Comportement extrême du feu : Comprendre le danger

La lutte contre l'incendie est un travail dangereux ! Lorsque nous intervenons sur un feu de compartiment, nous sommes confrontés à des conditions dynamiques et changeant rapidement, à des informations limitées et, souvent, à une menace importante pour la vie humaine et les biens.

Par Ed Hartin / CFBT-US.com

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Les pompiers fondent souvent leurs attentes quant au comportement d'un incendie sur leur expérience. Les observations de Gisborne (1948) sur le jugement expérimenté des pompiers de forêt peuvent être paraphrasées pour s'appliquer également aux pompiers de structure :

Car qu'est-ce qu'un jugement expérimenté si ce n'est une opinion basée sur des connaissances acquises par l'expérience ? Si vous avez combattu des incendies dans tous les types de bâtiments, avec toutes les configurations et charges combustibles différentes, dans toutes les conditions, et si vous vous souvenez exactement de ce qui s'est passé dans chacune de ces combinaisons, votre jugement expérimenté est probablement très bon.

Dans la plupart des communautés, la majorité des incendies se produisent dans des structures résidentielles (par exemple, maisons individuelles, duplex, immeubles d'habitation). Beaucoup moins d'incendies se produisent dans des bâtiments commerciaux et industriels. En outre, contrairement au charpentier, à l'électricien, à l'avocat ou au médecin, le pompier passe peu de temps à exercer son métier. Bien qu'un petit nombre d'incendies soit une situation souhaitable pour la communauté, les pompiers ont peu d'occasions d'acquérir l'expérience nécessaire pour développer une bonne compréhension du comportement du feu par la seule expérience. L'étude de la théorie du comportement du feu et de l'expérience des autres (par exemple, les études de cas) constitue un complément précieux à l'expérience personnelle (mais ne peut la remplacer entièrement).

Combustion

Si vous examinez les textes courants des services d'incendie, vous trouverez une variété de définitions de la combustion, mais toutes décrivent le même phénomène : Une réaction chimique (oxydation) produisant de la chaleur (exothermique) dans laquelle un combustible se combine à l'oxygène. Dans sa forme la plus simple, l'hydrogène et l'oxygène se combinent, entraînant la production de chaleur et de vapeur d'eau. Toutefois, la plupart du temps, ce processus est considérablement plus complexe. Dans un incendie de structure typique, un mélange complexe, toxique et inflammable de produits de combustion solides, gazeux et sous forme de vapeur est produit lorsque des combustibles complexes brûlent avec une ventilation limitée.

Les modes de combustion sont différenciés en fonction de l'endroit où se produit la réaction. Dans la combustion à flamme, l'oxydation implique le combustible en phase gazeuse. Il faut donc chauffer les combustibles liquides ou solides pour les faire passer en phase gazeuse. Certains combustibles solides, en particulier ceux qui sont poreux et peuvent se carboniser, peuvent subir une oxydation à la surface du combustible. Il s'agit d'une combustion non enflammée ou couvante. Le triangle et le tétraèdre du feu sont des modèles simples utilisés pour expliquer le processus de base de la combustion flamboyante et non flamboyante, comme l'illustre la figure 1.

Bien que simples, ces modèles fournissent un cadre pour comprendre la combustion et sont utiles pour comprendre les variables du développement des incendies de compartiment et les causes des phénomènes extrêmes de comportement du feu.

Développement du feu

Lorsqu'un incendie n'est pas confiné, une grande partie de la chaleur produite par le combustible en combustion s'échappe par rayonnement et convection. Qu'est-ce qui change lorsque le feu se déclare dans un compartiment ? Les autres matériaux du compartiment ainsi que les murs, le plafond et le plancher absorbent une partie de la chaleur rayonnante produite par le feu. L'énergie de la chaleur rayonnante qui n'est pas absorbée est réfléchie, continuant à augmenter la température du combustible et le taux de combustion.

La fumée et l'air chauds chauffés par le feu deviennent plus flottants et s'élèvent, au contact de matériaux plus froids tels que le plafond et les murs du compartiment ; la chaleur est conduite vers les matériaux plus froids, augmentant leur température. Ce processus de transfert de chaleur augmente la température de tous les matériaux du compartiment. Le combustible à proximité étant chauffé, il commence à se pyrolyser. Finalement, le taux de pyrolyse peut atteindre un point où la combustion flamboyante peut être soutenue et où le feu s'étend.

