avec calcul d ingénieur) Naturel 1-2-5-10% de surface au sol. Principes généraux (?) à respecter. % de surface au sol, selon affectation, hauteur local et hauteur libre de fumées. Principes détaillés à respecter. Exemples: DIN 18232-2 (D) Notices du GVZ APSAD R17 (F) VdS CEA 4020 (D) IT246 (F) Selon calcul, basé sur scénarios feu, solution technique et objectifs de protection. Exemples: Recommandation ECA Document SICC (?) VDI 6019 (D) Mécanique Débits: non précisés. Principes généraux (?) à respecter. Débit d extraction, selon affectation, surface + hauteur local et hauteur libre de fumées. Principes détaillés à respecter. Exemples: DIN 18232-5 (D) Notices du GVZ IT246 (F) Selon calcul, basé sur scénarios feu, solution technique et objectifs de protection. Exemples: Recommandation ECA Document SICC (?) VDI 6019 (D) Installations de ventilation par surpression: EN 12101-6 5

Désenfumage et concepts de protection incendie 80% Bâtiments "simples": Solutions standards 5% 15% Bâtiments avec concept de sécurité - Solution standard pour le désenfumage Bâtiments avec concept de sécurité - Désenfumage avec simulation feu Projet Concept Preuve Evaluation Décision Architecte Autorité Calculs d ingénierie Conseiller incendie Installateur technique Maître d ouvrage Spécialiste CVSE Sources: www.buzzecolo.com, Honeywell, Wikipedia, SICC 6

Pourquoi utiliser des modèles de simulations? Représenter une réalité, sans être la réalité, selon l adage: «La carte n est pas le territoire» Mieux comprendre et pouvoir prédire. Le comportement du modèle correspond - dans une certaine mesure et une certaine plage de validité - au comportement de la réalité. Aérodynamisme Prévisions météorologiques Optimisation énergétique 7

Applications-types des méthodes d ingénierie incendie Reconstitution de sinistres Dimensionnement de systèmes (désenfumage, éléments porteurs) Concept «alternatif» avec sécurité équivalente Architectures «hors-normes» Outil R&D Calcul des temps d évacuation 8

Modèles de simulation feu Modèles à zones (dérivés d équations empiriques) Modèles à champs (CFD) Modèles pour le calcul de structures Modèles pour l évacuation Source: International Fire Consultants Ltd. 9

Modèles de simulation feu Modèles à zones (dérivés d équations empiriques) Modèles à champs (CFD) Modèles pour le calcul de structures Modèles pour l évacuation Source: International Fire Consultants Ltd. 10

Processus de combustion PANACHE DE FUMÉES Augmentation des débits massiques/volumiques par dilution continue avec l air Mélange air-fumées Particules incombustibles et partiellement imbrûlées Dilution des particules Ascension des gaz (effet thermique) Aspiration d air par dépression Rayonnement Evaporation / pyrolyse Source: Sicherheitsinstitut 11

Exemple de corrélations empiriques Débit massique d un panache de fumées: (selon DIN 18232-2) Thomas & Hinkley m = 0.1888. d 3/2. U Zukoski m = 0.076. Q 1/3. (d-z o ) 5/3 m: débit de fumées (kg/s) d: hauteur libre de fumées (m) U: périmètre du foyer (m) Q: puissance convectée (kw) z o : origine virtuelle (m) Lien entre concentration de suies (fumées) et visibilité: E 8 0.395 S = K ~ 7.6. c = c S: visibilité (m) E: valeur caractéristique pour des panneaux lumineux (-) K: coefficient d absorption (d extinction) des fumées (m -1 ) c: concentration de fumées (mg/m³) 12

Dimensionnement: exemple de calcul selon norme DIN 18232-2 / 18232-5 1. Champ d application 2. Paramètres de départ Hauteur du local Hauteur libre de fumées (objectif de protection) Groupe de dimensionnement (scénario feu) 3. Résultats Surfaces/débits nécessaires (air frais / extraction fumées) Exigences pour répartition et positionnnement Exigences de fonctionnement 13

