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Nancy, le 13 juin 2016 FNRJ160158 BUEI/NT/16/00806/V2

SNC LAVALIN

PROJET DE SILOS DE

MONTOIR DE BRETAGNE

*-*-*

CALCULS DE SURFACES D’EVENT ET

D’EFFETS LIÉS A UNE EXPLOSION

BUSINESS UNIT ENERGY AND INDUSTRY

ORGANISME EMETTEUR

Bureau de Nancy Immeuble Thiers, 4 rue Piroux

54048 NANCY cedex Tél. : 03 83 18 50 60

CLASSIFICATION Marché ou contrat

Secret militaire Secret industriel Numéro du marché ou du contrat

Organisme client

NC NC 2016000897 du 28/04/16 SNC Lavalin

Contractuel Lot Poste Programme Code

OUI - - - -

TITRE : Calculs de surfaces d’évent et d’effets liés à une explosion

Identification du document Nombre de pages

APSYS : FNRJ160158 BUEI/NT/16/00806 Texte Planche Annexe

(client) : - 41 - 1 annexe

Date :

13/06/2016

Réf. du fichier :

FNRJ160158_SNC_Lavalin_silo_Montoir

Notion d’indexage :

SNC LAVALIN Montoir

silo

Résumé d'auteur :

L’objet de ce document est de déterminer les surfac es d’évent nécessaires et d’évaluer les scénarios d’accident liés à des cas d’explosions éventuelles dans les silos en projet sur le site de Montoir de Bretagne. Ce projet comprend 2 variantes : silos ré alisés en béton ou silos métalliques

Auteur(s)

N.GAULIER

13/06/2016

Vérificateur

J.P. BLANCHARD

13/06/2016

Vérificateur

J.P. BLANCHARD

13/06/2016

SNC Lavalin, projet Montoir de Bretagne FNRJ160158 – BUEI/NT/16/00806 Calculs de surfaces d’évent et d’effets liés à une explosion

Juin 2016

Sommaire - - -

1. INTRODUCTION ................................................................................................................................................ 4

2. CARACTERISTIQUES DES INSTALLATIONS ...................... ........................................................................... 5

3. CALCULS DE SURFACES D'EVENT ............................... ............................................................................... 14

3.1. VALEURS D’EXPLOSIVITE A PRENDRE EN COMPTE ........................................................................ 14

3.2. PRESSION D’OUVERTURE DES SURFACES D’EVENT ...................................................................... 15

3.3. SILOS BETON ........................................................................................................................................ 16

3.3.1 Cellules béton..................................... ............................................................................................ 16

3.3.2 As de carreau béton ............................... ........................................................................................ 18

3.3.3 Tours bétons ...................................... ............................................................................................ 19

3.3.4 Volume sous cellule béton .......................... .................................................................................. 21

3.3.5 Galeries sur cellules béton ....................... .................................................................................... 22

3.4. SILOS METALLIQUES ............................................................................................................................ 23

3.4.1 Cellules métalliques............................... ........................................................................................ 23

3.4.2 Tours métalliques ................................. ......................................................................................... 24

3.4.3 Volume sous cellules métalliques ................... ............................................................................. 25

3.4.4 Galeries sur cellules métalliques ................. ................................................................................ 26

3.5. FOSSE DE RECEPTION TRAINS .......................................................................................................... 27

3.6. FOSSE DE RECEPTION CAMIONS ....................................................................................................... 28

4. DISTANCES D’EFFETS LIEES A DES EXPLOSIONS DE POUSSIERES ................ ..................................... 29

4.1. SURPRESSIONS .................................................................................................................................... 29

4.1.1 Méthode d’évaluation des surpressions ............. ......................................................................... 29

4.1.2 Résultats ......................................... ................................................................................................ 35

4.2. EFFONDREMENT .................................................................................................................................. 37

4.2.1 Méthodologie ...................................... ............................................................................................ 37

4.2.2 Résultats ......................................... ................................................................................................ 37

4.3. PROJECTIONS ....................................................................................................................................... 38

4.3.1 Méthodologie ...................................... ............................................................................................ 38

4.3.2 Résultats ......................................... ................................................................................................ 38

5. CONCLUSION .................................................................................................................................................. 41


Juin 2016

1. INTRODUCTION

SNC Lavalin est en charge de la réalisation de silos en projet à Montoir de Bretagne. Dans le cadre de cette étude, SNC Lavalin souhaite étudier les surfaces d’évent nécessaires et les effets liés à une explosion au niveau de ces silos. Cette étude fait l’objet du présent document réalisé par APSYS à la demande de SNC Lavalin . Il a été élaboré à partir des données fournies par SNC Lavalin .


