Aspects physico-chimiques de la décomposition thermique des polymères

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Les transferts thermiques dans le matériau

Lorsqu’un matériau est soumis à une sollicitation thermique, le bilan énergétique à la surface s’écrit de la manière suivante :
Convection conduction
rayonnement
source
interne
L’équation (1) fait alors apparaitre quatre mécanismes entrant en jeu dans l’échauffement de la surface d’un matériau : la convection, la conduction, le rayonnement et une source d’énergie interne. Dans cette équation, Ts représente la température à la surface du solide et Tair la température de l’air ambiant.
La convection est un mécanisme de transfert de chaleur se produisant vers ou à partir du solide impliquant des mouvements internes ou du fluide environnant. Le coefficient de transfert associé, appelé coefficient de transfert convectif, h en W.m-2.K-1, n’est pas une constante propre au matériau mais dépend des caractéristiques du système, de la géométrie du solide et des propriétés du fluide. Il est également fonction de la température. La détermination de ce coefficient est toujours un axe majeur de recherche dans le domaine de la mécanique des fluides tant de nombreux paramètres sont à considérer. Des valeurs comprises entre 5 et 25 W.m-2.K-1 sont avancées pour des échanges sous forme de convection naturelle et entre 10 et 500 W.m-2K-1 pour de la convection forcée (i.e. lorsque le flux d’air est forcé mécaniquement) dans l’air. Les transferts de chaleur par convection sont développés plus en détail dans les références suivantes : (DRYSDALE, 1999) et (ATREYA, 2002).
La conduction est un mode de transfert associé aux solides qui engendre une transmission de la chaleur de la zone chaude vers la zone froide. La quantité de chaleur transmise dépend de λ la conductivité thermique du matériau considéré (W.m-1.K-1). Pour plus de détails sur le transfert de chaleur par conduction, se référer à (DRYSDALE, 1999) et (ROCKETT, et al., 2002).
Le dernier mode de transfert de chaleur est le rayonnement. Selon la loi de Stefan-Boltzmann, l’énergie émise par un corps est proportionnelle à la température du corps à la puissance 4. La quantité d’énergie reçue par le matériau considéré dépend alors de σ, la constante de Boltzmann qui vaut 5,67.10-8 W.m-2.K-4 et d’ε, l’émissivité du matériau. Un corps noir, considéré comme un parfait émetteur, a une émissivité égale à 1. Enfin, dans l’équation
(1), F est le facteur de forme radiatif qui dépend des relations géométriques entre le corps qui émet et celui qui reçoit. Plus de détails sur les transferts de chaleur par rayonnement peuvent être trouvés dans (DRYSDALE, 1999) et (TIEN, et al., 2002).
Enfin, un dernier terme est présent lors de l’écriture du bilan énergétique, il s’agit de la source interne de chaleur. Pour certains matériaux, des réactions chimiques se produisent au sein du matériau. Ces réactions peuvent être exothermiques et donc fournir de l’énergie supplémentaire au matériau ou endothermiques et agissent alors comme puits énergétique. L’effet Joule créé par la dissipation d’énergie dans un fil électrique permet d’illustrer cette notion de source interne de chaleur.

Comportement thermique d’un solide.

