Modélisation de scénarios d’accidents sur un avion de type ...évalué selon la méthodologie...

Modélisation de scénarios d’accidents sur un avion de type A300 :

Evaluation des flux thermiques rayonnés en cas d’incendie Etude de la dispersion des fumées toxiques Evaluation des effets liés à l’explosion d’un réservoir de kérosène

Révision 0 1 Date 28/03/2006 18/05/2006

Emetteur Cécile DUBIEN Cécile DUBIEN Vérificateur Xavier TOUFFUT Xavier TOUFFUT

aabrantes

Zone de texte

ANNEXE 18

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Modélisation de scénarios d’accidents sur un avion de type A300

BUREAU VERITAS / FAIRTEC – Affaire n°1564901/1/1/CD – Révision 1 – Mai 2006

SOMMAIRE

1. SCENARIOS ETUDIES 3

2. DONNEES DE CALCUL 3 2.1. DESCRIPTION DE L’ENVIRONNEMENT 3 2.2. CARACTERISTIQUES D’UN AVION DE TYPE A300 3

3. SCENARIO 1 : EVALUATION DES FLUX THERMIQUES RAYONNES EN CAS D’INCENDIE 6 3.1. MODELE DE CALCUL 6 3.2. CRITERES – OU VALEURS SEUILS – RETENUS POUR LA DETERMINATION DES ZONES

DE DANGERS 11 3.3. CARACTERISATION DU TERME SOURCE 11 3.4. CALCULS ET RESULTATS 13 3.5. CONCLUSIONS 14

4. SCENARIO 2 : ETUDE DE LA DISPERSION DES FUMEES TOXIQUES GENEREES EN CAS D’INCENDIE 16

4.1. MODELE DE CALCUL 16 4.1.1. Caractérisation du terme source 16 4.1.2. Calcul de la surhauteur du panache (modèle de Briggs) 16 4.1.3. Dispersion des gaz toxiques et détermination des concentrations reçues au sol 18 4.1.4. Evaluation des risques liés à l’opacité des fumées 18 4.1.5. Conditions météorologiques 19

4.2. CRITERES – OU VALEURS SEUILS – RETENUS POUR LA DETERMINATION DES ZONES DE DANGERS 20

4.2.1. Critères de toxicité 20 4.2.2. Critères de visibilité 21

4.3. CARACTERISATION DU TERME SOURCE 21 4.3.1. Surface du foyer 21 4.3.2. Débit de combustion 21 4.3.3. Nature et proportions des matériaux impliqués dans l’incendie 22 4.3.4. Chaleur convectée 22 4.3.5. Débit et composition des fumées 23

4.4. CALCULS ET RESULTATS 28 4.4.1. Rappel des données et hypothèses de calcul 28 4.4.2. Résultats des calculs 29

4.5. CONCLUSIONS 29 4. SCENARIO 3 : EXPLOSION DU RESERVOIR DE KEROSENE 31

3.6. MODELE DE CALCUL 31 3.7. CRITERES – OU VALEURS SEUILS – RETENUS POUR LA DETERMINATION DES ZONES

DE DANGERS 32 3.8. CARACTERISATION DU TERME SOURCE 33 3.9. CALCULS ET RESULTATS 33 3.10. CONCLUSIONS 34

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1. SCENARIOS ETUDIES Les scénarios modélisés sont :

1. L’incendie (rayonnement thermique) d’un avion de type A300, 2. La dispersion des fumées toxiques générées, 3. l’explosion d’un réservoir de kérosène.

Les objectifs sont :

1. de déterminer les effets générés par chacun de ces trois scénarios en cas d’occurrence (thermiques, toxiques, surpression),

2. d’évaluer les risques d’effets domino sur les installations ou équipements situés à proximité (dans le cas présent, sur les avions en attente à proximité (cf. Description de l’environnement ci-dessous)).

2. DONNEES DE CALCUL 2.1. Description de l’environnement L’avion A300 en question est situé soit sur l’aire de démantèlement, soit sur l’aire de vidange des réservoirs de kérosène. Ces 2 aires représentent une surface d’environ 4 314 m². D’autres avions peuvent être stationnés à quelques mètres de ce dernier. Se trouve notamment, à proximité, un hangar avec un autre avion en cours de démantèlement, vidangé et dégazé (voir plan page 5). 2.2. Caractéristiques d’un avion de type A300 Dimensions de l’appareil :

- envergure : 44 m - longueur : 54,08 m - hauteur avec dérive : 16,53 m - hauteur sans dérive : 7,8 m - diamètre du fuselage : 5,64 m

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Matériaux constitutifs :

Masse % massique hors carburant

% massique carburant compris

Aluminium 58,5 tonnes 76% 67% Acier 10 tonnes 13% 11,5% Titane 3 tonnes 4% 3,5% Composites (1) 3,5 tonnes 4,5% 4% Divers (2) 2 tonnes 2,5% 2,5% TOTAL 77 tonnes 100% - Kérosène (3) ≈ 10 tonnes - 11,5%

TOTAL avec carburant ≈ 87 tonnes - 100% (1) Association de fibres de carbone, de fibres d’aramide et de plastiques. (2) Plastiques, tissus, hublots, écrans, voyants lumineux, électronique, etc. (3) On suppose que les réservoirs de l’avion ne contiennent plus que 10 m3 de kérosène.

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Aire de démantèlement

Aire de vidange des réservoirs de kérosène

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3. SCENARIO 1 : EVALUATION DES FLUX THERMIQUES RAYONNES

EN CAS D’INCENDIE 3.1. Modèle de calcul Le modèle de calcul des flux thermiques rayonnés employé est le modèle de la flamme solide : la flamme est vue soit comme un radiateur plan vertical (foyer de section rectangulaire) soit comme un cylindre vertical (foyer de section circulaire). Ce modèle tient compte des caractéristiques géométriques du feu et de la nature des matériaux impliqués. Les calculs sont réalisés à l’aide de logiciel VERIFLUX développé par BUREAU VERITAS et validé dans le cadre de tierce expertise d’étude de dangers.

• Équation générale : La radiation thermique reçue par une cible est donnée par la relation suivante :

φ = φ 0 x F x τ avec :

φ : flux thermique reçu par la cible (kW/m²) φ 0 : flux thermique émis en surface de la flamme (kW/m²) F : facteur de vue (sans dimension) τ : transmission atmosphérique (sans dimension)

Pour calculer ce flux, il faut, au préalable, déterminer les caractéristiques du feu qui sont :

- le diamètre équivalent de la nappe en feu, Deq - la vitesse de combustion (ou débit massique surfacique de combustion), m″ - le pouvoir émissif des flammes, Φ0 - la hauteur de la flamme, Hf

• Diamètre équivalent de la nappe en feu : Deq (m) Pour le calcul de la hauteur des flammes pour les feux non circulaires, il est nécessaire de calculer le diamètre équivalent :

PfSf4Deq =

avec :

Deq : diamètre équivalent (m) Sf : surface de la nappe en feu (m²) Pf : périmètre de la nappe en feu (m)

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A noter : Dans le modèle employé, l’incendie est considéré comme uniforme, c’est-à-dire généralisé à tout l’avion. Cette hypothèse fait abstraction de la cinétique d’évolution du feu. En outre, la surface en feu est supposée constante pendant toute la durée de l’incendie ce qui constitue une hypothèse majorante. Par ailleurs, soulignons que le modèle de calcul intégre un facteur correctif pour rendre compte des foyers « très allongés » c’est-à-dire présentant un ratio longueur sur largeur supérieur à 4.

