Prévention et évacuation des fumées des bâtiments

De nombreux incendies de bâtiments ont démontré que la fumée toxique à haute température générée lors d’un sinistre se propage rapidement par des canaux variés, faisant de la fumée intérieure l’une des causes principales de l’entrave à l’évacuation des personnes et aux opérations de lutte contre l’incendie, ainsi que des décès. La conception de protection contre la fumée des bâtiments est essentielle pour garantir la sécurité des occupants et empêcher la propagation des fumées. La protection contre la fumée et le désenfumage du bâtiment doivent faire l’objet d’une attention prioritaire dans la conception de sécurité incendie des départements opératoires propres des hôpitaux.

(1) Le principe fondamental de la conception de protection et d’évacuation des fumées est d’empêcher la fumée de pénétrer dans les voies d’évacuation et de garantir la sécurité des personnes. Cependant, pour les bâtiments de grande hauteur, les bâtiments sans fenêtres et les lieux similaires tels que les départements opératoires propres hospitaliers, où l’évacuation et la lutte contre l’incendie sont difficiles, il est nécessaire de mettre en place une conception de protection et d’évacuation des fumées au niveau des zones sensibles, en adoptant des installations axées principalement sur le contrôle des fumées.

La conception de protection et d’évacuation des fumées doit, conformément aux caractéristiques de la fumée et à ses lois de mouvement, étudier dans l’aménagement la direction d’écoulement des fumées des pièces susceptibles de prendre feu ; à partir de différents scénarios, elle doit permettre de définir le schéma de protection contre la fumée le plus économique et le plus efficace ainsi que les voies de maîtrise de l’écoulement des fumées, de sélectionner les équipements de désenfumage adaptés, et de positionner de manière rationnelle les entrées d’air, les bouches d’évacuation et les conduits.

(2) La protection contre la fumée ou le désenfumage d’un bâtiment peut être mis en œuvre par désenfumage naturel, alimentation mécanique en air sous pression ou désenfumage mécanique. Le choix de la méthode est déterminé après prise en compte globale de l’aménagement du bâtiment, des conditions de ventilation, de la hauteur sous plafond, de la densité de charge incendie intérieure ainsi que du type, de la forme et de la distribution des locaux.

Pour répondre aux exigences chirurgicales et de propreté, un département opératoire propre est généralement relativement étanche, et les zones propres maintiennent une pression d’air supérieure à celle de leur environnement. Les zones propres n’ont généralement pas de fenêtres ou ne disposent que de fenêtres fixes scellées. Dans la conception de son système de protection et d’évacuation des fumées, lorsque le département est construit comme bâtiment autonome, il est traité comme un bâtiment sans fenêtres ; lorsqu’il est intégré à un ensemble d’autres bâtiments, il est traité comme une pièce sans fenêtres au sein de l’ouvrage.

Figure 10.4　Schéma de principe des détecteurs d’alarme incendie et des dispositifs de commande d’alarme

Étant donné que l’actuel Code de conception de la protection contre l’incendie des bâtiments ne comporte pas encore de dispositions relatives à la conception des systèmes de contrôle et d’évacuation des fumées, les études correspondantes peuvent être réalisées en se référant aux règles du Code de conception de la protection contre l’incendie des bâtiments civils de grande hauteur et du Code de conception de la protection contre l’incendie des ouvrages de défense civile. La conception des systèmes de contrôle et d’évacuation des fumées constitue depuis longtemps un axe de recherche sur la protection incendie et le contrôle des fumées dans les bâtiments à l’étranger, et de nombreuses théories ont été proposées ; à ce jour, il n’existe toutefois pas de méthode de conception mature et largement reconnue. Des solutions sont recherchées par des approches de conception basée sur la performance, et plusieurs modèles informatiques de prédiction et de calcul de l’écoulement des fumées dans les bâtiments ont d’ores et déjà été développés.

[Référence]

① La fumée est un mélange d’air et de substances gazeuses, liquides et solides chargées d’une grande quantité de chaleur, générées par la décomposition thermique d’un matériau au cours de la réaction de combustion.

