PPrroojjeett MMooddéélliissaattiioonn IInncceennddiiee FFDDSS ((FFiirree DDyynnaammiiccss SSiimmuullaattiioonn))

Elève :

Alvin Si Xian LOO (MRIE5 - Option ISIS)

A l’attention de M. Pascal VAN HULLE

SOMMAIRE

INTRODUCTION .................................................................................................................... 3 MODELE.................................................................................................................................. 3 MATERIAUX........................................................................................................................... 5 LA REACTION ........................................................................................................................ 5 SCENARIOS ............................................................................................................................ 6 VERIFICATIONS..................................................................................................................... 7 ANALYSE SUR LES CONDITIONS D'ENFUMAGE ........................................................... 9 CONCLUSION........................................................................................................................11 ANNEXES.............................................................................................................................. 12

Projet FDS

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INTRODUCTION Dans les résidences universitaires, il est toujours difficile de faire respecter une règle important qui assure la sécurité des habitants: l'interdiction de fumer dans les chambres. Le risque d'incendie est accru lorsque cet acte irréfléchi s'effectue sur le lit, dont le matelas est souvent constitué d'un matériau facilement inflammable comme le polyuréthane. Un feu qui démarre sur un tel combustible se propage rapidement vers les autres meubles dans la chambre, provoquant un embrasement généralisé qui met en danger la vie de tous les habitants de la résidence. Ce projet vise à modéliser, à l'aide du logiciel FDS (Fire Dynamics Simulation), 2 situations d'incendie dans Bâtiment I, Résidence Madrillet 3, l'une des résidences étudiantes de l'INSA de Rouen. Pour chaque situation, nous déterminons la puissance du feu, l'augmentation de la température, de la concentration de monoxyde de carbone, le flux de chaleur dans des différents coins du bâtiment. Afin de minimiser le coût de calcul, le modèle et les paramètres de la simulation ont été simplifiés.

MODELE

1800,0 mm x 800,0 mm1800,0 mm x 800,0 mm

11 m

0,2 m

3 m3 m2,6 m1,8 m

3 m

Bureau du gardien

Foyer du bâtiment

Boîtes aux lettres

Local à

poubelles

Départ du feu sur le lit

Placard

Bureaux

Canapé

Studio1

Studio2

Studio3

Studio4

2

3

1

Figure 1 : Plan du rez-de-chaussée du Bâtiment I

Projet FDS

4

Bâtiment I de la résidence Madrillet 3 contient huit studios F1 et un studio pour un couple sur 2 étages (rez-de-chaussée et 1er étage). Au rez-de-chaussée il y a également le bureau du gardien de la résidence et le local à poubelle (voir figure 1). Les studios sont de la même taille sauf celui pour un couple qui est un peu plus grand (voir figure 2). Chaque studio a une fenêtre qui est composée de 6 vitres de même taille. Les habitants bénéficient d'un logement meublé, ce qui veut dire que les meubles dans tous les chambres sont identiques. La porte d'entrée de l'immeuble est vitrée.

Figure 2 : Plan du 1er étage du Bâtiment I

Les simplifications que nous avons faites sont les suivantes:

• Seuls les meubles dans la chambre où le feu a eu lieu (Studio1) et le bureau de la chambre voisine (Studio3) ont été modélisés. Nous supposons que pendant la courte durée (10 minute) de notre simulation, le feu ne se propage pas vers les autres chambres par rayonnement ou par convection. Le choix de modéliser le seul meuble dans Studio3 est basé sur la possibilité de transmission d'une quantité suffisante de chaleur par conduction à travers le mur pour qu'il prenne feu.

• La cuisine (couverte entièrement par une plaque métallique), les toilettes et la douche n'ont pas été modélisée car elles ne participent pas au feu.

• A part les fenêtres qui se brisent sous l'effet de la chaleur et des portes qui s'ouvrent, il n'y a pas de système de ventilation dans le bâtiment. En réalité, chaque chambre studio un ventilateur naturel vers l'extérieur d'environs 10cm2 à la cuisine.

