Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent / In the recent years, there were major tunnels fires which caused fatalities and severe traffic restrictions. In such extreme conditions (temperatures exceeding 1200 °C for considerable time spans), pore pressure build-up, restrained thermal dilatation, cement paste to aggregate incompatibility, dehydration... are some main degradation mechanisms of concrete that may cause its thermal spalling. Progressive concrete spalling occurring during a fire presents as the breakdown of surface layers which flake into small pebble-like pieces. Then, the resistant section of the structure reduces which may lead to its premature failure.In this thesis, a THM finite element model is enriched with a detachment-buckling type criterion for progressive spalling. The thermo-hygral part of the THM model is based on the three fluid approach for partially saturated porous media. The mechanical part is derived within the framework of thermo-poro-mechanics coupled to damage and softening plasticity.The adopted modeling of spalling leads to a problem with evolving boundary and boundary conditions. A suitable numerical solution strategy without remeshing is then developed in order to transfer properly the THM boundary conditions simultaneously with spalling occurrence.The efficiency of the model THM-Spalling is illustrated by some numerical examples and by parametric studies. These studies identify the influence, on spalling, of size variation of spalling flakes, the average spalling velocity and uncertainties on different material parameters. Confrontation with experimental tests shows satisfactory capacity of the THM-Spalling model in reproducing qualitatively the occurrence of spalling

Cette thèse porte sur l'influence d'un jet plan pariétal sur une nappe de retour (backlayering). Cette étude peut être divisée en deux parties : une étude expérimentale et une étude numérique. Les expériences ont permis d'identifier le comportement de la nappe de retour en présence du jet. L'étude numérique débute par une validation du modèle numérique à partir des résultats de l'étude expérimentale. Une étude paramétrique est réalisée afin de déterminer l'influence du jet sur les caractéristiques et la stratification de la nappe de retour. La présence du jet plan pariétal induit une diminution de la longueur de la nappe de retour et une variation de l'épaisseur de la nappe de retour du fait de l'introduction du jet :pour une vitesse débitante fixée, l'augmentation du rapport entre la vitesse d'éjection, du jet et la vitesse débitante induit une augmentation de l'épaisseur de la nappe de retour ; pour un rapport entre la vitesse d'éjection du jet et la vitesse débitante constant, l'augmentation de la vitesse débitante conduit à un affinement de la nappe de retour. La stratification de la nappe de retour est conservée en présence du jet plan pariétal / The aim of this study is to determine the influence of a wall attached plane jet on the backlayering. This study is composed of two parts. The experimental part consists in identifying the behaviour of the backlayering in presence of the jet. The numerical part started with a validation of the numerical model using experimental study results. Then, a parametric study enables to determine the influence of the jet on the backlayering. The presence of the parietal plan jet induces a decrease of the backlayering length. Two main conclusions are achieved for the backlayering thickness change due to the jet : for a constant air flow velocity, the increase of the ratio between jet velocity and air flow velocity induces an increase of the backlayering thickness ; for a constant ratio between jet velocity and air flow velocity, the increase of the air flow velocity leads to an increase of the backlayering thickness. Finally, the backlayering stratification is maintained on the presence of the jet