Modèles à zones Source: MRFC CFast, MRFC, Ozone, ASET, Branzfire, Figaro 14

Que se passe-t-il dans le modèle??! IN BOÎTE OUT Géométries Ouvrants, portes, exutoires, ventilateurs Asservissements Conditions initiales Scénarios de feu Couches de fumées: équations thermodynamiques Processus de combustion Formation de fumées (plume) Ouvertures, flux forcés (mécaniques) Transfert de chaleur (radiation, convection, conduction) Méthodes de résolution Hauteur libre de fumées Températures couche / couche libre de fumées Pression Hauteur de flamme Concentrations des gaz (O 2, CO, CO 2, H 2 O, ) 15

Modèles à champ (Computational Fluid Dynamics) CFX, FDS, Flovent, Fluent, Jasmine, Smartfire Source: FDS, NIST 16

Modèles à champ (CFD) Divise le compartiment considéré en de multiples cellules (10 5-10 7 ) Résolution d équations différentielles dans chaque cellule (exemples): Conservation de la masse Conservation de l énergie Conservation de la quantité de mouvement etc... 17

Réalité ou fiction? Exemple de la reconstitution du sinistre de Rhode Island (USA) Discothèque - Vue du dessus (2.5 m par rapport au sol) 18

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (1) 10 secondes 19 secondes 19

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (2) 23 secondes 53/60 secondes 20

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (3) 100 secondes 110 secondes 160 secondes 21

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (4) 176 secondes 289 secondes 22

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (5) 337/300 secondes Toutefois, aujourd hui en Suisse, l utilisation principale des modèles de feu est le dimensionnement d installations de désenfumage. 23

Cadre d application de l ingénierie feu Périmètre du projet Objectifs de protection et critères de performance associés Exigences AEAI Identification des dangers Projet de conception (mesures de sécurité) Discusssion paramètres de départ Directives AEAI 22-03, 5.1 Scénarios d incendie et comportementaux NON Sélection des méthodes d ingénierie Evaluation de la conception vis-à-vis du scénario Critères de performance satisfaits? OUI Mise en œuvre du projet Source: (ISO 23932:2009) Discussion des résultats / Approbation Directives AEAI 22-03, 5.3 Contrôle de réception Directive AEAI 22-03, 6.2 24

Cadre d application de l ingénierie feu Périmètre du projet Objectifs de protection et critères de performance associés Exigences AEAI Identification des dangers Projet de conception (mesures de sécurité) Discusssion paramètres de départ Directives AEAI 22-03, 5.1 Scénarios d incendie et comportementaux NON Sélection des méthodes d ingénierie Evaluation de la conception vis-à-vis du scénario Critères de performance satisfaits? OUI Mise en œuvre du projet Source: (ISO 23932:2009) Discussion des résultats / Approbation Directives AEAI 22-03, 5.3 Contrôle de réception Directive AEAI 22-03, 6.2 25

Interface Editeurs de prescriptions / Autorités / Planificateurs Edition de prescriptions Mise en œuvre de prescriptions AEAI Autorité compétente (ECA) (directive 22-03) + Document ECA Recommandation de mise en œuvre Annexe 1 Addenda Etats de la technique SICC (BT 101-04) Architectes / ingénieurs

"Recommandation ECA Vaud d'application des méthodes d'ingénierie lors de l'utilisation de modèles de simulation" Contenu: Cadre général de la simulation feu Ce que l'autorité doit savoir Ce que le bureau spécialisé doit fournir Objectifs: Intégrer pour l'autorité le domaine concerné, organisation, moyens Préciser ses exigences en la matière Fixer les conditions de rendus permettant d évaluer les résultats et solutions techniques Valider objectifs, scénarios et résultats soumis 28

Contenu d un concept de désenfumage Objectifs de protection et scénarios feu (validation!) Mesures appropriées, optimisées Intégration des contraintes (flexibilité!) Preuve par le calcul Dimensionnement et fonctionnement de l installation Document clair (concept désenfumage) établi, remis, validé 29