Lorsqu’un solide est soumis à une sollicitation thermique, deux principaux comportements peuvent être distingués : thermiquement mince ou thermiquement épais.
Un solide est dit mince (ou fin) lorsque son inertie thermique est suffisamment faible pour pouvoir considérer comme uniforme, la température en tout point de son volume. Ainsi, une faible quantité d’énergie est nécessaire pour atteindre sa température d’inflammation ; les solides thermiquement minces ont donc tendance à s’enflammer rapidement lorsqu’ils sont soumis à une source de chaleur suffisante. A l’inverse, la chaleur apportée à un solide thermiquement épais sera diffusée par conduction au sein du volume, ce qui limitera l’augmentation de température de la surface du matériau. L’inflammation sera d’autant plus lente que l’inertie thermique du solide est importante. La caractérisation du comportement thermique du matériau est donc primordiale pour déterminer ses propriétés d’inflammation.
Le premier critère permettant de définir si un solide peut être considéré comme thermiquement fin ou non est le nombre de Biot. Ce nombre adimensionné est défini comme suit : (2)
Dans cette équation, h représente le coefficient de transfert convectif et / ou radiatif selon la nature de la sollicitation thermique appliquée à la surface du matériau, L une longueur caractéristique (généralement l’épaisseur du matériau) et λ la conductivité thermique du matériau. Il est communément admis qu’un solide a un comportement thermiquement fin lorsque son nombre de Biot est très inférieur à 0,1 i.e. que les effets de la conduction prévalent sur les échanges thermiques en surface.
L’application de l’équation (2) requiert donc la connaissance du coefficient d’échanges thermiques convectifs et / ou radiatifs. Cette donnée est toutefois difficilement déterminable dans de nombreuses situations. Un autre critère d’évaluation du comportement thermique des solides est donc nécessaire.
Une autre approche consiste à évaluer la profondeur de pénétration de la sollicitation thermique dans l’épaisseur du matériau. Lorsqu’un corps est soumis à un flux de chaleur surfacique, une onde thermique diffuse dans l’épaisseur. Dès lors, un corps sera considéré comme thermiquement épais lorsque la profondeur caractéristique de pénétration de la sollicitation thermique δt(t) est inférieure à son épaisseur L. L’expression de cette variable physique est la suivante. (3)
Dans l’équation (3)(3), a représente la diffusivité thermique du matériau et a pour expression (4)
Dès lors, lorsque δt(t) devient supérieure à l’épaisseur L, la température est considérée comme uniforme au sein du solide. L’élément considéré a donc un comportement thermiquement fin. Afin de disposer d’ordres de grandeurs pour les principales propriétés des matériaux, le Tableau 2 donne les valeurs de quelques propriétés thermiques de matériaux d’usage courant.

L’outil numérique dans l’investigation

La motivation principale des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit est de disposer d’une méthode permettant de comparer les résultats de simulations numériques avec la scène d’incendie finale. Cette comparaison vise à valider une des hypothèses élaborées par l’investigateur durant son enquête. La simulation numérique dans l’investigation incendie constitue donc un outil supplémentaire mis à la disposition des enquêteurs dans le cadre d’investigations post-incendie. Un très grand nombre de modèles sont toutefois disponibles. La connaissance des caractéristiques de chaque code permettra de déterminer le code le plus à même de répondre aux questions de l’investigateur. Ce choix dépendra donc des questions posées par ce dernier et du contexte de l’affaire. Dans leurs publications respectives, (FRIEDMAN, 1992) puis (OLENICK, 2003) proposent une synthèse des outils existants.
Deux grandes familles de codes sont utilisées dans le domaine de la simulation d’incendie (que ce soit pour une application en sécurité incendie ou en investigation) : les codes à zone et les codes à champs. Ces deux approches reposent sur des bilans de masse et d’énergie. Cependant les modèles de zone proposent une vision simplifiée dans l’espace des phénomènes liés à l’incendie alors que les modèles à champs reproduisent avec plus de précision la physique du feu en chaque point.
Les deux paragraphes suivants proposent une vue d’ensemble des principales caractéristiques des deux familles de codes décrites précédemment. Des exemples d’applications à des investigations post-incendie seront ensuite présentés.

