etude multi-échelle du comportement au feu d’un siège ... · la sécurité incendie dans les...

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Etude multi-échelle du comportement au feu d’un siège et d’une paroi types issus d’un

système de transport ferroviaire européen

Doctorant : Anycée CAMILLODirecteur de thèse : Thomas ROGAUME

Co-encadrants : Eric GUILLAUME , Franck RICHARD

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I- Contexte de la thèse

II- Méthodologie

III- Résultats et discussion

IV- Application au scénario sélectionné

V- Conclusion et perspectives

Plan de la présentation

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I- Contexte de la thèse

II- Méthodologie

III- Résultats et discussion

IV- Application au scénario sélectionné

V- Conclusion et perspectives

Plan de la présentation

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La sécurité incendie dans les trains

Approche réglementaire Projet de recherche incendie

Directive européenne 2008/57/CE :

� Exigences essentielles pour le système ferroviaire européen.

� Ouverture vers des études d’Ingénierie de la Sécurité Incendie.

Evaluer la sécurité incendie via des outils de modélisationnumérique.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Contexte

5

Projet Transfeu, de 2009 à 2012 :

� Projet de recherche européen.

� Deux objectifs majeurs :

• Développer une nouvelle méthode de mesures des effluents gazeux provenant de la combustion des matériaux présents dans les trains.

• Développer une méthodologie de l’ingénierie de la sécuritéincendie afin de prédire les effets du feu dans le transport ferroviaire.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

La sécurité incendie dans les trains

Approche réglementaire Projet de recherche incendie

Contexte

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Projet Transfeu :

GT1 : Management du projet.

GT2 : Essais à petite échelle sur la toxicité des effluents du feu.

GT3 : Développement d’un système de classification

GT4 : Méthodologie de l’ingénierie de la sécurité incendie.

GT5 : Développement d’outils de simulation numérique.

GT6 : Validation de la classification conventionnelle et de la simulationnumérique.

GT7 : Exploitation, dissémination et contribution aux normes.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Positionnement du Doctorat dans le projet Transfeu

Contexte

Analyse de risque incendie

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GT4, GT5 et GT6 :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Sélection des scénarios représentatifs

Etude multi échelles appliquée à deuxproduits

Application au scénario sélectionné

Objectifs du Doctorat

Contexte

Effets du feu sur les passagers :

� Perte de visibilité

� Température de flamme et des fumées

� Flux de chaleur

� Gaz toxiques aigus

Objectif :Prédire le développement

d’un incendie dans un train en prenant en compte les

limites de l’outil numériqueutilisé.

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I- Contexte de la thèse

II- Méthodologie

III- Résultats et discussion

IV- Application au scénario sélectionné

V- Conclusion et perspectives

Plan de la présentation

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Sélection du scénario via une analyse de risque

Feu de bagage dans un Train type standard

(un seul niveau, type RER)

� Source d’incendie volontaire (brûleur de propane) : 75 kW (2 min) puis 150 kW (8 min)

� Air conditionné en continu

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Scénario et produits sélectionnés

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Produits et matériaux étudiés : la paroi

� Gelcoat : polyester et ATH*

� Composite : résine polyester et ATH* et fibre de verre

Produits et matériaux étudiés : le siège

� Revêtement : laine, aramide et viscose

� Barrière anti-vandalisme : silicone, coton et cote de maille acier

� Couche intercalaire : aramide et polyimide

� Mousse : polyuréthane et mélamine

� Revêtement collé sur la coque

Scénario et produits sélectionnés

*ATH : Trihydrate d’aluminium

Contexte

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Méthodologie

Sélection du scénario via une analyse de risque

Distribution des effluents gazeux

Simulation de l’incendie du scénario

Simulation de la propagation et la combustion des produits

Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux

Simulation de la décomposition thermique de la matière

Besoin d’une approche multi échelles

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Echelle de la matièreDécomposition thermique et paramètres cinétiques

ATG/DSC Modélisation

Echelle du matériauDécomposition thermique et réaction au feu

Cône calorimètre Modélisation

Echelle du produit semi-finiComportement au feu, test en position verticale

Medium Burning Item Modélisation

Echelle du produit finiComportement au feu Calorimétrie Modélisation

Echelle du scénarioComportement au feu dans des conditions réelles

Scénario Modélisation

Validation ?

