Flashover - Backdraft - Fire Gas Ignition - Développement du feu dans un compartiment

Ed Hartin / Firehouse.com (Trad. Franck Gaviot-Blanc, PL Lamballais)
Lorsqu'un feu n'est pas confiné, une grande partie de la chaleur produite par le combustible qui brûle s'échappe par rayonnement et convection. Pensez à une pile de palettes en bois, en feu sur une aire de stationnement ouverte (parking par exemple). Alors que vous pouvez sentir la chaleur radiante lorsque que vous vous approchez du feu, la convection éloigne la fumée et les gaz chauds vers le haut, loin des palettes en feu. Qu'est ce qui change lorsque le feu se produit dans un compartiment?

Dans un local, des éléments tels que les murs, le plafond et le plancher, absorbent une partie de la chaleur radiante produite par le feu. L'énergie calorifique radiante qui n'est pas absorbée est donc réfléchie, et continue ainsi à augmenter la température du combustible et la vitesse de combustion. La fumée et l'air sont chauffés par le feu et s'élèvent, pour entrer en contact avec des matériaux plus frais tels que le plafond et les murs du local. La chaleur est transférée par conduction, aux matériaux plus frais, augmentant ainsi leur température. Ce procédé de transfert thermique augmente la température de tous les matériaux présents dans le compartiment. Lorsque qu'un élément est chauffé, il commence à se décomposer par la chaleur (il pyrolyse). Le taux de pyrolyse peut atteindre le point où la combustion avec flamme pourra être possible et le feu se propagera. En plus du fait qu'ils contiennent de l'énergie calorifique, les feux en compartiments sont influencés par le profil de ventilation. La taille du local, le nombre et la taille des ouvertures qui peuvent fournir une source d'oxygène pour permettre une combustion continue, influencent également le développement du feu.

Les étapes du feu

Bien que les « étapes du feu » soient décrites différemment suivant les manuels des Services Incendie, le phénomène de développement du feu est toujours le même. En ce qui nous concerne, nous décrirons les étapes de développement du feu dans un local, par les termes suivants: naissances, croissance, plein développement et déclin. Bien que nous divisions le développement du feu en quatre «phase», le processus réel est en fait continu, avec des «étapes» allant de l'une vers la suivante. Bien qu'en laboratoire il soit sans doute possible de définir clairement ces transitions, sur le terrain, il est souvent difficile de dire quand une phase est finie et quand la prochaine commence.

Naissance : Cette étape du développement du feu peut être définie de deux manières. La définition la plus simple est celle d'un petit feu qui n'a pas encore significativement affecté l'environnement intérieur du compartiment (chaleur, toxicité, visibilité). Les règlements de l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) traitant de la protection contre les incendies (OSHA, 1993) identifient un feu naissant en termes de risques. Ce règlement indique qu'un feu dans son étape initiale ou «de commencement» est un feu qui peut être contrôlé ou éteint avec des extincteurs portatifs ou une petite ligne d'eau (Ndt : Robinet Incendie Armé «RIA» que l'on trouve dans les magasins par exemple) sans avoir besoin de vêtements de protection ou d'appareil respiratoire.

Revenons aux bases du comportement du feu : l'allumage exige de la chaleur, du combustible, et de l'oxygène. Dès que la combustion commence, le développement d'un feu naissant dépend en grande partie des caractéristiques et de la configuration du combustible impliqué (le feu est contrôlé par le combustible). L'air dans le compartiment fournit suffisamment d'oxygène pour permettre le développement du feu. Pendant cette première phase du développement du feu, la chaleur radiante chauffe le combustible proche et permet ainsi de poursuivre le processus de pyrolyse. Une colonne de gaz chauds et de la flamme monte du feu et se mélange à l'air plus frais de la pièce. Ce transfert d'énergie commence à augmenter la température globale de la pièce. Lorsque cette colonne thermique atteint le plafond, les gaz chauds commencent à se propager horizontalement au plafond. Il est difficile de définir précisément la transition qui suit la phase de naissance. Cependant, lorsque les flammes sont proches du plafond et que la couche de gaz chauds devient mieux définie et augmente en volume, on estime que le feu s'est déplacé au-delà de sa phase naissante et (si la quantité d'oxygène est suffisante) continuera à se développer plus rapidement. A cet instant le feu est alors une menace immédiate, dangereuse pour la vie et la santé (condition de type IDHL = Immediately Dangerous to Life and Health). Dès lors les conditions de sécurité définie par l'OSHA doivent s'appliquer, avec la mise en place de binôme et du principe «2 qui entrent pour 2 qui sortent».

