Structures en béton en situation d’incendie > Scénarios d’incendie pris en compte

Le premier scénario correspond à la situation suivante. Le feu se déclare au pied d’un poteau tout proche des racks de stockage (Pour cet exemple nous avons supposé un mode de stockage en racks). L’extension verticale du feu est rapide (quelques minutes > Des essais ont montré que le dernier niveau de rayonnages brûlait en une à deux minutes après l’allumage au pied). Le poteau se trouve sollicité sur toute sa hauteur et la poutre est localement, au droit du foyer, sollicitée selon la même intensité que le poteau. L’intensité de l’action thermique résultant de ce scénario est caractérisée par la température des flammes et des gaz chauds de combustion. Sa durée dépend de la nature des produits stockés, de leur conditionnement, du taux de remplissage des rayonnages… Elle ne peut donc être connue qu’approximativement. De plus, le feu s’étend et les gaz chauds remplissent le canton et s’accumulent au plafond. L’action thermique initiale, causée par le démarrage du feu cède sa place ensuite à une action thermique caractérisée par la température des gaz chauds sous le plafond. Par ailleurs, durant la même période, le combustible proche du poteau s’épuise et l’action thermique en pied de poteau décline. Dans ces conditions, la durée de l’action thermique, due à la flamme et aux gaz de combustion, sur toute la hauteur du poteau et localement sur la poutre est fixée à 10 minutes. Ensuite, l’action thermique sur la partie haute du poteau et des poutres du canton est due à la température de la couche chaude. C’est le deuxième scénario retenu. Sa durée est difficile à connaître avec précision. Elle correspond à la phase de pré-inflammation généralisée. C’est pendant cette phase que les mesures de mise en sécurité agissent. Activation du désenfumage par ouverture des exutoires par exemple. Nous avons retenu sur cet exemple une durée de 35 minutes. Ensuite le feu est pleinement développé. La température est élevée. C’est le troisième scénario retenu. Cette phase de feu intense et généralisé peut s’étendre sur plusieurs heures. Pour les calculs nous avons limité sa durée à 2 heures.



Il existe de nombreux scénarios de feux possibles. On se préoccupe de feux intenses.

On cherche à étudier un nombre de scénarios limité pour en tirer des enseignements.

Aussi, les scénarios présentés ci-dessous ont été choisis de façon à ce que chacun représente des situations de feu ou d’incendie différentes et réalistes. Selon le nombre de portes ouvertes, le nombre d’exutoires ouverts et l’instant d’ouverture de ces derniers, depuis le premier allumage, jusqu’à l’embrasement généralisé de la cellule en passant par un feu occupant tout ou partie d’un canton, 5 situations ont été considérées :

1. feu localisé,
2. feu sévère à l’intérieur d’un canton,
3. feu développé sur ¼ de la surface d’un canton,
4. feu développé dans un canton,
5. feu généralisé dans une cellule, lorsque la couverture a disparu.

Feu localisé : scénario 0

On admet par exemple l’allumage accidentel d’un premier objet entreposé dans un rayonnage au niveau du sol de la zone de stockage. Le volume investi par les flammes dans les rayonnages augmente par l’effet des échanges thermiques convectifs et radiatifs entre les flammes, panaches, et écoulements gazeux. L’extension verticale du feu est très rapide. On peut considérer un embrasement sur toute la hauteur du rayonnage entre la première et la deuxième minute.

=> Ventilation du foyer
Le volume d’air présent dans la cellule est suffisant pour permettre le développement de ce feu. Il n’est donc pas nécessaire que des portes extérieures soient ouvertes.

=> Sollicitation thermique sur les cibles
l’application de formules de corrélation permet de calculer la hauteur de la flamme surmontant le dernier de rayonnage. La valeur de la hauteur de la flamme (quelques m) est le plus souvent supérieure à la distance entre le sommet du rayonnage et la toiture.

Si le feu démarre dans un rayonnage à proximité d’un poteau, alors on considérera qu’il est sollicité par la flamme sur toute sa hauteur.