• Débit massique surfacique de combustion : m″ (kg/m2.s) Le débit massique surfacique de combustion d’un produit, noté m’’, représente la quantité de combustible participant à l’incendie par unité de temps et de surface de combustible au sol. Le débit massique surfacique de combustion d’un mélange de produits combustibles est obtenu à partir de la somme pondérée des taux massiques surfaciques de combustion de chacun des produits impliqués :

"ii m x"m Σ= avec :

xi : fraction pondérale du combustible i impliqué dans l’incendie (sans dimension)

stockées escombustibl substances de totale masse

mx ii =

m’’i : débit massique surfacique de combustion du combustible i (kg/m².s) Le débit de combustion d’un certain nombre de composés courants a été déterminé expérimentalement (essais en Tewarson) (D. DRYSDALE – An introduction to fire dynamics – Second Edition – May 1999 ; SFPE – Handbook of Fire protection engineering – 2nd and 3rd edition ; UFIP – Guide pour l’élaboration des études de dangers des raffineries et des stockages de liquides inflammables ou de gaz liquéfiés – édition 2001).

• Hauteur de flamme : Hf (m) La hauteur de la flamme est calculée selon la corrélation de THOMAS, valable en l’absence de vent :

( )

61.0

5.0a gDeq

"mDeq42Hf

ρ=

avec :

Hf : hauteur de la flamme (m) Deq : diamètre du feu circulaire ou diamètre équivalent du feu non circulaire (m) m’’ : taux massique surfacique de combustion massique (kg/m².s) ρa : densité de l'air ambiant (kg/m3) – ρa = 1,22 kg/m3 à 15°C g : accélération de la pesanteur (m/s²) – g = 9,81 m²/s

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A noter : Cette corrélation, établie sur la base de feux de bois (donc de combustibles solides) est validée pour les feux dont le rapport Hf / Deq est compris entre 3 et 10, et en l’absence de vent. Son choix est reconnu (INERIS, SFPE, tiers experts) pour le calcul des scénarios d’incendie qui mettent en jeu des combustibles solides. L’influence du vent est un paramètre qui, de façon consensuelle (parce que ses effets sont difficiles à modéliser), n’est pas pris en compte dans les calculs des scénarios d’incendie des études de dangers et parce que d’après l’INERIS (Feux de nappe – Octobre 2002), l’influence du vent sur le rayonnement thermique est négligeable pour une cible suffisamment éloignée du foyer, donc lorsqu’on s’intéresse aux effets sur l’environnement (ceci n’est pas forcément valide pour le champ proche).

• Coefficient de transmission atmosphérique : τ (sans dimension)

La radiation de la flamme vers l'environnement est partiellement atténuée tout au long de son parcours dans l'air. Ceci est le fait de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone et des poussières qui absorbent et dissipent une partie des radiations émises. La vapeur d'eau est le principal facteur d'absorption. Le coefficient de transmission atmosphérique (τ) correspond donc à la fraction de chaleur transmise à l'atmosphère. Ce coefficient de transmission peut être déterminé à l'aide d'abaque, comme une fonction de la distance et de l'humidité relative de l'air. Nous avons retenu le modèle de Brzustowski :

161

161

d5.30

RH10079.0

=τ

avec :

τ : coefficient de transmission atmosphérique (sans dimension) RH : taux d’humidité de l’air (%) d : distance entre le centre de la flamme et la cible (m)

A noter : Le taux d’humidité relative est pris égal à 70% – valeur raisonnablement pessimiste et représentative des valeurs moyennes relevées en France.

• Facteur de vue (ou facteur de forme) : F (sans dimension)

Le facteur de vue F, fonction de l’angle solide sous lequel la cible reçoit le rayonnement, a été évalué selon la méthodologie développée dans l’ouvrage Yellow Book – rapport TNO CPR 14E, édition 1997, Chapitre 6 « Heat flux from fires ». Il a été tabulé en fonction de la géométrie de l’émetteur et des positions respectives de l’émetteur et de la cible, pour une cible verticale. Le flux thermique reçu par un point situé face à un mur de flamme varie selon : - la distance entre le récepteur et le mur de flamme (d),

- la hauteur de la cible par rapport au sol (c’est-à-dire base de la surface en feu) (h),

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- la distance entre l’extrémité latérale du mur de flamme et la perpendiculaire au point concerné (a).

Tous paramètres étant égaux par ailleurs, le flux thermique est maximum au niveau de la médiatrice du mur de flamme (a = L/2) et minimum aux extrémités latérales (a = L). Dans le cas où un mur coupe feu, constituant un écran de protection est interposé, le facteur de vue est modifié pour tenir compte de ce mur coupe feu. Il en est de même si le foyer n’est pas à la même hauteur que la cible. Dans les calculs, la cible qui reçoit le flux est supposée verticale et placée à une hauteur par rapport au sol de :

- si on s’intéresse aux effets sur l’environnement : 1,8 m (= stature d’un homme (valeur majorante)),

- si on s’intéresse aux effets domino : à la demi-hauteur des flammes sans dépasser la hauteur maximale des installations ou équipements susceptibles d’être impactés.

• Flux émis en surface de la flamme : Φ0 (kW/m2) Le pouvoir émissif de la flamme est donné par la relation de Stefan-Boltzman :

( )440 TaTf −εσ=Φ

avec :

Φ0 : pouvoir émissif de la flamme (flux radiatif émis) (W/m²) σ : constante de Stefan-Boltzman - σ = 5,67x10-8 W/m².K4 ε : pouvoir émissif de la flamme (sans dimension) Tf : température de flamme (K) Ta : température ambiante (K)

L

a

H

b

d l

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En pratique, cette formule s’avère souvent difficile à appliquer pour de multiples raisons (température de la flamme difficile à mesurer, présence de fumées jouant un rôle d’écran). C’est pourquoi, pour estimer le pouvoir émissif des flammes, on préfère :

- soit utiliser les valeurs expérimentales disponibles dans la littérature (TNO, INERIS), - soit décider a priori d’un pouvoir émissif moyenné sur toute la hauteur des flammes,

le plus souvent pris aux alentours de 30 kW/m² pour les grands feux pétroliers (> 2000 m²) (LANNOY – Analyse des explosions air-hydrocarbure en milieu libre – 1984),

- soit, pour les feux très fumigènes, employer la relation de Mudan (C. MUDAN – Fire Hazards Calculations for large open hydrocarbon fires), rappelée ci-dessous :

( ) ( )( )Deq12.0exp120Deq12.0exp1400 −−+−=Φ

avec : Φ0 : pouvoir émissif de la flamme (kW/m²) Deq : diamètre équivalent de la surface en feu (m) Cette corrélation rend compte de la diminution de Φ0 avec l’augmentation de la surface en feu, en raison, principalement, de la recrudescence des imbrûlés (suies) et donc de l’obscurcissement de la flamme. Elle a été établie à partir d’essais sur de grands feux d’hydrocarbures, et est valable pour des feux générant beaucoup de suies et de fumées (cas des feux d’hydrocarbures lourds, …) (essais de Proserpine). La position de BUREAU VERITAS consiste à l’appliquer aussi pour les feux de combustibles solides et de liquides inflammables (moins fumigènes que les feux d’hydrocarbures), mais en prenant dans ce cas, comme valeur limite pour les feux de diamètre équivalent supérieur ou égal à 20 m, le valeur Φ0 = 30 kW/m².

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3.2. Critères – ou valeurs seuils – retenus pour la détermination des zones de

dangers Les seuils d’effets retenus pour la détermination des zones de dangers sont ceux recommandés par l’arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l’évaluation et à la prise en compte de la probabilité d’occurrence, de la cinétique, de l’intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation :

Flux seuils Définition – Exigences Effets sur l’environnement (= effets sur l’homme)

3 kW/m²

Seuil des effets irréversibles délimitant la « zone des dangers significatifs pour la vie humaine ». => Dans cette zone, ne doivent se trouver ni établissements recevant du public, ni habitations de grande hauteur, ni voies à grande circulation.

5 kW/m² Seuil des effets létaux délimitant la « zone des dangers graves pour la vie humaine » mentionnée à l’article L. 515-16 du code de l’environnement. => Ne doit pas sortir des limites du site.