Ce travail de thèse est consacré à l’évaluation et l’amélioration des modèles à zones, utilisés dans l’ingénierie de la sécurité incendie pour simuler la propagation des fumées dans un bâtiment en situation d’incendie. Il a pour ambition d’améliorer la compréhension des écoulements des fumées dans un bâtiment. Le mémoire de thèse est divisé en deux parties. La première est essentiellement consacrée à l’état de l’art et à une évaluation de la capacité du code CFAST, code à zones largement utilisé dans l’ingénierie de la sécurité incendie, à simuler les écoulements de fumées dans un bâtiment. Le code à zones CFAST est confronté aux résultats d’une campagne expérimentale à échelle réelle réalisée dans un bâtiment d’habitation de type R+3. La seconde partie du manuscrit, plus académique, consiste à étudier les écoulements de fumée dans un bâtiment. Dans un premier temps, deux phénomènes sont étudiés : le phénomène de remplissage d’un local par des fumées d’incendie, et le phénomène de remplissage / vidange simultanés d’un local ventilé naturellement. Des modèles à zones permettant de décrire ces phénomènes sont présentés. Deux campagnes expérimentales ont été menées à échelle réduite sur des maquettes thermiques de locaux, afin d’étudier les deux phénomènes et d’évaluer et améliorer les modèles à zones. De plus, des simulations numériques complémentaires avec le code à champs FDS (Fire Dynamics Simulator) sont réalisées pour étendre le domaine d’étude du phénomène de remplissage. Enfin, des améliorations du modèle à zones sont proposées. Après l’étude des phénomènes liés aux écoulements de fumée dans un local unique, les écoulements de fumées dans une configuration multi-compartiments, constituée de deux locaux reliés par une cage d’escalier, sont étudiés expérimentalement à l’échelle du laboratoire / This work is devoted to the evaluation and improvement of zone models, used in fire safety engineering to simulate the smoke propagation in a building in a fire situation. It aims at improving the understanding of the smoke flow in a building. The PhD work is divided into two parts. The first part is essentially devoted to a bibliographical survey and an evaluation of the ability of a zone code CFAST, widely used in fire safety engineering, to simulate smoke flows in a building. Numerical results with CFAST are compared with the data of a real-scale experimental campaign carried out on a three-storey residential building. The second part, more academic, consists of studying the smoke flows in a building. Two phenomena are first studied, namely the smoke filling of a room, and the simultaneous filling and emptying of a naturally ventilated room. Zone models describing these phenomena are presented. Two experimental campaigns are conducted on reduced scale room models, in order to study the two phenomena and to evaluate and improve the zone models. Furthermore, numerical simulations with the CFD code FDS (Fire Dynamics Simulator) are performed to extend the study field of the smoke filling. Finally, improvements to the zone model are proposed. After studying the phenomena related to smoke flows in a single room, the smoke flows in a multi-compartment configuration, consisting of two rooms connected by a stairwell, are experimentally studied at the laboratory scale

L’objectif de cette thèse est de proposer un modèle comportemental de l’être humain pour la simulation d’évacuation de bâtiment en cas d’incendie et de l’intégrer dans un outil de simulation d’évacuation de bâtiment. Le modèle proposé représente une approche individu-centré du comportement et répond aux axiomes de la Rationalité Limitée énoncés par Herbert Simon grâce à une conception hiérarchique des moyens cognitifs des agents simulés. L’implémentation du modèle du comportement présente la particularité d’être intégralement réalisée en GPU (via OpenGL 2.0). Ainsi la fréquence du moteur de comportement est très proche de celle du simulateur et permet une adaptation quasi temps réel des comportements des agents à un changement de perception de leur environnement. Le logiciel d’évacuation développé permet :– l’importation de scénario d’incendie de bâtiment simulé grâce au logiciel FDS,– la configuration des archétypes de comportement des agents évacuant, notamment :– la description des hypothèses sur le monde (connaissance individuelle),– la configuration des comportements des agents (moyens cognitifs individuels).– le positionnement des agents dans le bâtiment,– la simulation de l’évacuation,– l’enregistrement et le play-back d’un scénario d’évacuation.Les contraintes (feu, fumée, obstacles, autres agents) captées par un agent sont interprétées par ce dernier en fonction de son archétype de comportement afin de déterminer si sa stratégie d’évacuation doit être remise en cause. / The main objective of this thesis is to propose a behavioral model of the human being in presence of several constraints and to integrate it into a simulation tool for building egress. The proposed model represents an individual-based approach of behavior modelisation and implement axioms of the bounded rationality set by Herbert Simon providing two key features :– individual prioritization and parametisation of cognitivemeans,– individual perception and knowledgemanagement.The proposed software has the particularity to run entirely on GPU via OpenGL 2.0. Thus the frequency of the behavior engine is very near to that of the simulator and allow adaptation of near real-time behavior of agents in a changing perception of their environment.

