Les incendies de végétation sont caractérisés par de nombreuses échelles de temps et d’espace. Une approche multi-physique et multi-échelle est donc nécessaire pour aborder la complexité de ces phénomènes. Ce travail de thèse est une contribution expérimentale à l’étude des effets d’échelle et du système sur la dynamique de combustion des végétaux et les fumées émises. Notre objectif principal a été de déterminer quels protocoles expérimentaux et plus particulièrement quelles échelles permettent de caractériser au mieux la combustion des végétaux en laboratoire. Nous avons ainsi étudié le comportement au feu des aiguilles de deux espèces de pin représentatives de l’écosystème méditerranéen, Pinus pinaster et Pinus laricio. Les litières d’aiguilles de pin représentent un enjeu important car elles entretiennent la propagation des incendies et elles participent à la transition d’un feu de surface à un feu total. Trois configurations expérimentales ont été étudiées au cours de cette thèse, l’échelle du cône calorimètre, l’échelle du grand calorimètre ou LSHR (permettant la combustion statique de masses plus importantes que le cône) et enfin, la propagation dans le LSHR permettant d’étudier l’effet du système sur la dynamique de la combustion et sur la production des fumées. Pour comparer ces trois configurations les protocoles expérimentaux ont été adaptés tout en maintenant la charge de combustible. Différents paramètres ont été étudiés pour analyser la dynamique de combustion tels que l’efficacité de la combustion, l’énergie dégagée ou encore la vitesse de perte de masse. La production des fumées a été étudiée par la mesure du coefficient d’extinction qui caractérise leur opacité et permet d’obtenir le facteur d’émission des suies. Les facteurs d’émissions des principaux composés émis lors de la combustion de ces deux types d’aiguilles de pin ont été mesurés en continu à partir d’un analyseur Infrarouge à Transformée de Fourier et d’un analyseur Infrarouge Non Dispersif. Des analyses par chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur à ionisation de flamme et un spectromètre de masse nous ont permis de compléter ces mesures. Un bilan massique de carbone a également été réalisé afin de quantifier le carbone total mesuré dans nos analyses. Les principales contributions de notre travail sont les suivantes : l’étude du comportement au feu des aiguilles de P. pinaster a révélé des différences importantes pour la puissance dégagée aux échelles du cône calorimètre et du LSHR. En revanche, le système de combustion (propagation) n’influence pas cette grandeur. L’efficacité de la combustion est apparue peu dépendante de l’échelle et du système de combustion. Nous avons observé une influence de l’échelle de combustion sur la production totale des fumées (RSR) et sur le facteur d’émission des suies. Nous avons également montré que le système de combustion (la propagation) influence la dynamique et la valeur des facteurs d’émission de dioxyde et de monoxyde de carbone, composés majoritairement émis par ces combustions. Une influence de l’échelle et du système est également à noter sur les facteurs d’émissions des composés azotés et des COV émis pour les trois configurations expérimentales. Nous avons attribué les différences observées aux valeurs de températures des fumées. Enfin, une influence de la géométrie des particules a été mise en évidence par comparaison des combustions réalisées avec le cône calorimètre et le LSHR pour les deux types d’aiguilles de pin. La dynamique de combustion des aiguilles de Pinus laricio est moins affectée par le changement d’échelle que celle des aiguilles de Pinus pinaster (plus faible variation de la puissance de combustion). Nous avons également observé que les aiguilles de Pinus laricio, thermiquement plus fines que les aiguilles de Pinus pinaster présentent une valeur plus faible pour le facteur d’émission des suies. / Wildfires are characterized by a lot of scales of time and space. A multi-physics and multi-scale approach is required to consider the complexity of these phenomena. This thesis is an experimental contribution to the study of the scale effects and the effects of the system on the combustion dynamics of forest fuels and smoke emission. The aim of this work was to determine which experimental protocols and specifically which scales can be used to characterize the combustion of vegetal fuels in the laboratory. The reaction to fire of pine needles species representative of the Mediterranean ecosystem, (Pinus pinaster and Pinus laricio) has been studied. Litters of pine needles are an important issue because they sustain fire spread and are involved in the transition from a surface fire to a total fire.Three experimental configurations were studied in this thesis: the cone calorimeter scale; the large scale calorimeter or LSHR (allowing static combustion with larger masses than used with the cone); a fire spread in the LSHR, allowing to study the effect of the system on the dynamics of combustion and release of smoke. To compare these configurations, experimental protocols have been elaborated while keeping the same fuel load. Different