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
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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
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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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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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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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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