Les codes à zone

Le modèle de zone divise le compartiment dans lequel se produit l’incendie en deux volumes distincts, à partir de l’hypothèse de stratification thermique due aux phénomènes de flottabilité (PEACOCK, et al., 1993) :
• Un volume chaud de gaz en partie haute
• Un volume froid en partie basse, volume libre de fumées
• La zone foyer
• Le panache de fumée
Le feu est considéré comme une source d’énergie et de masse et le foyer lui-même et son panache ne sont pas intégrés aux deux volumes définis précédemment mais agissent comme une pompe enthalpique entre la couche inférieure et la couche supérieure via un processus d’entrainement. La Figure 3 schématise les différentes zones considérées par un modèle de zone.
Au sein de chaque zone, les caractéristiques physiques et chimiques telles que, la température ou la composition des gaz sont considérées comme uniformes à un instant donné.
Les équations de conservation de masse et d’énergie sont appliquées à chaque zone pour représenter les processus de transport et de combustion. Les échanges et la production de chaleur sont souvent donnés par des corrélations empiriques, dont les domaines de validité doivent être connus de l’utilisateur car empêchant leur utilisation dans de nombreuses configuration.
(YUN, 2006) propose un résumé des principales caractéristique des différents codes à zones existants :
• Foyers : considérés comme une source produisant une quantité spécifiée de combustibles, la vitesse de combustion dépendant de la concentration en oxygène
• Panaches et couches de fumées : le modèle de panache adopté permet la prédiction de l’entrainement des fumées et inclue les transferts de masse et d’enthalpie
• Ecoulements : deux types d’écoulements, horizontaux et verticaux, sont déterminés via une différence de pression à travers l’ouverture. Les pressions sont calculées par la loi de Bernoulli.
• Transferts de chaleur : les propriétés thermo-physiques des matériaux solides sont supposées constantes pour les transferts radiatifs et convectifs. Cette hypothèse n’est pas vérifiée en ce qui concerne les transferts radiatifs puisque l’émissivité d’un matériau est fonction de la concentration en espèces gazeuses, qui varie tout au long de la combustion
• Concentration en espèces et dépôts : un schéma de combustion basé sur l’équilibre carbone-hydrogène-oxygène est utilisé pour estimer le taux de production des espèces
Dans les faits, l’interface entre les deux volumes de contrôle n’est pas parfaitement définie et dépend de la taille de la pièce et du débit calorifique du feu modélisé (GUILLAUME, 2006). Dans la majorité des cas, le critère physique permettant de positionner l’interface est la température. Cependant, quelques auteurs se basent sur la notion de visibilité pour en définir la position.
Si on utilise un modèle à zones dans des conditions qui respectent les hypothèses liées aux modèles et les domaines de validité des corrélations empiriques, les résultats seront assez précis pour certains paramètres, comme par exemple la température moyenne de fumée. Le principal avantage de ces codes est la rapidité de calcul. Ainsi, une première estimation des niveaux de températures atteints en partie haute de la ou des pièces modélisées peut être obtenue facilement et rapidement. Cette caractéristique est particulièrement intéressante au vu de la méthodologie d’application des outils numériques pour l’investigation ; l’idée initiale des travaux de thèse étant, pour un accident réel, la modélisation de plusieurs scénarios en faisant varier les causes et la cinétique de feu. La simulation des différents scénarios via des modèles à zones permet une première discrimination des scénarios irréalistes vis-à-vis de la scène d’incendie finale.
Les principaux modèles de zone utilisés dans le cadre de l’investigation incendie sont OZONE et CFAST.
OZONE est un logiciel mono-compartiment développé par l’Université de Liège (CADORIN, et al., 2003). La principale application du logiciel est la détermination de l’impact thermique d’un feu sur une structure. Cette particularité peut être utile lors de l’utilisation d’un tel code dans le cadre d’investigations post-incendies. En effet, lorsque des structures béton et acier ont été sollicitées très fortement, des dégradations caractéristiques sont observées. L’utilisation d’un logiciel tel que OZONE permet de déterminer si les températures nécessaires pour atteindre ces niveaux de dégradation ont été atteintes durant l’incendie pour les différents scénarios modélisés.
Si ce logiciel est parfois utilisé au LCPP dans le cadre de ses enquêtes post-incendie, il lui est souvent préféré CFAST qui permet la modélisation de plusieurs compartiments. Ainsi, plusieurs pièces peuvent être modélisées et les écoulements de fumées représentés. La validation de ce logiciel est présentée dans la référence (JONES, 2006). Les principales caractéristiques de ce logiciel sont présentées dans la suite de ce document.
CFAST a été développé dans les années 1990 au NIST (National Institute of Standards and Technology, Etats Unis). Une importante limitation de ce code est l’absence de modèle de croissance pour le foyer. Le foyer est en effet modélisé via une source prescrite que l’utilisateur impose lors de la création du scénario. Si ces données peuvent être relativement connues par la réalisation d’essais en laboratoire (cône calorimètre ou chambres SBI par exemple), la question du changement d’échelle pose problème. De nombreux travaux ont en effet prouvé que les caractéristiques des foyers déterminées à petite échelle sont rarement toujours utilisables aux échelles supérieures. L’utilisateur doit donc toujours conserver un esprit critique sur les données d’entrées qu’il implémente dans le code. Cette remarque est particulièrement vraie lorsque l’on cherche à reconstituer un sinistre étant donné que les caractéristiques des foyers à échelle réelle peuvent difficilement être obtenues.
A titre d’illustration, la Figure 4 propose une capture d’écran de l’évolution des températures lors d’une modélisation multi-compartiments réalisée sous CFAST.
L’objectif de cette partie était de présenter les principales caractéristiques des codes pouvant être appliqués à l’investigation, les équations et les relations utilisées dans les codes ne sont donc pas détaillées. Pour plus d’informations, les références (QUINTIERE, 2002) et (JONES, 2001) peuvent être consultées.
La deuxième famille de codes permettant la modélisation d’incendie est celle des codes à champs. Leurs principales caractéristiques sont détaillées dans le paragraphe suivant.

