ISO/TR 15657:2013
(Main)Fire resistance tests — Guidelines for computational structural fire design
Fire resistance tests — Guidelines for computational structural fire design
ISO/TR 15657:2013 provides an overview of the advances that have been made in understanding how structures respond to fire. This is reviewed in terms of heat transfer to the structural elements from primarily nominal (furnace) fires changes in the elevated temperature, physical and mechanical characteristics of structural materials, and how the information is used in the analysis of structural elements for the fire limit state. In reviewing the fire scenarios the report concentrates primarily on standardized heating curves but includes the basis of characteristic curves, which may at some time in the future be adopted in a standardized way. Reference is made to time equivalent as a recognized methodology in relating a natural or characteristic fire to an equivalent period of heating in the ISO 834 furnace test.
Essais de résistance au feu — Lignes directrices sur la conception statistique des feux de structures
L'ISO/TR 15657:2013 donne un aperçu général des progrès réalisés pour comprendre la manière dont structures réagissent au feu. Ce thème est traité en termes de transfert thermique aux éléments de structure principalement à partir de variations de feux (de four) nominaux en ce qui concerne la température élevée, les caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux structuraux et de manière dont les informations sont utilisées dans l'analyse d'éléments de structure pour l'état limite du feu. Pour l'examen des scénarios d'incendie, le rapport s'intéresse principalement aux courbes d'échauffement normalisées, mais il inclut la base des courbes caractéristiques qui pourront à l'avenir être adoptée d'une manière normalisée. Une référence est à l'équivalent temps en tant que méthodologie reconnue utilisée pour relier un feu naturel ou caractéristique à une période équivalente d'échauffement dans l'essai au four de l'ISO 834.
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 15657
First edition
2013-06-15
Fire resistance tests — Guidelines for
computational structural fire design
Essais de résistance au feu — Lignes directrices sur la conception
statistique des feux de structures
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Basic principles . 1
2.1 Primary objectives of fire safety design . 1
2.2 Performance criteria . 2
3 Design process . 4
3.1 Fire model . 4
3.2 Heat transfer model . 5
3.3 Structural model . 6
3.4 Combination models . 6
3.5 Material properties . 8
4 Fire models .12
4.1 Standard (nominal) fires .12
4.2 Natural fires .14
4.3 Numerical simulation of natural fires - Zone models .16
4.4 Heat flux to the structure .18
5 Heat transfer models for temperature calculations .20
5.1 Uniform temperature .21
5.2 Non uniform heating .28
5.3 Time equivalent .32
6 Structural design .36
6.1 Mechanical properties .36
6.2 Thermo physical properties .51
6.3 Thermal properties of structural fire protection .68
6.4 Structural fire design methods . .70
Annex A (informative) National Fire Engineering Codes for Structural Design .76
Bibliography .77
Foreword
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through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
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Introduction
In recent years significant advances have been made in the scientific community in understanding the
behaviour of fire in building structures and as a result there is an increasing activity in the development
of computer models that are capable of describing and predicting many of the different aspects of fire
safety engineering.
As a result of this research, design codes have been prepared that enable practising engineers to
undertake this type of analysis which can be applied to comply with prescriptive requirements as
specified in National Building Regulations, or, to develop performance based fire safety strategies and
often involving complex computational analysis.
In particular, analytical procedures and computer models have been developed in the areas of:
— reaction of materials to fire;
— fire growth in a compartment;
— fully developed compartment fire;
— fire spread between buildings;
— fire behaviour of load-bearing and separating elements and building structures;
— smoke filling in enclosures and smoke movement in escape routes and multi-story buildings;
— interaction of sprinklers and fire, including sprinkler and fire venting interaction;
— process of escape; and
— systems approach to the overall fire safety of a building, in its most general form comprising fire
development models interacting with human response models.
This progress in fire research has led to consequent changes in the field of codes, specifications, and
recommendations for fire engineering. Some characteristic trends in these changes are:
— improved relationship between standard tests and real fire scenarios;
— increased use of fire safety engineering principles to meet functional requirements and performance
based criteria;
— development of new test methods, that are, as far as possible, material-independent and related to
well-defined phenomena and properties;
— increase in the application of reliability-based analytical design;
— extended use of integrated assessments; and
— introduction of goal-oriented systems of analysis of total, active and passive fire protection for a building.