Juin 2016

2. CARACTERISTIQUES DES INSTALLATIONS

Ce chapitre a été élaboré sur base des plans des silos joints aux pages suivantes. Ce projet comprend 2 variantes : 2 silos réalisés en béton ou 2 silos métalliques. Les caractéristiques des cellules, des tours, des salles sous et sur cellules des silos sont reprises dans les tableaux suivants. Caractéristiques du bloc

cellules Solution silo béton

(caractéristiques par silo) Solution silo métallique

(caractéristiques par silo)

Forme des cellules Cylindrique sur musoir suspendu de forme

conique Parallélépipédique sur musoir suspendu de

forme tronconique

Hauteurs cellules

Sommet des voiles de stockage par rapport au sol :

37 m Fut : 29 m, cône : 6 m

Hauteur niveau haut cône : ~ 7,8 m, Hauteur niveau bas cône : ~ 2,3 m

Hauteur fût as : 25 m Hauteur cône : 5,5 m

Sommet des parois de stockage par rapport au sol : 30 m

Fut : 22 à 26 m, cône : 6,5 m Hauteur sup. cône : 8,9 m, Hauteur inf.

cône : ~ 2,5 m

Diamètre ou L x l intérieur cellules

Ø 13 m L x l = 12,7 x 12,7 m

Murs Béton armé épaisseur 0,24 m Tôle forte profil oméga

Couverture Couverture résistante type béton et peu

résistante type bacs acier avec complexe d’étanchéité

Couverture métallique résistante type platelage métallique et peu résistante type

bacs acier L x l hors tout silo ~ 150 m x 26 m ~ 144 m x 25 m

Nombre de cellules 20 cellules 20 cellules

As de carreau utilisés 5 + un demi as dans la hauteur (demi

surface d’un as) -

Volume unitaire en eau d’une capacité de

stockage

Cellule 4 114 m3 (fût 3 849 m3 + cône : 265 m3)

As de carreau : 859 m3 (fût 800 m3 + cône : 59 m3)

Demi as : 405 m3

Cellule 4 338 m3 (fût 3 990 m3 + cône 349 m3)

Volume sous cellules

Salle sous cellules formée par le prolongement des voiles béton de cellules sous musoirs, volume sous une cellule :

792 m3

Salle sous cellules avec bardages en façade. Volume sous cellule :

21 729 m3

Volume sur cellules Galerie sur cellules

L x l x H = 135 x 8,5 x 5,7 m soit 6 540 m3 Galerie sur cellules

L x l x H = 128,5 x 8,8 x 6 m soit 6 780 m3

Caractéristiques de la

tour Solution silo béton Solution silo métallique

Etages Fosse élévateurs, RDC + 7 étages Fosse élévateurs, RDC + 7 étages Hauteur Hauteur maxi par rapport au sol : 49,1 m Hauteur maxi par rapport au sol : 49,1 m

Dimensions au sol (L x l) 20,2 x 16,7 m 20,2 x 16,5 m

Dispositions constructives murs béton armé, planchers béton (hors RDC : caillebotis)

Ossature charpente métallique + bacs et bardages acier, planchers tôles type tôles larmées, (hors RDC : caillebotis)


Juin 2016

NB : Les fosses d’élévateurs (niveaux -1) et RDC sont des volumes distincts mais en totale communication dans la mesure où le plancher du RDC est ajouré (caillebotis).

Caractéristiques des niveaux des tours solution bét on (dimensions intérieures)

Niveau Hauteur (m) Longueur maxi

(m) Largeur maxi (m)

Volume intérieur libre (hors vol. escalier ascens.) (m 3)

- 1 (fosse élévateurs) 10 15 10,2 1 530 Galerie sous fosses

vrac camions 4 17,5 5 270

0 (RDC) 6 20,2 15 1 350 + 1 6 10,2 15 870 + 2 8 10,2 15 1 160 + 3 7 10,2 15 1 015 +4 6 10,2 15 870 +5 5,5 10,2 15 797 +6 7 10,2 15 1 015 +7 3,6 10,2 15 522

Caractéristiques des niveaux des tours solution mét allique (dimensions intérieures)

Niveau Hauteur (m) Longueur (m) Largeur (m) Volume intérieur libre (hors vol. escalier ascens.) (m 3)

- 1 (fosse élévateurs) 10 15 10,2 1 530 Galerie sous fosses

vrac camions 4 17,5 5 270

0 (RDC) 6 20,2 15 1 338 + 1 6 15 10,2 870 + 2 8 15 10,2 1 404 + 3 7 15 10,2 1 015 +4 4 15 10,2 580 +5 4 15 10,2 580 +6 7 15 10,2 1 015 +7 4,1 à 7,1 15 10,2 813


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Coupe longitudinale silo béton (sans échelle)

Plan masse silo béton (sans échelle)


Juin 2016

Plans en coupe latérale (sans échelle)


Juin 2016

Plans masse coupe longitudinale silo métal (sans échelle)


Juin 2016

Plans coupes latérales silo métallique


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Plans masse fosse réception trains (sans échelle)


Juin 2016


Juin 2016

Plans coupe réception camions (sans échelle) (NB : cas silo métallique mais identique avec cas silo béton)

Cloison de Découplage

à créer


Juin 2016

3. CALCULS DE SURFACES D'EVENT

3.1. VALEURS D’EXPLOSIVITE A PRENDRE EN COMPTE

Les silos stockeront tous types de grains courants. Le guide Etat de l’art sur les silos apporte des indications sur les valeurs d’explosivité pouvant être prises en compte pour ce type de produit.