En plus de contenir de l'énergie thermique, les incendies dans les compartiments sont influencés par le profil de ventilation. La taille du compartiment ainsi que le nombre et la taille des ouvertures pouvant fournir une source d'oxygène pour la poursuite de la combustion influencent également le développement du feu.

Bien que les "étapes de l'incendie" aient été décrites différemment dans les manuels des pompiers, le phénomène de développement de l'incendie est le même. Pour notre propos, les stades de développement d'un incendie dans un compartiment seront décrits comme suit : débutant, croissance, pleinement développé et pourrissement (voir figure 2). Bien que le développement du feu soit divisé en quatre "stades", le processus réel est continu et les "stades" se succèdent. S'il est possible de définir clairement ces transitions en laboratoire, sur le terrain, il est souvent difficile de dire quand une étape se termine et quand la suivante commence.

Figure 2. Développement du feu dans un compartiment

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Remarque : Cette courbe illustre la vitesse de dégagement de la chaleur. La forme de cette courbe varie considérablement en fonction du type de combustible utilisé et du profil de ventilation du compartiment. Si la température suit généralement le dégagement de chaleur, la forme de la courbe temps/température sera probablement un peu différente.

Le flashover n'est pas l'un des "stades", mais simplement une transition rapide entre le stade de croissance et le stade de développement complet. Le flashover ne se produit pas toujours (le feu peut se désintégrer avant d'atteindre le flashover ou cette transition peut se faire lentement). Deux facteurs interdépendants ont une influence majeure sur le développement du feu dans un compartiment.

Premièrement, le combustible doit avoir une énergie thermique suffisante pour développer des conditions d'embrasement. Par exemple, il est peu probable que l'inflammation de plusieurs feuilles de papier journal dans une petite corbeille à papier métallique ait une énergie thermique suffisante pour développer un embrasement généralisé dans une pièce revêtue de plaques de plâtre. En revanche, l'inflammation d'un canapé avec des coussins en mousse de polyuréthane placé dans la même pièce est tout à fait susceptible de provoquer un embrasement généralisé.

Le deuxième facteur est la ventilation. Un feu qui se développe doit avoir suffisamment d'oxygène pour atteindre l'embrasement général. En modélisant le développement d'un incendie dans une chambre d'hôtel, Birk (cité dans Grimwood, Hartin, McDonough et Raffel, 2005) a déterminé que la fermeture de la porte empêchait la chambre d'atteindre le point d'embrasement (à condition que les autres ouvertures telles que les fenêtres restent intactes). Si la ventilation est insuffisante, le feu peut entrer dans la phase de croissance et ne pas atteindre le pic de dégagement de chaleur d'un feu pleinement développé.

La distinction entre le combustible contrôlé et la ventilation contrôlée est essentielle pour comprendre le comportement des incendies de compartiment. Comme nous l'avons souligné précédemment, les incendies de compartiment sont généralement contrôlés par le combustible lorsqu'ils sont au stade initial et au début de leur croissance, puis à nouveau lorsque le feu se désintègre et que la demande en oxygène est réduite (voir la figure 3).

Figure 3. Développement du feu avec une ventilation limitée

Lorsqu'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 à l'intérieur du compartiment et le profil de ventilation existant fournissent suffisamment d'oxygène pour le développement du feu. Cependant, au fur et à mesure que le feu se développe, la demande en oxygène augmente et, à un moment donné (en fonction du profil de ventilation), elle dépassera ce qui est disponible. À ce stade, le feu passe au contrôle de la ventilation.

Lorsque le développement du feu est limité par le profil de ventilation du compartiment, les modifications de la ventilation influencent directement le comportement du feu. Réduire la ventilation (par exemple en fermant une porte) réduira le taux de libération de chaleur et ralentira le développement du feu. L'augmentation de la ventilation (c'est-à-dire l'ouverture d'une porte ou d'une fenêtre) augmente le taux de libération de la chaleur et accélère le développement de l'incendie. Les changements de profil de ventilation peuvent être causés par le feu (bris de verre dans une fenêtre), par les occupants (laisser une porte ouverte) ou par une action tactique des pompiers.

