Étude de la vulnérabilité du bâti à l’interface forêt-habitat : caractérisation multi-échelle de modèles d’inflammation

Study of tthe Vulnerability of Buildings at Wildland-Urban Interface : Multi-Scale Characterization of Modelling Ignition

• Auteur / Autrice : Pauline Dias Lopes
• Direction : Thomas Rogaume, Benjamin Batiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 27/01/2026
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique, matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2022-....)
• 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 : Yannick Pizzo, Virginie Drean, Éric Guillaume
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bart Merci, Albert Simeoni
• DOI : 10.70675/0c1bd01dz0783z4281z8699z5db03bd0e1a3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bois

Combustion

Combustion spontanée

Constructions en bois

Incendies et prévention des incendies

Façades

Feux de friches

Incendies

Prévention

Méthode de Monte-Carlo

Pyrolyse

Mots clés libres

Interface forêt-urbain (WUI)

Estimation du délai d'inflammation (FTP)

Propagation

Multi-échelles

Windland-Urban Interface (WUI)

Flux Time Product (FTP)

Propagation

Multi-scale

Résumé

Du fait de l’extension des territoires urbanisés, de plus en plus d’habitats se situent dans des zones considérées comme des Wildland-Urban Interface (WUI). Ils sont alors exposés à la fois à des menaces liées au feu de végétation en tant que tel mais aussi à des foyers secondaires de combustion, proches du bâti (véhicules, mobilier extérieur, végétation d’ornement, etc.).Ces bâtiments ont également la particularité d’être de plus en plus équipés d’un dispositif d’isolation par l’extérieur afin d’en améliorer les performances énergétiques. Il existe alors un fort enjeu à caractériser la vulnérabilité de ces systèmes en cas d’incendie. La caractérisation de cette vulnérabilité nécessite une meilleure description de l’échauffement de la façade, par une caractérisation fine de l’agression thermique subie par cette dernière selon le type de foyer source. Elle repose également sur une meilleure description de son inflammation. Pour cela, différents modèles ont été identifiés dans la littérature puis comparés. Ils sont basés soit sur une température critique de surface, soit sur une notion de dose de chaleur accumulée par le solide, connue sous le nom de Flux-Time Product (FTP).Dans un premier temps, la caractérisation des termes sources de feu est réalisée en faisant la distinction entre le foyer primaire et secondaire. La sollicitation thermique du foyer primaire, qui correspond au feu de végétation, est obtenue à l’aide d’un modèle de Petit-Monde. La sollicitation thermique issue du foyer secondaire, qui correspond à un combustible présent à proximité du bâti, est quant à elle évaluée à l’aide d’un modèle de flamme solide et d’un algorithme de Monte-Carlo. La comparaison de différents modèles d’inflammation a montré la pertinence du Flux-Time Product qui permet de tenir compte de l’historique de chauffage du solide. Suite à l’implémentation du FTP dans le code de calcul Fire Dynamics Simulator (FDS), une comparaison multi-échelle (allant de la petite (10 cm x 10 cm) à la grande échelle (140 cm x 180 cm)) avec deux autres modèles couramment utilisés a été réalisée pour un matériau bois : un modèle de décomposition thermique défini par des lois d’Arrhenius et un modèle de pyrolyse imposée, pilotée par une température critique d’inflammation. Les grandeurs comparées sont la perte de masse, la vitesse de perte de masse, le taux de dégagement de chaleur ainsi que les températures dans l’épaisseur du matériau. Les résultats montrent alors la pertinence de l’approche FTP pour prédire l’échauffement puis l’inflammation du matériau bois étudié. Toutefois, de manière logique, la non prise en compte des réactions chimiques en tant que telles pénalisent la capacité de ce modèle à écrire la perte de masse et le heat release rate. Des essais à grande échelle (140 cm x 180 cm) ont ensuite été réalisés afin de comparer la vulnérabilité d’un système de type bardage ventilé à un système ne comportant pas de cavité. Ces essais ont également permis de caractériser l’influence de la taille de la lame d’air et du recoupement, toujours dans le cas d’un bardage bois. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux confirme alors la capacité du modèle FTP à reproduire l’échauffement et l’inflammation de la façade. Ces résultats sont très prometteurs pour les futures d’ingénierie de sécurité incendie dans de telles situations de wildland urban interface.

Due to the expansion of the urbanized areas, more and more buildings are located in wildland-urban interface. As a result, they are exposed to threats from vegetation fires as well as secondary fires originating near buildings such as vehicles, outdoor furniture, ornamental vegetation, etc. In addition, these buildings are increasingly equipped with external insulation systems to improve their energy efficiency. Therefore, it is crucial to assess the vulnerability of these systems in event of a fire. To characterize this vulnerability, a detailed identification of façade heating - trough an analysis of the thermal exposure depending on the type of fire (primary or secondary) - is required. Vulnerability also depends on a better understanding of ignition. To this end, various models are identified in the literature and compared. These models are based either on a critical surface temperature, or on the concept of heat dose accumulated by the solid, known as the Flux-Time Product (FTP) model. First, the characterization of the source term is performed by distinguishing between primary and secondary fires. The thermal stress produced by primary fires, corresponding to vegetation fires, is obtained using the Small-World model. The thermal stress of secondary fires, corresponding to fuels located near buildings, is evaluated using a solid flame model coupled with a Monte Carlo Algorithm. The comparison between the different ignition models highlighted the relevance of the Flux-Time Product, which makes it possible to account for the heating history of the solid. Following the implementation of the FTP model in the CFD code Fire Dynamics Simulator (FDS), a multi-scale comparison (from small to large scales) is carried out with two other commonly used models for wood: one based on a thermal decomposition model defined by Arrhenius laws, and another relying on a prescribed pyrolysis onset at a critical ignition temperature. The quantities compared are mass loss rate, heat release rate and internal temperatures at various depths inside the solid. The results demonstrate the relevance of the FTP approach for predicting solid heating and ignition. However, the assumption of neglecting complete thermal decomposition limits the model’s ability to accurately predict mass loss and heat release rate. Large scale tests (samples with dimensions of 140 cm x 180 cm) are then conducted to compare the vulnerability of a ventilated cladding system with that of a system without a cavity. These tests also allow the characterization of the air cavity within a wood cladding system. The comparison between experimental and numerical results confirms the ability of the FTP model to reproduce the heating and ignition of façades. These results are very promising for future fire safety engineering in wildland-urban interface fire scenarios.