One of the most rapidly developing trends relates to the structural fire engineering design of load-bearing
and separating structures. An analytical determination of the fire resistance of structural elements is
being accepted more widely by the Approving Authorities in many countries as an alternative to the
internationally prescriptive based approaches based on the results of the standard fire resistance test
and connected classification.
A significant contribution to the analysis of building structures in fire has been made by the development
of the European Structural Eurocodes which enable practising engineers to follow agreed design
procedures for application in individual members states. During the mid 1990s, these Codes which
covered; Fire Actions and individual structural materials (Concrete, Steel, Composite Steel and Concrete,
Timber, Masonry, Aluminium) were published as ENV’s (or pre-standards). These Codes had the status
of Draft for Development, and were supplemented with National Applications Documents (NAD’s), which
permitted member states to ascribe certain factors to many of the calculations and input variables in
order to align with National experience.
During the last five years, considerable progress has been made in converting these pre-standards into
full European Design Codes for application in the European Community member states. The Codes are
now divided into two separate parts:
— Normative - in which members states are obliged to follow.
— Informative - usually consisting of a series of Annexes in which acceptance is voluntary by individual
member states.
In addition, there is still provision to apply individual National Determined Parameters (NDP’s) to align
more closely with National experience. The interaction of the Eurocodes are summarized in Figure 1.
Selection of the relevant design fire scenarios
Eurocode 1: Fire Actions
Determination of the corresponding design fire
Eurocode 1: Fire Actions
Calculation of the temperature rise of the structural member
Eurocodes 2-6 & 9: Fire Actions
Calculation of the mechanical response
Eurocodes 2-6 & 9: Fire Actions
Figure 1 — Interaction of the Structural Eurocodes
[1]
The structural Fire Engineering design models have been reviewed in Reference and essentially they
can be presented in a simple form as three succinct design steps shown in Figure 2:
Fire Analysis
Heat Transfer Analysis
Structural Analysis
Figure 2 — Three stages to structural fire design
This report examines each of the above under separate headings. In each case, internationally applied
methods for a structural fire engineering design are discussed.
For fire models or thermal actions the report considers:
Furnace tests:
— according to ISO 834: cellulosic, hydrocarbon, external and smouldering curves.
— tunnel heating curves according to RWS and the French National curve.
vi © ISO 2013 – All rights reserved
Natural fires:
— single zone or parametric fires in so far as they may be used in a standardised way to provide
characteristic occupancy related standard tests. This also includes time equivalent relationships
for quantifying real fires into an equivalent period of heating in the standard ISO 834 test.
For heat transfer models the report considers:
— Heat transfer for uniform temperature distribution
— Non-uniform temperature distribution for
— one dimension
— two dimensions
— three dimensions
For structural models the report considers:
— Single member analysis
— Sub-frame assembly analysis (sub-frames and assembly of members)
— Global structural analysis in which load redistribution occurs.
The report also considers Combination Models for thermal and structural analysis and the performance
of structural glass, plastics and resins.
In addressing structural models relevant thermo-physical and mechanical properties are presented
for each loadbearing material. While these are presented for use in calculating the thermal response
under standard furnace heating conditions for the most part the same properties will invariably be
appropriate for natural fires.
This Technical Report is one of a series of Technical Reports being developed that provide guidance on
important aspects of calculation methods for fire resistance of structures. Related documents include
— ISO/TR 15655, Fire resistance — Tests for thermo-physical and mechanical properties of structural
materials at elevated temperatures for fire engineering design,
— ISO/TR 15656, Fire resistance — Guidelines for evaluating the predictive capability of calculation
models for structural fire behaviour, and
— ISO/TR 15658, Fire resistance tests — Guidelines for the design and conduct of non-furnace-based
large-scale tests and simulation.