8 kW/m² Seuil des effets létaux significatifs délimitant la « zone des dangers très graves pour la vie humaine » mentionnée à l’article L. 515-16 du code de l’environnement. => Ne doit pas sortir des limites du site.

Effets sur les structures (= effets domino possibles) 5 kW/m² Seuil de destructions des vitres significatives. 8 kW/m² Seuil des effets dominos correspondant au seuil des dégâts graves sur les structures.

16 kW/m² Seuil d’exposition prolongée des structures, correspondant au seuil des dégâts très graves sur les structures (hors structures béton).

20 kW/m² Seuil de tenue du béton pendant plusieurs heures, correspondant au seuil des dégâts très graves sur les structures béton.

200 kW/m² (1) Seuil de ruine du béton en quelques dizaines de minutes. (1) Correspond au contact des flammes. 3.3. Caractérisation du terme source Hypothèses de calcul :

- On considère (approche majorante) que l'avion en feu constitue un émetteur en forme de losange, de côtés = distance entre le nez de l’avion et l’extrémité de l’aile et distance entre l’extrémité de l’aile et la queue de l’avion soit de surface = longueur de l’avion x ½ envergure = 54 m x 22 m = 1 188 m² (arrondi à 1 200 m²).

- Les hauteurs de flammes sont comptées à partir du sol car on considère l’incendie

plein régime : l’avion s’est effondré sous l’effet des flammes et de la chaleur ; le kérosène restant dans les réservoirs au niveau des ailes s’est répandu suite à la rupture de ces réservoirs. Cette hypothèse, consistant à prendre la base des flammes au niveau du sol, est pénalisante pour le flux reçu par une cible au sol ou à faible hauteur.

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Paramètres caractéristiques du feu :

- Surface du foyer : 1 200 m² - Diamètre équivalent : 34 m - Débit de combustion (cf. ci-dessous) : 6,4 g/m².s - Pouvoir émissif des flammes : 30 kW/m² (application de la relation de Mudan) - Hauteur de flammes : 10 m par rapport au sol

Débit de combustion :

La valeur retenue est de 6,4 g/m².s. Cette valeur correspond à la somme pondérée des débits de combustion de chacun des matériaux impliqués :

Matériaux % massique Débit de combustion

Incombustibles (aluminium, acier, etc.) 82% 0

Kérosène 11,5% 39 g/m².s (1) Autres (tissus, plastiques) 6,5% 30 g/m².s (2) TOTAL 100% 6,4 g/m².s

(% massique retenus : cf. tableau au § 2.2).

(1) DRYSDALE - An introduction to fire dynamics - 2nd edition SFPE - Handbook of Fire Protection Engineering - Third Edition.

(2) Les débits de combustion de ces différents matériaux, disponibles dans la littérature, sont :

• Polyéthylène : 26 g/m².s (Source : SFPE – Handbook of Fire Protection Engineering – Third Edition)

• Polypropylène : 24 g/m².s (Source : SFPE – Handbook of Fire Protection Engineering – Third Edition)

• PVC : 11 g/m².s (Source : SFPE – Handbook of Fire Protection Engineering – Third Edition)

• Tissus : 30 g/m².s (Source : INERIS) Dans une approche majorante, et ne connaissant pas précisément les pourcentages massiques de chacun de ces matériaux, nous retiendrons un débit de combustion de 30 g/m².s.

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3.4. Calculs et résultats

Effets sur l’environnement : cible à 1,8 m de hauteur par rapport au sol

Cible sur la médiatrice (= face au milieu du côté considéré)

Cible face au pignon (= face aux extrémités latérales du côté considéré)

Incendie généralisé à un avion type A300 8 kW/m² (effets très graves)

5 kW/m² (effets

graves Z1)

3 kW/m² (effets

irréversible Z2)

8 kW/m² (effets très

graves)

5 kW/m² (effets graves

Z1)

3 kW/m² (effets

irréversible Z2)

Distance au flux rayonné sur les côtés nez – aile (plus grands côtés du losange) 13 m 19,5 m 28 m 5 m 10,5 m 18,5 m

Distance au flux rayonné sur les côtés aile – queue (plus petits côtés du losange) 11,5 m 17 m 24 m 5 m 10,5 m 18 m

Distances mesurées à partir des limites du foyer. Effets domino possibles : cible à 4,5 m de hauteur par rapport au sol (= ½ hauteur flammes, ≈ hauteur des réservoirs des avions à proximité)

Cible sur la médiatrice (= face au milieu du côté considéré)

Cible face au pignon (= face aux extrémités latérales du côté considéré)

Incendie généralisé à un avion type A300

20 kW/m² 16 kW/m² 8 kW/m² (effets

domino) 5 kW/m² (bris

de vitres) 20 kW/m² 16 kW/m² 8 kW/m² (effets

domino) 5 kW/m² (bris

de vitres)

Distance au flux rayonné sur les côtés nez – aile (plus grands côtés du losange)

4,5 m 6,5 m 13,5 m 20 m Non atteint Non atteint 6,5 m 11,5 m

Distance au flux rayonné sur les côtés aile – queue (plus

petits côtés du losange) 4,5 m 6,5 m 12,5 m 17,5 m Non atteint Non atteint 6,5 m 11,5 m

Distances mesurées à partir des limites du foyer.

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3.5. Conclusions

Les distances maximales correspondant aux effets létaux (Z1 – 5 kW/m²) et aux effets irréversibles (Z2 – 3 kW/m²) sont respectivement de 19,5 m et de 28 m. Elles restent contenues à l'intérieur des limites de propriété.

Il n’y a pas de risque de propagation de l’incendie au bâtiment voisin car le flux 8 W/m²

(= seuil des effets domino possibles) est atteint à une distance de 13,5 m. Dans ce rayon ne se trouve aucune installation susceptible d’être impactée (le bâtiment où se trouve un autre avion en cours de démantèlement est situé à 18 m de l’extrémité de l’aile de l’avion).

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4. SCENARIO 2 : ETUDE DE LA DISPERSION DES FUMEES TOXIQUES

GENEREES EN CAS D’INCENDIE 4.1. Modèle de calcul La méthodologie utilisée pour étudier la dispersion de fumées d’incendie se décompose en quatre étapes :

- caractérisation du terme source,

- calcul de la surhauteur du panache, en fonction des conditions météorologiques (stabilité atmosphérique et vitesse de vent) (modèle de Briggs),

- étude de la dispersion des gaz toxiques et détermination des concentrations reçues

par une cible au sol – comparaison avec les concentrations seuils des effets toxiques et détermination des zones de dangers,

- évaluation des risques dus à l’opacité des fumées (« fumées noires »).

Remarque importante : Avantages / Limites de la méthode : La méthodologie utilisée repose sur une représentation simplifiée de la combustion et de la dispersion du panache de fumées toxiques. Elle a l’avantage de la rapidité de mise en œuvre et est suffisante pour définir les zones de dangers et appréhender les risques d’intoxication et de panique (liée à la vision des fumées et/ou aux premiers symptômes toxiques (irritations des yeux, de la gorge, céphalées, …)). Toutefois, cette modélisation ne permet pas de rendre compte des singularités de la topographie en champ proche et, en particulier, des effets de dépression et de surpression dus à la présence d’obstacles. Pour cela, des modèles plus complexes (en 3-D) existent. Plus longs et plus coûteux à mettre en œuvre, ces modèles sont utilisés lorsque l’analyse des risques le justifie. 4.1.1. Caractérisation du terme source Les caractéristiques du terme source sont :

- La surface du foyer, - la vitesse de combustion (ou débit massique surfacique de combustion), - la nature et les proportions relatives des matériaux impliqués dans l’incendie, - l’énergie dégagée et transmise par convection aux fumées, - le débit et la composition des fumées.