Tableau des valeurs d’explosivité (source : guide é tat de l’art sur les silos)

Le guide de l’état de l’art indique par ailleurs une synthèse des plages de valeurs en page 5 avec des valeurs de Kst allant de 20 à 120 et des valeurs de Pmax allant de 5 à 9. Toutefois pour les calculs de surface d’évent la seule valeur de Kst n’est pas suffisante et doit être assortie de la valeur de Pmax mesurée lors de l’essai, sans quoi le calcul n’est pas possible. C’est en effet le couple Kst – valeur de Pmax qui permet d’effectuer les calculs de surface d’évent et de surpression maximale atteinte. Ainsi par exemple, on ne peut pas prendre en compte arbitrairement les valeurs maximales de Kst 120 et Pmax 9. Le texte du guide de 2008 ne fait pas référence aux valeurs exactes issues des tests, et ne permet pas de trouver explicitement les tests Kst Pred (il s’agit d’une synthèse). Les valeurs issues du BIA pour le blé ont été recherchées précisément. La valeur de Kst 120 est associée à la valeur de Pmax de 7,5. Un calcul de surface d’évent a été effectué pour ces différents couples de Kst et Pmax. Les valeurs de Kst 112 et Pmax 9,3 donnent pour résultat les surfaces d’évent les plus élevées pour des hypothèses équivalentes. Il s’agit donc bien des valeurs les plus majorantes. En conséquence les valeurs d’explosivité retenues sont celles du blé :

� Kst : 112 bar . m/s � Pmax : 9,3 bar


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3.2. PRESSION D’OUVERTURE DES SURFACES D’EVENT

Les surfaces d’évent se composent :

� de bacs acier en toiture dans le cas des toits de cellules, de la salle sur cellule � de bardages acier dans le cas des parois de la salle sous cellules des silos métalliques � de châssis vitrés ou plastique, de portes d’accès � de platelages métalliques posés dans le cas de la couverture de fosse d’élévateurs de la tour de

manutention et des sols de galeries sur cellules Les châssis vitrés et plastique, portes sont de faible résistance car conçus pour s’ouvrir et du fait de leur nature. Le bris de vitres correspond ainsi à une pression de 20 mbar (source : arrêté du 29 septembre 2005, valeur d’effets sur les structures) à 50 mbar selon la nature des vitres. Une valeur de 100 mbar sera retenue afin de rester dans le domaine de validité des normes de calcul de surface d’évent. Les bacs acier de toiture ont une valeur de rupture choisie comme étant de 100 mbar. Cette valeur est reprise dans le document INERIS DRA-11-127561-13591C du 23/12/11 « Détermination du caractère soufflable à une explosion de poussières interne de quelques éléments de structure usuels rencontrés dans les silos de stockage ». La valeur de 100 mbar sera prise en compte comme pression de rupture pour l’ensemble des surfaces considérées comme soufflables de type châssis, portes, bardages, platelages métalliques sauf cas particuliers tels que les bardages de salle sous cellules silo métallique qui n’ont pas de résistance importante (~ 50 mbar).


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3.3. SILOS BETON

3.3.1 Cellules béton

3.3.1.1 Détermination de la contrainte de traction maximale admissible

En considérant un béton de résistance à la compression de 25 MPa, la résistance à la traction est de 2,1 MPa. Les parois des cellules ont un diamètre intérieur de 13 m et une épaisseur de 24 cm. La contrainte de traction s'exprime de la façon suivante :

e

RP ×=σ

avec σ : contrainte de traction P : Pression dans la cellule R : rayon de la cellule e : épaisseur de la paroi béton

La contrainte de traction doit être inférieure à la contrainte correspondant au béton et donc :

R

eP

×= σ

Soit une valeur de Presist de 775 mbar. La pression maximale admissible en cellules reprendra ces résultats dans la suite de l’étude.


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3.3.1.2 Pression résiduelle maximale en cellule en cas d’explosion

Données de calcul

� L équ. cellule : 31 m � D cellule : 13 m � Volume cellule : 4 114 m3 � Kst : 112 bar.m/s � Pmax : 9,3 bar � Pstat : 100 mbar

NB : particules fines en concentration explosible dans tout le volume. La surface d’évent en place sur chaque cellule est de ~ 100 m2 (~ 47 m2 de capots avec bacs acier sur terrasses extérieurs + ~ 30 m2 de platelage métallique en galerie sur cellules).

Résultats La surface de décharge de l'explosion est égale à la surface d’évent en place. La pression de déclenchement est prise comme étant de 100 mbar. La pression réduite en cellules en cas d’explosion est calculée à l’aide de WinVent 4.0 :

Volume L

(m) D

(m) L/D

Volume (m3)

Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

A (m2)

Pstat (mbar)

Predmax (mbar)

Cellule béton 31 13 2,38 4 114 9,3 112 77 100 290

La pression maximale atteinte en cellule est de 290 mbar. La pression maximale admissible en cellule de 775 mbar n'est pas atteinte. Le fût résisterait à une explosion de ce type en cellule.