Si le rayonnage est situé à l’aplomb d’une poutre, alors on considérera que la partie de la poutre située au-dessus du rayonnage sera sollicitée par la flamme dans un rayon de 5 m.

Pour les calculs, on a donné à la température moyenne des gaz chauds une valeur maximale majorante de 850 °C.

Les conditions de combustion d’un objet entreposé en rayonnage varient naturellement selon la nature du combustible (bois, carton, plastique), ses dimensions, sa géométrie mais aussi selon les dimensions et la géométrie des objets qui l’entourent.

Il est par conséquent bien difficile de connaître avec précision le débit massique de pyrolyse, donnée indispensable permettant d’estimer la durée du feu. On peut seulement admettre que la combustion d’objets entreposés en rayonnage est rapide et intense.

Pour les calculs, la durée de cette phase de feu est estimée à 10 minutes. La température du milieu gazeux atteint la valeur 850 °C après 60 s. La température est maintenue à ce niveau durant 10 minutes.

Feu sévère : scénarios 1, 2, 3, 4 et 4-1

La première phase de démarrage (scénario 0) est suivie de celle de l’extension du feu aux rayonnages voisins. La chronologie des événements successifs (allumages successifs, effondrement, déversement) devient alors pratiquement impossible à prévoir et à représenter à l’aide d’une approche par le calcul même si on pouvait utiliser un critère de propagation pour un matériau donné, par exemple un critère de température, ce critère n’aurait plus de valeur en cas de chute de produits enflammés des rayonnages. On peut néanmoins considérer qu’elle aboutit à un feu impliquant une grande quantité de combustible, libérant ainsi un débit calorifique de plusieurs MW sur une surface de stockage croissante.

Pour les calculs, on considère qu’à cinq minutes une surface égale à 30 m² est impliquée par le feu, libérant une puissance maximale de 9 MW (300 kW/m²) pendant 5 minutes. L’examen des conditions de danger sur les cibles portera sur les dix à quinze premières minutes.

=> Ventilation du foyer
L’oxygène présent dans la cellule n’est plus en quantité suffisante pour permettre un développement du feu. Des ouvertures supplémentaires sont nécessaires. Différents états d’ouverture des portes d’accès aux quais et des exutoires de fumées sont examinés. Ces configurations correspondent aux scénarios 1, 2, 3, 4 et 4-1.

=> Sollicitation thermique sur les cibles
Nous avons vu que durant la phase précédente (scénario 0) la sollicitation thermique de cibles placées en plafond est due à la flamme et à son panache thermique. Un débit de gaz chauds et de fumées en résultant, provoque la création puis le remplissage d’une couche de fumée s’étalant sous le plafond. Le temps s’écoulant, l’épaississement de la couche de fumée conduit à une sollicitation thermique du plafond pour laquelle la contribution de la couche de fumée augmente et celle de la flamme et de son panache diminue. Ce phénomène s’accentue à mesure que l’épaisseur de couche de fumée augmente.

Après quelques minutes, la sollicitation thermique de cibles placées en plafond est exclusivement due aux gaz chauds à son contact.

Le calcul de l’action thermique (température de la couche de gaz chauds) a été effectué ici à l’aide d’un modèle à 2 zones. Il est bien sûr possible d’utiliser un modèle de calcul plus fin de type modèle de champ.

Feu développé : scénarios 5, 6, 7 et 8

Ces scénarios considèrent une extension plus rapide du feu que les scénarios précédents. La surface impliquée par le feu est égale au quart de la surface d’un canton, soit 312 m². Le débit calorifique maximal atteint 93 MW en cinq minutes.

=> Ventilation du foyer
L’influence de l’état des portes d’accès aux quais et des exutoires de fumées sur l’enfumage et les températures atteintes par les gaz est examinée. Ici plus encore qu’aux scénarios précédents des ouvertures sur l’extérieur sont nécessaires pour atteindre le débit calorifique considéré. Ici encore 4 configurations d’état des ouvertures ont été examinées.