Validation ?

Validation ?

Validation ?

Validation ?

Méthodologie : Approche multi échelles

Sour

ce r

adia

nte

Brûl

eur

prop

ane

13

I- Contexte de la thèse

II- Méthodologie

III- Résultats et discussion

IV- Application au scénario sélectionné

V- Conclusion et perspectives

Plan de la présentation

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Sélection du scénario via une analyse de risque

Distribution des effluents gazeux

Simulation de l’incendie du scénario

Simulation de la propagation et la combustion des produits

Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux

Simulation de la décomposition thermique de la matière

PU + Mélamine

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Echelle de la matière – Démarche de travail :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

PU + Mélamine

Essais ATGLittérature

Mécanisme réactionnel

Modèle de pyrolyse :f(Y, Yr, YO2, Ea, A, n)

Simplification et adaptation aux contraintes de FDS

Optimisation

Résultats

16

Echelle de la matière - Résultats : Mousse

Foam

[Melon]

Littérature

Mécanisme réactionnel

1

23

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Essais ATG

1

2

3Donc les réactions proposées sont :

Résultats

Polyol Résidu

17

Echelle de la matière - Résultats : Mousse

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

1

2Donc les réactions proposées sont :

1 2Foam Polyol Résidu

[Melon]

1

1

Résultats

Littérature

Mécanisme réactionnel

Essais ATG

Char

18

Echelle de la matière - Résultats : Mousse

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

1

2

1 2Foam Polyol Char Résidu

[Melon]

1

1

Donc les réactions proposées sont :

Mécanisme trop compliqué pour une application à grande échelle

(nombre de paramètres trop important)

Résultats

Littérature

Mécanisme réactionnel

Essais ATG

19

Modèle de pyrolyse :f(Y, Yr, Yo2, Ea, A, n)

Simplification

Foam Char1 2

Echelle de la matière : Mousse

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

1 2

A, Ea, n et Yr de chaque réaction sont estimés par une technique d’optimisation heuristique (algorithmes génétiques).

Résultats

Littérature

Mécanisme réactionnel

Essais ATG

Résidu

20

Echelle de la matière : Mousse

Optimisation

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Comparaison expérimentale et numérique selon l’analyse

fonctionnelle d’Hilbert

Résultats

Modèle de pyrolyse :f(Y, Yr, Yo2, Ea, A, n)

Littérature

Mécanisme réactionnel

Essais ATG

Simplification

21

Echelle de la matière : Mousse

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Modèle de pyrolyse validé àcette échelle pour chaque

matériau étudié

Schéma applicable aux échelles supérieures ?

Résultats

Optimisation

Modèle de pyrolyse :f(Y, Yr, Yo2, Ea, A, n)

Littérature

Mécanisme réactionnel

Essais ATG

Simplification

22

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Sélection du scénario via une analyse de risque

Distribution des effluents gazeux

Simulation de l’incendie du scénario

Simulation de la propagation et la combustion des produits

Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux

Simulation de la décomposition thermique de la matière

PU + Mélamine

23

Echelle du matériau – Démarche de travail :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Essais CôneCalorimètre

Propriétés thermo-physiques

Propriétés validéesÉchelle matière

Prédiction comportement au feu du matériau multi couches

Résultats

24

Essais CôneCalorimètre

Echelle du matériau – Résultats expérimentaux :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

� Essai normalisé (ISO 5660-1) : cônecalorimètre.

� Densité de flux : 20 à 75 kW/m2.

� Dimension de l’échantillon : 100 x 100 mm2 et Epmax = 50 mm.

