En l'absence d'études scientifiques sur le comportement au feu des toitures végétalisées, des inquiétudes se posent quant à leur sécurité et à l'adéquation des mesures de protection existantes contre la propagation du feu. La province de Québec a publié le guide technique sur l'installation de ces toitures où la section sur la sécurité incendie est élaborée de manière très détaillée, en recueillant les règles de différentes sources, ce qui dans certains cas pose des limites pour la conception. Cette recherche visait à étudier les risques d'incendie que ces toits présentent et à analyser leurs performances dans des conditions extrêmes pour une meilleure compréhension des possibilités du feu et de l'importance des mesures de sécurité incendie. La conductivité thermique effective de substrat de croissance en fonction de la température pour les toitures végétalisées a été déterminée pour une utilisation dans des simulations numériques d'analyse de transfert de chaleur. Une série d’essais en laboratoire a été effectuée afin d'ajuster un modèle existant de calcul de la conductivité thermique des sols minéraux pour l'application sur des substrats de toitures végétalisées. Les résultats montrent une petite différence dans les valeurs mesurées et calculées, spécifiquement 1.07 et 0.9 W/(m·K), ce qui confirme la validité du modèle pour les substrats de toitures végétalisées. Le modèle a permis le calcul de la conductivité thermique en considérant séparément les matériaux organiques et inorganiques, ce qui facilite la détermination de cette propriété à différentes températures compte tenu de la décomposition de la matière organique entre 250 et 700 °C. L'analyse de décomposition thermique a également été effectuée pour obtenir des proportions de composants minéraux et organiques. Les résultats satisfaisants du test de validation et des simulations numériques montrent l'applicabilité de la conductivité thermique effective déterminée en fonction de la température pour les problèmes de transfert de chaleur. L'analyse de la propagation de la chaleur à travers le toit végétalisé a été réalisée afin d'évaluer le risque d'endommagement de la structure du toit par la chaleur lorsqu'une surface d'un toit végétalisé est exposée à des températures élevées. Plusieurs simulations numériques ont été effectuées pour déterminer les conditions dans lesquelles la défaillance du toit se produit. Un toit végétalisé extensif avec le substrat de croissance sec contenant 5% de matière organique a été pris pour la modélisation. Il a été constaté que le substrat de moins de 10 cm iv d'épaisseur à l'état sec peut protéger efficacement le platelage de toit, retardant la propagation de la chaleur. Un retard d'au moins 30 min est obtenu avec la couche de substrat de 3 cm d'épaisseur. L'effet de la porosité du substrat (entre 0.5 et 0.7) sur le temps de défaillance était faible et observable uniquement sous une charge thermique de 200 kW/m². Les caractéristiques d'inflammabilité des toitures végétalisées, telles que la vitesse de dégagement de chaleur, la densité de la charge combustible et le temps d'allumage ont été déterminés. Des mesures en laboratoire à l'aide d'un calorimètre à cône ont été effectuées sur les substrats de croissance de toit vert à l'état sec et humide. Les résultats ont montré que même à l’état sec, le substrat libère beaucoup moins d'énergie qu'une couverture de toiture typique en bitume modifié. Généralement, la performance des toits végétalisés en feu est meilleure qu'un toit typique en bitume. Le risque d'incendie des toits végétalisés pour les bâtiments adjacents a été analysé en termes d'exposition à la chaleur rayonnante produite par un incendie sur un toit vert. Les résultats des calculs montrent que la présence d'humidité dans les plantes réduit considérablement la distance sécuritaire entre le toit et la façade d’un bâtiment voisin et est le principal facteur de réduction des risques d'incendie. Il a également été montré qu’en raison du fait que le vent a un fort effet sur la propagation du feu, il est important de le considérer lors de la conception d'un toit vert. / In the lack of scientific studies on fire performance of green roofs concerns arise about their safety and the adequacy of existing protection measures against the spread of fire. Province of Quebec issued the technical guide on installation of such roofs where fire safety section is drawn up in considerable detail, collecting the rules from different sources, which in some cases poses limitations for design. This research aimed at investigating the fire risks that such roofs present and analyzing their performance in extreme conditions for better understanding of fire possibilities and the importance of fire safety measures. The effective thermal conductivity as a function of temperature of green roof growing media was determined for using in numerical simulations of heat transfer analysis. A series of laboratory measurements were conducted in order to adjust an existing model of calculation of thermal conductivity of mineral soils for the application to green roof substrates. The results show small difference in measured and calculated values, specifically 1.07 and 0.9 W/(m·K), that confirms the suitability of model for green roof substrates. The model allowed the calculation of thermal conductivity considering organic and inorganic materials separately, which facilitates the determination of this property at different temperatures considering the decomposition organic matter between 250 and 700 °C. The thermal decomposition analysis was also performed to obtain proportions of mineral and organic components. Satisfactory results of validation test and numerical simulations show applicability of predicted effective thermal conductivity as a function of temperature for heat transfer problems. The analysis of heat propagation through the green roof assembly was conducted in order to assess the risk of roof structure being damaged by heat when a surface of a green roof is exposed to elevated temperatures. Multiple numerical simulations were performed to determine conditions at which the roof failure occurs. Extensive green roof with dry growing media containing 5% of organic matter was taken for the modeling. It was found that the substrate of less than 10 cm thickness in dry state can effectively protect the roof deck, retarding the heat propagation. At least 30 min of retardation is achieved with the substrate layer of 3 cm thickness. The effect of porosity of the substrate (between 0.5 and 0.7) on time to failure was found to be small and noticeable only under heating load of 200 kW/m². vi Flammability characteristics of green roofs, such as heat release rate, fire load density and time to ignition was determined. Laboratory measurements using a cone calorimeter were conducted over the green roof growing media in dry and moist state. The results showed that even in dry condition the substrate releases much less energy compared to a typical roof covering made of modified bitumen. Generally, the performance of green roofs in fire is better than a typical bitumen roof. Fire risk of green roofs to adjacent buildings was analyzed in terms of exposure to the radiation heat produced by a fire on a green roof. The results of calculation show that the presence of moisture in plants greatly reduces safe distance to façade and is the main factor in reducing fire hazard. It was also shown due to the fact that the wind has a strong effect on fire spread it is important to consider it when designing a green roof.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/66981 |
| Date | 27 January 2024 |
| Creators | Gerzhova, Nataliia |
| Contributors | Dagenais, Christian, Blanchet, Pierre, Ménard, Sylvain |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxii, 164 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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