Lorsqu’une substance subit une décomposition thermique puis une combustion, elle dégage de la chaleur, de la lumière et de la fumée. La composition et la quantité de fumée dépendent de la composition chimique du matériau combustible et des conditions de combustion (température, apport d’oxygène pendant la réaction). Les matériaux de construction combustibles, les matériaux de décoration, les meubles combustibles et les autres biens combustibles stockés dans les bâtiments ordinaires sont majoritairement des composés organiques constitués d’éléments tels que le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, le soufre, le phosphore et l’azote. En combustion complète, les produits de réaction sont principalement le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, la vapeur d’eau, le dioxyde de soufre et l’azote ; voir le tableau 10.7. En combustion incomplète, s’ajoutent à ces produits des composés organiques tels que des alcools, des cétones, des éthers et des aldéhydes. Lorsque des matériaux à forte teneur en carbone brûlent en condition de manque d’oxygène, une grande quantité de particules de carbone est produite. Les dommages de la fumée pour le corps humain sont principalement l’asphyxie par les gaz toxiques de combustion, l’irritation des organes et les effets de la haute température ; voir le tableau 10.8.

Tableau 10.7　Gaz toxiques produits lors de la combustion de certains combustibles

Tableau 10.8　Dommages au corps humain causés par les produits de décomposition thermique de combustibles courants

(i) Effet asphyxiant. La concentration de monoxyde de carbone produite dans une pièce en feu varie fortement selon la nature, la quantité et la disposition de stockage des combustibles, ainsi que les conditions d’ouverture de la pièce. Elle dépend principalement du rapport entre les vitesses de décomposition thermique et de réaction d’oxydation des matériaux combustibles. Lorsque la température intérieure augmente continuellement, la décomposition thermique des combustibles s’accélère et la quantité de carbone libre produite augmente ; un apport d’oxygène insuffisant entraîne alors une hausse de la concentration de monoxyde de carbone. La concentration de monoxyde de carbone dans la pièce en feu atteint généralement 4 %～5 %, et peut monter jusqu’à environ 10 % au maximum. La concentration de sécurité pour une exposition humaine de 1 h est de 0,04 %～0,05 % ; pour l’évacuation du personnel, cette concentration ne doit pas dépasser 0,2 %.

Lorsque l’incendie est en phase de combustion pleinement développée dans le bâtiment, la concentration de dioxyde de carbone peut atteindre 15 %～23 %. Généralement, une exposition à une concentration d’environ 10 % provoque des vertiges ; dans les cas graves, elle peut entraîner un coma, des difficultés respiratoires, voire un arrêt respiratoire et une perte de conscience. Une exposition à une concentration d’environ 20 % provoque la paralysie du système nerveux central et entraîne le décès.

Pendant un incendie, la combustion consomme une grande quantité d’oxygène, et la concentration d’oxygène dans l’air diminue fortement, pouvant descendre jusqu’à 3 %～4 % en phase de combustion pleinement développée. Généralement, lorsque la concentration d’oxygène dans l’air tombe en dessous de 11 %, la personne perd ses capacités de raisonnement, présente des convulsions et une cyanose du visage. Lorsque la concentration est inférieure à 6 %, une courte exposition suffit à entraîner le décès.

(ii) Effet irritant. Parmi les produits de décomposition thermique des combustibles pendant un incendie, certains gaz comme le chlorure d’hydrogène, l’ammoniac, le fluorure d’hydrogène, le dioxyde de soufre, le phosgène et le dioxyde d’azote présentent un fort pouvoir irritant pour le corps humain.

(iii) Effet de haute température. Lorsqu’un incendie se déclare dans un bâtiment et que la température atteint le point d’embrasement généralisé (flashover), la température intérieure peut dépasser 500 ℃ et atteindre jusqu’à 800 ℃. La haute température augmente non seulement la fréquence cardiaque et provoque une transpiration abondante, avec une apparition rapide de fatigue et de déshydratation, mais elle peut également causer des brûlures, des blessures ou le décès. De plus, la fumée à haute température est l’un des facteurs principaux de propagation rapide de l’incendie et de l’augmentation des pertes liées au sinistre. La fumée réduit également le champ visuel des occupants, génère un sentiment de panique et perturbe l’évacuation comme les opérations de secours.