=> Sollicitation thermique sur les cibles
La température des gaz chauds dans la cellule a été calculée à l’aide d’un modèle à 2 zones gazeuses.

Incendie d’un canton : scénarios 9, 10, 11 et 12

La surface impliquée par le feu est égale à celle d’un canton, soit 1 250 m². Le débit calorifique maximal atteint 375 MW en quinze minutes. À ce niveau de puissance la quantité de combustible présent permet une durée de l’incendie de plusieurs heures.

=> Ventilation du foyer
Pour permettre un tel débit calorifique il est nécessaire que toutes les portes d’une cellule soient ouvertes, ainsi que les exutoires de fumées. La surface utile d’exutoires ainsi que l’instant d’ouverture de ces derniers sont les paramètres de ces scénarios.

=> Sollicitation thermique sur les cibles
La température des gaz chauds dans la cellule a été calculée à l’aide d’un modèle à deux zones.

Incendie d’une cellule : scénarios 13

Il est admis désormais la ruine partielle de la structure et de l’enveloppe de l’entrepôt. Dans cette situation, sauf à connaître les dimensions et positions des ouvertures créées par le feu, il est difficile de simuler dans le cas général les conditions thermiques dans la cellule. On peut toutefois admettre que les ouvertures seront de dimensions suffisamment importantes pour libérer des gaz chauds accumulés dans l’entrepôt à l’extérieur. Il en résulte que la température dans l’entrepôt ne pourra pas atteindre le même niveau que s’il était resté intègre. La température que nous pourrions alors retenir serait alors plutôt voisine de la température moyenne de flamme.

La cible principale envisagée pour ce feu serait plus spécifiquement le mur d’enceinte de l’entrepôt, c’est-à-dire le bardage et les poteaux. En effet, on peut admettre que l’ouverture créée suppose la ruine des poutres supportant la partie de la couverture ouverte. Dans la mesure où le feu est très sévère et qu’il concerne l’ensemble d’une cellule on peut admettre que la sollicitation sur les cibles est uniforme.

On admettra de façon conservative que le feu le plus intense est à proximité de la cible et que sa combustion débute. Ainsi l’action thermique résulte de la situation de feu antérieure à la ruine locale et de la combustion des objets entreposés à proximité de la cible concernée.

La durée de la sollicitation peut être appréhendée de plusieurs façons. Nous proposons de retenir une durée conventionnelle comprise entre 1 h et 2 heures car le calcul d’une durée du feu précise semble hors de portée. En effet, celle-ci dépend de nombreux facteurs qu’il est bien difficile de connaître même au cas par cas.

Ces facteurs sont les suivants : histoire de l’action thermique avant la ruine, mode d’entreposage (tas, rack), taux de remplissage, nature des objets combustibles.

Le choix de cette durée s’appuie sur les durées de feu retenues pour les poids lourds (instruction technique tunnel), où le chargement peut être assimilé à un stockage voisin de celui rencontré en entrepôt.

=> Ventilation du foyer
Pour permettre un tel débit calorifique il est nécessaire que toutes les portes d’une cellule soient ouvertes, ainsi que les exutoires de fumées. De plus, les lanterneaux servant à l’éclairage naturel doivent être ruinés. La surface d’ouverture en toiture dépasse alors 200 m².

=> Sollicitation thermique sur les cibles
Pour les calculs, on a donné à la température moyenne des gaz chauds de 900 °C.

Pour les calculs, la durée de cette phase a reçu la valeur 2 heures.

Le tableau ci-dessous regroupe les 5 scénarios de feu considérés associés à 14 configurations. Dans la suite nous noterons le scénario de chaque configuration.