4.1.2. Calcul de la surhauteur du panache (modèle de Briggs) Relativement à la hauteur de rejet, l’expérience montre que les fumées de combustion, avant de se disperser, s’élèvent au dessus de leur point de rejet, jusqu’à ce que leur vitesse ascensionnelle initiale et les effets de différence de densité (dus à la différence de température air/fumées) ne soient plus significatifs. Cette élévation initiale, appelée surhauteur, est donc à prendre en compte dans les calculs de dispersion.

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Pour calculer la surhauteur du panache, fonction des conditions d’émission et des conditions météorologiques (stabilité atmosphérique et vitesse de vent), le modèle de Briggs est utilisé. Le modèle de Briggs suppose que la trajectoire du panache peut être décomposée en deux phases :

- une phase d’ascension où les effets thermo-convectifs permettent une élévation des gaz chauds issus de la combustion, (cette élévation est d’autant plus importante que l’énergie thermo-cinétique initiale est importante ou que la hauteur d’émission est élevée (cheminée)),

- une phase de culmination lorsque les gaz de combustion ont été suffisamment

refroidis par l’air entraîné. La direction de propagation devient alors principalement horizontale sous les effets de vent et des conditions atmosphériques.

Le modèle de Briggs a été choisi car :

- il s’applique particulièrement bien aux rejets à forte puissance thermique et faible

énergie cinétique initiale, - il tient compte de la stabilité de l’atmosphère (mais surestimerait les hauteurs de

culmination). (Ce modèle est également employée, par exemple, par ARIA pour les rejets chroniques (cheminées) et par BUREAU VERITAS et l’INERIS pour les études de dispersion des fumées d’incendie d’entrepôt).

Représentation du panache de fumées selon Briggs

Les formules permettant de calculer la surhauteur (fonction notamment de la température et de la vitesse d’émission des fumées), la température et la vitesse d’émission des fumées sont développées dans les références bibliographiques suivantes (liste non exhaustive) : L. BARREPE – Rapport de DEA – Etude de la hauteur de culmination des panaches de feux d’hydrocarbures en nappe – Université de Chambéry – 1990-1991.

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G. HESKESTAD – Engineering relations for fire plumes – Society of Fire Protection Engineers Technology Report, 82-8 – 1982.

C. L. BEYLER – Fire plumes and ceiling jets –Fire Safety Journal – 11 – p. 53-75 – 1986.

M. A. DELICHATSIOS – Air entrainment into buoyant jet flames and pool fires – Combustion and Flame – Vol. 70 – p. 33-49 – 1987.

Rhône-Poulenc Industrialisation (Rhoditech) – Incendie : formation et impact toxique des produits volatils de combustion – Rapport n°352/92/2081 – 04/08/1992.

4.1.3. Dispersion des gaz toxiques et détermination des concentrations reçues au sol Une fois que les fumées ont atteint leur point de culmination, elle se dispersent. A ce stade, les concentrations en polluants peuvent être représentées par un profil de type gaussien (modèle de dispersion passive). Le modèle employé est EFFECT 4.0 de TNO. La hauteur de la cible (« personne au sol ») est prise à 1,8 m ce qui correspond à la hauteur du nez d’un homme (valeur majorante). Les distances d’effets des concentrations seuils retenues pour la définition des zones de dangers (cf. § 4.2.) sont calculées. 4.1.4. Evaluation des risques liés à l’opacité des fumées Nature des risques liés à l’opacité des fumées : Les suies produites par l’incendie sont responsables de la couleur noire du panache et de l’absorption de la lumière. En effet, les particules de suie absorbent le rayonnement sur tout le spectre électromagnétique, et notamment dans le domaine des longueurs d’onde du visible (0,4 à 0,8 µm). Ce phénomène entraîne une diminution de la visibilité sous le vent, ce qui, notamment, peut gêner la circulation sur un axe routier situé à proximité ou ralentir le travail des secours. Calcul de la visibilité : On définit la densité optique du panache de fumée par la relation suivante (1) :

TfCO36040DO 2=

avec : DO : densité optique (m-1)

Tf : température des fumées au point où est calculée DO (K) CO2 : fraction volumique de CO2 au même point (m3 de CO2/ m3 de mélange

gazeux) La visibilité est alors déduite de la densité optique par la relation :

(1) C. STEINERT – Smokes and heat production in tunnel fires – Proceedings of the international Conference on Fires in tunnels – Boräs – Suède – 10-11 octobre 1994.

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DO10V=

avec : V : visibilité (m) DO : densité optique (m-1) 4.1.5. Conditions météorologiques Les conditions atmosphériques (stabilité et vitesse de vent) ont une influence certaine sur la dispersion des polluants gazeux. Ces conditions sont usuellement repérées par une lettre (de A à F), correspondant à la stabilité atmosphérique selon Pasquill, et deux chiffres, le premier étant la vitesse du vent en m/s et le second la température ambiante en °C. Les conditions généralement retenues de façon consensuelle dans les études de dangers sont les conditions F3 et D5 (la lettre F ou D correspond à la classe de stabilité atmosphérique selon Pasquill et le chiffre est la vitesse de vent en m/s).

Les conditions F3 conjuguent une forte stabilité (coefficient F de PASQUILL) t le vent le plus important que l’on puisse associer (3 m/s). Ce sont des conditions défavorables à la dispersion.

Les conditions D5 correspondent à une atmosphère neutre (coefficient D de PASQUILL) associée à une vitesse de vent de 5 m/s. Ce sont des conditions moyennement favorables à la dispersion. Toutefois, dans le cas particulier de la modélisation des fumées d’incendie, les conditions D15 – atmosphère neutre et vent de 15 m/s – peuvent être plus pénalisantes que les conditions D5. En effet, un vent fort a pour effet de rabattre le panache au sol, mais, en contre partie, favorise davantage la dispersion. Nota : Le choix d’une vitesse de vent de 15 m/s (valeur majorante) est issu de l’analyse des

roses de vents d’un éventail représentatif de régions françaises. Cette valeur est, par exemple, représentative du Mistral.

Les conditions D15 sont effectivement plus pénalisantes que les conditions D5 dans le cas d’incendies généralisés (fumées chaudes qui s’élèvent facilement). En revanche, dans le cas d’un incendie débutant (fumées froides donc s’élevant peu), l’effet favorable du vent fort sur la dispersion sera prépondérant devant l’effet défavorable du vent fort sur l’élévation du panache. Par suite, pour la présente étude de dispersion de fumées, les trois conditions F5, D5 et D15 ont été retenues : F3 D5 D15

Vitesse du vent 3 m/s 5 m/s 15 m/s Stabilité Pasquill F D D Atmosphère Stable Neutre Neutre Température ambiante 15°C 20°C 15°C

En première approche, nous considérons que le vent souffle à la même vitesse dans toutes les directions (approche pénalisante).

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4.2. Critères – ou valeurs seuils – retenus pour la détermination des zones de

dangers Les critères d’acceptation du risque retenus sont de deux natures :

- l’absence de toxicité pour les personnes, - une visibilité suffisante (une diminution de la visibilité peut, en effet, être à l’origine de

mouvements de panique des populations ou d’accidents de la circulation). 4.2.1. Critères de toxicité En cas de dispersion de gaz toxique, le mode d’intoxication considéré est l’inhalation. Les seuils de référence pour les effets toxiques (par inhalation), dans le cas de la dispersion d’une substance pure, sont (arrêté du 29 septembre 2005 relatif à l’évaluation et à la prise en compte de la probabilité d’occurrence, de la cinétique, de l’intensité des effets et de la gravité des conséquences des accidents potentiels dans les études de dangers des installations classées soumises à autorisation) :

- le Seuil des Effets Létaux Significatifs (SELS) ( concentration létale 5% (décès de 5% de la population exposée)),

- le Seuil des Effets Létaux (SEL) ( concentration létale 1% (décès de 1% de la population exposée)) (= zone Z1),

- le Seuil des Effets Irréversibles (SEI) ( concentration limite des effets réversibles et irréversibles) (= zone Z2).