Other documents, which have been produced in ISO/TC92/SC2, provide data and information on the
determination of fire resistance. In particular, these include
— ISO 834 (all parts), Fire resistance tests — Elements of Building Construction,
— ISO/TR 12470, Fire resistance tests — Guidance on the application and extension of results,
— ISO/TR 12471, Computational structural fire design — Review of calculation models, fire tests for
determining input material data and needs for further development, and
1)
— ISO/TR 10158:1991 , Principles and rationale underlying calculation methods in relation to fire
resistance of structural elements.
1) Withdrawn.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 15657:2013(E)
Fire resistance tests — Guidelines for computational
structural fire design
1 Scope
This Technical Report provides an overview of the advances that have been made in understanding
how structures respond to fire. This is reviewed in terms of heat transfer to the structural elements
from primarily nominal (furnace) fires changes in the elevated temperature, physical and mechanical
characteristics of structural materials, and how the information is used in the analysis of structural
elements for the fire limit state. In reviewing the fire scenarios the report concentrates primarily on
standardized heating curves but includes the basis of characteristic curves, which may at some time
in the future be adopted in a standardized way. Reference is made to time equivalent as a recognized
methodology in relating a natural or characteristic fire, to an equivalent period of heating in the ISO 834
furnace test.
This Technical Report is the result of the development of European Structural Eurocodes for application
by member states in the European Community. These Codes enable practising engineers to follow
agreed design procedures for application in individual members states irrespective of whether these
are for building projects either inside or outside their own National boundaries.
The current UK national structural codes and the European (Eurocodes) are listed in Annex A.
2 Basic principles
2.1 Primary objectives of fire safety design
The primary objectives for fire safety design are
— Life safety - Regulatory requirements for the occupants, fire fighters and rescue services
— Property protection - Regulatory, societal, economic and insurance requirements
— Environmental protection - Regulatory, societal and insurance requirements
— Heritage - Regulatory and societal requirements
In order to limit the impact of fire risk accepted levels are reflected in national fire safety codes, which are
generally expressed in terms of requirements and recommended measures. These set out to control the risk
of ignition, fire growth and flashover, as well as their consequences and encompass the following strategies:
a) reducing the risk of occurrence,
b) control of fire (heat, flames, smoke and toxic gases) at an early stage,
c) ensuring a safe evacuation of people (and possibly of property), or safe areas of refuge,
d) preventing fire spread (heat, flames, smoke and toxic gases) beyond a certain area (compartmentation),
e) providing for safe and efficient operating conditions for the fire brigades and rescue services,
f) avoiding premature structural failure or limiting structural damage with respect to reinstatement,
g) minimising business interruption and financial losses,
h) minimising the impact upon the environment.
Structural fire safety design is directly concerned with strategies involving items (c) to (h) since these
will come into play if the fire is not controlled at an early stage in its development.
The level of structural fire safety provided should be considered in terms of:
— the risk of fire occurring, which is considered as an accidental situation,
— the development of fire through:
— compartment geometry
— ventilation
— fire loading
— the reduction in risk by introducing structural measures,
— engineering design
— materials selection
— passive protection
— the reduction in risk by introducing fire compartments or containments that prevent fire spread
beyond the surrounded area for a specific time. For some buildings, a complete floor may be regarded
as a single compartment.
— the reduction in risk by the introduction of active protection measures (detection, alarm, sprinklers,
smoke control, fire brigade).
2.2 Performance criteria
The level of structural fire safety can be evaluated by performance criteria depending of the strategy chosen.
For load-bearing structures, these are:
— load-bearing function for the whole duration of fire or a part of it (ultimate limit state),
— limit on the extent of deformation (deflection, displacement, contraction, elongation) with respect
to the integrity of separating elements, or, for the fire protection material to remain attached to the
load-bearing structure (deformation limit state),
— limit of structural damage (limit of the overall deformations and other effects such as spalling,
corrosion, charring occurring during the heating and the cooling phases) to allow reparability of
building after fire (re-serviceability or reusability limit state).