parameters were studied to analyze the combustion dynamics such as combustion efficiency, heat released rate and mass loss rate. Smoke production was studied by measuring the coefficient of extinction to characterize their opacity and an estimation of the soot emission factor was derived. The emission factors of the main compounds emitted during the combustion of these two pines needles were measured with a Fourier Transform Infrared analyzer and a Non-dispersive infrared analyzer. Analysis by gas chromatography coupled with a flame ionization detector and a mass spectrometer allowed us to complete these measurements. A mass balance of carbon was also performed to quantify the total carbon measured through our analyzes.The main contributions of our work can be summarized as follow: the study of the burning of Pinus pinaster needles reveals significant differences for heat release rate (HRR) at both cone calorimeter and LSHR scales. However, the combustion system (fire spread) does not influence the HRR value at the LSHR scale. The combustion efficiency appeared to be independent with regard to the scale and the system. We observed a wide influence on the rate of smoke release and the emission factor of soot. We also shown that the combustion system (fire spread) influences the dynamics and value of emissions factors of carbon dioxide and carbon monoxide (major compound emitted for these combustions). An influence of the three experimental configurations on the emission factors of nitrogen compounds and VOC emissions was also noted. This difference was attributed to the level of smoke temperature. Finally, an effect of particles geometry was also pointed out by the comparison between the burnings performed with the cone calorimeter and the LSHR for both types of pine needles. The combustion dynamics of Pinus laricio needles was slighlty affected by changing scale in comparison to needles of Pinus pinaster (weak variation of HRR). We also observed that Pinus laricio’s needles, which are thermally thiner than Pinus pinaster ones have the lowest soot emission factor.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments en feu. Une synthèse bibliographique sur les feux de compartiment et plus particulièrement sur la problématique de la sortie de flammes par les ouvertures des locaux en feu a été réalisée. <br /><br />Un outil de simulation numérique avancé a été mis en oeuvre pour étudier les paramètres principaux affectant les caractéristiques des flammes extérieures. Cette tâche a nécessité au préalable la prise en main et le développement d'un modèle CFD de simulation numérique du feu, ainsi que sa validation sur des cas expérimentaux de complexité croissante. A l'étude numérique de la sortie de flammes d'un local en feu est venue s'ajouter une partie expérimentale concernant l'effet du vent sur les flammes extérieures. <br /><br />L'étude des flammes extérieures a permis de procéder à la vérification et à l'extension d'une méthode de calcul simplifiée destinée à prédire les conditions d'échauffement des éléments de structure situés à l'extérieur des bâtiments. L'application pratique de ce travail a consisté à regrouper dans un nouveau modèle global les résultats obtenus à partir de la synthèse bibliographique et des études numériques et expérimentales.

Aujourd'hui en France, l'évaluation de la performance de stratégies de sécurité à déployer pour mettre un bâtiment en sécurité vis-à-vis de l'incendie repose sur une étude d'ingénierie en sécurité incendie. Cette étude a pour objectif l'estimation du risque incendie pour différentes stratégies, et pour des scénarios d'incendies jugés pertinents. Pour parvenir à cette estimation, le Centre Scientifique et Technique du Bâtiment français (CSTB) a mis au point un outil de simulation appelé SCHEMA-SI. Cet outil utilise des réseaux de Petri prédicat-transition différentiels orientés objets et des simulations de Monte Carlo pour générer de multiples scénarios d'incendie. Ces scénarios sont ensuite utilisés pour évaluer le risque incendie encouru avec une stratégie de sécurité. La stratégie est alors jugée d'autant plus performante que le risque incendie est faible. L'objectif de la thèse consiste à contribuer au développement d'une méthode d'analyse de risque incendie utilisant l'outil de simulation SCHEMA-SI. La réflexion a débuté par la définition de ce que devrait être cette méthode. A ce stade, il est apparu que l'une des difficultés que la méthode doit surmonter est celle de la mise en donnés du problème par un groupe d'acteurs impliqués dans la sécurité incendie du bâtiment étudié. Pour résoudre cette difficulté, une méthode de modélisation spécifique a été construite. Cette méthode, baptisée ISI-Systema, repose sur deux fondements principaux : - d'une part, un langage graphique de modélisation permettant au groupe d'acteurs de réfléchir à la mise en données du problème en s'appuyant sur une approche systémique ; - d'autre part, une démarche de traduction des modèles graphiques obtenus avec le langage systémique en réseaux de Petri compatibles avec SCHEMA-SI. Enfin, une application pratique de cette méthode de modélisation est proposée.

