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Cypebat

Simulation dynamique des incendies par "FDS"

CYPE a développé le logiciel Simulation dynamique des incendies (implémenté dans son software CYPECAD MEP) comme fruit d’un projet de recherche financé par le Centre pour le Développement Technologique Industriel (CDTI), et cofinancé par le Fond Européen de Développement Régional (FEDER).

Ce logiciel de CYPE réalise des simulations dynamiques de l’évolution des incendies dans les bâtiments via deux outils externes de libre utilisation (déjà installés dans le logiciel): le moteur de calcul FDS (Fire Dynamics Simulator) et le visualiseur graphique Smokeview (SMV), tous deux développés par le NIST (National Institute of Standards and Technology, USA). Ces outils ne disposent pas d’une interface graphique d’introduction des données ni d’une expression analytique des résultats utile et simple pour l’utilisateur, c’est pourquoi d’autres outils sont nécessaires pour les utiliser.

Le logiciel Simulation dynamique des incendies de CYPE utilise l’interface graphique de son software CYPECAD MEP pour fournir des données correctes et nécessaires au moteur FDS et transmet les résultats nécessaires au visualiseur Smokeview pour obtenir une animation 3D de la simulation, le tout sans l’intervention de l’utilisateur. Le logiciel de CYPE analyse et interprète également les résultats calculés par le moteur FDS et génère des points de contrôle qui apparaissent dans la vue en plan de l’onglet FDS de CYPECAD MEP où l’utilisateur peut obtenir des récapitulatifs dans lesquels les évolutions temporelles de la simulation sont exprimées graphiquement.

SOMMAIRE

Introduction
Fonctionnement du logiciel Simulation dynamique des incendies
Hardware et software recommandés
- Multiprocesseurs
- Systèmes opératifs de 64 bits
Liste de modules
Permis nécessaires dans la licence d’utilisateur
Autres logiciels

Introduction

Le logiciel Simulation dynamique des incendies réalise des simulations dynamiques de l’évolution des incendies dans les bâtiments. Pour cela, deux outils externes de libre utilisation (installés avec le logiciel de CYPE) sont utilisés:

Moteur de calcul
Le modèle informatique de dynamique des fluides dénommé FDS (Fire Dynamics Simulator) développé par le NIST (National Institute of Standards and Technology, USA) est utilisé comme moteur de calcul.
Visualiseur 3D
Le logiciel Smokeview (SMV), également développé par le NIST est utilisé comme visualiseur graphique en 3D de l’évolution de l’incendie.

Ces deux outils ne disposent pas d’une interface graphique d’introduction des données, c’est pourquoi celles-ci doivent être introduites via des fichiers texte organisés d’une façon spécifique. D’autre part, le moteur FDS génère dans son processus de calcul de nombreuses informations (en brut) sur la simulation de l’incendie réalisée. L’analyse de ces informations est complexe et laborieuse, et requiert une certaine expérience.

Simulation dynamique des incendies permet de placer la source de feu de l’incendie en n’importe quel point du bâtiment pour valider le comportement de la fumée de l’incendie et vérifier la viabilité de l’évacuation. Il est possible de l’utiliser pour des immeubles déjà construits, ce qui permet de vérifier si la conception du bâtiment, bien que respectant la norme en vigueur, peut être améliorée.

Parmi les nombreux facteurs qui influent sur la sécurité des bâtiments en cas d’incendie, se trouvent notamment la concentration et la température de la fumée, étant donné que des niveaux élevés peuvent empêcher l’évacuation correcte et mettre en danger l’intégrité des occupants, ou encore favoriser l’effondrement structural du bâtiment. La largeur des couloirs, la qualité des matériaux ou l’installation de protection contre les incendies sont quelques uns des paramètres que prend en compte ce software, relié a tous les programmes de CYPECAD MEP développés par CYPE.

Vous trouverez ci-après des informations plus détaillées concernant l’introduction des données réalisées par le logiciel de CYPE Simulation dynamique des incendies et sur les résultats offerts.