For separating elements, they include:
— limit on the temperature rise of the unexposed surface, (+140 °C average, +180 °C max);
— limit on the leakage of hot gases through gaps created in the element (movement of gap gauge,
cotton wool pad);
— limit on the thermal radiation from the unexposed face, (for escape routes 3 kW/m ).
The human skin can only tolerate a certain level of heat flux for a certain time. The higher the incident heat
flux level the shorter the tolerable exposure time. Some typical critical values are presented in Table 1.
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Table 1 — Examples of human tolerance and physiological damage from exposure at ambient
temperature to various levels of incident radiant heat flux from a remote emitter
Incident radiant heat
flux
Physiological Effect
kW/m
1.0 Maximum for indefinite tolerability
4.0 - 5.0 Sufficient to cause pain to personnel if unable to reach cover in 20 seconds.
Blistering of the skin (second degree burns) is likely, 0 % lethality
10.0 Intolerable pain after 12 seconds
12.5 - 15.0 1 % lethality in 1 minute, first degree burns in 10 seconds
25.0 100 % lethality in 1 minute; significant injury after 10 seconds
35 - 37.5 100 % lethality in one minute; 1 % lethality in 10 seconds
41.8 Skin necrosis to 0.05 mm depth after 2 seconds
More detailed information is given in the publication Risk-Informed, Performance Based Industrial Fire
Protection (ISBN 1-882194-09-8).
Other criteria may be based upon the incident heat flux to cause ignition on different types of materials
as shown in Table 2.
Table 2 — Incident radiant heat flux from a remote emitter for ignition after 10 minutes
exposure at ambient temperature
Incident radiant
heat flux
Material
kW/m
Polystyrene 18
Polymethyl methacrylate 18
Polyethylene 20
Polypropylene 20
Paper 20
Polyvinyl chloride 21
Nylon 29
Wood 32
The criteria may also depend upon the ability of certain types of products to withstand specific
temperatures as presented in Table 3. These are indicative only.
Table 3 — Effect of temperature on selected materials
Approximate
Material Typical Examples Damage Conditions
Temperature °C
Polystyrene Thin walled food contain- Collapse 120
ers, foam, light shades, Softens 120 - 140
handles, curtain hooks, Melts and flows 150 - 180
radio casings
Polyethylene Bags, films, bottles, buck- Shrivels 120
ets, pipes Softens and melts 120 - 140
Critical temperatures may be dependent upon the rate of heating. in particular, glass products are also dependent upon the
impact of water as well as the framing and glass condition.
Table 3 (continued)
Approximate
Material Typical Examples Damage Conditions
Temperature °C
Polymethyl meth- Handles, covers, skylights, Softens 130 - 200
acrylate ‘glazing’ Bubbles 250
PVC Cables, pipes, ducts, linings, Degrades 100
profiles, handles, house Fumes 150
ware, toys, bottles Browns 200
Chars 400 - 500
Cellulose Wood, paper, cotton Darkens 200 - 300
Paint surface- resin- - Deteriorates 100
ous or oil based Destroyed 250
Annealed soda-lime- Window glass, doors and Cracking due to thermal gradi- Thermal gradient
silica glass internal glazing ents leading to falling out typically 160°C
Softening pointWorking point 720°C
Practical melting point 1010°C
Wired glass Window glass, doors and Cracks as for annealed but wires
internal glazing ensure pieces stay in place
Toughened (or tem- Impact safety glazing Subject to unpredictable cata- Thermal gradient typi-
pered) soda-lime- strophic thermal shock failure cally in range 150°C to
silica glass 280°C (see note)
If integrity retained, softening as
above
Laminated soda- Security and safety glazing, Glass layers crack and behave as Starts from ~180°C
lime-silica glass with pvb interlayer above
accelerating from ~300°C
Organic interlayer starts to onwards
degrade leading to smoking and
ignition
Critical temperatures may be dependent upon the rate of heating. in particular, glass products are also dependent upon the
impact of water as well as the framing and glass condition.