Comportement extrême du feu

Le terme de comportement extrême face au feu trouve son origine dans la communauté des pompiers de forêt. Le National Wildfire Coordinating Group Glossary of Wildland Fire Terminology (NWCG, 2006) indique que : " Extrême " implique un niveau de caractéristiques de comportement du feu qui exclut habituellement les méthodes d'action de contrôle direct... ". (p. 68). Ce terme s'applique également aux incendies de compartiment. L'embrasement, le refoulement et l'explosion de fumée, bien que différents, peuvent tous être classés comme des phénomènes extrêmes de comportement du feu.

La progression rapide du feu représente une menace importante pour les pompiers lors de la lutte contre les incendies de structures. Si les pompiers n'ont pas un niveau élevé de conscience de la situation, ce danger est accru. Il est difficile d'acquérir la compétence de reconnaître les indicateurs de comportement du feu et de développer une compréhension de la dynamique du feu à partir de l'expérience sur le terrain ou de l'étude en classe seulement.

Les phénomènes extrêmes de comportement du feu peuvent être classés sur la base de la durée de l'augmentation du taux de libération de chaleur. Les événements progressifs entraînent un développement rapide du feu et une augmentation soutenue du taux de dégagement de chaleur. Les événements transitoires se traduisent par une augmentation extrêmement rapide, mais généralement brève, du taux de dégagement de chaleur (c'est-à-dire une déflagration).

Flashover

Le flashover est la transition soudaine d'un feu en développement à un feu entièrement développé. Ce phénomène implique une transition rapide vers un état d'implication totale de la surface de tous les matériaux combustibles à l'intérieur du compartiment. Si l'embrasement se produit, le taux de libération de chaleur dans le compartiment ainsi que la température du compartiment augmentent rapidement. L'embrasement peut se produire lorsque le feu se développe dans un compartiment ou lorsqu'un supplément d'air est apporté à un feu contrôlé par ventilation (dont le combustible en phase gazeuse et/ou la température sont insuffisants pour provoquer un retour de flamme).

Les indicateurs d'un embrasement éclair comprennent un flux de chaleur rayonnante au sol de 15-20 kW/m2 et une température moyenne de la couche supérieure de 500o-600o C (932o-1112o F) (Drysdale, 1998). Des indicateurs plus observables comprennent la propagation rapide des flammes et l'extension des flammes hors des ouvertures du compartiment. Les fenêtres des compartiments peuvent également céder en raison de l'augmentation rapide de la température sur la surface intérieure du vitrage (Gorbett & Hopkins (2007)).

Si la ventilation est adéquate, l'embrasement généralisé fait partie du développement normal du feu, comme l'illustre la figure 2. Si la ventilation est limitée, le feu peut devenir contrôlé par la ventilation avant le flashover. Une augmentation ultérieure de la ventilation peut entraîner un embrasement généralisé (comme illustré à la figure 4).

Figure 4. Emballement induit par la ventilation

Emballement induit par la ventilation

Le flashover est déterminé par le taux de libération de chaleur. Si le taux de libération de chaleur est suffisant, le rayonnement deviendra la méthode de transfert de chaleur dominante dans le compartiment et portera rapidement la température des surfaces combustibles à leur température d'auto-inflammation. Lorsque la ventilation est adéquate, l'événement déclencheur est simplement la présence d'une quantité suffisante de combustible pour générer le taux de libération de chaleur nécessaire. Lorsque le feu brûle dans un régime de ventilation contrôlée, l'augmentation du taux de libération de chaleur peut résulter d'une ventilation accrue.

Backdraft

Un backdraft implique une déflagration (explosion) ou une combustion rapide des produits de pyrolyse chauds et des produits de combustion inflammables lors de leur mélange avec l'air. Plusieurs conditions sont nécessaires pour qu'un backdraft se produise dans un compartiment. L'incendie doit avoir progressé jusqu'à un état de ventilation contrôlée avec une concentration élevée de produits de pyrolyse et de produits de combustion inflammables. La concentration d'oxygène

dans le compartiment est faible, généralement au point que la combustion flamboyante est limitée. En outre, la température doit être suffisante pour enflammer le combustible lorsqu'il est mélangé à l'air (Grimwood, Hartin, McDonough et Raffel, 2005 ; Karlsson et Quintiere, 2000).