Fonctionnement du logiciel Simulation dynamique des incendies

Activation du calcul et des données nécessaires pour la simulation dynamique

Le calcul de la simulation se fait dans l’onglet Incendie (FDS) de CYPECAD MEP. Toutes les options permettant de définir la simulation (excepté l’option Charges de feu qui se trouve dans le menu Équipement) se situent dans le menu FDS de ce même onglet. Ces options sont normalement définies avant de commencer le calcul. Néanmoins, il est possible de commencer la simulation à n’importe quel moment avec l’option Calculer la simulation d’incendie du menu FDS (même si aucun autre paramètre n’a été défini) et le logiciel avisera qu’il manque des données nécessaires : définition des hypothèses d’incendie, sélection des locaux du bâtiment à inclure dans la simulation, définition des charges de feu et sélection de l’élément déclencheur de l’incendie.

De plus, pour calculer la simulation dynamique du bâtiment, il est nécessaire d’introduire des éléments constructifs du bâtiment, la définition des locaux de celui-ci et, si elle est nécessaire, l’introduction des éléments de l’installation de protection contre les incendies tels que les sprinklers automatiques ou les détecteurs de fumée ou de température, qui sont traités comme tels dans le modèle FDS. Si les voies d’évacuation sont également définies, le programme met sous monitorage l’évolution des fumées le long des parcours d’évacuation, ce qui fournit des informations importantes sur l’évolution de la température et des fumées aux endroits traversés par ces parcours.

Introduction de données spécifiques pour la simulation dynamique

Introduction des charges de feu

Pour définir correctement la simulation, il est nécessaire d’introduire dans le modèle des éléments combustibles qui occupent ou meublent les locaux dans lesquels prend ou peut s’étendre l’incendie, car se seront eux qui supposeront les charges de feu principales qui alimentent et déterminent l’évolution de l’incendie.

C’est pourquoi le programme inclut un outil d’introduction de solides combustibles (menu Équipement > Charges de feu), associé à une bibliothèque de matériaux combustibles habituels, adéquatement caractérisés avec les données nécessaires pour leur définition dans le modèle FDS, telles que les enthalpies de combustion et la vaporisation, les réactions de pyrolyses, les taux de libération de chaleur ou de perte massique, etc.

Les éléments constructifs formant le modèle géométrique du bâtiment sont automatiquement caractérisés dans la construction du modèle FDS, ce qui permet une introduction simple et intuitive des éléments combustibles et non combustibles dans la simulation.

Définition d'hypothèse d'incendie

Pour créer les modèles d’incendie que le moteur FDS calculera, un outil est proposé pour gérer différentes hypothèses d’incendie dans le bâtiment, de façon à pouvoir gérer plusieurs schémas d’incendie et leurs résultats dans un unique fichier. L’introduction des données est ainsi grandement simplifiée et l’élaboration de nouvelles hypothèses d’incendie, tout comme l’analyse des résultats de chacune d’entre elles, est plus aisée. Cela permet à l’utilisateur de comparer et d’analyser différents schémas d’incendie dans le bâtiment, pour une meilleure compréhension des erreurs de conception, et de façon à atteindre la configuration optimale des systèmes de contrôle de température et d’évacuation des fumées.

Ces hypothèses d’incendie sont créées avec l’option Hypothèses d’incendie du menu FDS. Le logiciel permet de créer, de copier ou d’éditer les différents scénarios d’incendie du bâtiment, et d’en sélectionner un pour travailler sur les données associées, qui incluent:

Sélection des locaux du bâtiment
Cette sélection est réalisée via l’option Sélection des locaux à inclure dans la simulation du menu FDS. L’inclusion du nombre de locaux dans la simulation déterminera la taille du modèle lancé pour le calcul et par conséquent, du temps de calcul.
Sélection des éléments déclencheurs d’incendie
La sélection de la ou des charges de feu commençant à brûler au lancement de la simulation se fait via l’option Sélection des éléments déclencheurs d’incendie du menu FDS.
État de l’ouverture des baies
L’état d’ouverture des baies présentes dans le bâtiment, telles que des portes ou des fenêtres, déterminera les flux d’air de l’incendie et donc son évolution. L’ouverture et la fermeture des baies se définit avec l’option Comportement des ouvertures dans la simulation du menu FDS.