Ces travaux de thèse, répondent à la problématique liée à la sécurité incendie des bâtiments ventilés naturellement, et notamment au comportement des fumées chaudes lorsqu’elles interagissent avec le vent. Le premier chapitre concerne la mise en exergue de la problématique bâtimentaire, au travers de la présentation des moteurs de la ventilation naturelle, d’une analyse règlementaire croisée sécurité incendie / confort thermique, et de multiples retours d’expériences. La nécessité d’étudier les régimes d’écoulement interne lorsque le vent interagit avec la fumée est mise en évidence. Ainsi, dans le second chapitre, les verrous scientifiques, associés à l’identification des régimes d’écoulement en convection mixte, sont soulevés à l’aide d’une analyse de la littérature. Dans le troisième chapitre, nous nous intéressons à la caractérisation des régimes d’écoulement internes lorsque le vent oppose le tirage thermique dans un volume contenant une source constante générant les forces de flottabilité. Une expérimentation densimétrique, air/hélium, à échelle réduite est proposée. Trois régimes d’écoulement internes stables sont mis en évidence. Les transitions entre ces régimes sont caractérisées par une loi puissance, mettant en jeu le nombre de Froude, relatif à la source générant les forces de flottabilité, et le rapport entre la pression dynamique de la source et celle du vent. Dans le quatrième chapitre, ces régimes sont également identifiés, expérimentalement et numériquement, lors de la vidange de fluide léger lorsque le vent oppose le tirage thermique. Une relation entre le nombre de Richardson et un temps de vidange caractéristique est identifiée. L’étude numérique nous permet d’analyser des dynamiques particulières de vidange de manière quantitative. Dans la dernière partie, les lois de transitions entre régimes d’écoulement permettent d’introduire un indicateur de sécurité dépendant des conditions de vent. Une méthode d’analyse, qui considère à la fois la sécurité et le confort, est alors proposée pour éviter les conflits mis en avant dans les retours d’expériences du chapitre 1. / This thesis work presents deals with the issue of fire safety consideration in naturally ventilated buildings. The particular case of the interaction between the wind and hot smoke movement is pinpointed. In the first chapter, basics of natural ventilation mechanisms are shown. Then, the analysis of building’s regulations, relating to fire safety and thermal comfort, allows to highlight potential conflicts and normative gaps. Theses gaps and conflicts are illustrated through real buildings feedbacks. The challenge of indoor flow pattern studies for safety purpose is hence underline. In the second chapter, scientific’s barriers in relation with the transitions between existing flow pattern, when wind and buoyancy are opposed, are identified thought a literature review. A scaled experiment is proposed in the third chapter, using density difference between air and helium, to identify internal flow pattern when wind opposes buoyancy. Three stable internal flow patterns are identified. A power law characterizing the transitions between identified flow pattern, involving source Froude number and dynamic pressure ratio between source jet and wind, is found. In the fourth chapter, the identified flow pattern are observed when the tested volume is emptied, and a relation between the initial Richardson number Ri and the characteristic emptied time θ is found. Furthermore, specific behaviour of internal flow, when the volume is emptied, is quantitatively study thanks to a numerical model. In the last part of this thesis, transitions law between internal flow patterns allows to introduce a new wind dependent fire safety index. A methodology is then proposed to both analyse fire safety and thermal comfort in building. The presented method gives the opportunity to avoid conception conflicts underlined in the first chapter of the present work.

Dans le cadre de la sécurité incendie, les produits industriels destinés au marché dela construction doivent être soumis à des essais de résistance au feu standardisés. Enparticulier, des critères de température limite à ne pas dépasser sont à satisfaire en face nonexposéedes produits. De plus, une attention est à apporter aux déformations hors plan del’élément testé. Ces essais de résistance au feu peuvent être contraignants et coûteux pour lesindustriels ce qui peut freiner leur démarche de Recherche et Développement. À ce titre, unprogramme de recherche a été lancé par la société EFECTIS France, laboratoire agréé enrésistance au feu, en collaboration avec le laboratoire I2M de l’Université de Bordeaux, dontl'objectif est de mettre au point un outil de simulation numérique d’essais de résistance au feu(four virtuel) appliqué à un bloc-porte en bois et produits dérivés (panneaux de particules etpanneaux de fibres). Le modèle thermomécanique développé prend en compte l’évolution despropriétés thermiques et mécaniques du matériau en fonction de l’avancement des réactionsde vaporisation et de pyrolyse ainsi que l’impact de ces réactions en termes d’énergiesconsommées et fournies. Ce modèle s’appuie notamment sur différents programmesexpérimentaux, comportant entre autre de la mesure de champ par corrélation d’images, dansle but de mesurer les données nécessaires à son bon fonctionnement. En se basant sur lecalcul du champ de température et sur l'estimation des déformations thermiques du bloc-portecoupe-feu, le modèle permet d’évaluer les performances au feu du produit. / In the context of fire safety, industrial products used in the building constructionmarket have to satisfy to standard fire resistance tests. In particular, a temperature criterionmust be satisfied on the unexposed side of the product and attention should be given to thedeformation of the product during fire. These tests are restrictive and costly for manufacturerswhich can slow down their R&D program. In this context, a research program was initiatedby the company EFECTIS France in collaboration with the laboratory I2M from theUniversity of Bordeaux whose main objective is to develop a numerical thermomechanicalmodel for simulating a fire resistance test (virtual furnace) on a fire door composed of woodand wood-based materials (particles and fibres boards). Thermomechanical model takes intoaccount the variation of thermal and mechanical properties as a function of vaporization andpyrolysis reactions. Energy impacts of those reactions are also included in the model. Thenumerical model involves experimental data to complete material properties needed for itsutilisation. To achieve this, different experimental programs were carried out, in particularmeasurements using digital image correlation. Based on simulated temperature field andestimation of the global bending of the fire door, the model allows evaluating fireperformances of the product.