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3.3.2 As de carreau béton

3.3.2.1 Données de calcul

� Équations de références : norme VDI 3673 version 2002 � L : 33 m (as, demi as dans la hauteur) � D équ : 6,8 m (as), 4,8 m (demi as dans la surface) � Volume as : 948 m3, 474 m3 (demi as dans la surface) � Kst : 112 bar.m/s � Pmax : 9,3 bar � Pstat : 100 mbar

NB : particules fines en concentration explosible dans tout le volume.

3.3.2.2 Résultats

La pression réduite pouvant être atteinte en fonction de la surface d’évent présente est indiquée dans le tableau suivant :

Volume L

(m) D equ

(m) L/D

Volume (m3)

Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

A (m2)

Pstat (mbar)

Predmax (mbar)

As de carreau 26,8 6,4 4,19 859 9,3 112 32 100 290 Demi as (hauteur) 26,8 4,4 6,09 405 9,3 112 15 100 410

Le fût des as devra être conçu pour résister à 290 mbar au minimum et le fût du demi as à 410 mbar.


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3.3.3 Tours bétons


� Équations de références : normes VDI 3673 version 2002 � Kst : 112 bar.m/s � Pmax : 9,3 bar � Pred : 100 mbar � Pstat : 100 mbar

NB : particules fines en concentration explosible dans chaque volume considéré.


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3.3.3.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire à chaque étage d’une tour béton est synthétisée dans le tableau suivant.

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale

d’évent requise (m2)

-1 fosse élévateurs et RDC (volumes en

communication) 16 14 1,14 2 880 9,3 112 100 100 66

Galerie sous fosses vrac camions

17,5 5 3,5 270 9,3 112 200 100 18

+ 1 15 10,7 1,4 870 9,3 112 100 100 36 + 2 15 12,4 1,2 1 160 9,3 112 100 100 36 + 3 15 11,6 1,29 1 015 9,3 112 100 100 36 + 4 15 10,7 1,4 870 9,3 112 100 100 36 + 5 15 10,2 1,47 797 9,3 112 100 100 36 + 6 15 11,6 1,29 1 015 9,3 112 100 100 37 + 7 15 8,3 1,8 522 9,3 112 100 100 33


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3.3.4 Volume sous cellule béton




3.3.4.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire sous chaque cellule est synthétisée dans le tableau suivant.

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale


Sous cellule béton 13 7 1,85 792 9,3 112 200 100 26


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3.3.5 Galeries sur cellules béton




3.3.5.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire en galerie sur cellules béton est synthétisée dans le tableau suivant.

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale


Sous cellule béton 135 7,9 17 6 540 9,3 112 100 100 631

La surface représentée par la seule couverture en bacs acier est de plus de 1 000 m2. La surface envisagée est donc correcte.


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3.4. SILOS METALLIQUES

3.4.1 Cellules métalliques


� Équations de références : normes VDI 3673 version 2002 � Kst : 112 bar.m/s � Pmax : 9,3 bar � Pstat : 100 mbar


3.4.1.2 Résultats

La surface de décharge de l'explosion est égale à la surface d’évent en place. La pression réduite en cellules en cas d’explosion est calculée à l’aide de WinVent 4.0 :

Volume L

(m) D

(m) L/D

Volume (m3)

Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

A (m2)

Pstat (mbar)

Predmax (mbar)

Cellule métal 26 14,3 1,81 4 338 9,3 112 160 100 100

La pression maximale atteinte en cellule est de 100 mbar. Le fût de cellule résisterait à une explosion de ce type.


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3.4.2 Tours métalliques




3.4.2.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire à chaque étage d’une tour métallique est synthétisée dans le tableau suivant. NB : les fosses d’élévateurs (niveaux -1) et RDC sont des volumes distincts mais en totale communication dans la mesure où le plancher du RDC est ajouré (caillebotis).

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale


-1 fosse élévateurs et RDC (volumes en

communication) 16 14 1,14 2 868 9,3 112 100 100 66

Galerie sous fosses vrac camions

17,5 5 3,5 270 9,3 112 200 100 18

+ 1 15 8,8 1,70 870 9,3 112 100 100 45 + 2 15 10,2 1,47 1 404 9,3 112 100 100 55 + 3 15 9,5 1,58 1 015 9,3 112 100 100 47 + 4 15 7,2 2,08 580 9,3 112 100 100 40 + 5 15 7,2 2,08 580 9,3 112 100 100 40 + 6 15 9,5 1,58 1 015 9,3 112 100 100 47 + 7 15 7,3 2,05 813 9,3 112 100 100 51

En pratique les murs extérieurs sont couverts en bardage et la toiture en bacs acier, la surface pouvant servir d’évent étant supérieure à la surface requise aux différents niveaux.


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3.4.3 Volume sous cellules métalliques




3.4.3.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire sous cellules est vérifiée dans le tableau suivant.

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale


Sous cellules métal 130 13,3 9,77 21 729 9,3 112 100 100 1 600

En pratique les façades sous cellules seront couvertes en totalité en bardage peu résistant (50 mbar). La surface représentée est supérieure à 2 300 m2.