Projet FDS

5

• Dans Scénario 1, les portes au 1er étage ne sont pas modélisées car nous supposons que le feu (au rez-de-chaussée) n'ait pas d'effet sur elles et les chambres tant qu’elles restent fermées.

Le bâtiment mesure 11m x 14m x 5,4m. On assimile tout dans des mailles de 0,2m x 0,2m x 0,2m. C'est une taille suffisamment petite pour qu'on puisse obtenir des résultats de simulation assez corrects. Il y a donc 55 x 70 x 27 mailles en total.

MATERIAUX Nous allons détailler les éléments constitutifs de notre modélisation. 1) Parois du bâtiment

• Les parois du bâtiment, les murs du bureau du gardien et du local à poubelle sont en béton.

2) Fenêtre • Les fenêtres du bâtiment et la porte d'entrée sont vitrées. Elles se brisent à T=100°C

puis laissent échanger de l'air avec l'extérieur 3) Murs des studios

• Ce sont les murs séparant les chambres et les couloirs, et entre les chambres • Ils sont en plâtre et permettent la transmission de la chaleur par conduction

4) Meubles • Ce sont le bureau, le placard, et le dessous du lit • Ils sont constitués des panneaux de chêne composés par la cellulose, l'eau, et la

lignine, avec les fractions de masse 70%, 10%, et 20% respectivement. • Ils ne s'élargissent pas sous effet de chaleur. • Ils conduisent de la chaleur et cela permettent la propagation du feu.

5) Matelas • Il est en polyuréthane et pèse 15kg. • C'est ici où le feu démarre.

6) Canapé • Il est constitué de tissu et de mousse • La simulation permet de visualise la perte de volume pendant la combustion.

7) Portes • Elles sont en chêne et non coupe-feu. • Elles peuvent participer à l'incendie si les conditions sont favorables.

On note également que la combustion des meubles et la porte suivent une série de 2 réactions successives dans laquelle la cellulose dans le chêne se transforme en charbon, libérant ainsi de la chaleur. L'eau dans le chêne peut se vaporiser, ce qui faire perdre une partie de l'énergie de combustion.

LA REACTION Le logiciel ne permet qu'une seule réaction de combustion possible dans une simulation. Même si 3 types de matériaux brûlent dans notre étude (chêne, polyuréthane, mélange de tissu et de mousse), le logiciel applique une seule réaction chimique à toutes les combustions. Nous avons décidé d'utiliser celle du polyuréthane car il majore au niveau de la gravité. En

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effet, elle produit 26MJ/kg de chaleur, soit presque 2 fois plus que ce que produit le bois, et 0,04kg de CO par kilogramme de combustible, soit 10 fois plus que le bois. Selon les normes de NFPA, la courbe de HRR= α x t2 de la combustion du polyuréthane est libellée « Fast ». La valeur du coefficient α correspondant est égale à 46,9 W/s2. Puisque le polyuréthane a un débit calorifique maximale de 1000kW, et qu'elle dégage 26MJ/kg de chaleur, avec l'équation précédente on peut déterminer la durée de la combustion du matelas. Tout d’abord, on détermine le temps nécessaire pour qu’il atteigne 1000kW : 1000.103 = 46,9 x t1

2 => t12 = 146s

kgkgMJtkWdtHRR 15/26)1000( 2

146

0×=×+∫ ⋅

=> t2 = 341s Donc, la durée totale de combustion ttot = t1 + t2 = 487s Afin d'intégrer ces données dans le logiciel FDS, nous dressons un tableau regroupant les coordonnées de quelques points de la courbe.

Temps (s) Développement du feu (avec puissance max =

1000kW/m2)

Commentaires

0 0% Démarrage du feu

65 20%

103 50% Phase développement

146 100%

487 100% Feu maximal du matelas

500 0% Épuisement du combustible Même si le combustible de 15kg est complètement épuisé à t=487s, nous supposons qu'il reste des résidus (il y a probablement d'autres composés chimiques dans le matelas) qui continuent à brûler avec un HRR descendant jusqu'à 0% à t=500s.

SCENARIOS Nous envisageons simuler 2 scénarii qui ont une forte possibilité de se produire dans une résidence universitaire.