② Lois de mouvement de la fumée à l’intérieur d’un bâtiment. La fumée à haute température issue d’un incendie a une densité plus faible que l’air froid ; poussée par la flottabilité, elle s’élève, et lorsqu’elle rencontre une dalle de plancher ou un plafond, elle change de direction pour former une diffusion horizontale. Si la température de la fumée ne diminue pas à ce stade, la fumée chaude et l’air ambiant forment un écoulement laminaire bien distinct. En réalité, au fur et à mesure que la fumée s’écoule et se diffuse, de l’air froid se mélange constamment au flux, et la fumée est refroidie et freinée par des éléments de construction comme les dalles et les plafonds, ce qui fait baisser progressivement sa température ; lorsque la fumée en diffusion horizontale rencontre des obstacles, elle se refroidit davantage et commence à descendre. La fumée qui se refroidit progressivement et l’air refroidi refluent alors vers la zone d’incendie, formant une convection naturelle dans la pièce qui alimente la combustion et rend l’incendie de plus en plus violent.

La vitesse d’écoulement et de diffusion de la fumée dépend de sa température et de sa direction de déplacement. La vitesse de diffusion horizontale est relativement faible : elle est généralement de 0,1～0,3 m/s au début de l’incendie et de 0,5～0,8 m/s en phase intermédiaire. La vitesse de diffusion verticale est plus élevée, habituellement de 1～5 m/s. Dans les cages d’escalier ou les gaines techniques, la force de tirage liée à l’effet de cheminée peut porter la vitesse de la fumée à 6～8 m/s.

③ Écoulement de la fumée dans la pièce en feu. La fumée s’élève dans la pièce, se propage horizontalement dans toutes les directions après avoir atteint le plafond, puis est freinée et refroidie par les parois environnantes, et tend à descendre le long des murs. La fumée est produite en continu, la couche supérieure de fumée s’épaissit progressivement ; lorsqu’elle descend sous le niveau des ouvertures de portes et de fenêtres, elle se diffuse vers l’extérieur et le couloir par les ouvertures non obturées. Si les portes et fenêtres sont fermées, la couche de fumée continue de s’épaissir ; lorsque la température intérieure atteint un certain seuil (généralement 200～300 ℃), les vitres se brisent et la fumée s’échappe vers l’extérieur et le couloir par les interstices des menuiseries.

Lorsque la fumée est éjectée par une fenêtre verticale, l’air aspiré à proximité est renouvelé depuis les deux côtés de l’ouverture, et la trajectoire du flux se courbe vers le haut : le risque de propagation de l’incendie vers l’étage supérieur par cette fenêtre est donc limité. Lorsque la fumée est éjectée par une fenêtre horizontale, l’air aspiré ne peut pas être renouvelé à temps depuis les côtés de l’ouverture, ce qui fait adhérer la flamme à la paroi murale et la fait s’étendre sur une longue distance : cette situation présente un risque important pour l’étage supérieur.

Lorsque la porte de la pièce est fermée, qu’il n’existe pas d’autre ouverture vers le couloir et que les fenêtres sur la façade extérieure sont ouvertes : si le vent souffle et que la fenêtre est exposée au vent, le plan neutre de la fumée s’élève ; si la fenêtre est sous le vent, le plan neutre descend.

Lorsque la porte de la pièce s’ouvre sur le couloir, l’écoulement de la fumée est plus complexe ; il dépend de facteurs comme l’effet de cheminée du bâtiment, le système de contrôle et d’évacuation des fumées, la vitesse du vent extérieur et la température de l’incendie.

④ Écoulement de la fumée dans le couloir. La fumée qui s’échappe de la pièce dans le couloir se déplace d’abord le long de la face inférieure du plafond ; sous l’effet du refroidissement et du mélange avec l’air, la couche de fumée s’épaissit progressivement. La fumée au contact du plafond et des parois se refroidit plus facilement et commence à descendre le long des murs ; à mesure que le parcours s’allonge et que le mélange avec l’air ambiant s’intensifie, la température de la fumée diminue et elle perd de sa flottabilité, laissant finalement un espace circulaire au centre du couloir.