3 Design process
In order to evaluate the performance of a structure or a part of it, the assessment has to be carried out
in three stages:
Stage 1: Analysis of the thermal actions/exposure - fire model
Stage 2: Analysis of the heating rate and temperatures attained by the structural components -
heattransfer model
Stage 3: Analysis of the mechanical/load bearing performance of the member/s - structural model
These are described as follows:
3.1 Fire model
The thermal exposure (design fire) is generally described by a temperature-time relationship but can
also be described by a time dependent – incident radiant condition, which could be simulated as by
a temperature-time relationship. The fire model can therefore be a nominal (furnace) fire, or, a fire
simulating a real scenario, or even an experimental fire.
The first stage of fire (pre-flashover phase) is generally regarded the most critical for human life since
during this stage smoke and toxic gases are produced. When dealing with structural fire resistance, this
phase has in the past, been ignored, since the temperatures reached although critical for human beings,
4 © ISO 2013 – All rights reserved
are generally too low to seriously affect the mechanical behaviour of a structure. However, with the use
of aluminium, structural plastics and resins becoming more widely employed in situations where their
performance in fire can be critical, the pre-flashover fires should not be ignored. Aluminium and/or
alloys virtually lose all their strength at around 400 °C. Structural plastics can char in a very similar
manner to timber at temperatures below 300 °C.
In the future it is expected that pre-flashover fires may be simulated into a furnace test in a standardised
way or as incident radiant heat flux with time.
However, when a fire occurs, it is not obvious that it will reach such a severity that it will endanger a load-
bearing structure. A wide range of factors such as detection, automatic extinguisher system, fire brigade
action etc., need to be taken into account (generally by using a probabilistic approach) in order to provide
a more representative evaluation of the fire exposure conditions and resulting structural fire response.
The design fire used to assess the fire resistance assessment of a structural member/s can be based upon:
— A nominal fire, which is expressed by a well - defined temperature-time relationship. This would be
typically a Standard furnace test upon which national Regulations are set, although it is primarily
used for ranking of products and systems rather than reflecting reality.
— A natural fire, based upon a simple formula or a set of temperature-time curves, taking into account
the main parameters that influence the time temperature response within the compartment. These
are often referred to as single zone fire models or parametric fires and would be used in simple
easily defined compartment geometries.
— A fire determined using complex numerical calculations such as multi-zone models or Computational
Fluid Dynamics. This type of advanced analysis would be required in very large compartments,
compartments with complex geometries and possibly high and irregular ceilings.
For a more comprehensive review of design fire scenarios and design fires reference should be made to
ISO/TS 16733.
3.2 Heat transfer model
The heat transfer analysis is carried out to determine the temperature rise and distribution within the
structural members. Thermal models are based on the acknowledged principles and assumptions of the
theory of heat transfer. They may present various levels of sophistication according to the assumptions
and needs. Models vary in complexity and may be used simply to determine a uniform temperature
distribution, or, more complex temperature distributions in which thermal gradients may be calculated
in 1, 2 or 3 directions.
The formulation of transient state heat conduction problems differs from that of steady cases in that
the transient problems involve an additional term representing the change in the energy content of the
medium with time. This additional term appears as a first derivative of temperature with respect to
time in the differential equation, and as a change in the internal energy content during Δt, in the energy
balance formulation. The nodes and the volume elements in transient problems are selected as in the
steady case. For convenience, it is assumed that all heat transfer is into the element.
The energy balance on a volume element during a time interval Δt can be expressed as:
Heat transfer into the Heat generaated within The change int the
volume element from the volume element energy content of
all of its sides dduring + during a time = the vvolume element
a time interval Δt. interval .Δt during .Δt
G ΔΔEt/
Q
∑
or
QG+=ΔΔEt/
∑ elementelement
The rate of heat transfer Q normally consists of conduction terms for interior nodes, but may involve
heat flux (convection and radiation)for boundary nodes. The sum of Q is zero except at the boundaries.
Materials that incorporate free moisture should consider the effect of migration of moisture through
the system in order to provide an accurate representation of the thermal distribution with time. This
can be handled in the thermal analysis by incorporating mass transfer in the model. Where this is used,
additional information can be provided on pressure field due to steam being produced and also to
provide useful information on materials that are subject to the phenomena of spalling.