Stade de développement du feu	Cible	N° scénario	Ventilation des foyers
Feu localisé	Structure	0	Le volume d’air de la cellule est suffisant pour assurer la combustion de plusieurs tonnes de matériau combustible
Feu sévère sur une partie d’un canton	Structure	1	1 porte d’accès au quai ouverte
		2	3 portes ouvertes
		3	1 porte ouverte et exutoires cellule ouverts
		4	1 porte ouverte et exutoires cellule ouverts à 3 minutes
		4-1	1 porte ouverte et exutoires canton ouverts à 3 minutes
Feu développé sur ¼ de canton	Structure	5	1 porte d’accès au quai ouverte
		6	3 portes ouvertes
		7	6 portes ouvertes
		8	6 portes ouvertes et exutoires cellule ouverts à 3 minutes
Incendie du canton	Structure	9	9 portes ouvertes
		10	9 portes ouvertes et exutoires cellule ouverts
		11	9 portes ouvertes et exutoires canton ouverts à 3 minutes
		12	9 portes ouvertes et exutoires cellule ouverts à 3 minutes
Incendie de la cellule	Structure	13	Perte de compartimentage en toiture. Ouvertures importantes dans la couverture laissant échapper flammes et gaz chauds vers l’extérieur

Les figures 11 et 12 représentent l’évolution temporelle de la température des gaz autour d’un poteau (scénario 0) ou sollicitant le mur extérieur lorsqu’une ouverture en couverture existe (scénario 13) et du débit calorifique (scénarios 1 à 12).

Résultats des simulations

Les figures 13 à 18 représentent les évolutions temporelles de la température des gaz chauds (figures 13, 15, 17) et de la hauteur libre (figures 14, 16, 18).

Actions thermiques sur les structures

Les résultats des calculs démontrent les points suivants.

=> Feu sévère : scénarios 1 à 4 (figures 4 et 5)

• Que la grande quantité de fumée générée par la combustion des produits conduit à un remplissage rapide de la cellule sans ouverture des exutoires de fumées (Sc1 et Sc2). La température des gaz chauds augmente et approche 100 °C à quinze minutes (figure 13). Ce niveau de température reste cependant sans danger pour les éléments de structure situés loin du foyer.
• Qu’une partie de cette même quantité de fumée est extraite par les exutoires conduisant à limiter le remplissage de la cellule (Sc3). Dans le cas où les exutoires d’un seul canton sont ouverts (Sc4-1), on relève une hauteur libre de 7 m (figure 14). Cette dernière augmente encore si tous les exutoires de la cellule sont ouverts (Sc4). La température moyenne de la couche de fumée est alors inférieure à celle qu’on observait exutoires fermés. Elle reste a fortiori sans danger pour les éléments de structure situés loin du foyer (figure 4).
• Que l’ouverture des exutoires du canton comme des cantons voisins contribue à diminuer la température des gaz chauds accumulés sous le plafond de la cellule.
• Que, finalement, dans cette première phase de feu, la température des gaz chauds accumulés sous le plafond reste sans danger pour la structure.

=> Feu développé sur ¼ de canton : scénarios 5 à 8 (figures 15 et 16)

• Que la température des gaz chauds dépasse 500 °C (Sc5, Sc6 et Sc7) valeur susceptible de conduire à allumage rapide des objets combustibles en contact de ces gaz (« flash over »), voir figure 15. Remarque : cette situation est de nature à entraîner brutalement des conditions intenables pour les occupants présents comme pour les secours.
• Qu’en revanche, l’ouverture rapide de l’ensemble des exutoires de l’entrepôt (Sc8) conduit à limiter le remplissage de fumée de la cellule. La hauteur libre s’établit à 9 m (figure 7) et la température moyenne des gaz atteint 200 °C (figure 5).
• Qu’ainsi, pour un feu très sévère de plusieurs dizaines de MW impliquant une grande quantité de combustible, l’ouverture rapide des exutoires de fumées de toute la cellule conduit à une température des gaz chauds nettement plus faible.
• Qu’en tout état de cause, à ce stade de développement du feu, le niveau de la température des gaz chauds est alors susceptible de causer des désordres mécaniques à la structure.

=> Feu développé du canton : scénarios 9 à 12 (figures 17 et 18)

• Qu’au-delà d’un stade de développement impliquant la taille d’un canton, la température des gaz chauds atteint plusieurs centaines de degrés à l’intérieur de la cellule (figure 17).