Des essais incendie ont montré que pendant la phase de combustion pleinement développée, la fumée qui s’échappe d’une pièce circule le long du plafond du couloir en régime laminaire, et l’épaisseur de la couche de fumée reste constante sur 20～30 m. Cependant, si la couche de fumée rencontre des obstacles comme des poutres ou d’autres saillies, ou si elle est perturbée par l’entrée d’air extérieur ou les flux d’air des systèmes de ventilation et de climatisation, sa distance d’écoulement laminaire se réduit et le flux passe en régime turbulent.

⑤ Écoulement de la fumée dans les gaines verticales (cages d’escalier, cages d’ascenseur, gaines techniques). Lorsque la température de l’air intérieur est supérieure à la température extérieure, l’air entre par les ouvertures de façade des étages situés sous le plan de pression neutre du bâtiment, puis s’élève dans les gaines verticales, pénètre dans les pièces par les ouvertures des gaines situées au-dessus du plan neutre, et s’échappe enfin par les ouvertures de façade de chaque étage. La distribution des pressions dans un bâtiment suit généralement la règle suivante : dans la partie basse du bâtiment, lorsque la pression de l’air extérieur ＞ la pression des étages ＞ la pression à l’intérieur des gaines, l’air extérieur pénètre dans le bâtiment ; dans la partie haute, lorsque la pression dans les gaines ＞ la pression des étages ＞ la pression extérieure, l’air intérieur s’échappe du bâtiment. De plus, les différences de pression entre les dalles d’étages successifs font circuler l’air de l’étage inférieur vers l’étage supérieur ; dans ces conditions, si un incendie se déclare à un étage bas, la fumée monte rapidement, et le dernier étage est encore plus exposé que l’étage immédiatement au-dessus du foyer.

Lorsque la température de l’air intérieur est supérieure à la température extérieure, une poussée de flottabilité apparaît du fait de la différence de masse volumique entre l’air intérieur et l’air extérieur. La pression dans la partie haute du bâtiment est supérieure à la pression extérieure, tandis que la pression dans la partie basse y est inférieure. Lorsque la façade comporte des ouvertures, l’air intérieur s’échappe par les ouvertures des étages hauts et l’air extérieur pénètre par les ouvertures des étages bas. Ce phénomène est l’effet de cheminée du bâtiment. En fonctionnement normal, il joue un rôle majeur dans la circulation de l’air à l’intérieur des ouvrages. Pendant un incendie, la grande quantité de chaleur libérée par la combustion fait monter rapidement la température intérieure, l’effet de cheminée s’accentue et l’incendie se propage plus vite.

⑥ De manière générale, la conception du contrôle et de l’évacuation des fumées regroupe une ou plusieurs des méthodes suivantes : la méthode de pressurisation, la méthode d’évacuation, la méthode par flux d’air.

(i) Méthode de pressurisation. C’est la technique de contrôle des fumées la plus répandue ; l’exemple le plus courant est la mise en pression de la cage d’escalier par rapport aux pièces et au sas de désenfumage. Cette méthode vise à créer une différence de pression de part et d’autre d’un écran de fumée ; dans la plupart des cas, on vise une différence de pression de 25 Pa. Le système de désenfumage crée généralement cette différence de 25 Pa entre la zone en feu et la zone adjacente, ou entre le sas de désenfumage et la cage d’escalier. Par exemple, dans un immeuble de bureaux de grande hauteur type, le couloir de la zone sinistrée est mis en dépression de 25 Pa, les pièces et le sas sont maintenus en pression positive, et la cage d’escalier est également en surpression.

En pratique d’ingénierie, la méthode de pressurisation nécessite de calculer les surfaces de fuite des murs, plafonds, planchers et portes de chaque étage. Par exemple, pour une cage d’escalier, la zone d’évacuation des fumées est généralement en dépression de 25 Pa par rapport à la zone adjacente. On calcule d’abord les surfaces des parois, du plafond et du plancher de la cage ; en multipliant ces surfaces par un coefficient de fuite d’air, on obtient la surface de fuite de l’enveloppe, à laquelle on ajoute la surface de fuite des portes pour obtenir la surface de fuite totale de la cage. À partir de cette surface totale et de la différence de pression requise de 25 Pa, on calcule le débit d’air neuf à injecter et on détermine donc le taux de pressurisation adapté.

