Nous protégeons l’essentiel® ECA 2008

Potentialité des modèles de calcul en matière de désenfumage

Journée SSPS 05.05.2011

Désenfumage & Installations aérauliques

Didier Guignard, ECA Vaud

Nous protégeons l’essentiel2® ECA 2008

Des fumées et des hommes…

Sources: feuerwehr.ch, lavoixdunord.fr, lemainelibre.fr

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

Nous protégeons l’essentiel3® ECA 2008

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

Nous protégeons l’essentiel4® ECA 2008

Eléments-clé: Naturel / Mécanique Surfaces, débits Emplacements, répartition Mise en fonction, asservissement

Dimensionner les installations de désenfumage?

Source: socialisteachasseneuil.blogspot.com

Méthodes de dimensionnement

Valeursprescriptives

Approches performantielles

(ingénierie)

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Dimensionner le désenfumage? – Une synthèse CH, F, D

Débit d’extraction, selon affectation, surface + hauteur local et hauteur libre de fumées. Principes détaillés à respecter. Exemples:DIN 18232-5 (D)Notices du GVZIT246 (F)

% 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)

Etats de la Technique, documents de référence

Selon calcul, basé sur scénarios feu, solution technique et objectifs de protection. Exemples: Recommandation ECADocument SICC (?)VDI 6019 (D)

Débits: non précisés.Principes généraux (?) àrespecter.

Mécanique

Selon calcul, basé sur scénarios feu, solution technique et objectifs de protection.Exemples: Recommandation ECADocument SICC (?)VDI 6019 (D)

1-2-5-10% de surface au sol. Principes généraux (?) àrespecter.

Naturel

Concept spécial (avec calcul d’ingénieur)

Cas ’’simple’’AEAI

Installations de ventilation par surpression: EN 12101-6

Nous protégeons l’essentiel6® ECA 2008

Désenfumage et concepts de protection incendie

80%

5%15%

Bâtiments "simples": Solutionsstandards

Bâtiments avec concept desécurité - Solution standardpour le désenfumage

Bâtiments avec concept desécurité - Désenfumage avecsimulation feu

ProjetProjet ConceptConcept PreuvePreuve EvaluationEvaluation DDéécisioncision

Autorité Calculsd’ingénierieArchitecte Maître

d’ouvrageInstallateurtechnique

Conseillerincendie

SpécialisteCVSE

Sources: www.buzzecolo.com, Honeywell, Wikipedia, SICC

Nous protégeons l’essentiel7® ECA 2008

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.

Optimisation énergétiqueAérodynamisme Prévisions météorologiques

Nous protégeons l’essentiel8® ECA 2008

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 …

Nous protégeons l’essentiel9® ECA 2008

Modèles à zones(dérivés d’équations empiriques)

Modèles à champs(CFD)

Modèles de simulation feu

Modèles pour le calcul de structures

Modèles pour l’évacuation

Source: International Fire Consultants Ltd.

Nous protégeons l’essentiel10® ECA 2008

Modèles à zones(dérivés d’équations empiriques)

Modèles à champs(CFD)

Modèles de simulation feu

Modèles pour le calcul de structures

Modèles pour l’évacuation

Source: International Fire Consultants Ltd.

Nous protégeons l’essentiel11® ECA 2008

Processus de combustion

Augmentation des débits massiques/volumiques par dilution continue

avec l‘air

Dilution desparticules

PANACHE DE FUMÉES

Particules incombustibles et

partiellement imbrûlées

Aspiration d‘air par dépression

Rayonnement

Ascension des gaz (effet

thermique)

Mélange air-fumées

Evaporation / pyrolyse

Source: Sicherheitsinstitut

Nous protégeons l’essentiel12® ECA 2008

Débit massique d’un panache de fumées: (selon DIN 18232-2)

– Thomas & Hinkley

– Zukoski

Lien entre concentration de suies (fumées) et visibilité:

Exemple de corrélations empiriques

m = 0.1888 . d3/2 . Um: débit de fumées (kg/s)d: hauteur libre de fumées (m)U: périmètre du foyer (m)Q: puissance convectée (kW)zo: origine virtuelle (m)m = 0.076 . Q1/3 . (d-zo)5/3

S = ~ =E 8 0.395

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)

Nous protégeons l’essentiel13® ECA 2008

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

Nous protégeons l’essentiel14® ECA 2008

Modèles à zones

Source: MRFC

CFast, MRFC, Ozone, ASET, Branzfire, Figaro…

Nous protégeons l’essentiel15® ECA 2008

Que se passe-t-il dans le modèle?