Croissance : Comme le feu continue à se développer, le taux d'énergie libéré par le combustible en feu continue également à augmenter (si la quantité d'oxygène est suffisante).

Bien qu'en réalité cela soit plus complexe, les températures des gaz dans le compartiment peuvent cependant être décrites comme existant sous forme de deux couches: une couche chaude qui s'étend (descend) à partir du plafond et une couche plus fraîche au niveau du plancher. En plus des effets liés au transfert de chaleur par le rayonnement et la convection décrit précédemment, le rayonnement de la couche de gaz chauds contribue également à chauffer les surfaces intérieures du compartiment et de son contenu (voir schéma ci-contre)

Le volume et la température de la couche chaude de gaz augmente et la pression fait de même. La pression plus élevée de cette couche chaude a tendance à la pousser vers le bas et à la faire sortir par les ouvertures. La pression de la couche de gaz plus froid étant moins importante, il en résulte un mouvement d'air vers l'intérieur du compartiment, en provenance de l'extérieur. A l'endroit où ces deux couches se rencontrent et que les gaz chauds sortent par une ouverture, la pression est neutre. L'interface des couches chaudes et fraîches de gaz est généralement désignée sous le nom de «plan neutre».

Le feu peut continuer à se développer soit par propagation de la flamme ou par l'allumage d'autres éléments combustibles, présents dans le compartiment. Lorsque les flammes de la plume (Ndt : nom donnée par les anglo saxons à la colonne de flamme / fumée issue du foyer principal. Nous parlerons de colonne thermique, ce terme étant admis par le NIST) atteignent le plafond, elles se plient et commencent à se répandre horizontalement. Les produits de pyrolyse et les sous-produits inflammables issus de la combustion incomplète, présents dans la couche de gaz chauds, prendront feu et prolongeront cette propagation horizontale au niveau du plafond. Ce phénomène, connu sous le nom de roll-over, et l'indicateur de l'imminence d'un Flashover (Ndt : il est bien question ici de l'inflammation des gaz et non pas du simple étalement des flammes au plafond).

Le Flashover c'est la transition soudaine d'un feu qui se développe vers un feu pleinement développé. Lorsque le Flashover se produit, il y a une transition rapide vers l'implication de tout les matériaux combustibles contenu dans le compartiment. Les conditions pour le Flashover sont définies par une multitude de moyens différents. Cependant, en général la température dans le compartiment doit atteindre entre 500 à 600°C (932 à 1112°F) ou le flux de chaleur (mesure du transfert thermique) au plancher du compartiment doit atteindre 15 - 20 kW/m2.

Quand le Flashover se produit, les gaz en feu s'échappent par les ouvertures du compartiment (tel qu'une porte menant à une autre pièce) à une vitesse importante.