(ii) Méthode d’évacuation. L’objectif de cette méthode est de maintenir un environnement viable dans l’espace sinistré, en conservant la base de la couche de fumée au-dessus de la hauteur minimale requise pour une évacuation sûre des occupants — généralement 2,1 m au-dessus du niveau du sol, ou selon la recommandation japonaise $H_s \geqslant 1.6+0.1H_f$ (où $H_f$ est la hauteur libre de la pièce). La méthode d’évacuation est largement utilisée dans les atriums et les grands centres commerciaux. Il existe plusieurs modèles de calcul pour cette approche, qui ne sont pas détaillés ici.

(iii) Méthode par flux d’air. Son principe est d’empêcher la fumée de traverser les ouvertures entre zones de contrôle en injectant un débit d’air suffisant. Les paramètres à prendre en compte pour le calcul sont la hauteur de l’ouverture, la température de la fumée, la température de l’air ambiant et la vitesse du flux d’air. Une règle d’application importante est que la vitesse du flux d’air ne doit pas dépasser 1 m/s. Si le débit requis dépasse cette limite, une expertise technique de l’efficacité du dispositif doit être réalisée avant de retenir cette méthode.

⑦ Les bouches d’évacuation des fumées dans les zones propres doivent comporter des dispositifs anti-refoulement. Ce doivent être des bouches de désenfumage de type à plaque. ⑧ Les clapets de désenfumage en zone propre doivent être installés en encastré (affleurant), et leur surface doit être facile à nettoyer et à désinfecter.

【Référence】 Clapet coupe-feu de désenfumage. Ce clapet est installé sur les conduits du système d’évacuation des fumées et reste ouvert en fonctionnement normal ; pendant un incendie, il se ferme automatiquement lorsque la température des gaz dans le conduit atteint 280 ℃. C’est une vanne qui, pendant une durée déterminée, satisfait aux exigences de stabilité et d’intégrité au feu, et assure l’arrêt de la propagation des fumées et du feu. Sa composition et sa forme sont similaires à celles d’un clapet coupe-feu classique. Il est généralement installé sur les conduits du système de désenfumage et est normalement fermé, avec des modes de déclenchement manuel et automatique. Lors d’un incendie, le détecteur envoie un signal d’alarme, le boîtier de commande alimente l’électroaimant du clapet qui s’ouvre rapidement ; il peut également être ouvert manuellement pour permettre l’évacuation des fumées. Lorsque la température atteint 280 ℃, le clapet se referme automatiquement et sa réinitialisation est manuelle. Il peut être asservi à d’autres équipements et émet un signal électrique après déclenchement.

Après le déclenchement d’un incendie dans une pièce, les bouches de désenfumage de la pièce s’ouvrent et le ventilateur d’extraction est démarré simultanément pour évacuer les fumées, pendant que les occupants évacuent. Lorsque la température des fumées dans le conduit atteint ou dépasse 280 ℃, la fumée est porteuse de flammes, mais dans la majorité des cas les occupants ont déjà terminé leur évacuation. Si l’extraction n’est pas arrêtée à ce stade, le feu et les fumées risquent de se propager à d’autres zones et de créer de nouveaux sinistres. Il est donc essentiel d’installer sur les conduits de désenfumage des clapets coupe-feu capables de se fermer automatiquement au-delà de 280 ℃.

L’installation des clapets coupe-feu de désenfumage respecte les règles suivantes :

① Un clapet coupe-feu de désenfumage est installé sur chaque conduit secondaire du système d’évacuation des fumées.

② Un clapet coupe-feu de désenfumage est installé au point de pénétration du conduit dans le local du ventilateur d’extraction, et il est asservi au ventilateur de désenfumage.

③ Un clapet coupe-feu de désenfumage est installé sur les conduits de désenfumage qui traversent des murs coupe-feu, et il est asservi au ventilateur d’extraction.