? !

IN OUTBOÎTE

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 …

Géométries Ouvrants, portes, exutoires, ventilateurs Asservissements Conditions initiales Scénarios de feu …

Hauteur libre de fumées Températures couche / couche libre de fumées Pression Hauteur de flamme Concentrations des gaz (O2, CO, CO2, H2O, …) …

Nous protégeons l’essentiel16® ECA 2008

Modèles à champ (Computational Fluid Dynamics)

Source: FDS, NIST

CFX, FDS, Flovent, Fluent, Jasmine, Smartfire…

Nous protégeons l’essentiel17® ECA 2008

Modèles à champ (CFD)

Conservation de la masse

Conservation de l’énergie

Conservation de la quantité de mouvement

etc...

Divise le compartiment considéré en de multiples cellules (105 - 107)

Résolution d’équations différentielles dans chaque cellule (exemples):

Nous protégeons l’essentiel18® ECA 2008

Réalité ou fiction? Exemple de la reconstitution du sinistre de Rhode Island (USA)

Discothèque - Vue du dessus (2.5 m par rapport au sol)

Nous protégeons l’essentiel19® ECA 2008

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (1)

10secondes

19 secondes

Nous protégeons l’essentiel20® ECA 2008

23secondes

53/60 secondes

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (2)

Nous protégeons l’essentiel21® ECA 2008

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (3)

100secondes

160 secondes

110 secondes

Nous protégeons l’essentiel22® ECA 2008

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (4)

176secondes

289 secondes

Nous protégeons l’essentiel23® ECA 2008

Reconstitution du sinistre de Rhode Island (5)

337/300secondes

Toutefois, aujourd’hui en Suisse, l’utilisation principale des modèles de feu est le dimensionnement d’installations de désenfumage.

Nous protégeons l’essentiel24® ECA 2008

Objectifs de protection et critères de performance associés

Scénarios d’incendie et comportementaux

Projet de conception (mesures de sécurité)

Evaluation de la conception vis-à-vis du scénario

Périmètre du projet

Identification des dangers

Sélection des méthodes d’ingénierie

Mise en œuvre du projet

Critères de performance

satisfaits?

OUINON

Discusssion paramètres de départDirectives AEAI 22-03, 5.1

Discussion des résultats / ApprobationDirectives AEAI 22-03, 5.3

Source: (ISO 23932:2009)

Contrôle de réception Directive AEAI 22-03, 6.2

Cadre d’application de l’ingénierie feu

Exigences AEAI

Nous protégeons l’essentiel25® ECA 2008

Objectifs de protection et critères de performance associés

Scénarios d’incendie et comportementaux

Evaluation de la conception vis-à-vis du scénario

Périmètre du projet

Identification des dangers

Sélection des méthodes d’ingénierie

Mise en œuvre du projet

Critères de performance

satisfaits?

OUINON

Discusssion paramètres de départDirectives AEAI 22-03, 5.1

Discussion des résultats / ApprobationDirectives AEAI 22-03, 5.3

Source: (ISO 23932:2009)

Contrôle de réception Directive AEAI 22-03, 6.2

Cadre d’application de l’ingénierie feu

Projet de conception (mesures de sécurité)

Exigences AEAI

Nous protégeons l’essentiel® ECA 2008

Edition de prescriptions

+

AEAI

(directive 22-03)

Etats de la technique

SICC(BT 101- 04)

Mise en œuvrede prescriptions

Annexe 1Addenda

Document ECARecommandation de mise

en œuvre

Autorité compétente (ECA)

Architectes / ingénieurs

Interface Editeurs de prescriptions / Autorités / Planificateurs

Nous protégeons l’essentiel® ECA 2008

Edition de prescriptions

+

AEAI

(directive 22-03)

Etats de la technique

SICC(BT 101- 04)

Mise en œuvrede prescriptions

Annexe 1Addenda

Document ECARecommandation de mise

en œuvre

Autorité compétente (ECA)

