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.

Ce travail a porté sur la mise au point d'un modèle et d'un logiciel de simulation du mouvement de personnes évacuant un bâtiment, lors d'un incendie ou d'une autre situation justifiant l'évacuation ou la provoquant spontanément. Un algorithme original a été développé, applicable à de fortes densités de personnes dans un environnement complexe comprenant des obstacles au mouvement. Afin de pouvoir visualiser la simulation du mouvement, un post-processeur graphique a été réalisé, destiné à la représentation du bâtiment et de ses obstacles internes et à celle des trajectoires suivies par les personnes. Un maillage sert de trame pour représenter, outre les aires offertes au déplacement, les murs et autres obstacles, qu'ils soient matériels ou qu'ils représentent des régions dangereuses. Le logiciel développé simule le déplacement des occupants évoluant en coordonnées continues dans un environnement complexe et interagissant au niveau de la vitesse de leur déplacement ainsi que de la densité maximale d'occupation qu'il est possible d'atteindre. Ce modèle a pu être réalisé au moyen d'une application locale, au niveau du micro-environnement de chaque occupant, des lois de corrélation macroscopiques vitesse-densité identifiées par plusieurs auteurs. L'utilisation du post-processeur graphique mis au point lors de ce travail, a rendu possible la mise en évidence des phénomènes inhérents au mouvement de foule (accumulation, blocage, détente).

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.

Dans le but de faciliter la tâche d'évaluation du niveau de sécurité incendie aux ingénieurs et permettre aux spécialistes impliqués dans le domaine d'utiliser leurs langages et outils préférés, nous proposons de créer un langage dédié au domaine de la sécurité incendie générant automatiquement une simulation en prenant en considération les langages métiers utilisés par les spécialistes intervenants dans le domaine. Ce DSL nécessite la définition, la formalisation, la composition et l'intégration de plusieurs modèles, par rapport aux langages spécifiques utilisés par les spécialistes impliqués dans le domaine. Le langage spécifique dédié au domaine de la sécurité incendie est conçu par composition et intégration de plusieurs autres DSLs décrits par des langages techniques et naturels (ainsi que des langages naturels faisant référence à des langages techniques). Ces derniers sont modélisés de manière à ce que leurs composants soient précis et fondés sur des bases mathématiques permettant de vérifier la cohérence du système (personnes et matériaux sont en sécurité) avant sa mise en œuvre. Dans ce contexte, nous proposons d'adopter une approche formelle, basée sur des spécifications algébriques, pour formaliser les langages utilisés par les spécialistes impliqués dans le système de génération, en se concentrant à la fois sur les syntaxes et les sémantiques des langages dédiés. Dans l'approche algébrique, les concepts du domaine sont abstraits par des types de données et les relations entre eux. La sémantique des langages spécifiques est décrite par les relations, le mapping (correspondances) entre les types de données définis et leurs propriétés. Le langage de simulation est basé sur un langage conçu par la composition de plusieurs DSL spécifiques précédemment décrits et formalisés. Les différents DSLs sont implémentés en se basant sur les concepts de la programmation fonctionnelle et le langage fonctionnel Haskell bien adapté à cette approche. Le résultat de ce travail est un outil informatique dédié à la génération automatique de simulation, dans le but de faciliter la tâche d'évaluation du niveau de sécurité incendie aux ingénieurs. Cet outil est la propriété du Centre Scientifique et Technique du bâtiment (CSTB), une organisation dont la mission est de garantir la qualité et la sécurité des bâtiments, en réunissant des compétences multidisciplinaires pour développer et partager des connaissances scientifiques et techniques, afin de fournir aux différents acteurs les réponses attendues dans leur pratique professionnelle. / In order to facilitate the engineers task of evaluating the fire safety level, and to allow the specialists involved in the field to use their preferred languages and tools, we propose to create a language dedicated to the field of fire safety, which automatically generates a simulation, taking into account the specific languages used by the specialists involved in the field. This DSL requires the definition, the formalization, the composition and the integration of several models, regardig to the specific languages used by the specialists involved in the field. The specific language dedicated to the field of fire safety is designed by composing and integrating several other DSLs described by technical and natural languages (as well as natural languages referring to technical ones). These latter are modeled in a way that their components must be precise and based on mathematical foundations, in order to verify the consistency of the system (people and materials are safe) before it implementation. In this context, we propose to adopt a formal approach, based on algebraic specifications, to formalize the languages used by the specialists involved in the generation system, focusing on both syntaxes and semantics of the dedicated languages. In the algebraic approach, the concepts of the domain are abstracted by data types and the relationships between them. The semantics of specific languages is described by the relationships, the mappings between the defined data types and their properties. The simulation language is based on a composition of several specific DSLs previously described and formalized. The DSLs are implemented based on the concepts of functional programming and the Haskell functional language, well adapted to this approach. The result of this work is a software dedicated to the automatic generation of a simulation, in order to facilitate the evaluation of the fire safety level to the engineers. This tool is the property of the Scientific and Technical Center for Building (CSTB), an organization whose mission is to guarantee the quality and safety of buildings by combining multidisciplinary skills to develop and share scientific and technical knowledge, in order to provide to the different actors the expected answers in their professional practice.