Les codes à champs

Contrairement aux modèles de zones, le domaine de calcul n’est pas divisé en deux zones mais en un grand nombre de volumes infinitésimaux, que l’on appelle les mailles de calcul. De plus, si les équations implémentées dans les modèles de zones sont principalement empiriques, dans les codes CFD (Computational Fluid Dynamics) la résolution exacte des lois locales d’échange et de conservation de la masse, de l’énergie, des espèces et de la quantité de mouvement est réalisée en instationnaire et en tout point du maillage (COX, et al., 2002). La Figure 5 permet d’illustrer la notion de maillage lors de l’utilisation d’un code à champs.
Toutefois, malgré une augmentation régulière de la puissance de calcul des machines, l’utilisateur est toujours limité en nombre de mailles. Ce qui veut dire que les phénomènes physico-chimiques qui se produisent à une échelle inférieure à la taille des mailles ne peuvent pas être résolus. La résolution directe des équations en tout point de l’espace est bien au-delà des capacités des calculateurs actuels. Il est donc nécessaire de modéliser ces processus aux échelles ‘sous mailles’ comme par exemple le rayonnement, la combustion ou encore la turbulence. Ces modélisations introduisent nécessairement une part d’erreur dans les résultats fournis.
Dans le domaine de l’incendie, un code de calcul CFD est très majoritairement utilisé, que ce soit en ingénierie de la sécurité incendie ou en investigation post-incendie. Il s’agit de FDS (Fire Dynamics Simulator) développé par le NIST. Ce code est associé à un logiciel de visualisation appelé Smokeview (FORNEY, 2012). La première version de ce code est sortie en 2000 et ne cesse d’évoluer depuis. Aujourd’hui, la version 6 est disponible. Les principales raisons de la grandissante utilisation du logiciel par la communauté incendie sont les suivantes :
• La mise en place d’un modèle est aisée
• FDS est un logiciel open-source, majoritairement codé en Fortran, disponible sur le site du NIST (http://www.fire.nist.gov/fds/)
• De nombreuses publications montrent sa validité dans le cadre de certaines applications
• La possibilité de visualisation des résultats via Smokeview
• La puissance de calcul nécessaire pour réaliser des simulations est raisonnable, les simulations pouvant être effectuées sur un ordinateur de bureau.
Il convient cependant de préciser que cette rapidité de calcul a été obtenue au moyen d’une hypothèse forte réalisée sur la modélisation de l’équation de pression. Cette hypothèse n’a toutefois pas été vérifiée à ce jour.