En plus de ces informations, le modèle FDS généré pour chaque hypothèse comprend des logiques de contrôle qui permettent certains changements dans le modèle pendant la simulation. Ainsi, les fenêtres qui commencent la simulation dans un état fermé peuvent se rompre à un moment donné de la simulation si les conditions de pression et de température nécessaires sont présentes, changeant ainsi les conditions de ventilation. De plus, s’il existe des sprinklers ou des détecteurs de fumée ou de chaleur, ils sont reliés à une logique qui simule le signal d’alarme des incendies du bâtiment, avec un certain retard, qui sert à agir sur d’autres éléments du bâtiment tels que la fermeture de portes coupe-feu à retenue magnétique ou l’ouverture d’exutoires pour la sortie des fumées en toitures. Dans la vidéo représentant un exemple de simulation réalisée par le logiciel, on peut observer qu’à un moment déterminé de l’incendie, les exutoires de la toiture s’ouvrent (avec la réduction résultante de la couche de fumée accumulée à l’intérieur) et les sprinklers se mettent en fonctionnement.

Calcul réalisé

Construction du modèle pour FDS

Une fois les données nécessaires correctement introduites, il est possible de calculer n’importe quelle hypothèse d’incendie définie en utilisant l’option Calculer la simulation d’incendie du menu FDS. Lors de l’exécution de cette option, la fenêtre de configuration des Données générales s’ouvre, avec la liste des hypothèses d’incendies définies dans le bâtiment.

Dans cette fenêtre, il ne reste qu’à choisir l’hypothèse à simuler et à définir deux paramètres essentiels pour le calcul de la simulation dynamique: la taille de la cellule pour le maillage du modèle FDS et le temps de simulation.

La taille de la cellule pour la discrétisation définit la précision du maillage du modèle FDS du bâtiment et détermine le nombre de cellules que le calcul doit gérer, ce qui a une incidence directe sur le temps nécessaire de calcul de la simulation et sur la mémoire nécessaire pour mener à bien le calcul.

Des valeurs de 15, 20 ou 25 cm de taille de cellule sont considérées suffisamment précises pour analyser le comportement de la fumée de l’incendie dans des grands volumes. Cependant, dans les premières phases de l’étude du comportement du bâtiment en cas d’incendie, il est possible de réaliser des simulations plus rapides en introduisant de plus grandes valeurs de maille. Les valeurs de taille inférieures à 15 cm engendrent un calcul beaucoup plus lourd et sont seulement recommandées pour des études d’analyse du feu et de la fumée dans des volumes réduits.

La durée de simulation détermine le temps réel de l’évolution de l’incendie à calculer et commence avec l’ignition des charges de feu disposées comme éléments déclencheurs de celui-ci. Le moteur de calcul FDS étant valable pour l’analyse du comportement de la fumée et du feu de l’incendie, il est utile d’étudier les premières phases de celui-ci en incluant l’évacuation des occupants du bâtiment. En revanche, Le moteur de calcul FDS n’est pas valable pour simuler un possible effondrement structural du bâtiment, c’est pourquoi des temps de simulation supérieurs à 30 minutes ne sont généralement pas recommandés ni nécessaires.

Il est à noter, qu’à la différence d’autres outils de modélisation pour FDS, le modèle du bâtiment est totalement indépendant de la taille de cellule et du maillage du modèle FDS.

Ainsi, le modèle 3D du bâtiment qui est géré et édité dans le logiciel (partagé avec les autres modules de calcul de CYPECAD MEP) correspond au modèle en dimension réelle de chaque élément présent dans celui-ci; et le modèle qui s’exporte au moteur FDS (qui se construit automatiquement lorsque la simulation dynamique d’incendie est initiée) est spécifique à l’hypothèse sélectionnée par l’utilisateur (avec le sous-ensemble de locaux qu’elle contient et la discrétisation choisie), et est optimisé pour le nombre de processeurs utilisés dans le calcul et pour la disposition des éléments constructifs et des éléments combustibles présents dans la simulation.