Les travaux présentés portent sur l'étude de modèles numériques multi-fidèles, déterministes ou stochastiques. Plus précisément, les modèles considérés disposent d'un paramètre réglant la qualité de la simulation, comme une taille de maille dans un modèle par différences finies, ou un nombre d'échantillons dans un modèle de Monte-Carlo. Dans ce cas, il est possible de lancer des simulations basse fidélité, rapides mais grossières, et des simulations haute fidélité, fiables mais coûteuses. L'intérêt d'une approche multi-fidèle est de combiner les résultats obtenus aux différents niveaux de fidélité afin d'économiser du temps de simulation. La méthode considérée est fondée sur une approche bayésienne. Le simulateur est décrit par un modèle de processus gaussiens multi-niveaux développé dans la littérature que nous adaptons aux cas stochastiques dans une approche complètement bayésienne. Ce méta-modèle du simulateur permet d'obtenir des estimations de quantités d'intérêt, accompagnés d'une mesure de l'incertitude associée. L'objectif est alors de choisir de nouvelles expériences à lancer afin d'améliorer les estimations. En particulier, la planification doit sélectionner le niveau de fidélité réalisant le meilleur compromis entre coût d'observation et gain d'information. Pour cela, nous proposons une stratégie séquentielle adaptée au cas où les coûts d'observation sont variables. Cette stratégie, intitulée "Maximal Rate of Uncertainty Reduction" (MRUR), consiste à choisir le point d'observation maximisant le rapport entre la réduction d'incertitude et le coût. La méthodologie est illustrée en sécurité incendie, où nous cherchons à estimer des probabilités de défaillance d'un système de désenfumage. / The presented works focus on the study of multi-fidelity numerical models, deterministic or stochastic. More precisely, the considered models have a parameter which rules the quality of the simulation, as a mesh size in a finite difference model or a number of samples in a Monte-Carlo model. In that case, the numerical model can run low-fidelity simulations, fast but coarse, or high-fidelity simulations, accurate but expensive. A multi-fidelity approach aims to combine results coming from different levels of fidelity in order to save computational time. The considered method is based on a Bayesian approach. The simulator is described by a state-of-art multilevel Gaussian process model which we adapt to stochastic cases in a fully-Bayesian approach. This meta-model of the simulator allows estimating any quantity of interest with a measure of uncertainty. The goal is to choose new experiments to run in order to improve the estimations. In particular, the design must select the level of fidelity meeting the best trade-off between cost of observation and information gain. To do this, we propose a sequential strategy dedicated to the cases of variable costs, called Maximum Rate of Uncertainty Reduction (MRUR), which consists of choosing the input point maximizing the ratio between the uncertainty reduction and the cost. The methodology is illustrated in fire safety science, where we estimate probabilities of failure of a fire protection system.