Architectes / ingénieurs

Interface Editeurs de prescriptions / Autorités / Planificateurs

Nous protégeons l’essentiel28® ECA 2008

"Recommandation ECA Vaud d'application des méthodes d'ingénierie lors de l'utilisation de modèles de simulation"

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

Contenu:– Cadre général de la simulation feu – Ce que l'autorité doit savoir – Ce que le bureau spécialisé doit fournir

Nous protégeons l’essentiel29® ECA 2008

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

Nous protégeons l’essentiel30® ECA 2008

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

Nous protégeons l’essentiel31® ECA 2008

Objectifs du désenfumage

Evacuation autonome Sauvetage Lutte contre le feuLutte contre le feuPré-évacuation Evacuation

Temps d’évac < 10 minutes

Limite de réanimation

Délai de sauvetage 15-20 minutes DDéélai dlai d’’intervention 30 minutesintervention 30 minutes

DEFENSE INCENDIESource: adapté de vfdb TB 04-01 (2009)

Puissance de feu

PREVENTION INCENDIE

Nous protégeons l’essentiel32® ECA 2008

Objectifs « standards » de désenfumage

Indicateurs de « performance »

Visibilité > 20 / 35 mètres pour les personnes> 10 mètres pour les pompiers

Hauteur sans fumée > 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)

Nous protégeons l’essentiel33® ECA 2008

Illustration d’une visibilité à 35 mètres

Nous protégeons l’essentiel34® ECA 2008

Illustration d’une visibilité à 20 mètres

Nous protégeons l’essentiel35® ECA 2008

Illustration d’une visibilité à 10 mètres

Nous protégeons l’essentiel36® ECA 2008

Scénario de feu: Exemple d‘un feu de bureau

Source: NIST

Nous protégeons l’essentiel37® ECA 2008

Développement d‘un feu de bureau (1)

Source: NIST

Nous protégeons l’essentiel38® ECA 2008

Développement d‘un feu de bureau (2)

Source: NIST

Nous protégeons l’essentiel39® ECA 2008

Scénario d‘un feu de bureau

Source: NIST

Nous protégeons l’essentiel40® ECA 2008

Scénario d‘un feu de bureau

Scénario de feu « bureau » ECA

Source: NIST

Nous protégeons l’essentiel41® ECA 2008

Scénarios de feu

0

2'000

4'000

6'000

8'000

10'000

0 300 600 900 1'200 1'500 1'800

temps [secondes]

puis

sanc

e [k

W]

muséepetit mall, cuisinerestaurant, cafétériagrand mall, bureau, logementcentre commercialparkinglocaux de stockage

muséepetit mall, cuisinerestaurant, cafétériagrand mall, bureau, logementcentre commercialparkinglocaux de stockage

temps [secondes]

puis

sanc

e [k

W]

Nous protégeons l’essentiel42® ECA 2008

Installations techniques et désenfumage

Mise en fonction, asservissements

Influence sur scénario de feu

Contrôle nécessaire (test intégral)

Fiabilité… Rapidité… Simplicité…

Nous protégeons l’essentiel43® ECA 2008

Conception d’une installation de désenfumage (exemple)

Nous protégeons l’essentiel44® ECA 2008

Preuves de désenfumage (exemples)

Nous protégeons l’essentiel45® ECA 2008

Qu’est-ce qu’un concept de désenfumage?

Concept de désenfumage

Mise en fonction, asservissements

Preuve par le calcul

Conception, dimensionnement

Objectifs de protection

Garantie de fonctionnement

Cadre légal, contraintes

Nous protégeons l’essentiel46® ECA 2008

Peut-on croire les modèles?

Le modèle… L’incendie correspondant…

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.

Nous protégeons l’essentiel47® ECA 2008

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?

Modèles: Validation et Vérification

Nous protégeons l’essentiel48® ECA 2008

Plausibilité des 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

Paramètres de départ Résultats

? !

Source: forum-auto.com

Nous protégeons l’essentiel49® ECA 2008

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

Nous protégeons l’essentiel50® ECA 2008

En conclusion…

Merci pour votre attention!

Merci pour votre attention!

Source: clio-photo

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.

Nous protégeons l’essentiel51® ECA 2008

Comparaison tests / modèles de calcul

Source: CFast, FDS, MRFC, Ozone