Ces valeurs seuils sont fonction de la durée d’exposition. Une durée d’exposition de 30 minutes est généralement retenue de façon forfaitaire et consensuelle dans les études de dangers, pour les rejets de longue durée (rejets de plusieurs minutes ou rejets continus), car elle correspond au délai de mise en sécurité des populations supposées à l’extérieur (c’est-à-dire au temps nécessaire pour que les personnes atteintes par le nuage toxique se mettent en dehors du nuage ou se confinent dans des bâtiments). Lorsque plusieurs gaz sont dispersés, ce qui est le cas pour les fumées d’incendie (qui contiennent a minima du CO et du CO2), il y a lieu de tenir compte de tous les toxiques impliqués. Pour cela, et faute de connaissance sur les phénomènes d’interaction, d’antagonie ou de synergie possibles entre les différentes espèces, on considèrera :

- qu’il y a un risque d’effet létal significatif sur la santé si ∑ ≥i

1SELSi

Ci.

- qu’il y a un risque d’effet létal sur la santé (zone Z1) si ∑ ≥i

1SELiCi .

- qu’il y a un risque d’effet irréversible sur la santé (zone Z2) si ∑ ≥i

1SEIiCi .

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4.2.2. Critères de visibilité Le seuil admissible pour l’évacuation des usagers dans un local et l’intervention des pompiers est de 7 à 15 m. Dans le cas des Etablissements Recevant du Public, la valeur limite retenue est de 10 mètres (= distance maximale à parcourir pour atteindre une sortie). Dans le cas d’une voie à grande circulation (type route nationale ou autoroute – vitesse = 90 km/h à 130 km/h), la valeur limite retenue est de 100 m (= distance de freinage). Dans le cas d’une voie à moyenne circulation (vitesse = 50 km/h), la valeur limite retenue est de 50 m (= distance de freinage). Dans le cas de la présente étude, nous avons retenu comme valeur de visibilité au dessous de laquelle il y a danger, une distance de 100 m (approche majorante). 4.3. Caractérisation du terme source Le scénario d’incendie retenu est le même que précédemment, à savoir l’incendie généralisé, parfaitement oxygéné (car à l’air libre) de l’avion. Les caractéristiques du terme source sont :

- La surface du foyer, - la vitesse de combustion (ou taux massique surfacique de combustion), - la nature et les proportions relatives des matériaux impliqués dans l’incendie, - l’énergie dégagée et transmise par convection aux fumées, - le débit et la composition des fumées.

4.3.1. Surface du foyer La surface au sol du foyer est : 54 m x 22 m = 1 188 m² (arrondi à 1 200 m²) (cf. § 3.3). 4.3.2. Débit de combustion Le débit de combustion est pris égal à : 6,4 g/m².s (cf. définitions et explications au § 3.3.).

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4.3.3. Nature et proportions des matériaux impliqués dans l’incendie Les matériaux impliqués dans l’incendie sont :

Matériaux % massique Incombustibles (aluminium, acier, etc.) 82% Kérosène 11,5% Autres (tissus, plastiques, etc.) Nous supposerons la répartition suivante :

- Tissus assimilés à du polyuréthane (mousse des fauteuils) (1)

- Plastiques assimilés à du polyéthylène (2) - PVC (câbles électriques par exemple)

6,5%

2% 2,5% 2%

(1) Les tissus à base de polyester, coton, etc. génèrent en brûlant des gaz peu toxiques (CO2, CO). En revanche, les mousses entrant dans la composition des fauteuils, de type mousse de polyuréthane, produisent en brûlant des gaz très toxiques tels que du gaz cyanhydrique (HCN) et des NOx. Dans une approche majorante, nous avons assimilé l’ensemble des tissus à du polyuréthane. (2) Dans la suite de l’étude nous avons assimilé tous les plastiques (polyéthylène (PE), polypropylène (PP), ABS, etc.) – dont les caractéristiques de combustion (chaleur de combustion, nature et débit de gaz produits, etc.) sont comparables – à du polyéthylène (composant vraisemblablement majoritaire). Remarque : En pratique, les plastiques, tissus, etc. sont imprégnés de retardateurs de flamme (ignifugeants). Nous n’en n’avons pas tenu compte dans l’étude car d’une part les produits retardateurs utilisés ne sont pas connus, d’autre part ces produits sont présents à de très faibles teneurs. Soulignons toutefois qu’ils sont souvent très fumigènes (=> risque d’impact sur la visibilité). 4.3.4. Chaleur convectée La fraction de chaleur dégagée et transmise par convection aux fumées participe à l’élévation du panache. Elle est obtenue expérimentalement ou, à défaut, estimée à partir de la chaleur de combustion, moyennant des hypothèses sur le rendement de combustion et la faction d’énergie convectée. Comme pour le débit de combustion, la chaleur moyenne totale émise par convection, lors de la combustion d’un mélange de produits, est obtenue à partir de la somme pondérée des chaleurs convectées de chacun des produits impliqués :

Hconv xHconv i ∆=∆ Σ i

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Pour le scénario étudié, la chaleur convectée moyenne est :

Matériaux impliqués % massique Chaleur convectée

Incombustibles (aluminium, acier, etc.) 82% 0

Kérosène 11,5% 26 200 kJ/kg

Mousse de polyuréthane Polyéthylène PVC

2% 2,5% 2%

9 750 kJ/kg 21 800 kJ/kg 3 100 kJ/kg

TOTAL (moyenné) 100% 3 815 kJ/kg Sources : SFPE (Handbook of fire protection engineering – Third Edition). 4.3.5. Débit et composition des fumées

Nature des gaz de combustion générés : Les substances et matériaux organiques brûlent en dégageant un certain nombre de composés gazeux. La connaissance des molécules impliquées dans l’incendie permet de prévoir les principaux gaz de combustion libérés :

- les molécules contenant les éléments carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O) génèrent majoritairement du monoxyde et du dioxyde de carbone (CO et CO2),

- celles contenant en plus du chlore (Cl) sont susceptibles de produire du chlorure d’hydrogène (HCl),

- celles contenant également des atomes d’azote peuvent libérer en brûlant du cyanure d’hydrogène (HCN) et des oxydes d’azote (NO et NO2),

- etc. Les gaz de combustion les plus fréquemment détectés lors d’un incendie et retenus pour les études d’impact sont donc :

Gaz de combustion émis Combustibles contenant

quantités notables faibles quantités du carbone et de l’hydrogène

(C et H) ( tous les composés organiques)

dioxyde et monoxyde de carbone (CO2 et CO)

de l’azote (N) oxydes d’azote NOx (le NO2, plus toxique que le NO, est retenu (1)) cyanure d’hydrogène (HCN)

du chlore (Cl) chlorure d’hydrogène

(HCl)

Nota : En pratique, une combustion (même dans le cas d’incendie bien ventilé), n'est jamais

complète et conduit, en plus des gaz de combustion (CO2, CO, ….), à la formation de suies et imbrûlés, de produits de la décomposition thermique des molécules d'aérosols, de produits sublimés…. Les mécanismes et les taux de production de ces composés secondaires des fumées dépendent de très nombreux paramètres (nature des molécules, taille du foyer, …)

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On sait, par exemple, que la formation des suies et imbrûlés est favorisée par la présence de doubles liaisons dans la molécule et par la grandeur du foyer. Inversement, la présence d'eau ou d'oxygène dans la molécule diminue la quantité de suies formées. Cependant, à notre connaissance, aucune étude expérimentale n'a permis de quantifier d'une part les produits secondaires de combustion et, d'autre part, leurs effets sur la santé, lesquels vont dépendre des produits, mais aussi de la taille des particules. Plus celles-ci sont grosses, moins elles sont dangereuses car elles sont arrêtées au niveau des bronches et du nez. Or, si les particules formées sont très petites (diamètre < 1 micron), au niveau du foyer, elles ont tendance à s'agglomérer en se dispersant pour générer des particules de dimensions supérieures à 20 µm. Enfin, il est généralement admis (peut-être par manque de connaissances sur les produits secondaires de combustion), que les principaux facteurs de blessures, voire de décès, au cours d'un incendie sont la chaleur et les gaz toxiques. Pour ces raisons, les produits secondaires de combustion sont négligés dans les calculs de risques toxiques liés à un incendie potentiel.