Applications à l’investigation incendie

Il a été vu dans les deux paragraphes précédents quelles sont les principales caractéristiques des deux familles de modèles appliqués à la simulation numérique d’incendies. Dans cette partie du mémoire, l’application de ces codes à la reconstitution numérique de sinistre va être détaillée via une étude bibliographique des principales études menées depuis les années 1980.
Avant de présenter des cas d’utilisation de la simulation numérique dans le cadre post-incendies, une première difficulté liée à la reconstitution de sinistres est à souligner. Un travail visant à déterminer les éléments combustibles initialement présents sur la scène d’incendie doit être effectué par l’investigateur avant toute modélisation. La recherche dans la bibliographie des éléments nécessaires à la détermination du terme source correspondant à chaque élément du mobilier devra ensuite être réalisée. Certains guides comme le celui de l’Université du Lund, (SARDQVIST, 1993) permettent l’obtention de ces informations.
En analysant les premiers recours à la simulation numérique pour la reconstitution de sinistre, il est possible de remarquer que la principale motivation était de pouvoir disposer d’informations supplémentaires sur le déroulement de l’incendie. L’origine et la cause étaient connues avec précision mais soit la propagation soit la survenue de phénomènes thermiques particuliers n’étaient pas expliquées.
La première reconstitution de sinistre a été celle de la gare de King’s Cross à Londres. Cet incendie au développement particulièrement rapide avait occasionné la mort de 31 personnes et blessé de nombreux voyageurs. Si la cause et l’origine de l’incendie ont rapidement été déterminées, la cinétique de propagation intriguait les enquêteurs. Le ministère des transports, en charge des investigations, a alors chargé le laboratoire Harwell de reconstituer le sinistre (FENNELL, 1988). Le modèle de champs FLOW3D a été utilisé pour modéliser le sinistre et les conclusions obtenues via l’outil numérique ont été les suivantes. Le feu a pris au pied d’un escalier mécanique en bois et s’est propagé très rapidement à cause de l’effet de tranchée. Cet effet, jamais observé auparavant par la communauté incendie a été reproduit expérimentalement et expliqué par (DRYSDALE, et al., 1992) et consiste en une combinaison de deux phénomènes physiques : l’effet Coandӑ et le flashover. Dans le cas de cette reconstitution, l’apport de la simulation numérique est indéniable malgré des premières réactions très critiques envers les résultats obtenus du fait de l’incompréhension initiale des scientifiques au vu du phénomène physique mis en lumière.
Par la suite, une seconde reconstitution de sinistre a été réalisée, grâce au modèle de zones CFAST. Les faits modélisés sont les suivants (BUKOWSKI, 1995). Les pompiers new-yorkais interviennent sur un feu d’appartement au premier étage d’un immeuble de trois étages et au moment de l’ouverture de la porte de l’appartement, un backdraft se produit et embrase la cage d’escaliers durant plus de six minutes. Les trois intervenants présents au second étage sont alors tués. Ici, l’objectif de la simulation numérique est de déterminer comment un tel phénomène thermique a pu se produire notamment via l’étude de la production d’imbrûlés. La modélisation a permis de montrer que l’absence d’apport d’air (tous les ouvrants étaient fermés au moment de faits) a créé un feu couvant de près d’une heure qui a produit une quantité suffisante d’imbrûlés pour générer une combustion de près de 7 minutes lors l’arrivée d’air frais via l’ouverture de la porte d’entrée. L’application d’un modèle de zones a donc permis de reconstituer les évènements et d’expliquer l’importance du backdraft qui a couté la vie à trois pompiers. Les calculs ont en effet montré que les taux de monoxyde de carbone et d’imbrûlés de combustion étaient tels qu’un embrasement prolongé de la cage d’escalier était possible.
Les exemples présentés ci-dessus permettent de justifier l’utilisation de l’outil numérique comme outil supplémentaire à la compréhension de phénomènes physiques liés à l’incendie. En parallèle de cette utilisation scientifique de la simulation numérique, un recours de plus en plus important dans un cadre juridique est observé. Dans un tel cas, l’objectif du recours à la modélisation est de déterminer la cause et/ou l’origine d’un incendie et parfois de définir des responsabilités.
Dans leur publication (DELEMONT, et al., 2007) proposent un exemple d’application de la simulation numérique à une investigation post-incendie. Après plusieurs recours à des experts en investigation incendie, deux hypothèses de départ de feu ne peuvent être départagées. La scène d’incendie, un édifice religieux en cours de rénovation, est alors modélisée avec le logiciel CFX-4. Les deux hypothèses de départ de feu avancées sont un défaut d’origine électrique ou un acte malveillant, chaque hypothèse correspondant à un point d’origine différent. Les simulations numériques ont permis de déterminer via une étude comparative que les dégradations relevées dans l’édifice (carbonisation d’un des panneaux de bois et déformation des structures métalliques) correspondaient aux résultats obtenus pour la première hypothèse et ne pouvaient être expliquées par la seconde hypothèse. Le recours à la simulation numérique a donc permis dans ce cas précis la résolution d’une enquête à grands enjeux financiers.
Une seconde étude de reconstitution de sinistres a été conduite par (REIN, et al., 2006). L’objectif de cette étude est de comparer la réponse de trois modèles à la reproduction de trois cas d’incendies plus ou moins complexes. Les trois modèles testés sont : un modèle de résolution analytique des équations de conservation de masse et d’espèces, le modèle à zones CFAST et le code à champs FDS. Les trois configurations modélisées sont :
• Incendie dans une pièce où sont stockés des vêtements et des documents avec prise de feu soit au niveau d’une imprimante soit au niveau d’une poubelle
• Feu sous-ventilé de canapé dans un appartement
• Feu causé par un brûleur gaz dans un salon
Les conclusions de cette étude sont que les trois modèles représentent bien le déroulement des premiers instants du feu. Cette assertion n’est plus vérifiée lorsque les effets de la combustion prévalent sur les phénomènes de transport. De plus, lorsqu’il est question de propagation de proche en proche, seul FDS permet une représentation correcte des évènements.