Nous proposons de traiter dans cette thèse, une partie du vaste domaine de la recherche dans le domaine des incendies de forêt. Nous nous intéressons plus particulièrement à la formalisation des connaissances (structuration des connaissances et de leurs interrelations) pour l'analyse du comportement des feux de forêt et plus précisément pour la modélisation de la vitesse de propagation d'un front de flammes. Le système incendie de forêt, de par sa complexité, doit être appréhendé par une démarche modélisatrice du phénomène (expérimentation, modélisation et validation). Nous proposons dans cette thèse, par la formalisation du corpus de connaissances issues d'expérimentations en milieu naturel, d'apporter une aide à la modélisation du comportement des incendies de forêt. Un prototype de système de gestion des connaissances est élaboré afin d'assister les scientifiques chargés de conduire des expérimentations en milieu naturel. Ce système de gestion des connaissances étant partie intégrante des outils informatiques à mettre en œuvre dans une zone atelier, nous nous permettrons d'imaginer ce que pourrait être une zone atelier pour la modélisation du comportement des incendies de forêt en France. La première partie de la thèse a pour objet de présenter le système incendie de forêt, la démarche de modélisation pour l'analyser ainsi que le recours à la démarche de formalisation de connaissance pour assister le modélisateur. La deuxième partie présente l'acquisition des connaissances dans le domaine de l'expérimentation en milieu naturel pour l'étude du comportement d'un incendie de forêt et leur formalisation à l'aide du langage de modélisation UML. La troisième partie présente, un prototype d'un système de gestion des connaissances issues d'expérimentations en milieu naturel : MODELLIS (MODELLed-Information System). Nous voyons comment celui-ci pourrait être intégré à ce que pourrait être une zone atelier pour l'étude du comportement des incendies de forêt dans le Sud de la France.

Si le nombre d'évènements générateurs de risques en tunnel routier est faible, plusieurs évènements récents ont montré que les incendies de véhicule peuvent rapidement prendre des proportions catastrophiques. Pour limiter les conséquences de tels évènements, la réglementation française impose aux exploitants de tunnels des dispositions techniques et des dispositions d'exploitation. Les premières reposent sur les moyens mis à disposition des usagers pour assurer leur propre sécurité. Les secondes consistent en particulier à mettre en place un dispositif d'analyse des évènements significatifs. A la lumière du retour d'expérience, force est de constater que le comportement observé des usagers n'est pas celui attendu. Comme dans d'autres domaines, le retour d'expérience en tunnel routier a d'abord été élaboré dans une optique « technique » et « quantitative ». Les progrès technologiques ayant permis d'atteindre un niveau de sécurité élevé, il est aujourd'hui nécessaire d'avoir une démarche qualitative qui inclut les aspects humains et organisationnels. Ce travail de recherche a été mis en place dans l'objectif d'intégrer dans le retour d'expérience la connaissance des fondements du comportement humain (usager et exploitant) lors des évènements en tunnel routier. Nous allons présenter une méthode de recueil de témoignage des usagers développée à partir des études menées sur le comportement des personnes en situation d'évacuation en cas de crises. Celle-ci a été utilisée au cours d'exercices de sécurité et à la suite d'événements réels. Elle apporte des éléments objectifs de compréhension du comportement des usagers face à des situations de danger permettant d'aller au-delà de certaines idées préconçues. Ils ont permis d'élaborer un modèle d'évacuation des usagers et de proposer des adaptations des dispositifs de sécurité réglementaires prévus pour l'évacuation des usagers.

