Approche multi-échelle pour la caractérisation de la réaction au feu sur un matériau bois. Développement d'une méthodologie pour l'ingénierie de la sécurité incendie.

Multi-Scale Experimental and Numerical Approach for the Characterization of Reaction to Fire of a Wood Material. Development of a Methodology for Fire Safety Engineering

• Auteur / Autrice : Jérémy Colombiano
• Direction : Thomas Rogaume, Richard Franck, Benjamin Batiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : EFECTIS France St-Aubin
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Pascal Boulet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bart Merci, Virginie Drean
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : José Luis Torero, Bernard Porterie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pyrolyse

Modèles mathématiques

Incendies -- Prévention

Ingénierie -- Laboratoires

Flamme

Essais de comportement au feu

Combustion

Bois

Analyse multiéchelle

Mots clés libres

Cinétique de décomposition thermique

Kinetics of thermal decomposition

Résumé

De plus en plus, les études de sécurité incendie reposent sur l’ingénierie de la sécurité incendie. Il s’agit notamment à l’aide de codes de calcul, de réaliser des simulations numériques visant à définir les règles de sécurité à appliquer. Ainsi, des nombreuses études ont permis d’améliorer les codes de calcul et de définir les bases et guides techniques à respecter pour la réalisation de ces études. Toutefois, si cela est vrai pour le domaine de la résistance au feu, de l’évacuation ou du désenfumage, ce n’est pas encore le cas dans le domaine de la réaction au feu. Cette dernière représente la manière dont le matériau va se comporter comme combustible et elle caractérise l’aptitude de ce matériau à s’enflammer et à contribuer à un incendie.Dans ce contexte, l’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier et de prédire la cinétique de décomposition thermique, la combustion et la propagation de flamme d’un matériau bois. Pour cela, la méthode de travail retenue est multi-échelle, à la fois expérimentale et numérique. Cette approche permet dans un premier temps de simplifier les phénomènes dans le but de déterminer les propriétés du matériau, puis d’ajouter de la complexité à échelle croissante, afin d’identifier les processus pilotant la propagation de flamme et de définir les bases pour une étude d’ingénierie. Au total, 4 échelles de travail ont été étudiées :- A petite échelle, concernant uniquement la phase solide. Elle permet d’extraire certaines propriétés du matériau en travaillant sur des échantillons de l’ordre du milligramme. Les propriétés extraites sont les propriétés thermiques et cinétiques, indispensables pour caractériser l’échauffement et la décomposition thermique du matériau à échelle plus grande.- A moyenne échelle, incluant l’influence de la phase gazeuse avec notamment le développement de la flamme à la surface de l’échantillon. Les échantillons sont de l’ordre de la centaine de gramme avec une épaisseur identique à l’application finale du produit. L’objectif est dans un premier temps d’identifier les paramètres de combustion du matériau, tels que la chaleur de combustion, le taux de formation de suie, de monoxyde de carbone, etc. Dans un second temps, il a s’agit de valider numériquement l’ensemble des propriétés ainsi extraites (propriétés thermiques, cinétiques et de combustion) par comparaison avec les données expérimentales (taux de dégagement de chaleur, perte de masse, températures, etc.).- A échelle intermédiaire, utilisant des échantillons de l’ordre du kilogramme. Elle tient compte de la propagation de flamme à la surface de l’échantillon. De ce fait, les processus pilotant cette propagation sont étudiés. Cette échelle permet d’évaluer l’aptitude du code à prédire la cinétique de propagation de flamme. Deux modes de propagation sont investigués : contre-courant et co-courant. Cette échelle permet également d’établir certaines bases pour la réalisation d’étude d’ingénierie de réaction au feu.- A échelle finale, couplant les deux modes de propagation étudiés. L’objectif est alors de valider les observations faites à l’échelle précédente et d’étayer les bases pour une étude d’ingénierie.

Increasingly, fire safety relies on fire safety engineering. This involves, in particular, using calculation codes, performing numerical simulations aimed at defining the safety rules to be applied. Thus, numerous studies have made it possible to improve the calculation codes and define the bases and technical guides to be respected for carrying out these studies. However, while this is true in the field of fire resistance, evacuation or smoke control, it is not yet the case in the field of reaction to fire. The latter represents how the material will behave as a fuel and it characterizes the ability of that material to ignite and contribute to a fire.In this context, the objective of this thesis work is to study and predict the kinetics of thermal decomposition, combustion and flame propagation of wood material. For this, the working method adopted is multi-scale, both experimental and digital. This approach allows initially to simplify the phenomena in order to determine the properties of the material, then to add complexity on an increasing scale, in order to identify the processes controlling the propagation of flame and to define the bases for an engineering study. In total, 4 working scales were studied:- At a small scale, which concerns only the solid phase. It permits to extract some properties of the material by working on samples of the order of a milligram. The properties extracted are the thermal and kinetic properties, essential to characterize the heating and thermal decomposition of the material on a larger scale.- At medium scale, including the influence of the gas phase within particularly the development of the flame on the surface of the sample. The samples are of the order of a hundred grams with a thickness identical to the final application of the product. The objective is first to identify the combustion parameters of the material, such as the heat of combustion, the rate of formation of soot, carbon monoxide, etc. Secondly, it concerns the numerical validation of all the properties extracted (thermal, kinetic and combustion properties) by comparison with the experimental data (rate of heat release, loss of mass, temperatures, etc. ).- At the intermediate scale, using samples of the order of one kilogram. It takes into account the propagation of flame on the surface of the sample. Therefore, the processes driving this propagation are studied. This scale is used to assess the ability of the code to predict the kinetics of flame propagation. Two modes of propagation are investigated: counter-current and co-current. This scale also makes it possible to establish certain bases for carrying out a reaction to fire engineering study.- At final scale, two studied modes of propagation are coupled. The objective is then to validate the observations made at the previous scale and to support the basis for an engineering study.