Objectifs du désenfumage Objectifs de protection généraux Mettre en sécurité les occupants, pouvoir porter secours / combattre efficacement un incendie, limiter les atteintes aux bâtiments et biens. Niveau de sécurité: un choix de société Principe de proportionnalité 30

Objectifs du désenfumage Puissance de feu Limite de réanimation Evacuation autonome Sauvetage Lutte contre le feu Pré-évacuation Evacuation Temps d évac < 10 minutes Délai de sauvetage 15-20 minutes Délai d intervention 30 minutes PREVENTION INCENDIE DEFENSE INCENDIE Guide de création Source: des présentations adapté de vfdb ECA TB 04-01 ECA (2009) 2008 31

Objectifs «standards» de désenfumage Indicateurs de «performance» Visibilité Hauteur sans fumée > 20 / 35 mètres pour les personnes > 10 mètres pour les pompiers > 2.5 mètres Température < 50 C Durée des objectifs 10-15 minutes pour les personnes (évacuation autonome) 20-30 minutes pour les pompiers (sauvetage, intervention) 32

Illustration d une visibilité à 35 mètres 33

Scénario de feu: Exemple d un feu de bureau Source: NIST 36

Développement d un feu de bureau (1) Source: NIST 37

Développement d un feu de bureau (2) Source: NIST 38

Scénario d un feu de bureau Source: NIST 39

Scénario d un feu de bureau Scénario de feu «bureau» ECA Source: NIST 40

Scénarios de feu 10'000 puissance [kw] puissance [kw] 8'000 6'000 4'000 musée petit mall, cuisine restaurant, cafétéria grand mall, bureau, logement musée petit mall, cuisine centre commercial restaurant, cafétéria parking grand mall, bureau, logement centre commercial parking locaux de locaux de stockage 2'000 0 0 300 600 900 1'200 1'500 1'800 temps temps [secondes] 41

Installations techniques et désenfumage Mise en fonction, asservissements Influence sur scénario de feu Contrôle nécessaire (test intégral) Fiabilité Rapidité Simplicité 42

Conception d une installation de désenfumage (exemple) 43

Preuves de désenfumage (exemples) 44

Qu est-ce qu un concept de désenfumage? Mise en fonction, asservissements Garantie de fonctionnement Preuve par le calcul Concept de désenfumage Objectifs de protection Conception, dimensionnement Cadre légal, contraintes 45

Peut-on croire les modèles? Oui! La plupart des modèles sont fiables, dans leurs limites d application. L essentiel réside dans la paramétrisation des modèles, l interprétation des résultats obtenus et la coordination avec tous les acteurs et disciplines concernés. Le modèle L incendie correspondant 46

Modèles: Validation et Vérification 1. Validation: «Contrôle qualité» des modèles physiques / chimiques utilisés Comparer avec des feux (tests) réels. Préciser les différences entre modèles et expériences ( limites, conditions d application). 2. Vérification: «Contrôle qualité» des mathématiques Les résultats calculés par le modèle sont-ils mathématiquement exacts? 47

Plausibilité des résultats??! Paramètres de départ Résultats Connaissance du modèle Paramétrisation, interprétation Formation des personnes Contrôle de plausibilité P.ex. calcul «à la main» : Bilan massique, formules simplifiées (débit de fumées, modèle 1 zone ) CFD Colourful Fluid Dynamics Coordination Lien modèle PI Approche interdisciplinaire Source: forum-auto.com 48

Valeur ajoutée de l ingénierie feu Plus grande liberté architecturale Solutions alternatives Optimisation des solutions techniques Outil neutre d aide à la décision Synergies (optimisation énergétique / aéraulique) Economies de coût possibles 49

En conclusion Rôles / responsabilités en matière d ingénierie feu Utilisation des modèles feu s est simplifiée. Objectifs de protection et scénarios feu: valeurs standards liées à l affectation. Les modèles sont fiables et constituent des outils prédictifs incontournables. Source: clio-photo 50

Comparaison tests / modèles de calcul Source: CFast, FDS, MRFC, Ozone 51