Mais le Flashover ne se produira pas systématiquement. Deux facteurs, en corrélation, ont une influence importante sur le développement d'un feu dans un compartiment. D'abord, le combustible doit avoir une énergie calorifique suffisante pour atteindre les conditions du Flashover. Par exemple, l'inflammation de plusieurs feuilles de journal dans une petite corbeille à papiers en métal a peu de chance de produire l'énergie calorifique suffisante pour développer des conditions de Flashover dans une chambre garnie de panneaux résistants au feu ! Par contre, l'inflammation d'un divan avec des coussins en mousse de polyuréthane, placé dans la même salle, permettra certainement d'atteindre ce seuil. Le deuxième facteur est la ventilation. Un feu doit avoir suffisamment d'oxygène pour se dévelopepr et atteindre le Flashover. En modélisant le développement d'un feu dans une salle d'hôtel, Birk (cité par Grimwood, Hartin, McDonough, et Raffel, 2005) a déterminé que la fermeture de la porte empêche la pièce d'atteindre le Flashover (à condition que les autres ouvertures telles que les fenêtres demeurent intactes). Si la ventilation existe, mais qu'elle est insuffisante, le feu peut néanmoins entrer dans la phase de croissance et ne pas atteindre le pic de dégagement de chaleur d'un feu en plein développement.

Plein développement : À cette étape de post Flashover, le dégagement d'énergie est à son maximum, mais est généralement plus ou moins limité par la ventilation. Les gaz imbrûlés s'accumulent au niveau de plafond et brûlent fréquemment lorsqu'ils sortent du compartiment, produisant alors des flammes visibles par les portes ou les fenêtres. La température moyenne des gaz dans un compartiment pendant un feu en plein développement s'étend de 700° à 1200°C.

Déclin : Lorsque le combustible disponible est consommé, le taux de dégagement de chaleur diminue et le feu peut alors retourner à un état de contrôle par le combustible en cherchant un équilibre avec la disponibilité en oxygène.
Des discussions plus détaillées sur le développement du feu en compartiment peuvent être trouvé dans Enclosure Fire Dynamics (Karlsson & Quintiere, 2000) et An Introduction to Fire Dynamics (Drysdale, 1998).

Contrôle par le combustible vs. Contrôle par la ventilation
La distinction entre un feu contrôlé par le combustible et un feu contrôlé par la ventilation est très importante pour comprendre le comportement de feu en compartiment. Comme soulignés précédemment, les feux de compartiment sont généralement contrôlés par le combustible lors de leur phase de naissance, leur phase de croissance et ensuite lors de leur phase de déclin. Les paramètres qui influent le développement d'un feu contrôlé par le combustible sont d'un intérêt tout particulier.

Tableau 1. Facteurs influençant le développement d'un feu contrôlé par le combustible

Superficie et masse	Plus la superficie pour une masse donnée de combustible est importante, plus il est facile de chauffer ce combustible à sa température d'inflammation.
Composition chimique	La composition chimique du combustible a un impact important sur la chaleur libérée lors de la combustion. Par exemple, la chaleur de la combustion des combustibles ordinaires (tels que le bois et le papier) est approximativement de 33.494 MJ/Kg. D'un autre côté, les hydrocarbures combustibles tels que l'essence ont une chaleur de combustion de l'ordre de 83.736 MJ/Kg. Beaucoup de matériaux synthétiques tels que les plastiques ont une chaleur de combustion proche de celle de l'essence.
Charge de combustible	La quantité totale de combustible disponible pour la combustion influence le dégagement potentiel total de chaleur.
Humidité du combustible	Bien que ce ne soit pas un facteur important pour tous les types de combustible, l'eau agit comme un ballast thermique, ralentissant le processus de réchauffement du combustible jusqu'à sa température d'inflammation.
Orientation	L'orientation du combustible par rapport au feu, influence la manière dont la chaleur lui est transférée. Par exemple, la surface d'un mur en bois est aussi bien chauffée par la convection que par le rayonnement, alors que le sol est seulement chauffé par la chaleur radiante.
Continuité	Nous entendons par «continuité» la proximité des divers éléments combustibles les uns par rapport aux autres. Plus le combustible est serré (ou plus il est continu), plus la propagation est rapide. La continuité peut être horizontale (par exemple surface du plafond) ou verticale (par exemple stockage en rayons ou des murs).