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3.4.4 Galeries sur cellules métalliques




3.4.4.2 Résultats

La surface d’évent nécessaire sous chaque cellule est synthétisée dans le tableau suivant.

Volume L

(m) Déqu (m)

L/D Volume

(m3) Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

Predmax (mbar)

Pstat (mbar)

Surface minimale


Galeries sur cellules métal

128,5 8,2 15,67 6 780 9,3 112 100 100 682

La surface représentée par la seule couverture en bacs acier est de plus de 1 000 m2. La surface envisagée est donc correcte.


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3.5. FOSSE DE RECEPTION TRAINS




3.5.1.2 Résultats

La surface de décharge de l'explosion est égale à la surface d’évent en place. La pression réduite en galerie sous fosse en cas d’explosion est calculée à l’aide de WinVent 4.0 :

Volume L

(m) D

(m) L/D

Volume (m3)

Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

A (m2)

Pstat (mbar)

Predmax (mbar)

Galerie sous fosse réception trains

13,5 3,9 3,46 136 9,3 112 8,6 100 250

Fosse élévateur côté opposé

8,5 4,7 1,80 180 9,3 112 30,3 100 100


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3.6. FOSSE DE RECEPTION CAMIONS



NB : particules fines en concentration explosible dans le considéré.

3.6.1.2 Résultats

La surface de décharge de l'explosion est égale à la surface d’évent en place. La pression réduite en galerie sous fosse en cas d’explosion est calculée à l’aide de WinVent 4.0 :

Volume L

(m) D

(m) L/D

Volume (m3)

Pmax (bar)

Kst (bar.m/s)

A (m2)

Pstat (mbar)

Predmax (mbar)

Galerie sous fosse réception camions

17,5 5 3,5 270 9,3 112 20 100 170


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4. DISTANCES D’EFFETS LIEES A DES EXPLOSIONS DE POU SSIERES

4.1. SURPRESSIONS

4.1.1 Méthode d’évaluation des surpressions

La décroissance des surpressions extérieures est calculée sur base des indications du Guide de l’état de l’art sur les silos - version 3 (2008). La méthode utilisée dans la présente étude consiste à associer un calcul de Brode pour l’énergie et un indice multiénergie pour les effets de pression. Cette méthode repose :

� sur l’équation de Brode pour déterminer l’énergie disponible d’explosion ; � sur la méthode multi-énergie pour évaluer l’atténuation des effets de pression.

Cette démarche a l’avantage de définir l’énergie « disponible » par rapport aux spécificités du contenant (pression de rupture et volume). La détermination de l’énergie de l’explosion s’effectue à partir de l’équation de Brode :

losionPVE exp3 ××=

Avec : � E : Energie de l’explosion de poussières en joules � V : Volume de l’enceinte considérée en m3 � Pexplosion : Pression relative maximale de l’explosion

La pression relative maximale d’explosion est calculée à l’aide de WinVent 4.0 en considérant les dimensions du volume concerné, les caractéristiques des poussières, les surfaces d’évent existantes dans chaque volume et les résistances des matériaux de construction des différents volumes. La détermination des distances des effets de surpression s’effectue en appliquant la méthode multi-énergie. La méthode Multi-Energie développée par le TNO Prins Maurits Laboratory (Van Den Berg, 1984) repose sur des principes de base directement inspirés des mécanismes qui gouvernent la génération des ondes de surpression lors des explosions de gaz. En fait, le "concept Multi-Energie" diffère des méthodes classiques, notamment l’équivalent TNT, en ce sens qu’une explosion de gaz n’est plus considérée comme une entité mais éventuellement comme un ensemble "d’explosions élémentaires" se déroulant chacune dans diverses zones qui composent le nuage explosible. Dans le cadre de l’application de la méthode Multi-Energie, la "violence" de chaque explosion élémentaire peut ensuite être caractérisée par un indice compris entre 1 et 10. L’indice 10 correspond à une détonation, les indices intermédiaires correspondant à des déflagrations à vitesses de flamme d’autant plus rapide que


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l’indice est élevé. Il est aussi possible de dire que ces indices caractérisent la puissance avec laquelle l’énergie est consommée pour engendrer des surpressions aériennes. Le tableau ci-dessous rappelle la correspondance entre les surpressions maximales et les indices (compris entre 1 et 10).

Indice de la méthode (-)

Surpression maximale correspondante

(kPa) (mbar)

1 1 10

2 2 20

3 5 50

4 10 100

5 20 200

6 50 500

7 100 1000

8 200 2000

9 500 5000

10 Entre 1 000 et 2 000 Entre 10 000 et 20 000

Tableau : correspondance entre les surpressions et les indices d’explosion Le choix de l’indice est la phase délicate de la méthode « Multi-Energie » pour laquelle il n’existe pas aujourd’hui de méthode consensuelle. Différentes recommandations ont été proposées pour les choix d’indice. Les plus fréquemment utilisées sont celles proposées :

� par l’auteur de la méthode (Van Den Berg, 1984), � par Kinsella (Kinsella,1993), � par le TNO (TNO,1997), � dans les articles résultant du projet GAMES1.