Dans le cadre de ce travail nous étudions le comportement thermomécanique d'une cloison légère faite de plaques carton-plâtre-carton (CPC) vissées sur une ossature métallique. Cette étude consiste d'une part à mener une analyse expérimentale pour identifier les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des différents constituants de la cloison, et d'autre part, à développer un modèle analytique et un modèle numérique robuste du comportement thermomécanique non linéaire de cloisons légères soumises à un incendie naturel. Pour une modélisation robuste, nous avons d'une part développé un modèle du comportement thermomécanique de l'assemblage par vissage, et d'autre part développé un modèle global de la cloison légère en combinant, le modèle thermomécanique non linéaire du vissage, le modèle du comportement thermomécanique d'une plaque CPC et le modèle de l'ossature métallique. Comme il existe une grande variabilité dans les résultats expérimentaux, les incertitudes doivent être prises en compte. Pour ce faire, nous avons proposé d'utiliser un modèle probabiliste du comportement de l'assemblage par vissages

Ce travail, mené conjointement entre CNPP et le Laboratoire d’Énergétique et de Mécanique Théorique et Appliquée, est consacré à la mise en place d’un modèle d’évacuation de personnes, dans l’optique d’une application en Ingénierie de Sécurité Incendie. Le modèle de cheminement de personnes développé dans ce manuscrit est un modèle physique reposant sur une équation de conservation de la densité de personnes. Il est basé sur des hypothèses simples et réalistes résultant de l’observation de mouvements de foule, et utilise une vision macroscopique des personnes caractérisées par une densité moyenne. Ce modèle est mis en œuvre sur des cas de vérification et de comparaison issus de la littérature. Des expériences d’évacuation sont réalisées à échelle réelle afin de récolter des données quantitatives sur le mouvement des personnes et de valider de façon pertinente le modèle de cheminement de personnes. En outre, une stratégie est proposée afin d’intégrer dans la modélisation les contraintes thermiques et optiques liées au feu ainsi que leur impact sur le processus d’évacuation. Enfin, des simulations d’évacuation intégrant les effets du feu sont effectuées sur une configuration à grande échelle / This work was conducted as a collaboration between CNPP and the laboratory LEMTA. It was devoted to the implementation of an emergency egress model offering prospects for use in Fire Safety Engineering. The pedestrian movement model described in this manuscript is a physical model relying on a people density balance equation. This model is based on three fundamental assumptions resulting from pedestrian phenomena commonly observed, especially in crowds. Its mathematical formulation assumes that people are regarded as a mean density in a macroscopic way. The pedestrian model was tested on verification and comparison cases extracted from literature. Evacuation drills were also performed at real scale without fire constraints to collect some quantitative data like egress times or flows, and to validate the people motion model. Furthermore, a mathematical strategy is propounded in order to integrate thermal and optical stresses into the evacuation model and to take into consideration their incidence on evacuation processes. Finally, egress simulations are achieved on a large-scale configuration considering different scenarios involving fires

L’objectif de cette thèse est de modéliser en temps réel la propagation d’un incendie dans des ensembles comportant un grand nombre de locaux. Un modèle semi-physique de réseau polydisperse amorphe prenant en compte les connexions à courte et longue distances entre sites, est proposé. Les phénomènes physiques liés au développement du feu dans un local et à sa transmission entre locaux par les parois sont simulés par des lois normales de probabilité. Les durées moyennes de transmission par les parois sont déterminées à l’aide d’un modèle à zones prenant en compte les spécificités du local en feu. Des expérimentations spécifiques dans un caisson en acier, représentatif d’un local de la Marine Nationale, ont permis de valider le modèle à zones. Un exemple détaillé du calcul par le modèle de réseau de la propagation d’un feu dans une maquette de navire à échelle un est ensuite décrit et analysé pour différents scénarios. Une analyse de sensibilité utilisant un plan factoriel complet à deux niveaux permet de hiérarchiser les paramètres du modèle et d’étudier la sensibilité de la solution aux variations de ces paramètres. Une étude statistique est conduite afin d’établir une cartographie du risque incendie à bord du navire. La transmission du feu par les gaines de ventilation est simulée par une loi normale de probabilité où la durée moyenne de transmission est déterminée à l’aide d’un code à champ unidimensionnel. Après avoir validé ce code sur des mesures obtenues par DGA dans une conduite cylindrique différentiellement chauffée, l’influence de ce mode de transmission sur la propagation du feu dans le navire est analysée. / This thesis work is devoted to the development of a semi-physical network model to predict real-time fire spread in polydisperse amorphous massively multi-compartmented spaces. This model takes into account short-range and long-range connections between adjacent and remote network sites. The physical phenomena of fire ignition and flashover, and of fire transmissions through the walls are simulated using time-dependent normal probability distributions. Mean durations of transmission though the walls are determined by a two-zone model which takes into account the fuel load, the room size and the thermal properties of walls. Specific experiments were conducted in a steel room, representative of a naval vessel compartment, in order to validate the zone model. Then a proof of concept is developed by applying the network model to different fire scenarios in a full-scale vessel mockup. A sensitivity analysis using a two-level full factorial design is performed to identify the most influential model parameters and to evaluate the sensitivity of the solution to variations of these parameters. A statistical study is conducted to produce fire risk maps. Finally, a special emphasis is put on the fire transmission by the ventilation ducts. This phenomenon is simulated using a time-dependent normal probability distribution where the mean duration is determined by means of a one-dimensional CFD model. This model is first validated using data obtained by DGA in a differentially heated duct and second, the influence of fire transmission through ventilation duct on its propagation throughout the vessel is investigated.