On donne, dans le tableau ci-dessous, les principaux gaz de combustion susceptibles de se dégager pour les matériaux combustibles considérés dans la présente étude.

Matériaux impliqués Eléments constitutifs principaux

Principaux gaz toxiques susceptibles de se dégager

Kérosène C, H CO2, CO

Mousse de polyuréthane Poyéthylène PVC

C, H, O, N C, H

C, H, Cl

CO2, CO, HCN, NOx CO2, CO

CO2, CO, HCl Les gaz toxiques de combustion majoritaires sont donc :

- le monoxyde de carbone (CO), - le dioxyde de carbone (CO2), - le chlorure d’hydrogène (HCl), - des oxydes d’azote (assimilés au NO2 qui est le plus toxique), - du gaz cyanhydrique (HCN).

Les mécanismes de formation ainsi que les effets sur la santé de ces gaz sont décrits dans le tableau ci-dessous. Les seuils de toxicité sont donnés dans un autre tableau, en page suivante. Mécanismes de formation – Effets sur la santé : Gaz de combustion Formation Effets sur la santé

Monoxyde de carbone

(CO)

- résulte de la combustion incomplète des matériaux carbonés naturels ou synthétiques

- sa formation est particulièrement importante dans les feux couvants (manque d’oxygène) ou décroissants (braises à haute température)

- se fixe sur l’hémoglobine du sang en formant un composé stable qui va réduire la capacité d’oxygénation des cellules, en particulier du cerveau - une exposition d’une heure à 2 200 ppm de CO réduit de moitié le potentiel d’hémoglobine disponible ce qui correspond au seuil de létalité

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Gaz de combustion Formation Effets sur la santé

Dioxyde de carbone (CO2)

- provient de tout processus de combustion ou d’oxydation (respiration par exemple) - favorisé par un excès d’air et un abaissement de la température du foyer

- aucun effet nocif chez l’homme pour une exposition de courte durée à des concentrations inférieures à 2,5% - le CO2 stimule la respiration (hyper ventilation) ce qui peut accentuer et accélérer les effets des toxiques présents dans les fumées

Acide chlorhydrique (HCl)

- se dégage lors de la combustion des matériaux contenant du chlore, en particulier ceux à base de polychlorure de vinyle (PVC), de polychlorure de vinydène (PVDC) - HCl est émis progressivement aux alentours de 200°C et rapidement à partir de 450°C

- c’est un irritant des yeux et des poumons, très rapidement détecté par l’odorat

Oxydes d’azote (NOx)

- se forment en faibles quantités à partir de l’azote des combustibles et/ou à partir de l’azote atmosphérique- les mécanismes de formation sont complexes, en milieu oxydant (excès d’air)

- le monoxyde d’azote (NO) et le dioxyde d’azote (NO2) sont les plus toxiques et forment respectivement avec l’eau, l’acide nitreux et l’acide nitrique - le NO2 est 5 fois plus toxique que le NO en raison de son caractère oxydant

Acide cyanhydrique (HCN)

- se dégage lors de la combustion des composés azotés - la quantité d’azote (N2) transformée en acide cyanhydrique est très variable mais, par comparaison aux oxydes d’azote, HCN est dégagé en très faibles proportions - HCN est émis généralement entre 250 et 500°C, ce qui le rend dangereux en début d’incendie - hydrosoluble mais instable, il est, lors de la lutte contre le feu, entraîné par l’eau sous forme d’acide cyanhydrique dilué et donc en partie éliminé de l’atmosphère - très combustible, il est souvent détruit dès sa formation

- détectable à la concentration de 1 ppm par son odeur caractéristique, mais fugace, d’amande amère - il y aurait interaction dans l’organisme entre le CO et l’HCN : pendant que le CO réduit le transport d’oxygène, l’HCN diminue la capacité des tissus à utiliser l’oxygène

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Seuils toxicologiques :

SELS 30 min. SEL 30 min. SEI 30 min. Source

CO Non disponible 4 200 ppm (1) 1 200 ppm (2)

(1) Fiches TOX – RP/Ministère de l’Environnement (1998) (2) http://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html - Revised IDLH values (Pour info : SEI donné dans la fiche TOX de 1998 = 1 500 ppm)

CO2 Non disponible non donné 40 000 ppm (1)

(1) http://www.cdc.gov/niosh/idlh/intridl4.html - Revised IDLH values (Pour info : SEI donné dans le courrier « IDLH » du Ministère de 1996 = 50 000 ppm)

HCl 742 ppm (1) 470 ppm (2) 80 ppm (2)

(1) INERIS – Détermination des Seuils d’Effets Létaux 5% dans le cadre de la mise en place des PPRT – 26/04/2005 (2) INERIS – Seuils de toxicité aiguë de l’acide chlorhydrique – Janvier 2003

HCN 94 ppm (1) 60 ppm (2) 50 ppm (3)

(1) INERIS – Détermination des Seuils d’Effets Létaux 5% dans le cadre de la mise en place des PPRT – 26/04/2005

(2) INERIS – Seuils de toxicité aiguë de l’acide cyanhydrique – Avril 2005 (Pour info : SEL donné dans la fiche TOX de 1998 = 130 ppm) (3) Fiches TOX – RP/Ministère de l’Environnement (1998) (cf. remarque ci-dessous)

NO2 88 ppm (1) 80 ppm (2) 50 ppm (2)

(1) INERIS – Détermination des Seuils d’Effets Létaux 5% dans le cadre des réflexions en cours sur les PPRT – 03/08/2004

(2) INERIS – Seuils de toxicité aiguë du dioxyde d’azote – Mai 2004

Nota : Sous 1 bar et à 20°C :

1 ppm de CO = 1,17 mg/m3 1 ppm de CO2 = 1,84 mg/m3 1 ppm de HCl = 1,49 mg/m3

1 ppm de HCN = 1,12 mg/m3 1 ppm de NO2 = 1,92 mg/m3

Remarques : Dans son rapport Seuils de toxicité aiguë de l’acide cyanhydrique d’avril 2005, l’INERIS indique que l’état actuel des connaissances est insuffisant pour permettre de fixer des seuils des effets irréversibles. Par suite, le seuil SEI donné dans la fiche TOX de 1998 = 50 ppm est considéré.

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Les SELS de tous les gaz considérés ne sont pas disponibles à la date. De plus, la zone correspondant aux effets létaux significatifs est contenue dans la zone Z1 (et très proche de celle-ci). C’est pourquoi, dans une première approche et faute de données, nous ne nous considèrerons, dans les calculs, que les SEL et SEI comme critères pour la détermination des zones de dangers toxiques.

Quantification des gaz de combustion générés : Pour connaître les taux de production des gaz de combustion toxiques, deux méthodes sont possibles :

- La première méthode est l’expérimentation qui permet de déterminer, de façon qualitative (nature) et quantitative (teneurs), les composés dégagés, et ce, quelles que soient les conditions de ventilation de l’incendie. Des données expérimentales, sur quelques uns des produits les plus courants, sont disponibles dans la littérature (SFPE – Handbook of fire protection engineering – Third Edition).

- La seconde méthode consiste (à défaut de données expérimentales et d’impossibilité

de faire des essais) d’évaluer les teneurs en polluants à partir d’hypothèses. Les hypothèses considérées sont issues d’essais et études réalisés par l’INERIS, le CETU (cf. Incendie dans les tunnels routiers – Guide DSC/DR – Avril 1999 et Les études spécifiques des dangers (ESD) pour les tunnels du réseau routier – Guide méthodologique – Juillet 2001), ou encore SFPE (Handbook of fire protection engineering – Third Edition).