Cette thèse étudie les possibilités offertes par l'intelligence artificielle pour l'identification et la circonscription des risques incendie de bâtiments.La sécurité incendie est une composante de la fonction technique du bâtiment. Elle peut donc être considérée dès la conception. Actuellement elle est traitée principalement par l'application de textes réglementaires. Nous proposons une approche différente ayant deux caractéristiques principales : premièrement elle privilégie la recherche des facteurs de risque et des meilleurs moyens de les éliminer ; deuxièmement elle est globale parce qu'elle réalise une intégration des connaissances (expertes ou autres) relatives aux autres fonctions du bâtiment (Architecture et Economie) ainsi qu'aux autres composantes de la fonction technique.La recherche a donc porté principalement sur : – La définition d'une méthode d'étude globale de la sécurité incendie du bâtiment, car les connaissances sont peu formalisées dans ce domaine. – La définition d'une méthodologie de réalisation d'un système multi-expert opérationnel et à caractère pédagogique.Les résultats des travaux présentés sont de deux types : – Un ensemble d'outils tels que TRIAGE, ARBRE, NASS, ICONOGRAPH. TRIAGE est le système destiné aux études pluridisciplinaires de la sécurité incendie de bâtiments. Deux modes de fonctionnement sont disponibles : l'expertise focalisée où l'utilisateur requiert un service à un spécialiste de manière isolée ; l'expertise générale où l'utilisateur est pris en main par un planificateur de tâches en fonction des buts fixés. ARBRE est un outil destiné aux experts pour la mise au point d'arbres des causes à probabilités subjectives (appelées crédits d'hypothèses). NASS est un environnement de développement de systèmes experts basés sur l'exploitation de multiples sources de connaissances exprimées en langage quasi naturel. Il contient, entre autres, le mécanisme de raisonnement de TRIAGE. ICONOGRAPH est un outil graphique pour la gestion des relations entre les objets d'un univers de discours structuré. Il met en oeuvre un modèle auto-organisationnel (dit à règles de mutation structurelle) fonction de l'univers considéré. – L'ensemble des éléments méthodologiques qui ont été mis en oeuvre pour arriver aux outils cités. Notamment, nous proposons une technique que nous appelons sémographie. Son rôle est d'orienter le concepteur de système expert sur la nature des connaissances à introduire dans un système expert et sur la façon de les acquérir. Basée sur la systémique et l'ergonomie cognitive, la sémographie apporte des modèles de structuration de l'univers du discours des experts et des techniques pour provoquer et analyser le discours lui-même.