Cette façon de travailler permet d’échapper à de nombreuses limitations du modèle FDS, telles que l’alignement des mailles ou la définition des obstacles (entités OBST du modèle). Le programme construit le modèle en s’adaptant à la taille de cellule choisie, en modifiant les propriétés thermiques des matériaux ou des objets, de manière à ce que le modèle résistant soit parfaitement calculable pour le moteur FDS, en un temps minimal, et en respectant le comportement thermique du modèle réel. Cela permet de simuler différentes versions du modèle, plus ou moins détaillées (c’est-à-dire plus ou moins complexes à calculer) en ne variant que la taille de cellule.

Gestion du calcul FDS

Une fois le modèle pour FDS construit, une fenêtre s’ouvre automatiquement pour gérer le calcul dynamique. Le logiciel utilise le moteur FDS optimal sur la machine où il est exécuté (de 32 ou 64 bits et avec processus en une ou plusieurs CPU). La dernière version du logiciel Simulation dynamique des incendies inclut toujours la dernière version valide du FDS publiée par le NIST.

Cette fenêtre de gestion du calcul FDS s’ouvre comme un processus indépendant, ce qui permet à l’utilisateur de continuer à travailler avec le modèle, sur la définition d’autres hypothèses d’incendie, ou encore sur un autre bâtiment, pendant que le calcul de la simulation et mené à bien.

Dans cette fenêtre, vous visualiserez : le temps de calcul de simulation, le temps restant estimé, le temps réel de simulation atteint et des boutons pour la visualisation du fichier *.fds généré et lancé en simulation, du fichier de sortie *.out que génère le moteur FDS, et le bouton pour activer le visualiseur SmokeView avec les données de la simulation en cours.

Ce visualiseur, développé par le NIST et allant de pair avec le moteur de calcul FDS, permet d’accéder aux résultats de la simulation jusqu’au temps calculé, pendant que celui-ci est mené à bien. Cela permet d’explorer l’évolution temporelle de la fumée et de la température de l’incendie de façon totalement visuelle en 3D, ainsi que d’étudier la réponse des systèmes de détection et d’alarme des incendies du bâtiment, ou encore, l’activation et le fonctionnement des sprinklers automatiques.

Depuis la fenêtre de gestion du calcul de la simulation dynamique, il est également possible d’arrêter le calcul en cours, auquel cas il est possible d’obtenir des résultats à partir du premier instant de simulation jusqu’au temps atteint dans le calcul. Il est également possible de reprendre le calcul à partir du moment de sa détention, ce qui permet de l’aborder en plusieurs étapes.

Résultats obtenus

Résultats dans le logiciel de CYPE

Le moteur FDS génère, après le processus de calcul, de nombreuses informations (brutes) concernant la simulation d’incendie réalisée. L’analyse de ces informations est complexe et laborieuse, et requiert une certaine expérience. Le programme Simulation dynamique des incendies dispose d’un outil permettant le post-traitement et la génération des résultats de la simulation réalisée par le moteur FDS pour l’analyser dans le logiciel de CYPE.

Cet outil peut être activé avec l’option Afficher résultats de la simulation du menu FDS. Une fois activé (dans des ouvrages avec hypothèse d’incendie totalement calculés ou arrêtés en un temps déterminé), plusieurs points de contrôle apparaissent dans la vue en plan du bâtiment. En fonction du point de contrôle où le curseur est placé, les informations suivantes apparaissent à l’écran :

Activation des détecteurs de fumée ou de chaleur
Activation des sprinklers
Le long des parcours d’évacuation, est affiché:

Les moments de dépassement des températures dangereuses dans la couche de fumées
La diminution de la hauteur libre de fumées en dessous de 2 m

En cliquant sur le bouton gauche de la souris sur l’un de ces points de contrôle, sont générées des listes dans lesquelles sont exprimées, à l’aide de graphiques, les évolutions temporelles dans la simulation de:

La température dans les sprinklers ou dans les détecteurs de chaleur
Le degré d’obscurcissement dans les détecteurs de fumée
Les températures de la couche froide et de la couche des fumées, et la hauteur libre de fumées le long des parcours d’évacuation disposés dans le bâtiment.