3.3 Structural model
The structural analysis/model used very much depends upon the structural form that is being analysed
and can broadly be described as follows and shown in Figure 3.
OU
a) Example of member b) Example of sub-assembly c) Example of global analysis
analysis analysis
Figure 3 — Examples of types of analyses
Single member analysis, (e.g. beams, columns, floors, walls) are usually considered when verifying
standard fire resistance requirements although they can be considered in real fire scenarios. The
restraint conditions at the supports that exist at the beginning of a test (time = 0) generally remain
unchanged throughout the fire exposure period. Only the effects of thermal deformation resulting from
temperature gradients created through the cross-section need to be considered. Thermal expansion
effects are usually ignored.
Sub-assembly analysis (e.g. sub frames and assembly of members). The conditions set at the beginning
of a test will change upon heating. In particular, forces that are developed either through expansion or
contraction (during cooling) will be considered as well as load transfer to other parts of the structure
when one or more members loose their load bearing capacity. However, the effects of restraint from the
rest of the frame particularly in respect of expansion effects and local failure, are only considered in a
minor way. Sub-frame analysis can be carried out under both nominal and real fire scenarios.
Global structural analysis (of the whole structure in which a fire occurs). This takes into account heat
transfer conditions, relevant failure modes, temperature-dependent material properties, stiffness as
well as effects of thermal expansion effects where relevant. Load distribution is generally considered
unchanged during the whole of the fire exposure period. While a global analysis is primarily carried out
under natural fire heating conditions it can also be applied under furnace heating conditions although
the effects of the cooling phase on the structural response would not normally be considered.
3.4 Combination models
Use of the models for fire, heat transfer and structural analysis, have to be considered in terms of the
level of sophistication required. There is little point in conducting exact heat transfer analysis if when it
comes to the structural analysis a very coarse approach is adopted unless it can be shown an insensitive
coarse model is sufficiently accurate within the context of the outputs required.
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There are some combinations of thermal and structural analysis where it would be impracticable to
carry out other than for calculation purposes. Figure 4.
Figure 4 — Combination of thermal and structural analysis
Thermal Model H describes the thermal exposure according to the standard fire resistance test of
structural elements as specified in ISO 834 and in the corresponding national standards, or according
to some other nominal or characteristic temperature-time curve. A fire design based on this thermal
exposure, represents the internationally prevalent situation for load bearing and separating structural
elements. It would be applied to single elements or simple sub-frames.
Thermal Model H describes a thermal exposure based on a simulated real fire and either computed
by solving the energy and mass balance equations of the compartment fire or determined from some
systematized design basis. For example, Eurocode 1: Actions on structures exposed to fire, presents
a set of parametric equations. These are very similar to the gas temperature-time curves based upon
energy and mass balance equations of the fully developed compartment fire for which computer codes
are available (SFIRE, COMPF-2 and BRAND). These models can be applied to single elements, sub-frames
as well as to the complete structure. Furnace tests are currently being considered that represent the
heating conditions of occupancy related fires scenarios.
Structural Model S comprises single structural elements, e.g. beams, columns, walls, floors, and roofs.
The model then may simulate either a structural element, which behaves as a single element in the real
structure, or an element, which in reality acts together with other elements of the complete structure,
but is cut out of this and described by simplified end conditions in the fire analysis.
Structural Model S refers to a substructure, which approximately describes the mechanical behaviour
of a part of the complete load bearing system of the building. Compared to the real structure, a
substructure is analysed with simplified boundary conditions at its outer ends or edges.
Structural Model S describes the mechanical behaviour of the complete load bearing structure of
the building acting as, for instance, a two or three dimensional frame, a beam-slab system or a column-
beam-slab system.
In the matrix presented in Figure 4, the thermal exposure models and the structural models are combined
in the sequence of improved idealization. In principle, each element in the matrix then represents a
particular design procedure. The matrix can therefore be considered as a type of classification system
for methods of structural fire engineering design. It is, however, evident that not all models can be used
in all combinations and the aim should be to provide a sensible pairing at each level of advancement. In
the matrix, reference is made to these aspects. In principle, a structural fire engineering design offers a
problem oriented choice for the combination of the thermal exposure model and the structural behaviour
model and the final choice may also depend on national preferences, the complexity of application and
the particular design situation.