1. Scénario 1 L'étudiant qui habite dans Studio1 fume dans son lit. Il s'endormit sans avoir éteint le mégot. Le matelas prend feu. L'étudiant panique et quitte la chambre au bout de 15 secondes et le bâtiment au bout de 18 secondes, laissant les portes ouverts au passage. Personne d'autre n'est dans le bâtiment. Les autres portes restent fermées toute au long de la durée de la simulation.

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2. Scénario 2 Il y a une grande fête au sein du bâtiment regroupant tous les habitants et de nombreux invités. Vu le grand nombre de personnes, il est commode de laisser toutes les portes de studio ouvertes pour faciliter les rencontres et la circulation. Un type fume sur le lit de Studio1 et par malveillance devient la cause du feu du matelas. Tout le monde est alerté. L'évacuation commence 30 secondes après le démarrage du feu (ouverture de la porte du bâtiment à ce moment précis).

VERIFICATIONS Les simulations durent chacun 600s. Dû à la longueur des calculs, chaque compilation a pris presque 5 heures.

HRR Nous constatons que les courbes de HRR dans les 2 scénarii (Figure 3 et 4) suivent bien les paramètres prédéfinis tout à l’heure. Il y a une montée exponentielle durant la phase développement du feu jusqu’à ce que la courbe atteigne le palier à environs t=150s, puis la combustion se termine à t=500s. Le HRR maximum monte jusqu’à 2000kW car la surface du matelas sur laquelle le feu se développe se mesure 2m2.

Scénario 1

-5,00E+02

0,00E+00

5,00E+02

1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

2,50E+03

3,00E+03

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

HR

R (k

W)

kW HRR

Figure 3 : Courbe HRR du Scénario 1

Scénario 2

-5,00E+02

0,00E+00

5,00E+02

1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

2,50E+03

3,00E+03

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

HR

R (

kW)

kW HRR

Figure 4 : Courbe HRR du Scénario 2

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Pression Le capteur de pression a été placé au centre du studio 1 à la hauteur de l’homme (1,8m) – position numéro 1 dans Figure 1. Dans Scénario 1, l’auteur de l’incendie ouvre la porte de la chambre à t=15s, ce qui explique la chute brutale de la pression juste après (Figure 5). Nous constatons également une légère chute après t=20s. Cela peut être du au bris des fenêtres. La pression remonte au fur et à la mesure que le feu se développe. Cette courbe nous permet de s’assurer que la porte a bien été ouverte et les fenêtres ont été brisées.

Scénario 1 : Augmentation de la Pression Studio1

-5,00E-01

0,00E+00

5,00E-01

1,00E+00

1,50E+00

2,00E+00

2,50E+00

0,00E+00

2,00E+01

4,00E+01

6,00E+01

8,00E+01

1,00E+02

1,20E+02

Temps (s)

Aug

men

tatio

n de

la

Pre

ssio

n (P

a)

Pa Pression chambre

Figure 5 : Scénario 1 - Augmentation de la Pression Studio1

Pour Scénario 2, toutes les portes sont déjà ouvertes (y compris celle de Studio1) avant le feu. C’est ce qui explique l’augmentation de pression plus lente (Figure 6) au début du feu par rapport à celle de Scénario 1. La chute vers t=30s peut s’expliquer par la dépressurisation de la salle suite au bris des fenêtres.

Scénario 2 : Augmentation de la Pression Studio1

-5,00E-01

0,00E+00

5,00E-01

1,00E+00

1,50E+00

2,00E+00

2,50E+00

0,00E+00

2,00E+01

4,00E+01

6,00E+01

8,00E+01

1,00E+02

1,20E+02

Temps (s)

Aug

men

tatio

n de

la

pres

sion

(P

a)

Pa Pression chambre

Figure 6 : Scénario 2 - Augmentation de la Pression Studio2

Nous pouvons vérifier ce constat avec les courbes de température des 6 fenêtres de Studio1 (Figure 7). Les courbes commencent à dépasser T=100°C (température à laquelle les vitres se brisent) vers t=30s.