L’INERIS (INERIS, 1999) consacre un chapitre à la discussion de ces différentes recommandations. La préconisation réalisée par le TNO est directement applicable contrairement à celle du projet GAMES qui nécessite de collecter un nombre de données important. Selon le TNO, les recommandations conduisent à une estimation majorante des surpressions.

1 Acronyme tiré de l’anglais "Guidance for Application of the Multi-Energie method" le "S" signifiant juste "second phase".


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Ainsi, le TNO propose de choisir l’indice de l’explosion élémentaire sur la base des recommandations suivantes :

� retenir l’indice 10 pour tous les volumes correspondant à des zones encombrées d’obstacle, � retenir l’indice 1 pour tous les volumes ne correspondant pas à des zones encombrées et lorsque les

conditions d’accident sont telles que le nuage inflammable susceptible d’envahir ces zones peut être considéré au repos sur le plan dynamique (nuage formé suite à l’évaporation d’une flaque par exemple),

� retenir l’indice 3 pour tous les volumes ne correspondant pas à des zones encombrées et lorsque les conditions d’accident sont telles que le nuage inflammable susceptible d’envahir ces zones est caractérisé par une agitation turbulente importante (nuage formé consécutivement à un rejet de gaz combustible sous plusieurs bars de pression par exemple).

S’agissant du choix de l’indice, compte tenu des niveaux de surpression atteints, un indice 7 au minimum devrait être retenu. Cependant, compte tenu du fort degré de confinement, l’indice 10 semble adapté puisqu’on a à faire à un phénomène d’éclatement et de propagation d’onde de choc. Ce choix d’indice a de plus le mérite d’être conservatoire du point de vue des effets de surpressions attendus. Il est également important de noter que


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les courbes d’effets des indices 7, 8, 9 et 10 sont les mêmes pour l’estimation des distances d’effet des pressions résiduelles de 200 mbar, 140 mbar et 50 mbar. Cette formule, respectant la physique du phénomène, donne les surpressions d’une onde de choc résultant d’un éclatement. Ce choix est confirmé dans le guide silo de 2008 qui recommande de retenir un indice 10 afin de tenir compte du fort degré de confinement. Les seuils d’effets de surpression à déterminer sont présentés au chapitre suivant. L’arrêté du 29 septembre 2005 fixe 5 seuils : 300 mbar, 200 mbar, 140 mbar, 50 mbar, 20 mbar.

� D300 mbar = 0,028 E1/3 � D200 mbar = 0,032 E1/3 � D140 mbar = 0,05 E1/3 � D50 mbar = 0,11 E1/3

Avec :

� E : Energie de l’explosion de poussières en joules � DXX mbar : Distance atteinte pour les surpressions de XX mbar en mètres

La distance correspondant au seuil à 20 mbar est prise comme le double de la distance à 50 mbar. La hauteur de départ de l’explosion (c’est-à-dire la hauteur de bâtiment) est prise en compte si les murs du bâtiment sont résistants. Valeurs relatives aux seuils des effets de surpressions : La « surpression aérienne » considérée est la conséquence d'une explosion qui se manifeste par la propagation depuis la zone de l'explosion d'une onde de pression à travers l'atmosphère à une vitesse de l'ordre de celle des ondes acoustiques (300 à 400 m/s). Lorsqu'on mesure, en un point fixe de l'espace, les caractéristiques d'une telle onde, on observe une impulsion positive de pression dont la durée se mesure en général en millisecondes, suivie d'une phase de dépression. Si l'explosion a pour origine la détonation d'une substance explosive, l'impulsion positive se caractérise par une très brusque montée (quasi-instantanée) jusqu'au maximum de pression suivie d'une décroissance quasi-linéaire. La phase négative est peu marquée.

∆P

Temps

∆ P+

Figure relative à l’onde de pression dite « onde de choc »


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En revanche, si l'explosion est une déflagration d'un nuage explosif de violence modérée (vitesse de flamme plus petite que 120 m/s), les taux de croissance et de décroissance de la surpression de l'impulsion positive sont du même ordre. La phase négative est presque une homothétie inversée de la phase positive (Lannoy, 1984).

∆P

Temps

∆ P+

∆ P-

∆ t+ ∆ t- Figure relative à Onde de pression engendrée au droit d’une déflagration à vitesse de flamme modérée

La pression est une force par unité de surface susceptible d'induire des efforts de flexion ou de cisaillement dans les structures, éventuellement de compression pour le corps humain. Une onde de pression peut également propulser des projectiles. Remarques sur les seuils d’effets sur l’homme : D’une façon générale, il est admis que le risque de blessures est susceptible de se matérialiser lorsque les individus sont frappés par des fragments de vitres, de bois, des objets de décoration légers. Ce risque ne devrait pas être fatal tant que les structures plus lourdes comme les murs porteurs ne sont pas atteintes. Le niveau de surpression correspondant pour la détonation d’un explosif condensé est de l’ordre de 50 mbar (Clancey). Il faut cependant garder à l’esprit que les dégâts aux biens peuvent apparaître pour des niveaux de surpression plus petits (20 mbar). Dès que le risque d’effondrement apparaît, le risque létal est présent, par effet d’écrasement ou de chocs de fragments massifs. On peut estimer que les dommages aux structures peuvent alors devenir suffisamment importants pour que les moyens de production industriels soient lourdement affectés, notamment les moyens de contrôle. On peut situer le début de ce risque vers 140 mbar (Baker, 1983 ; murs de briques, béton non renforcé) pour la détonation d’un explosif condensé. Ce seuil peut être considéré comme le seuil des premiers effets mortels (1%) dans la population.