50 kW/m2

Résultats

25

Essais CôneCalorimètre

Propriétésthermo-physiques

Propriétés validéesÉchelle matière

Echelle du matériau – Résultats numériques :

Prédiction

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Comparaison expérimentaleet numérique selon les

incertitudes expérimentales

50 kW/m2

26

Echelle du matériau - Résultats :

Solutions proposées :

� Ajout d’une couche fictive

� Conduction thermique de la mousse

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Evolution de la décompositionthermique du matériau multi couches

Formation d’une couche de gaz qui isole thermiquement la mousse

Hypothèses modèles FDS :

� Volume constant

� Pas de diffusion de gaz dans le solide

Résultats

27

Echelle du matériau – Résultats :

Solutions proposées selon les limites de FDS

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Comparaison expérimentaleet numérique selon les

incertitudes expérimentales

Résultats

Essais CôneCalorimètre

Propriétésthermo-physiques

Propriétés validéesÉchelle matière

Prédiction

50 kW/m2

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Sélection du scénario via une analyse de risque

Distribution des effluents gazeux

Simulation de l’incendie du scénario

Simulation de la propagation et la combustion des produits

Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux

Simulation de la décomposition thermique de la matière

PU + Mélamine

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Echelle produit fini – Démarche de travail : Brûleur + Siège

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Prédiction du comportement au feu du produit

Propriétés produit :

� Propriétés validées échelle matériau

� Propriétés thermo-physiques de la coque

� Barrière anti-vandalisme

� Réaction de combustion : multi combustibles

Essai produit fini

Prédiction de la générationde monoxyde de carbone

Essai produit fini

Résultats

30

Essai produit fini :

� Siège entier

� Brûleur (propane)

� Conditions associéesau scénario

A

A : 30 s

B

B : 270 s

C

C : 480 s

D

D : 510 s

E

E : 600 sEchelle produit fini – Résultats : Brûleur + Siège

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

31

Prédiction

Propriétés produit :

� Propriétés validées échelle matériau

� Propriétés thermo-physiques de la coque� Barrière anti-vandalisme

� Réaction de combustion : multi combustibles

Essai produit fini

Echelle produit fini – Résultats :

Limite :

Aspect structurel du siège au cours de la décomposition non considéré.

Siège + Brûleur

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Distribution numérique de la densitéde flux de chaleur

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BrûleurEchelle produit fini – Résultats :

Limites :

� Combustion du propane.

� Fraction unique de production de CO pour chaque maille.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Résultats

Prédiction

Propriétés produit :

� Propriétés validées échelle matériau

� Propriétés thermo-physiques de la coque� Barrière anti-vandalisme

� Réaction de combustion : multi combustibles

Essai produit fini

Siège + Brûleur

Comparaison expérimentale et numériquede la génération de CO.

33

Echelle produit fini – Résultats :

Jeu de données validé à cetteéchelle pour ce siège

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Multi combustibles ?

Résultats

Prédiction

Propriétés produit :

� Propriétés validées échelle matériau

� Propriétés thermo-physiques de la coque� Barrière anti-vandalisme

� Réaction de combustion : multi combustibles

Essai produit fini

BrûleurSiège + Brûleur

Comparaison expérimentale et numériquede la génération de CO.

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Application : scénario

Sélection du scénario via une analyse de risque

Distribution des effluents gazeux

Simulation de l’incendie du scénario

Simulation de la propagation et la combustion des produits

Simulation de la quantité de combustible produite par les matériaux

Simulation de la décomposition thermique de la matière

PU + Mélamine

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Echelle réelle – Démarche de travail :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Scénario (géométrie, condition initiales et limites)

Prédiction du comportement au feu et génération du CO

Propriétés validées àl’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

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� t = 0s, puissance du brûleur = 75 kW

� t = 40s, trois portes s’ouvrent

� t = 120s, puissance du brûleur = 150 kW

� t = 600 s, arrêt du brûleur

Mesures à échelle réelle :

� Température (siège et couloir)

� Opacité des fumées

� Concentration des gaz (deux points de mesure)

� Surface impactée des produits

P1

P2

Echelle réelle – Résultats :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Application : scénario

37

P1 P2

Echelle réelle - Résultats :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

P1

P2

Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO2.