Résultats dans Smokeview

En plus des points et des colonnes de contrôle qui sont générées dans le modèle FDS et qui sont post-traités pour obtenir des graphiques de résultats dans le logiciel, lors de la génération du modèle FDS, certains plans de contrôle sont ajoutés pour être inspectés dans le visualiseur de résultats Smokeview.

À chaque étage du bâtiment analysé dans la simulation, sont ajoutés des plans de distribution des températures, des plans de contrôle de la vitesse de l’air et des plans du degré de visibilité en mètres. L’évolution de ces grandeurs dans les plans horizontaux pour chaque étage peut ainsi être représentée, en plus du feu et de la fumée, dans le visualiseur Smokeview. Cet outil permet donc de juger rapidement du comportement du bâtiment ou de ses systèmes d’évacuation de fumée et de contrôle de température.

Hardware et software recommandés

La complexité que suppose une simulation dynamique d’incendie dans un bâtiment et les multiples facteurs qui interviennent requièrent des exigences de hardware et de software de la machine où va être calculée cette simulation plus importantes que celles qui seraient nécessaires pour travailler normalement avec d’autres logiciels. C’est pourquoi nous mettons particulièrement l’accent sur la possibilité d’utiliser des processeurs à plusieurs noyaux et sur le système opératif de la machine avec laquelle est calculée la simulation.

Multiprocesseurs

Le programme Simulation dynamique des incendies peut fonctionner avec un autre module de CYPE, Calcul en parallèle jusqu'à huit processeurs, permettant ainsi de profiter de la capacité de division du travail de calcul de la simulation en différents maillages du modèle FDS pour son processus en parallèle, et de celle des CPU modernes à plusieurs noyaux, de façon à réduire le temps de calcul dans les simulations dynamiques d’incendie. Pour aborder des simulations complexes, il est nécessaire d’inclure dans la licence d’utilisation des logiciels de CYPE le module Calcul en parallèle jusqu'à huit processeurs.

Systèmes opératifs de 64 bits

Dans les machines avec Système opératif de 64 bits, le moteur de calcul FDS et le visualiseur de résultats Smokeview fonctionnent en 64 bits, de sorte qu’il est possible de réaliser des simulations complexes, soit par la taille de la zone du bâtiment à simuler, soit par la réduction de la taille de la cellule unitaire. Grâce à cela, les restrictions de mémoire RAM imposées aux processeurs de 32 bits (de 2 GB par processeur) sont éliminées.

Dans des machines de 32 bits, où les modèles de simulation supérieurs à 2 millions de cellules posent des problèmes de mémoire, le logiciel avertit de cela lors de la génération du modèle, ce qui permet à l’utilisateur de corriger la taille de la zone à simuler, ou bien d’élever la taille de la cellule unitaire, afin de générer un maillage avec un plus petit nombre de cellules.

Dans tous les cas, pour aborder des simulations complexes, par taille ou niveau de détail, ou avec des systèmes à extinction automatique qui entrent en jeu dans la simulation (extinction de l’incendie avec des sprinklers automatiques), il est fortement recommandé d’utiliser des systèmes de 64 bits, si possible associés à une CPU multi-noyau et à une mémoire RAM supérieures à 4 GB.

Liste de modules

Le logiciel CYPECAD MEP est un logiciel modulaire, chaque module réalisant une prestation bien définie. Les modules disponibles et leurs fonctionnalités sont consultables dans la liste de modules. Il est également possible d’acquérir un pack de modules, tels que définis dans notre Tarif.

Permis nécessaires dans la licence d'utilisateur

Pour réaliser le calcul de la simulation dynamique d’un incendie dans un bâtiment, il est seulement nécessaire que la licence CYPE inclue le logiciel Simulation dynamique des incendies. Même avec ce seul programme, il est possible de placer des sprinklers contre les incendies dans l’installation du bâtiment, afin de prendre en compte leur effet sur la simulation.
Bien que cela ne soit pas nécessaire, il est hautement recommandé, comme commenté dans le paragraphe précédent, que la licence d’utilisateur dispose également du moteur Calcul en parallèle jusqu'à huit processeurs, notamment pour pouvoir aborder des simulations complexes.

Simulation dynamique des incendies par "FDS"

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