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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 étude de dangers des installations classées soumises à autorisation, donne les seuils d’effets sur les hommes à retenir. Il s’agit de :

� 200 mbar défini comme le seuil des effets létaux significatifs délimitant la zone des dangers très graves pour la vie humaine

� 140 mbar défini comme le seuil des premiers effets létaux délimitant la zone des dangers graves pour la vie humaine

� 50 mbar défini comme le seuil des effets irréversibles délimitant la zone des dangers significatifs pour la vie humaine

� 20 mbar défini comme le seuil des effets irréversibles délimitant la zone des effets indirects par bris de vitre sur l’homme. L’arrêté du 29 septembre 2005 précise que compte tenu des dispersions de modélisation pour les faibles surpressions, il peut être adopté pour la surpression de 20 mbar, une distance d'effet égale à 2 fois la distance d'effet obtenue pour une surpression de 50 mbar

Les seuils d’effets sur les structures correspondent quant à eux aux seuils de :

� 300 mbar comme limite de la zone des dégâts très graves aux structures � 200 mbar comme limite des effets domino � 140 mbar comme limite de la zone des dégâts graves aux structures � 50 mbar comme limite de la zone des dégâts légers aux structures � 20 mbar comme limite de la zone des destructions significatives des vitres


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4.1.2 Résultats

Paramètres Volume

explosible (m3)

Hauteur de l’explosion

(m)

Pression relative de l’explosion

(mbar Joules)

Pressions atteintes au sol

Cellule béton 4 114 37 290 mbar 3,58E+08

300 à 140 mbar non atteints 50 mbar à 69 m 20 mbar à 152 m

As béton 859 37 290 mbar 7,47E+07


Demi as béton 405 37 410 mbar 4,98E+07


Volume sous cellule béton 792 0 200 mbar 4,75E+07

300 mbar à 200 mbar non atteints 140 mbar à 18 m 50 mbar à 40 m 20 mbar à 80 m

Galerie sur cellules béton 6 540 37 100 mbar 1,96E+08


Tour béton niveau -1 et RDC (volumes en communication totale)

2 880 0 100 mbar 8,64E+07


Tour béton niveau + 1

870 6 100 mbar 2,61E+07



1 160 12 100 mbar 3,48E+07



1 015 20 100 mbar 3,50E+07



870 27 100 mbar 2,61E+07



797 33 100 mbar 2,39E+07

300 à 50 mbar non atteints 20 mbar à 54 m


1 015 38,5 100 mbar 3,05E+07



522 45,5 100 mbar 1,57E+07

300 mbar à 50 mbar non atteints 20 mbar à 31 m

Cellule métal 4 338 30 100 mbar 1,30E+08


Volume sous cellules métal 21 729 0 50 mbar

3,26E+08 300 mbar à 50 mbar non atteints 20 mbar à 158 m

Galerie sur cellules 6 780 35 100 mbar 2,03E+08



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Paramètres Volume

explosible (m3)


(m)


(mbar Joules)


Tour métal niveau -1 et RDC (volumes en communication totale)

2868 0 100 mbar 8,60E+07


Tour métal niveau RDC

1 859 0 100 mbar 5,58E+07


Tour métal niveau + 1

870 6 100 mbar 2,61E+07



1 404 12 100 mbar 4,21E+07



1 015 20 100 mbar 3,05E+07



580 27 100 mbar 1,74E+07



580 31 100 mbar 1,74E+07



1 015 35 100 mbar 3,05E+07



813 42 100 mbar 2,44E+07



136 0 250 mbar 1,02E+07

300 mbar non atteints 200 mbar à 7 m 140 mbar à 11 m 50 mbar à 24 m 20 mbar à 48 m


180 0 100 mbar 5,40E+06



270 0 170 mbar 1,38E+07

300 à 200 mbar non atteints 140 mbar à 12 m 50 mbar à 26 m 20 mbar à 53 m


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4.2. EFFONDREMENT

4.2.1 Méthodologie

La méthode de calcul des distances d’effondrement utilisée est celle décrite dans le guide de l’état de l’art sur les silos. Dans la mesure où l'on ne peut pas a priori déterminer les modalités d'éventration d'une cellule, seul un calcul permettant d'accéder à un ordre de grandeur de cette distance peut être envisagé. Les hypothèses de calcul sont les suivantes :

� Le problème posé est mono-directionnel, c’est-à-dire que l’on considère uniquement la rupture de la paroi extérieure,

� Les cellules sont supposées pleines de grain, � Les quantités de grain que l’explosion pourrait éparpiller dans l’atmosphère sont négligées (tout le

grain contenu dans la cellule est supposé disponible pour ensevelir personnes et biens au voisinage immédiat du silo).