3.5 Material properties
The material properties required for thermal and structural models including any fire protection
materials can be broadly divided into two areas and generally may be used during heating under
standard furnace test or representative occupancy related characteristic fires. They are not necessarily
appropriate for structural analysis during the cooling phase.
3.5.1 Thermo – physical properties
The solving of the equations of transient heat flow to and within a fire exposed structure, requires information
on the following properties for the structural materials and insulation/protection where appropriate
— emissivity of the fire exposed surfaces of the structure (a value of 1 is normally assumed for any
applied fire protection),
— thermal conductivity of the structural materials and the fire protection,
— specific heat of the structural materials and the fire protection,
— thermal energy due to phase changes at various temperature levels of the structural materials and
for some protection materials,
— rate of internally generated heat in the structure and fire protection,
— thermal expansion/contraction of the structural materials,
— density of the structural materials and fire protection.
For structures of combustible material, additional information on the rate of charring is required.
The properties must be known as a function of temperature for the heating as well as the subsequent
cooling-down phase of the compartment fire. More advanced analysis, consisting of a solution of inter-
related heat and mass transfer equations, requires information on a considerable number of additional
properties such as:
— permeability of the structural materials,
— diffusion coefficient of adsorbed water and vapour in the structure,
— void fraction of the structure,
— equilibrium water content in the structure,
— crystalline water content in the structure,
— reaction rate and heat of reaction in the process of pyrolysis for structures of combustible materials,
— heat of reaction at the oxidation at the surface of structures of combustible material, and
— specific heat and dynamic viscosity of water vapour and volatile pyrolysis products.
For most fire protection materials the thermal properties are significantly different in the cooling phase.
3.5.2 Mechanical properties
A reliable calculation of the mechanical behaviour of a fire-exposed structure based upon the transient
temperature state requires validated models for the mechanical behaviour of the materials involved
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within the temperature range associated with fires. These include mathematical relationships with
respect to temperature that describe:
— elastic modulus,
— compressive strength,
— tensile strength,
— shear strength, including strength of shear connectors,
— torsional strength, and
For reinforced structures: strength with respect to bond and anchorage, as a function of temperature
and, when relevant, stress history.
For a determination of the deformation behaviour and the ultimate load with respect to instability failure of
fire-exposed structures and structural members, additional information is required for these properties:
— stress-strain relationship,
— steady-state and transient creep,
— steady-state and transient shrinkage,
— thermal expansion,
— relaxation
In structural models, it is not unusual to find that the material model for the mechanical behaviour is
specified by temperature-dependent stress-strain curves that either neglect or indirectly include the
creep strains and transient strains. The stress-strain curves are determined either from small-scale
material tests or from full-scale tests on that type of load-bearing structure, for which the computational
procedure is developed.
Fundamental parameters for determining the mechanical material properties at elevated temperatures
are the rate of heating, load application and the control of strain. Practically, information on the material
models can be referred to different testing regimes as shown.
•
const
T
TRANSIENT STATE TESTS
FAILURE TEMPERATURE
RESTRAINT FORCES
Total deformation
ε
= const. σ
= const.
RELAXATION
CREEP
STEADY STATE TESTS
T const.
STRESS STRAIN RELATIONSHIPS
STRESS STRAIN RELATIONSHIPS
Stress rate controlled
Strain rate controlled
•
•
ε σ const.
const.
Figure 5 — Various testing regimes for determining the mechanical properties of materials at
elevated temperatures
Much of the information used in either thermo-physical, and mechanical models are given in the
Eurocodes 2 - 6 and 9, see Annex A. Other data are given in CIBSE (Chartered Institute for Building
Services Engineers) Guide E (UK) and SFPE Handbook on Fire Protection Engineering.
For separating elements and fire protection materials, similar thermo-physical and mechanical properties
are required that cover for example: gypsum, calcium silicate, mineral wool, vermiculite cement etc.