Comme l'illustre la figure 5, la libération d'énergie d'un backdraft est extrêmement rapide et est généralement transitoire, ne durant que peu de temps. Le backdraft entraîne généralement une libération d'énergie brève, mais assez importante. Cependant, en fonction du volume de combustible et du lieu d'allumage, ce phénomène peut entraîner une libération d'énergie prolongée. Par exemple, un backdraft survenu dans un immeuble d'habitation de New York a entraîné une augmentation substantielle du taux de libération de chaleur pendant 5 ½ minutes (Bukowski, 1996).

Figure 5. Backdraft

Alors que l'augmentation du taux de libération de chaleur résultant d'un backdraft est transitoire, les changements du profil de ventilation résultant d'une surpression (par exemple, la défaillance des fenêtres ou d'autres ouvertures structurelles), le feu passe souvent à un état entièrement développé (Karlsson & Quintiere).

Comme dans le cas d'un flashover induit par la ventilation, l'événement déclencheur d'un backdraft est un changement du profil de ventilation apportant de l'oxygène supplémentaire. Quelle est donc la différence entre ces deux événements ? La principale différence est la vitesse à laquelle le taux de dégagement de chaleur augmente (voir les figures 4 et 5). Le backdraft implique une déflagration alors que l'embrasement induit par la ventilation n'en implique pas. Cependant, la distinction entre ces deux phénomènes n'est pas tout à fait claire, certains événements survenant sur le terrain se situant dans la "zone grise" illustrée par la figure 6.

Figure 6. La zone grise

Il est important que les pompiers se souviennent que l'augmentation de l'oxygène fourni à un feu contrôlé par ventilation entraîne une augmentation de la croissance du feu et du taux de dégagement de chaleur. Ce phénomène peut être relativement lent ou explosif, en fonction des conditions à l'intérieur du compartiment.

Explosion de fumée

De nombreux textes anciens traitant du comportement de base du feu ou de la ventilation utilisaient les termes explosion de fumée et refoulement de manière interchangeable. Cependant, l'explosion de fumée ou de gaz d'incendie et le refoulement sont des phénomènes très différents. Dans le cas du backdraft et de l'explosion de fumée, la fumée est le combustible. Cependant, les autres côtés du triangle du feu sont très différents. Un backdraft nécessite une forte concentration de gaz/vapeur combustible, une faible concentration d'air et une température supérieure à la température d'inflammation des produits de combustion et de pyrolyse inflammables. En revanche, une explosion de fumée nécessite un mélange de combustible (fumée) et d'air dans la gamme d'inflammabilité, mais la température sera inférieure à la température d'allumage des produits de combustion et de pyrolyse inflammables (voir la figure 7). Si le mélange combustible/air avait atteint sa température d'inflammation, il se serait déjà enflammé. À bien des égards, une explosion de fumée est similaire à l'inflammation du propane ou du gaz naturel à l'intérieur d'une structure.

Figure 7. Gamme d'explosifs/inflammables

Si une source d'inflammation est présente, le mélange air/carburant s'enflamme de manière explosive. Les facteurs qui influencent la violence d'une explosion de fumée comprennent le degré de confinement du mélange combustible/air par la structure et la proximité de la concentration de combustible et d'air par rapport à un mélange stœchiométrique (idéal pour une combustion complète). Plus la structure est confinée et plus la concentration est proche de la stœchiométrie, plus l'explosion est violente.

La fumée d'un incendie non ventilé peut s'écouler par des fuites dans une structure et s'accumuler dans des espaces cachés ou d'autres compartiments du bâtiment. N'oubliez pas que la fumée est un combustible ! Si la fumée est présente, même si elle est froide et bien éloignée des compartiments concernés, il existe un risque d'explosion de fumée. Karlsson et Quintiere (2000) observent que ce phénomène est "rarement observé dans les incendies d'enceintes". Cependant, bien que peu fréquentes, les conditions requises pour une explosion de fumée peuvent se développer dans une structure et présenter une menace importante pour les pompiers.