L’objectif de cette thèse est de présenter des critères simples pour l’évaluation des performances d’une ventilation transversale. On définit l’efficacité et le rendement, calculés à partir du flux de déficit de densité créé par l’incendie. Après une étude préliminaire permettant de caler les modèles numériques, l’influence de différents paramètres sur ces valeurs a été évaluée. Dans un premier temps, l’étude a porté sur une seule trappe et a montré que le courant d’air dans le tunnel est le paramètre le plus important. A l’inverse, la forme de la trappe pour une surface donnée n’a que très peu d’importance, sauf dans des cas limites (fente sur toute la largeur du tunnel). L’étude d’un canton à huit trappes confirme l’importance du contrôle du courant d’air. Lorsqu’on diminue le nombre de trappes en conservant la même surface totale d’aspiration, cette sensibilité tend à disparaître, mais l’efficacité diminue. Enfin, l’étude de l’influence de l’encombrement montre une légère amélioration de l’efficacité, due à l’obstruction d’une partie de la section par des camions, qui bloquent les fumées au droit des trappes. / The aim of this study is to present simple criteria to evaluate the performances of a transverse ventilation system. Efficiency and yield have been defined, based on the flux of density deficit createdby the fire. After a preliminary study of numerical models, the influence of different parameters on those criteria has been investigated. First, the study focused on the simplified case of a single damper. We showed that the air flow speed in the tunnel is the more important parameter. On the contrary, the shape of the damper has little influence on the efficency, except in unusual cases (slit on the whole width of the tunnel). Then, the study of a longer portion of the tunnel confirmed the prominence of the limitation of air flow speed. Comparison with a case with fewer dampers but the same total extraction section showed that this sensibility to air flow speed tends to disappear for larger dampers, but that the efficiency is lowered. Finally the study of the influence of heavy-goods-vehicules obstructing the tunnel reports better results, due to the fact that big objects tend to confine smokes.

Dans une thématique de sécurité incendie, la prédiction de la propagation d'une flamme le long d'une paroi verticale solide nécessite la quantification du rayonnement. L'objectif de la thèse est de quantifier et caractériser les suies d'une flamme de PMMA. La flamme stationnaire d'un brûleur gaz sera également étudiée. La méthode optique de LII, une fois calibrée (extinction), permet d'obtenir des champs 2D de la fraction volumique ainsi que le taux de combustion en fonction de la hauteur pour la flamme de PMMA. Ensuite, la morphologie des agrégats de suie est déterminée grâce à des clichés MET et des mesures de la distribution en taille. Les propriétés optiques sont obtenues avec des mesures in-situ et ex-situ (effet de la température) de l'extinction spectrale, couplées avec une mesure de la concentration massique pour remonter à la fonction d'indice. Cette base de données permettra la perspective de calculer le rayonnement des suies et de l'utiliser dans un modèle de propagation.

Dans les feux de compartiment, les fumées représentent un danger majeur lors de l’intervention des sapeurs-pompiers. Elles sont souvent à très hautes températures et sont surtout très mobiles. De ce fait, elles provoquent la propagation du feu et peuvent engendrer des phénomènes thermiques, imprévisibles et incontrôlables, tels que les explosions de fumées ou l’embrasement généralisé éclair. L’étude présentée se propose de contribuer à construire des méthodes et des moyens pour pallier aux manques d’informations lors de l’intervention des sapeurs-pompiers sur feux de compartiments. Il s’agit de proposer une méthode de diagnostic en temps réel afin, en particulier de détecter l’occurrence de dangers potentiels spécifiques à ces situations.Pour une approche plus rationnelle, l’incendie a été étudié comme un phénomène physique, ce qu’il est, et analysé à partir des relevés de température au cours de l’évolution du feu. La particularité de l’étude a été d’examiner ces relevés de températures comme des séries temporelles et d’étudier leurs caractéristiques à partir de deux moyennes mobiles dans le passé, soit sur un même point de mesure soit sur deux points de mesures positionnés en des endroits clés. Cette méthode a permis de montrer que l’entrecroisement des moyennes mobiles donne des informations pertinentes sur l’évolution à venir du feu et sur la possibilité de détecter l’apparition possible de phénomènes thermiques catastrophiques. / In compartment fires smokes are a major danger during firemen intervention. Most of the time, they are at high temperature and they flow everywhere through many kinds of ducts, which leads to the propagation of the combustion by the creation other fires in places which may be far from the initial fire. Besides, since the appearance of the new building materials and with the heat insulations which lead to the concentration of heat during a fire, the compartments fire became even more dangerous for firefighters during their phases of attack.In the presente study we will introduce a new approach of the problem, which allows to better follow the fire behavior and especially to detect the dangers that may appear and endanger firefighters. This approach consists in a mathematical analysis based on the comparison of moving averages, calculated on the temperature recordings of the smokes. As a consequence, this method may allow improving decision support in real time and therefore to improve the security and the efficiency of firefighters in their operations against that kind of fires.