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Scénario 2 : Température Fenêtres Studio1

0,00E+00

5,00E+01

1,00E+02

1,50E+02

2,00E+02

2,50E+02

3,00E+02

3,50E+02

4,00E+02

4,50E+02

0,00E+00 2,00E+01 4,00E+01 6,00E+01 8,00E+01 1,00E+02 1,20E+02

Temps (s)

Tem

péra

ture

(°C

)

C det01

C det02

C det03

C det04

C det05

C det06

Figure 7 : Scénario 2 - Température des Fenêtres du Studio1

ANALYSE SUR LES CONDITIONS D'ENFUMAGE Tout d’abord, nous allons observer la circulation des fumées et la propagation des flammes. Dans les 2 scénarii, le feu au matelas se propage vers le bureau (il brûle par l’effet pyrolyse) et le canapé. La flamme sort parfois de la chambre. Après que le matelas est entièrement brulé, le canapé poursuit toujours sa réaction de combustion. Le bureau de la chambre voisine n’a pas été touché. Le mur à plâtre résiste bien au feu pendant 10 minutes. Pour Scénario 1, nous constatons que les portes des autres chambres tiennent pendant la durée de la simulation et les fumées n’entrent pas dans les autres chambres mais elles vont vite envahir la cage d’escalier et les couloirs. Dans Scénario 2, avec les portes ouvertes, l’incendie se passe presque comme dans Scénario 2 mais les fumées circulent facilement dans les chambres. Dans les deux cas, sauf celles de Studio1, aucune fenêtres n’ont été brisées. Nous avons placé des capteurs aux 5 endroits stratégiques dans le bâtiment à la hauteur d’homme (1,8m).

Numéro Location Commentaires 1 Studio 1 La survie de la personne près du foyer d’incendie 2 Couloir RDC Evacuation des habitants au RDC 3 Entrée et Foyer Evacuation de l’ensemble des habitants du

bâtiment 4 Cage d’escalier 1er étage Utilisation de l’escalier 5 Couloir 1er étage Evacuation des habitants au 1er étage

Les paramètres mesurés sont :

Grandeur Seuil d’acceptabilité Température 40°C

Coefficient d’extinction 0,4 m-1 Monoxyde de carbone 150 ppm

(ou 150.10-6mol de CO/mol de l’air) flux de chaleur 3 kW/m2

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Pour le flux de chaleur, le capteur mesure sur une surface de 1m2 à une hauteur de 0,8m du sol. Donc, on peut supposer qu’il mesure l’écoulement de la chaleur sur 1m2 à un endroit précis. Pour ce qui suit, referez-vous aux figures des annexes. Température Nous constatons que les 2 scénarii ont sensiblement les mêmes courbes. La température dans le foyer d’incendie éclipse les autres en montant jusqu’à 450°C. Tous les capteurs montrent que la température dans tous les coins du bâtiment dépasse le seuil de 40°C 5 minutes après le démarrage du feu. Mais les températures au 1er étage restes dans le voisinage de 50°C, pas loin du seuil d’acceptabilité. Coefficient d’extinction Le coefficient d’extinction sert à évaluer empiriquement la visibilité qui est indispensable pour l’évacuation des personnes. Nous constatons pour les 2 scénarii qu’à partir de 100 secondes après le départ du feu, la visibilité peut être considérée comme zéro. Les valeurs dépassent largement le seuil de 0,4 m-1. A la fin de l’incendie, ces coefficients au rez-de-chaussée diminuent exponentiellement alors qu’au 1er étage, ce changement est plus lent. Cela peut s’expliquer par le fait que les fumées peuvent s’évacuer à travers les fenêtres brisées et la porte d’entrée au rez-de-chaussée alors qu’elles sont bloquées au 1er étage sans voie de sortir. Monoxyde de carbone Nous constatons que la concentration volumique de CO au rez-de-chaussée évolue au même rythme pour les 2 scénarii. Au 1er étage, elle augmente plus rapidement dans Scénario 1. Cela peut être du au fait que les portes au 1er étage sont bien fermées dans Scénario 1, piégeant le CO dans le couloir. Dans Scénario 2, le CO peut occuper plus de volume en entrant dans tous les chambres. Globalement, ces courbes nous montrent que l’évacuation immédiate des personnes est impérative lors d’un incendie car on atteint très rapidement le seuil de 1,5.10-4mol de CO/mol de l’air, à peine 10 secondes au rez-de-chaussée et moins de 20 secondes au 1er étage. Flux de chaleur La courbe du flux de chaleur au foyer d’incendie n’a pas été inclus dans les graphes car les valeurs sont trop grandes et cela rendre difficile la tâche d’évaluation des autres courbes. Nous remarquons que dans le couloir au rez-de-chaussée, les flux de chaleur ont les mêmes ordres de grandeur pour les 2 scénarii. A l’entrée du bâtiment, dans la cage d’escalier et dans le couloir au 1er étage, les valeurs de Scénario 2 sont plus petites que celles de Scénario 1. En effet, comme dans le cas de monoxyde de carbone, Scénario 2 laisse circuler de la chaleur dans un volume plus grand grâce à l’accès dans les autres chambres. La température au 1er étage dans Scénario 2 ne dépasse pas le seuil dangereux.