Variables des incendies de compartiment

Les principales variables qui influencent le développement de l'incendie et le comportement extrême du feu dans un feu de compartiment sont les caractéristiques et la disponibilité du combustible, le profil de ventilation, ainsi que les caractéristiques et la configuration du compartiment (voir la figure 8).

Les caractéristiques chimiques et physiques du combustible et sa disponibilité déterminent l'énergie potentielle totale disponible (charge d'incendie) et le taux de libération de chaleur potentiel. Cependant, la libération d'énergie thermique dans une réaction de combustion nécessite de l'oxygène (souvent de l'air). Lorsqu'un incendie se déclare dans un compartiment, la superficie et la hauteur du compartiment ainsi que la ventilation influencent la vitesse de développement de l'incendie et le taux de libération de chaleur nécessaire pour atteindre l'embrasement.

Figure 8. Variables des incendies de compartiment

Au fur et à mesure qu'un incendie de compartiment se développe, le profil de ventilation limite souvent l'air disponible pour alimenter la combustion, amenant le feu dans un régime de combustion contrôlé par la ventilation. Lorsqu'un incendie devient contrôlé par la ventilation, le pourcentage de produits de pyrolyse qui sont brûlés dans le processus de combustion est réduit et le pourcentage de produits de combustion inflammables qui sont produits augmente. Les composants inflammables de la fumée sont un facteur critique dans le comportement extrême du feu, comme l'embrasement généré par la ventilation, le refoulement et l'explosion de fumée. C'est pourquoi il est important pour les pompiers de considérer la fumée comme un combustible.

L'augmentation de l'apport d'air dans un feu contrôlé par la ventilation entraînera toujours une augmentation du taux de dégagement de chaleur. Comme nous l'avons vu précédemment, ces changements peuvent également entraîner un comportement extrême du feu, tel qu'un embrasement ou un refoulement induit par la ventilation.

Résumé

La figure 9 fournit une représentation graphique des trois types de phénomènes de comportement extrême du feu abordés dans cet article et des événements qui les précipitent. Il est essentiel de comprendre comment les phénomènes de comportement extrême du feu se produisent pour assurer la sécurité et l'efficacité des opérations de lutte contre le feu. Les pompiers doivent être capables de reconnaître le potentiel d'un comportement extrême du feu et le potentiel des conditions changeantes et des opérations tactiques pour influencer le comportement du feu. Cette compréhension, associée à l'expérience personnelle, constitue la base d'une prise de décision judicieuse et d'une action tactique fondée sur un jugement expérimenté.

Figure 9. Carte conceptuelle du comportement extrême du feu

Références

Bukowski, R. et Richard, W. (1996, novembre). Modeling a backdraft incident : The 62 watts street (NY) fire. Fire Engineers Journal (1), 14-17.

Drysdale, D. (1998). An introduction to fire dynamics. New York : John Wiley & Sons. Gisborne, H. (1948) Fundamentals of fire behavior. Fire Control Notes 9(1), 13-24.

Gorbet, G & Hopkins, R. (2007) The current knowledge & training regarding backdraft, flashover, and other rapid fire progression phenomena. Document présenté lors de la réunion annuelle de la National Fire Protection Association, Boston, MA.

Grimwood, P., Hartin, E., McDonough, J., & Raffel, S. (2005). La lutte contre l'incendie en 3D : formation, techniques et tactiques. Stillwater, OK : Fire Protection Publications.

Karlsson, B. & Quintiere, J.G. (2000). Enclosure fire dynamics. Boca Raton, FL : CRC Press.

Groupe de coordination national des feux de forêt (NWCG). (2006). Glossaire de la terminologie des incendies de forêt. Consulté le 16 mars 2008 sur le site http://www.nwcg.gov/pms/pubs/glossary/pms205.pdf.

Lectures supplémentaires

Hartin, E. (2005). Extreme Fire Behavior - Backdraft. Consulté le 16 mars 2008 à l'adresse www.firehouse.com.

Hartin, E. (2005). Extreme Fire Behavior - Flashover. Récupéré le 16 mars 2008 à partir de www.firehouse.com

Hartin, E. (2005). Smoke Burns. Récupéré le 16 mars 2008 de www.firehouse.com

Hartin, E. (2006). Extreme fire behavior : Smoke explosion. Consulté le 25 août 2006 à l'adresse www.firehouse.com.