Pour les gaz de combustion retenus, ces hypothèses sont les suivantes :

CO, CO2 : La totalité du carbone (restant après la formation éventuelle de HCN (cas des combustibles contenant l’élément N)) conduit à la formation de monoxyde et de dioxyde de carbone (CO, CO2).

]CO[]CO[ 2 = 10 mol/mol (valeur préconisée par l’INERIS pour un feu bien ventilé)

HCl :

Quelles que soient les conditions de ventilation (feu bien ventilé ou mal ventilé), on suppose que la totalité du chlore se retrouve sous forme d’HCl dans les fumées (hypothèse majorante car une partie du chlore est piégée dans les cendres).

HCN, NO2 :

L’azote conduit à la formation de N2 gazeux (60% molaire) et de HCN + NO2 (40% molaire).

Feu bien ventilé :

]HCN[]NO[ 2 = 1 mol/mol

Feu mal ventilé :

]HCN[]NO[ 2 = 0,3 poids/poids soit 0,18 mol/mol

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Pour le scénario étudié, les taux de production en CO, CO2, HCl, HCN et NO2 sont :

Matériaux impliqués % massique CO CO2 HCl HCN NO2

Incombustibles (aluminium, acier, etc.) 84% 0 0 0 0 0

Kérosène 9,5% 12 g/kg 2 830 g/kg 0 0 0

Mousse de polyuréthane (1) Polyéthylène PVC

2% 2,5% 2%

69,4 g/kg 24 g/kg 63 g/kg

1 220 g/kg 2 760 g/kg 460 g/kg

0 0

269 g/kg

2,65 g/kg 0 0

7,7 g/kg 0 0

TOTAL (moyenné) 100% 4,6 g/kg 428 g/kg 5,5 g/kg 0,05 g/kg 0,15 g/kg Sources : SFPE (Handbook of fire protection engineering – Third Edition). (1) Essais DOW CHEMICAL 4.4. Calculs et résultats 4.4.1. Rappel des données et hypothèses de calcul Surface du foyer 1 200 m²

Produits majoritaires (% massique)

- Incombustibles : 82% - Kérosène : 11,5% - Mousse de polyuréthane : 2% - Polyéthylène : 2,5% - PVC : 2%

Débit massique surfacique de combustion moyen 6,4 g/m².s

Chaleur convectée 3 815 kJ/kg Débit de production de CO 4,6 g/kg (= 35 g/s (1)) Débit de production de CO2 428 g/kg (=3 280 g/s (1))

Débit de production de HCl 5,5 g/kg (= 42 g/s (1))

Débit de production de HCN 0,05 g/kg (= 0,4 g/s (1))

Débit de production de NO2 0,15 g/kg (= 1,15 g/s (1))

Critères de toxicité : SEL 30 minutes CO = 4 200 ppm CO2 = non disponible HCl = 470 ppm HCN = 60 ppm NO2 = 80 ppm

Critères de toxicité : SEI 30 minutes CO = 1 200 ppm CO2 = 40 000 ppm HCl = 80 ppm HCN = 50 ppm NO2 = 50 ppm

Critère de visibilité retenu 100 m Conditions météo F3, D5 et D15 Altitude de la cible z = 1,8 m (1) Le débit de production de gaz toxique est calculé à partir du taux de production comme suit : débit de production (g/s) = taux de production (g/kg) x m’’ (kg/m².s) x surface du foyer (m²)

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4.4.2. Résultats des calculs

Conditions météorologiques F3 D5 D15 Point culminant du panache (/ sol) (surhauteur)

85 m 100 m (2) 100 m (2)

[CO] max reçu par la cible au sol (1)

[CO2] max reçu par la cible au sol (1) [HCl] max reçu par la cible au sol (1) [HCN] max reçu par la cible au sol (1)

[NO2] max reçu par la cible au sol (1)

Σ Ci / SELi au sol (1) Σ Ci / SEIi au sol (1) Périmètres de danger Z1 Périmètres de danger Z2

< 1 ppm 5 ppm

< 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm

<< 1 << 1

non atteint non atteint

< 1 ppm 7 ppm

< 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm

<< 1 << 1


< 1 ppm 4 ppm

< 1 ppm < 1 ppm < 1 ppm

<< 1 << 1


Visibilité au sol (1) > 1 km

=> pas d’impact> 1 km

=> pas d’impact > 1 km

=> pas d’impact(1) à 1,8 m de hauteur. (2) Les calculs donnent une hauteur de culmination du panache supérieure à 100 m. 100 mètres est la valeur (maximale) retenue, pour tenir compte de la présence éventuelle d’une couche d’inversion (100 m = hauteur de cette couche d’inversion (source INERIS)). 4.5. Conclusions

Il n’y a pas de risques pour l’environnement, ni de risques liés à une diminution de la visibilité.

En effet, les concentrations au sol en gaz de combustion toxiques calculées sont très inférieures aux seuils des effets létaux et aux seuils des effets irréversibles, pour une durée d’exposition de 30 minutes, qui correspond au temps nécessaire pour évacuer ou confiner les personnes. Ce résultat s’explique par :

- des débits de production de gaz toxiques peut importants (les matériaux susceptibles de brûler et de générer des gaz toxiques ne représentent que 18% de l’appareil),

- la dilution importante des fumées par l’air et par l’élévation notable du panache par effets thermoconvectifs avant sa dispersion.

Ces résultats doivent, toutefois, être considérés comme des ordres de grandeur pour les raisons suivantes :

- le modèle employé, pour caractériser le panache de fumées et la dispersion des gaz de combustion toxiques, est un modèle simplifié, qui ne tient pas compte des obstacles en champ proche et des phénomènes de surpression – dépression générés par ces obstacles (tourbillons, vortex, …),

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- les données de calculs sont issues d’essais expérimentaux réalisés dans des conditions bien particulières et qui peuvent être très différentes des conditions réelles propres au cas étudié.

Par conséquent, étant donnée l’imprécision du modèle en champ proche, on considérera que les résultats obtenus sont fiables et représentatifs au delà d’une distance de quelques dizaines de mètres. La valeur choisie généralement, et de façon consensuelle (par certains SDIS, par l’INERIS, …), est d’une centaine de mètres. Cette distance (100 m) pourra être retenue comme périmètre de sécurité ou périmètre d’information (elle pourra être redéfinie par les Services de Secours en fonction de l’ampleur du sinistre et des conditions météorologiques). Au delà de ce périmètre d’information de 100 m, il n’y a pas de présomption de risque d’intoxication des personnes à l’extérieur, au sol, ni d’impact sur la visibilité au sol. Dans ce périmètre :

- seules les équipes de secours seront autorisées à pénétrer, équipées de moyens individuels de protection par appareil respiratoire isolant,

- il pourra être demandé aux populations concernées soit d’évacuer, soit de rester confinées,

- les voies de circulation pourront être fermées pour éviter tout risque d’accident par manque de visibilité.