Dans ces conditions, il y a lieu de tenir compte de l’angle de talutage naturel du grain, et le problème se ramène à calculer la distance (dE) qui est le pied d’un triangle rectangle dont la section est égale à celle du maître-couple de la cellule, conformément aux schémas suivants : Silos verticaux (H>D) :

DHD

dE −=)tan(

2

α

4.2.2 Résultats

Stockage H grain

(m)

L ou Ø Capacité

(m)

Distance avec blé* (m)

Distance avec orge* (m)

Distance avec maïs*

(m)

Cellule béton 35 13 34 29 36

Cellule métal 30 13 31 26 32

* depuis le bord de la cellule, angle de talutage : 22° pour le blé, 27° pour l’orge, 21° pour le maïs.

dE D

H

α


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4.3. PROJECTIONS

4.3.1 Méthodologie

La distance de projection est calculée à partir d’un code de calcul développé par APSYS et basé sur des équations de cinématique. Il tient compte de la vitesse, de l’angle de départ ainsi que du coefficient de traînée. Il ne tient pas compte des effets de planage. La trajectoire du projectile est calculée par itération par pas de temps de 1/100ème de seconde. La vitesse initiale est calculée en fonction de l’impulsion que reçoit l’élément à partir de la pression atteinte après rupture des attaches et en fonction de la durée. La variation de l’angle de départ est considérée comme étant de 20° au maximum.

4.3.2 Résultats

Volume concerné Hauteur de départ/sol

Pression de détachement

vitesse de départ

Nature et taille de l’élément

Distance maximale au sol par rapport

au pied du bâtiment et angle de départ

Haut de cellule béton 35 400 mbar

6 m/s prédalle béton

1 x 1 m (325 kg) < 10 m (7 m)

65°

Haut de cellule métal 30 100 mbar 23,6 m/s

Bac acier 1 x 5 m (50 kg)

< 25 m (22 m) 25°


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Projection de bac acier depuis la toiture d’un silo métallique en projet


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Projection de prédalle béton depuis la toiture d’un silo béton en projet


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5. CONCLUSION

Les surfaces d’évent ont été calculées sur les différents volumes des silos en projet. Les effets liés à des cas d’explosions ont été étudiés dans différents cas avec obtention des résultats suivants :

� Surpressions

Paramètres Volume

explosible (m3)


(m)


(mbar Joules)


Cellule béton 4 114 37 290 mbar 3,58E+08


As béton 859 37 290 mbar 7,47E+07


Demi as béton 405 37 410 mbar 4,98E+07


Volume sous cellule béton 792 0 200 mbar 4,75E+07

300 mbar à 200 mbar non atteints 140 mbar à 18 m 50 mbar à 40 m 20 mbar à 80 m

Galerie sur cellules béton 6 540 37 100 mbar 1,96E+08


Tour béton niveau -1 et RDC (volumes en communication totale)

2 880 0 100 mbar 8,64E+07



870 6 100 mbar 2,61E+07



1 160 12 100 mbar 3,48E+07



1 015 20 100 mbar 3,50E+07



870 27 100 mbar 2,61E+07



797 33 100 mbar 2,39E+07



1 015 38,5 100 mbar 3,05E+07



522 45,5 100 mbar 1,57E+07

300 mbar à 50 mbar non atteints 20 mbar à 31 m


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Paramètres Volume

explosible (m3)


(m)


(mbar Joules)


Cellule métal 4 338 30 100 mbar 1,30E+08


Volume sous cellules métal 21 729 0 50 mbar

3,26E+08 300 mbar à 50 mbar non atteints 20 mbar à 158 m

Galerie sur cellules 6 780 35 100 mbar 2,03E+08


Tour métal niveau -1 et RDC (volumes en communication totale)

2868 0 100 mbar 8,60E+07



962 6 100 mbar 2,61E+07



1 282 12 100 mbar 4,21E+07



1 122 20 100 mbar 3,05E+07



641 27 100 mbar 1,74E+07



641 31 100 mbar 1,74E+07



1 122 35 100 mbar 3,05E+07



898 42 100 mbar 2,44E+07



136 0 250 mbar 1,02E+07

300 mbar non atteints 200 mbar à 7 m 140 mbar à 11 m 50 mbar à 24 m 20 mbar à 48 m


180 0 100 mbar 5,40E+06



270 0 170 mbar 1,38E+07

300 à 200 mbar non atteints 140 mbar à 12 m 50 mbar à 26 m 20 mbar à 53 m

Les lignes en grisé correspondent au phénomènes dangereux avec les distances d’effets les plus importantes par type de bâtiment. Ces distances d’effet ont été tracées sur plans (voir tracés en annexe).


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Projections

� Projection de fragment prédalle béton depuis le haut de cellule béton à moins de 10 m. � Projection de bac acier depuis le toit de silo métal à moins de 25 m.

Effondrement de cellule

� 36 m de distance d’ensevelissement depuis le bord des cellules béton � 32 m de distance d’ensevelissement depuis le bord des cellules métal


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Annexe : tracé des zones d’effets liées aux surpressions

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