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

38

Nouvelle approche : prescrire une quantité de CO à partir des résultats expérimentaux

P1 P2

Echelle réelle - Résultats :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

P1

P2

Comparaison expérimentale et numérique de la génération de CO

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

39

Hypothèses approche prescrite :

� Chaque unité de surface dégage la même quantité de CO.

� La quantité dégagée de CO provient de l’essai du MBI (flux incident 50 kW/m2).

� Espèces injectées considérées non-réactives.

Paroi + Brûleur

Echelle produit fini :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Nouvelle approche pour générer COEssai produit fini

Comparaison expérimentaleet numérique de la génération de CO.

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

40

Echelle produit fini :

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Jeu de données validé à cetteéchelle produit fini

Echelle du scénario ?

Nouvelle approche pour générer COEssai produit fini

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénarioParoi + Brûleur

Comparaison expérimentaleet numérique de la génération de CO.

Application : scénario

41

P1

P2

P1

Echelle réelle - Résultats :

Limite numérique :Résultats de CO simulé surestimés(CO injecté qui provient du bruleur peut être influencé par la géométrie de l’essai à l’échelleproduit).

Limites expérimentales :� Incertitude de mesure.� Répétabilité de l’essai.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Nouvelle approche pour générer COEssai produit fini

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

42

P2

Echelle réelle - Résultats :

Approche prescrite :

Bonne alternative au modèle

Cependant nécessite des donnéesexpérimentales (Echelle produit semi-fini dans ce cas).

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

P1

P2Nouvelle approche pour

générer COEssai produit fini

Scénario

Prédiction

Propriétés validées à l’échelle produit fini

Essai scénario

Application : scénario

43

I- Contexte de la thèse

II- Méthodologie

III- Résultats et discussion

IV- Application au scénario sélectionné

V- Conclusion et perspectives

Plan de la présentation

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Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Conclusion

Analyse de risque incendie

Sélection des scénarios et produits représentatifs

Etude multi échelles appliquée à deuxproduits

Application au scénario sélectionné

Approche multi échelles :

� Compréhension du comportement au feu des matériaux.

� Données d’entrée pour FDS.

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Echelle de la matière :

� Influence de la concentration d’O2 sur la phase condensée lorsque le matériau est soumis à un flux de chaleur.

� Recommandation du couplage ATG+IRTF pour valider les mécanismesréactionnels.

� Mécanisme réactionnel de chaque matériau simplifié.

� Optimisation des paramètres cinétiques.

Echelle du matériau :

� Compréhension du comportement au feu de la phase condensée du matériau.

� S’adapter aux limites des modèles de FDS en fonction de cette compréhension.

� Difficulté à simuler la réaction au feu lorsque le matériau est exposé àun faible flux.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Conclusion

Approche M

ulti A

pproche Multi éé chelles

chelles

TGA/DSC

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Echelle produit fini :

� Compréhension du comportement au feu dans des conditions d’utilisation finale.

� Présence de multi-combustibles.

� Difficulté à simuler la génération du CO.

� Approche prescrite pour le CO validée à cette échelle selon une nouvelle approche.

Echelle Scénario :

� Difficulté à simuler la réaction au feu lorsque le matériau est exposé àun faible flux.

� Meilleur résultat pour le CO obtenu par l’approche prescrite.

� Répétabilité des essais à grande échelle.

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Conclusion

Approche M

ulti A

pproche Multi éé chelles

chelles

TGA/DSC

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� Modèle de combustion de FDS à 2 étapes

� Tester l’approche prescrite pour le CO avec d’autres gaz.

� Amélioration du modèle de combustion à fraction de mélange de FDS (multi combustibles).

� Tester les modèles de FDS version 6.

Approche M

ulti A

pproche Multi éé chelles

chelles

TGA/DSC

Méthodologie Résultats Scénario ConclusionContexte

Perspectives

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Merci de votre attention

Doctorant : Anycée CAMILLODirecteur de thèse : Thomas ROGAUME

Co-encadrants : Eric GUILLAUME, Franck RICHARD

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