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4. SCENARIO 3 : EXPLOSION DU RESERVOIR DE KEROSENE 3.6. Modèle de calcul La méthode retenue pour déterminer les effets de surpression générés par l’explosion du ciel gazeux du réservoir de kérosène est la méthode de Baker, recommandée par RHODIA, et décrite au § 7.5. du « Yellow book » de TNO – Methods for the calculation of physical effects – 3rd edition – 1997. Elle consiste à :

1. déterminer l’énergie d’explosion Ex :

Ex = ∆Hc x Mex x k avec :

k : coefficient permettant de rendre compte de la réflexion ou non de l’onde sur le sol :

- s’il y a réflexion ( l’explosion a lieu près du sol) => k = 2 - sinon k = 1

∆Hc : chaleur de combustion (kJ/kg) Mex : masse explosible (kg)

Mex = concentration en vapeur à la stœchiométrie x Vex Vex : volume explosible (m3)

2 déterminer les distances réduites R en fonction de la surpression Ps sur l’abaque de

Baker, et en déduire les distances réelles des effets de surpression comme suit :

31

PaExRR

=

avec :

R : distance d’effet, observée à partir du centre du nuage, en fonction de la surpression (m)

R : distance réduite (m) Ex : énergie d’explosion (J) Pa : pression atmosphérique (Pa)

Nota : L’abaque de Baker a été déterminée pour une charge sphérique. Lorsque la charge

est cylindrique (cas des réservoirs en général), ceci peut avoir un impact sur les effets de l’explosion de vapeur. Il convient donc, dans ce cas, d’appliquer un facteur correctif F à la valeur de surpression. Ce facteur dépend de la distance réduite :

R ≤ 0,3 => F = 4 0,3< R ≤3,5 => F = 1,6 R > 3,5 => F = 1,4

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3.7. Critères – ou valeurs seuils – retenus pour la détermination des zones de dangers

Les valeurs seuils de référence retenues sont celles de l’arrêté ministériel du 29 septembre 2005.

Valeurs Commentaires

20 mbar Seuils des effets délimitant la zone des effets indirects par bris de vitre sur l'homme.

50 mbar (zone Z2)

Seuils des effets irréversibles délimitant la « zone des dangers significatifs pour la vie humaine ». => zone dans laquelle il est possible d'autoriser la construction de maisons d'habitation ou d'activité économique à l'exclusion toutefois d'aménagements et de constructions destinés à recevoir du public dont l'évacuation pourrait se trouver compromise.

140 mbar (zone Z1)

Seuil des effets létaux délimitant la « zone des dangers graves pour la vie humaine » mentionnée à l'article L. 515-16 du code de l'environnement. => zone dans laquelle il convient de limiter l'implantation de constructions ou d'ouvrages concernant notamment des tiers.

Effets sur l’homme

200 mbar

seuil des effets létaux significatifs délimitant la « zone des dangers très graves pour la vie humaine » mentionnée à l'article L. 515-16 du code de l'environnement. => Ne doit pas sortir des limites du site.

20 mbar Seuil de destructions significatives des vitres.

50 mbar Seuil des dégâts légers sur les structures.

140 mbar Seuil des dégâts graves sur les structures.

200 mbar seuil des effets domino.

Effets sur les structures

300 mbar seuil des dégâts très graves sur les structures.

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3.8. Caractérisation du terme source Hypothèses de calcul : Dans ce scénario on imagine, de façon majorante, que le réservoir de 70 m3 est vide, non dégazé, et donc que tout son volume est occupé par des vapeurs de kérosène en concentration explosible (c’est-à-dire comprises entre la LIE (1) et la LSE (1) du kérosène). Données sur le kérosène : Point éclair : 43°C – 72°C Température d’auto-inflammation : 210°C Température d’ébullition à pression atmosphérique : 150°C – 300°C LIE : 0,7% vol. dans l’air LSE : 5% vol. dans l’air Chaleur de combustion : ∆Hc = 40 300 kJ/kg (Source : INRS ; SFPE – Handbook of fire protection engineering – Third Edition) Données de calculs : Volume du ciel gazeux du réservoir : 70 m3 Concentration en kérosène à la stœchiométrique : 0,077 kg/m3 Chaleur de combustion : 40 300 kJ/kg (Source : SFPE – Handbook of fire protection engineering – Third Edition) Nota : Le kérosène est mélange d'hydrocarbures contenant des alcanes (CnH2n+2) de

formule chimique allant de C10H22 à C14H30. Pour déterminer la concentration en kérosène à la stœchiométrique, nous avons considéré en première approximation la formule « moyenne » C12H26.

3.9. Calculs et résultats a) Calcul de l’énergie libérée par l’explosion :

Masse explosible maximale = 0,077 kg/m3 x 70 m3 = 5,4 kg

Energie libérée lors de l’explosion = 5,4 kg x 40 300 kJ/kg = 217.106 J b) Application de la méthode de Baker : Pour tenir compte de la réflexion de l’onde de choc sur le sol (car l’explosion a lieu près du sol), il convient de multiplier par 2 la valeur de l’énergie libérée lors de l’explosion pour obtenir la valeur de l’énergie à considérer pour l’application de la méthode et de l’abaque de Baker :

Energie libérée lors de l’explosion et à appliquer pour Baker = 434.106 J

(1) LIE = Limite Inférieure d’explosivité : LSE = Limite Supérieure d’Explosivité.

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Connaissant cette énergie, nous pouvons, à l’aide de l’abaque de Baker, déterminer les distances atteintes pour les surpressions seuils 20 mbars, 50 mbar, 140 mbar, 200 mbar et 300 mbar.

Distances d’effets des surpressions 20 mbar, 50 mbar, 140 mbar, 200 mbar et 300 mbar :

Surpression Ps 20 mbar 50 mbar 140 mbar 200 mbar 300 mbar Pression réduite Ps 0,2 0,05 0,14 0,2 0,3

Distance réduite R 9 4 2 1,7 1,1

Facteur de correction F 1,4 1,4 1,6 1,6 1,6

Pression réduite tenant compte de F

Ps 0,014 0,036 0,088 0,125 0,188

Distance réduite R 12 5,5 2,75 2 1,7

Distance réduite /

distance réelle ( ) 3/1

0 EexPa

RR = 0,062 m-1

Distance réelle R0 195 m 89 m 44,5 m 32,5 m 27,5 m Distances comptées à partir du centre de l’explosion = centre du réservoir. 3.10. Conclusions

Les zones des effets létaux (Z1 – 140 mbar) et des effets irréversibles (Z2 – 50 mbar) sont respectivement de 44,5 m et de 89 m. La zone Z2 sort des limites du site.

Il existe un risque d’effets domino (surpression 200 mbar) dans un rayon de

32,5 m (zone de stockage couverte des containers).

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ANNEXE

Explosion d’un Boeing 747 - Vol TWA 800 en 1996: Il est aujourd’hui admis par les enquêteurs du NTSB (National Transportation Safety Board) qui s’occupe de l’enquête civile et du FBI qui mène l’enquête criminelle que le réservoir localisé entre les deux ailes a bien explosé. Celui-ci a en effet pu être reconstitué à partir de 700 morceaux éparpillés dans l’océan alors que, par comparaison, de longues portions d’aile ont été récupérées. Les morceaux indiquaient une déformation vers l’extérieur, résultant de l’explosion. Celle-ci s’explique par le fait que le réservoir était presque vide et était rempli de vapeurs de kérosène chauffées à une température permettant leur explosion en présence d’une étincelle (autour de 40°C selon la pression). Ce réservoir était presque vide du fait que l’avion venait d’arriver d’Athènes, et le peu de kérosène restant avait été chauffé par les groupes de climatisation qui tournaient à plein régime, alors que les passagers avaient embarqué trop tôt dans un avion stationné au soleil et qui avait 1 h 30 de retard sur l’heure prévue du décollage depuis l’aéroport de JFK. Cette situation, bien que dangereuse, ne semble pourtant pas du tout exceptionnelle vu le nombre d’avions en circulation. Les vapeurs de kérosène ne peuvent heureusement exploser spontanément qu’à une température beaucoup plus élevée (autour de 300°C selon la pression). Malgré de multiples hypothèses et expériences, les experts n’ont pu déterminer avec certitude l’origine de l’étincelle qui aurait provoqué l’explosion de ces vapeurs : électricité statique fantôme, pompe défectueuse non repêchée dans l’océan, câbles de jauge mal isolés mais en basse tension ou câblage en mauvais état dans une des ailes. Déjà à Manille en 1990, un Boeing 737 avait explosé au sol dans des conditions apparemment similaires, sans que l’origine de l’étincelle ait pu être confirmée.

Modélisation de scénarios d’accidents sur un avion de type ...évalué selon la méthodologie...

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