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CONCLUSION D’après les résultats de la modélisation, nous pouvons conclure que lors d’un incendie dans cette résidence, 10 à 20 secondes après le démarrage du feu jusqu’à environs 5 minutes, les conditions de vie au sein du bâtiment commencent à être insupportables. Au-delà de cette période, il est très dangereux de rester dans l’immeuble. Pourtant, nous devons se méfier avec ces résultats car les hypothèses que nous avons intégrées dans la simulation afin de simplifier les calculs puissent nous éloigner de la réalité. Néanmoins c’est déjà un bon début de pouvoir apprécier la gravité du risque incendie dans une résidence typique de l'INSA.

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ANNEXES Température

Scénario 1 : Température

0,00E+005,00E+011,00E+021,50E+022,00E+022,50E+023,00E+023,50E+024,00E+024,50E+025,00E+02

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

Tem

péra

ture

(°C

) 1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

5 couloir etage1

5 couloir etage1

Scénario 2 : Températures

0,00E+00

5,00E+01

1,00E+02

1,50E+02

2,00E+02

2,50E+02

3,00E+02

3,50E+02

4,00E+02

4,50E+02

5,00E+02

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

Tem

péra

ture

(°C

) 1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

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Coefficient d’extinction

Scénario 1 : Coefficient d'extinction

-5,00E+00

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

3,00E+01

3,50E+01

4,00E+01

4,50E+01

5,00E+01

0,00E+00 2,00E+02 4,00E+02 6,00E+02 8,00E+02

Temps (s)

Coe

ff d'

extin

ctio

n (1

/m)

1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

Scénario 2 : Coefficient d'extinction

-5,00E+00

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

3,00E+01

3,50E+01

4,00E+01

4,50E+01

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

Coe

ff d'

extin

ctio

n (1

/m)

1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

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Monoxyde de carbone

Scénario 1 : Monoxyde de carbone

-5,00E-04

0,00E+00

5,00E-04

1,00E-03

1,50E-03

2,00E-03

2,50E-03

3,00E-03

3,50E-03

4,00E-03

0,00E+00 2,00E+02 4,00E+02 6,00E+02 8,00E+02

Temps (s)

CO

(m

ol/m

ol) 1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

Scénario 2 : Monoxyde de carbone

-5,00E-04

0,00E+00

5,00E-04

1,00E-03

1,50E-03

2,00E-03

2,50E-03

3,00E-03

3,50E-03

4,00E-03

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

CO

(m

ol/m

ol) 1 chambre

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

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Flux de chaleur

Scénario 1 : Flux de chaleur

-5,00E+00

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

Flu

x de

cha

leur

(kW

/m2)

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1

Scénario 2 : Flux de chaleur

-5,00E+00

0,00E+00

5,00E+00

1,00E+01

1,50E+01

2,00E+01

2,50E+01

0,00E+00

1,00E+02

2,00E+02

3,00E+02

4,00E+02

5,00E+02

6,00E+02

7,00E+02

Temps (s)

Flux de

cha

leur

(kW

/m2)

2 couloir rdc

3 entrée rdc

4 escalier etage1

5 couloir etage1