Lorsque qu'un feu est contrôlé par le combustible, le taux de dégagement de chaleur et la vitesse de développement sont limités par les caractéristiques du combustible, car l'air dans le compartiment et le profil de ventilation existants fournissent suffisamment d'oxygène pour le développement du feu. Cependant, si le feu s'accroît, sa demande en oxygène augmente, et à un certain point (en fonction de la dimensions des ouvrants) il excédera ce qui est disponible. C'est la transition vers un feu contrôlé par la ventilation.
Quand le développement du feu est limité par les ouvrants du compartiment, les changements dans cette ventilation influenceront directement le comportement du feu. La réduction de la ventilation (par exemple la fermeture une porte) réduira le taux de dégagement de chaleur et ralentira le développement du feu. L'augmentation de la ventilation (par exemple l'ouverture d'une porte ou d'une fenêtre) augmentera le taux de dégagement de chaleur et la vitesse de développement du feu. Les changements du profil de ventilation peuvent être provoqués par le feu (bris de la vitre d'une fenêtre), par les occupants (en laissant une porte ouverte), ou par une action tactique réalisée par les sapeurs-pompiers.

Etude et discussion - Questions
Se documenter sur le comportement du feu est très différent de l'expérience. Il faut résister à la tentation d'éliminer les concepts de base en disant qu'ils sont trop simples ou élémentaires ou que les explications plus détaillées sont trop complexes. Faire le rapport entre la théorie et votre propre expérience ou l'expérience des autres est une manière efficace d'apprendre. Employez ces questions pour concentrer votre réflexion sur la façon dont la théorie de base du comportement du feu se relie aux incidents sur lesquels vous ou d'autres membres de votre équipe, êtes intervenus.

Quels indicateurs (signes) pourriez-vous rechercher pour déterminer si un feu est à sa phase de naissance ou s'il a progressé au-delà, jusqu'à sa phase de croissance ?
Visitez la page de photo du site Firehouse.com et utilisez les photos de scène d'incidents pour tenter d'identifier si le feu est contrôlé par le combustible ou par la ventilation.
Discutez de l'impact sur le comportement du feu, que pourrait avoir une ouverture pour la ventilation tactique et/ou l'entrée.

Mise en application
Relisez les différents articles sur le développement du feu dans un compartiment. Ensuite, visiter un site sur votre secteur d'intervention et essayer de pré-planifier le comportement possible du feu. Concentrez vous sur la façon dont le feu se développerait et se propagerait dans le bâtiment.
Discuter de votre dernier feu de structure d'un point de vue comportement du feu. Quelles étaient les conditions à l'arrivée ? Le comportement du feu a-t-il changé pendant vos opérations tactiques ? Pourquoi le feu s'est-il comporté cette manière ? Faire un rapprochement entre les différentes phases du feu et le contrôle par le combustible et la ventilation.

Autre article
Un autre article (disponible ici) intitulé «La combustion des fumées» commence par un examen plus détaillé du phénomène de Flashover, du Backdraft, et de la Smoke Explosion. Les articles qui feront suite relieront la théorie à l'expérience pratique en examinant une série d'études de cas portant sur le comportement extrême du feu.

References

Occupational Safety and Health Administration (OSHA). (1993). 29 Code of federal regulations, 1910.155 Fire protection. Washington, DC: Author.
International Fire Service Training Association. (1998). Essentials of firefighting (4th ed). Stillwater OK: Fire Protection Publications
Karlsson, B. & Quintiere, J.G. (2000). Enclosure fire dynamics. Boca Raton, FL: CRC Press.
Drysdale, D. (2000). An introduction to fire dynamics. Chichester, England: John Wiley & Sons.
Grimwood, P., Hartin, E., McDonough, J., & Raffel, S. (2005). 3D firefighting: Training , techniques, and tactics. Stillwater, OK: Fire Protection Publications.