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Analyse de l’effet des explosions en milieu non confiné

Le risque industriel est défini comme un événement technologique accidentel pouvant entraîner des conséquences graves intra et extra-muros du site pour les personnes, les biens, l’environnement naturel. Le risque industriel est qualifié de majeur lorsque les critères de faible fréquence et gravité élevée sont associés. Ainsi, il découle que l’analyse de risque peut être menée par des approches déterministes et probabilistes par des modélisations physiques, fonctionnelles et statistiques. Ceci sous-entend que les scénarios pouvant conduire à un accident sont préalablement établis pendant la phase de conception. L’analyse déterministe consiste principalement à évaluer le développement, la propagation et les conséquences de chaque événement retenu afin de confirmer que les critères d’acceptation de ces conséquences soient respectés. L’analyse probabiliste a pour objet de mesurer l’occurrence, la probabilité d’apparition du phénomène dangereux ou de l’accident.

Cette étude est consacrée à l’analyse déterministe par la détermination des conséquences des explosions et plus particulièrement les effets de surpression. Les effets thermiques ne font pas l’objet du présent article.

Les explosions accidentelles sont associées à des libérations d’énergie qui produisent de grandes quantités de gaz en expansion. En effet, la plupart des incidents passés concernant des explosions de nuages gazeux indiquent que la présence d’une fuite de combustible est une cause potentielle. Si une quantité de combustible est accidentellement relâchée dans l’atmosphère et se mélange avec l’air, un nuage de gaz inflammable peut en résulter. Si ce nuage rencontre une source d’amorçage, il développera sous certaines conditions une explosion intense et un souffle. Néanmoins, le gaz initial peut être sous forme de gaz comprimé lorsque celui-ci est stocké et il s’ensuit alors une perte du confinement. Dans tous les cas, la rapide expansion des gaz conduit à un souffle ou à une onde de pression qui peut avoir des conséquences importantes sur l’environnement. Ainsi, la propriété la plus importante d’une explosion est le souffle. L’énergie mécanique de l’explosion engendre une onde de souffle qui se déplace à une certaine vitesse dans l’air environnant. La surpression est le résultat de deux phénomènes contradictoires : l’intensification de la pression due à la combustion et la diminution de la pression due à l’expansion des gaz.

La forme de l’onde de souffle dépend du type d’explosion. Avant l’arrivée de l’onde de souffle, la pression est à la pression ambiante P₀. Pour une onde de souffle idéale, la surpression augmente instantanément à une valeur P₀ + ΔP et décroît ensuite plus lentement à des valeurs négatives, atteint un minimum et finalement revient à la pression ambiante. Ce type d’onde de souffle, appelé onde de choc, correspond à une détonation. Dans le cas d’une déflagration, l’augmentation de pression est moins rapide et la pression maximale inférieure à la pression de détonation. Cependant, l’onde de souffle a une phase positive suivie d’une phase négative (ou phase de succion). Bien que les dommages soient le plus souvent associés au pic de surpression, la durée et l’impulsion sont également des paramètres importants de l’onde de souffle. Toutefois, une déflagration peut amener des dommages importants à cause d’une durée et donc d’une impulsion plus longues. Un certain nombre d’expériences menées ces dernières années ont mis en évidence l’influence de la présence de confinements et d’obstacles ainsi que l’influence des écoulements à grande vitesse sur la prévision des paramètres caractéristiques de l’explosion (surpression, impulsion et durée de phase positive).

Il s’agit ici de présenter un bilan des méthodes simples permettant de calculer les surpressions aériennes d’ondes de souffle consécutives à des détonations ou à des déflagrations de charges gazeuses [SE 5 062] [SE 5 068] [SE 5 082]. Les quatre seuils réglementaires d’effet de surpression retenus en France dans l’arrêté du 29 septembre 2005  sont 20 mbar, 50 mbar, 140 mbar et 200 mbar. Ils correspondent respectivement pour la vie humaine au seuil des effets indirects par bris de vitre, au seuil des effets irréversibles, au seuil des effets létaux (1 % de létalité par effets indirects dans la population) et au seuil des effets létaux significatifs (5 % de létalité par effets directs dans la population). Pour les dommages aux structures, ces mêmes seuils de surpression correspondent respectivement au seuil de destruction significative des vitres, au seuil des dégâts légers, au seuil des dégâts graves et au seuil des effets dominos. Ces méthodes présentent l’avantage de définir la condition à la limite d’un code par éléments finis de dimensionnement mécanique d’une structure, et aussi d’avoir une prévision des conséquences en termes de dégâts sur l’environnement et de pertes humaines.