Ce travail est consacré à l'étude des interactions eau/fumée dans un couloir, lors du déclenchement d'un système d'aspersion dans un environnement enfumé. Il s'attache à évaluer les effets thermiques et optiques induits par une pulvérisation d'eau par sprinkler et par brouillard d'eau sur une couche de fumée générée à partir d'un foyer type bac d'heptane. Une synthèse bibliographique permet de faire l'état des travaux concernant la recherche sur l'aspersion d'eau pour le contrôle du feu lors d'un incendie en bâtiment et sur les notions de stratification des fumées. Une étude expérimentale basée sur 50 essais en grandeur réelle est présentée, impliquant des mesures thermiques et optiques. Un système d'opacimétrie laser spécifique a notamment été développé, permettant de mesurer l'opacité des fumées et les effets des interactions eau/fumée sur l'opacité et la visibilité. La partie numérique s'appuie sur le code FDS version 6 (Fire Dynamics Simulator) pour la simulation des essais et sur un module spécifique consacré à l'évaluation de la visibilité en parallèle. Utilisant les valeur extraites de la simulation par FDS pour les concentrations en gouttes et en suie, ce code calcule les propriétés optiques du milieu absorbant-diffusant considéré, puis combine une méthode de Monte-Carlo et des techniques de PSF (Point Spread Function) et MTF (Modulation Transfer Function) pour évaluer l'intensité et le contraste d'images reconstruites. Les effets de déstratification thermique et optique sont comparés pour chaque technologie d'aspersion expérimentalement et numériquement. / This work was devoted to the study of water/smoke interactions in the case of water mist activation on a smoke layer. The aim was to investigate the effects observed on thermal and optical properties when injecting water particles using sprinkler or water mist devices through a smoke layer generated with an heptane pool fire. A first review was reported in order to highlight the researches devoted to water aspersion for firefighting and the smoke stratification phenomena. An experimental study based on 50 runs at real scale was presented, involving optical and thermal measurements. In particular, a laser opacimeter system was developed, which allowed measuring the smoke opacity and the effects of smoke/water interactions on opacity and visibility. Afterwards, a numerical study was conducted. On the one hand fire tests were simulated using the FDS 6th version (Fire Dynamics Simulator) and on the other hand a dedicated code allowed us to evaluate the visibility. The values of the soot and droplet concentrations were extracted from FDS and used into the code dedicated to visibility to calculate the optical properties of the corresponding absorbing-scattering environment. Those properties are then used in a Monte Carlo approach combined with PSF (Point Spread Function) and MTF (Modulation Transfer Function) methods to evaluate the intensity and the contrast of reconstructed images. The destratification effects based on thermal and optical criteria were compared experimentally and numerically for each technology.

Dans le cadre de ce travail nous étudions le comportement thermomécanique d'une cloison légère faite de plaques carton-plâtre-carton (CPC) vissées sur une ossature métallique. Cette étude consiste d'une part à mener une analyse expérimentale pour identifier les propriétés thermiques, mécaniques et thermomécaniques des différents constituants de la cloison, et d'autre part, à développer un modèle analytique et un modèle numérique robuste du comportement thermomécanique non linéaire de cloisons légères soumises à un incendie naturel. Pour une modélisation robuste, nous avons d'une part développé un modèle du comportement thermomécanique de l'assemblage par vissage, et d'autre part développé un modèle global de la cloison légère en combinant, le modèle thermomécanique non linéaire du vissage, le modèle du comportement thermomécanique d'une plaque CPC et le modèle de l'ossature métallique. Comme il existe une grande variabilité dans les résultats expérimentaux, les incertitudes doivent être prises en compte. Pour ce faire, nous avons proposé d'utiliser un modèle probabiliste du comportement de l'assemblage par vissages / In this research, we study the thermomechanical behavior of a light partition wall made of carton-gypsum-carton (CGC) plates screwed to a metallic frame. This study consist firstly, to conduct an experimental analysis in order to identify the thermal, mechanical and thermomechanical propeties of the differents components of the light partition wall, and secondly, to develop an analytical model and a robust numerical model of nonlinear thermomechanical behavior of the partition walls subjected to natural fire. For a robust model, firstly, we developped a model of the thermomechanical behavior of the assembly by screws, and then developped a global model of the light partition wall by combining the nonlinear thermomechanical model of the assembly by screws, the model of the thermomechanical behavior of a CGC plate and model of the metal frame. As there is important variability in experimental results, the uncertainties must be taken into account. To do this, we proposed to use a probabilistic model of the behavior of the assembly by screw