Introduction de la notion de points de comparaison

Pour toutes les publications citées dans la partie 1.2.3, la validation des hypothèses repose sur une comparaison indirecte des résultats numériques avec la scène d’incendie à l’état final. Cependant, aucune confrontation directe entre les dégradations constatées sur site et les niveaux de températures atteints dans les simulations ne sont réalisées. Dans ce contexte, une première thèse a été menée au LCPP par Mathieu Suzanne, (SUZANNE, 2009). Après avoir évalué les conditions d’utilisation des modèles numériques dans le cadre de l’investigation post-incendie et souligné les principales précautions à prendre lors d’une telle application des outils numériques, il a introduit la notion de point de comparaison. La partie suivante est extraite de son mémoire de thèse : « La démarche initiée par le LCPP se différencie de celles mises en place jusqu’à aujourd’hui par le recours systématique à l’utilisation de points de comparaison pour évaluer une hypothèse de scénario d’incendie. Un point de comparaison est un effet thermique ou mécanique remarquable sur un matériau : la fonte d’un métal, la déformation voire même la non-déformation d’un élément plastique, un dépôt de suie sur une paroi verticale, le bris d’un vitrage suite à un effet de surpression, etc. À un point de comparaison est ensuite associée une sollicitation thermique, c’est-à-dire la conjugaison d’une température ou d’un flux thermique incident et d’un temps d’exposition. Cette sollicitation thermique, parfaitement localisée dans l’espace, est ensuite comparée aux valeurs calculées au même emplacement. En multipliant dans l’espace les points de comparaison, des éléments d’information supplémentaires sont disponibles pour évaluer un scénario d’incendie. Si une majorité des sollicitations thermiques concorde entre les points de comparaison sur site et ceux introduits dans les modélisations numériques, le scénario simulé est alors jugé comme envisageable. Les critères de concordance restent à définir.
Il faut également que l’évolution dynamique du feu, c’est-à-dire la propagation des flammes et le déplacement des fumées soient similaires dans les simulations à ceux constatés à partir des dégradations et des dépôts de fumée sur le site de l’incendie. »

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1. CONTEXTE : LES MATERIAUX ET OUTILS NUMERIQUES DANS L’INVESTIGATION
1.1 Préambule
1.1.1 L’allumage d’une flamme d’incendie
1.1.2 Les transferts thermiques dans le matériau
1.1.3 Comportement thermique d’un solide
1.1.3.1 Comportement thermiquement mince
1.1.3.2 Comportement thermiquement épais
1.1.4 Bilan
1.2 L’outil numérique dans l’investigation
1.2.1 Les codes à zone
1.2.2 Les codes à champs
1.2.3 Applications à l’investigation incendie
1.2.4 Introduction de la notion de points de comparaison
1.3 La décomposition thermique
1.3.1 Généralités sur les polymères.
1.3.2 Décomposition et dégradation thermique.
1.3.2.1 Définitions
1.3.2.2 L’échauffement et la décomposition d’un corps
1.3.3 Aspects chimiques de la décomposition thermique des polymères.
1.3.4 Aspects physiques de la décomposition thermique des polymères
1.3.5 Aspects physico-chimiques de la décomposition thermique des polymères
1.3.6 Moyens expérimentaux mis en œuvre pour l’étude de la décomposition thermique de solides
1.4 Recherches bibliographiques sur l’utilisation des matériaux dans l’investigation incendie
1.4.1 Les suies
1.4.2 Le bois
1.4.3 Le béton
1.4.4 Le plâtre
1.4.5 Les vitrages
1.4.6 Les matières textiles
1.4.7 Les plastiques
1.4.8 Les métaux
1.5 Conclusions sur l’utilisation des matériaux pour l’investigation post-incendie
1.6 Conclusions
CHAPITRE 2. MODELISATION DE LA PYROLYSE
2.1 Préambule
2.1.1 Généralités
2.1.2 Origines de la loi d’Arrhénius
2.1.3 Modèles de pyrolyse
2.1.3.1 Modèles semi-empiriques
2.1.3.2 Modèles mathématiques
2.2 Méthode par model-fitting
2.2.1 Description des modèles
2.2.2 Détermination des paramètres cinétiques
2.2.2.1 Détermination à partir de données expérimentales
2.2.2.1.1 Méthode
2.2.2.1.2 Limites de cette approche
2.2.2.2 Optimisation par algorithmes génétiques
2.2.2.2.1 Méthodologie
2.2.2.2.2 Limites de l’optimisation par algorithmes génétiques
2.2.3 Conclusions
2.3 Approche isoconversionnelle
2.3.1 Modélisation de la pyrolyse selon l’approche isoconversionnelle
2.3.1.1 Méthode de Kissinger
2.3.1.2 Méthode différentielle : méthode de Friedman
2.3.1.3 Méthodes intégrales
2.3.1.3.1 Méthode d’Osawa – Flynn – Wall
2.3.1.3.2 Méthode de Kissinger – Akahira – Sunose
2.3.1.3.3 Méthode non-linéaire intégrale
2.3.1.4 Bilan sur les méthodes isoconversionnelles de modélisation de la pyrolyse
2.3.2 Logiciel de détermination des propriétés cinétiques AKTS
2.3.3 Applications
2.3.4 Conclusions sur l’approche isoconversionnelle de la pyrolyse
2.4 Cinétique chimique et analyse thermique
2.4.1 Dispositif expérimental utilisé
2.4.2 Phénomènes physiques influençant la mesure
2.4.2.1 Poussée d’Archimède
2.4.2.2 Force de trainée
2.4.2.3 Autres facteurs d’influence
2.4.2.4 Courbe à blanc
2.4.3 Sensibilité de la mesure aux conditions expérimentales
2.4.3.1 Décomposition thermique du PMMA
2.4.3.2 Analyse de répétabilité
2.4.3.3 Influence de la vitesse de chauffage
2.4.3.4 Influence de la masse de l’échantillon
2.4.4 Bilan de l’étude de sensibilité
2.5 Conclusions
CHAPITRE 3. APPROCHE QUANTITATIVE PAR UTILISATION DE L’ATG
3.1 Essais en laboratoire
3.1.1 ABS au four tubulaire
3.1.2 PVC au four tubulaire
3.1.3 PMMA au four tubulaire
3.1.4 Dents au cône calorimètre
3.1.5 Bilan
3.2 Etude sain / brûlé suite aux essais de Dole
3.2.1 Protocole des essais sur site
3.2.1 Photographies des cibles
3.2.2 Résultats ATG : Prises de courant
3.2.3 Résultats ATG : PVC
3.2.4 Résultats ATG : Bouteilles d’eau
3.2.5 Uniformité de la température autour d’une cible
3.2.6 Bilan
3.3 Etude sain / brûlé : Application au plâtre
3.3.1 Essais ATG
3.3.2 Résultats de l’étude sain / brûlé
3.3.2.1 Feu dans le bureau
3.3.2.2 Feu dans le salon
3.3.3 Vérification des résultats
3.3.3.1 Feu dans le bureau
3.3.3.2 Feu dans le salon
3.3.4 Bilan
3.4 Application à un cas réel
3.4.1 Répétabilité des essais ATG sur l’échantillon sain
3.4.2 Résultats de l’étude sain / brûlé
3.4.3 Bilan sur cette étude sain / brûlé
3.5 Conclusions
CHAPITRE 4. METHODE COUPLEE
4.1 Préambule
4.2 Mise en place de la méthode
4.2.1 Présentation générale
4.2.2 Détermination de la valeur numérique de l’avancement en fin de scenario
4.2.3 Détermination de l’état d’avancement αk
FEU de l’échantillon brûlé
4.2.3.1 Théorie
4.2.3.2 Simulation de l’essai ATG sur l’échantillon brûlé.
4.2.3.3 Comparaison des thermogrammes
4.2.4 Synthèse sur la méthode couplée développée
4.3 Vérification et validation du modèle
Etapes de la vérification
Etapes de la validation
4.3.1 Vérification du modèle
4.3.1.1 Les propriétés cinétiques
4.3.1.2 La loi d’Arrhénius
4.3.1.3 Le calcul du R²
4.3.1.4 Stabilité du modèle
4.3.1.4.1 Dépendance aux données d’entrée
4.3.1.4.2 Influence du pas de temps
4.3.1.5 Synthèse sur la vérification du modèle
4.3.2 Validation du modèle
4.3.2.1 Reproduction d’un essai ATG pour des mécanismes monoréactionnels
4.3.2.2 Reproduction d’un essai ATG pour des mécanismes pluri-réactionnels
4.3.2.3 Reproduction de l’influence de la vitesse de chauffage
4.3.2.4 Obtention du αFEU
4.3.2.5 Incertitudes du programme
4.3.2.6 Bilan sur la validation
4.4 Comparaison modèle par « triplet cinétique » / modèle isoconversionnel
4.4.1 Comparaison sur des mécanismes mono-réactionnels
4.4.2 Comparaison sur des mécanismes pluri-réactionnels
4.4.3 Bilan de cette comparaison
4.5 Comparaison numérique / expérimental
4.5.1 Méthodologie
4.5.2 Limites de cette approche
4.6 Conclusions
CHAPITRE 5. VALIDATION DES METHODES DEVELOPPEES : APPLICATION A UN ESSAI A GRANDE ECHELLE
5.1 Campagne d’essais antérieure
5.1.1 Métrologie
5.1.2 Résultats
5.2 Protocole expérimental
5.2.1 Mise en place des matériaux
5.2.1.1 PET
5.2.1.2 PVC
5.2.1.3 ABS
5.2.1.4 Plâtre
5.2.2 Charge calorifique et ventilation
5.2.3 Disposition des capteurs
5.3 Résultats des essais grandeur réelle
5.3.1 Relevés de température
5.3.2 Influence du positionnement du thermocouple
5.3.3 Conclusions
5.4 Application des méthodologies développées aux éléments dégradés
5.4.1 Répétabilité des essais sur les matériaux sains
5.4.2 PET
5.4.2.1 Etude sain / brûlé
5.4.2.2 Application du modèle cinétique
5.4.2.3 Bilan sur le PET
5.4.3 ABS
5.4.3.1 Etude sain / brûlé
5.4.3.2 Application du modèle cinétique
5.4.3.3 Bilan sur l’ABS.
5.4.4 PVC
5.4.4.1 Etude sain / brûlé
5.4.4.2 Application du modèle cinétique
5.4.4.3 Bilan sur le PVC
5.4.5 PLATRE
5.4.5.1 Etude sain / brûlé
5.4.5.2 Application du modèle cinétique
5.4.5.3 Bilan sur le plâtre
5.4.6 Bilan des études sain / brûlé
5.4.7 Bilan sur les applications du modèle cinétique.
5.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE

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