10 © ISO 2013 – All rights reserved
Material properties are required over a range of temperatures depending upon the environment under
which they may be used or the exposure conditions. For building fire scenarios and hence furnace tests
temperatures are unlikely to exceed much above 1200 °C. The exception would be the heating conditions
that relate to tunnel fires whereby some materials may be exposed to temperatures up to 1350 °C.
The design values of the material properties are obtained by using partial safety factors. Design values
of thermal and mechanical material properties X , are defined as follows:
fi,d
Thermal properties for thermal analysis:
If an increase of the property is favourable for safety then:
X = X × γ (3.1)
fi,d k,θ M,fi
If an increase of the property is unfavourable for safety then:
X = γ × X (3.2)
fi,d M,fi k,θ
where;
X is the design value of thermal and mechanical property
fi,d
The X can be any property of interest for thermal or mechanical calculations.
The X is meant to be substituted with properties like λ (thermal conductivity), C (specific heat), E
(modulus of elasticity), f (strength), ρ (density), w (moisture content).
The subscripts have the following meaning:
fi = Fire design
d = Design
The use of X is a general way of explaining the influence of a partial coefficient or factor on the property of
interest. It depends on the type of property whether an increase of the property is favourable for safety. An
increase in λ (thermal conductivity) is not favourable for safety, where an increase in f (strength) is favourable.
Strength and deformation properties for structural analysis:
X = k X / γ (3.3)
fi,d θ k M,fi
where;
X is the characteristic value of a material property in fire design, generally dependent on
fi,d
the material temperature,
X is the characteristic value of a strength or deformation property (generally f or E ) for
k k k
normal temperature design,
k is the reduction factor for a strength or deformation property, (X /X ), dependent on the
θ k,θ k
material temperature,
γ is the partial safety factor for the relevant material property, for the fire situation
M,fi
Proposals for partial safety factors for various materials (according to Structural Eurocodes 2-6 and 9)
are assumed to be 1.0 for both the thermal and mechanical properties for all materials.
4 Fire models
Several models can be used to describe the thermal actions upon a structure. A number of examples are
illustrated in Figure 6.
1 400
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 15657
Première édition
2013-06-15
Essais de résistance au feu —
Lignes directrices sur la conception
statistique des feux de structures
Fire resistance tests — Guidelines for computational structural fire
design
Numéro de référence
©
ISO 2013
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Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Principes fondamentaux . 1
2.1 Principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie . 1
2.2 Critères de performances . 2
3 Processus de conception . 5
3.1 Modèle feu . 5
3.2 Modèle de transfert thermique . 6
3.3 Modèle structural . 7
3.4 Modèles combinés . 7
3.5 Propriétés des matériaux . 9
4 Modèles feu .13
4.1 Feux normalisés (nominaux) .14
4.2 Feux naturels .15
4.3 Simulation numérique de feux naturels . Modèles
de zones.18
4.4 Flux de chaleur reçu par la structure.20
5 Modèles de transferts thermiques pour les calculs des températures .22
5.1 Température uniforme .23
5.2 Échauffement non uniforme .31
5.3 Équivalent temps.35
6 Calcul des structures .39
6.1 Propriétés mécaniques .39
6.2 Propriétés thermophysiques .56
6.3 Propriétés thermiques des matériaux de protection contre les feux de structures .74
6.4 Méthodes de calcul du comportement aux feux de structures .75
Annexe A (informative) Codes nationaux d’ingénierie de sécurité incendiepour le calcul
de structures .81
Bibliographie .82
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 2,
Endiguement du feu.
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés
Introduction
Au cours des dernières années, la communauté scientifique a réalisé des avancées significatives dans la
compréhension du comportement au des structues de bâtiments; on assiste à une activité accrue pour
l’élaboration de modèles de calcul capables de décrire et de prédire bon nombre d’aspects différents de
l’ingénierie de la sécurité incendie.
Ces recherches ont abouti à l’élaboration de codes de conception pour permettre à des ingénieurs de réaliser
ce type d’analyse pouvant être appliquée pour se conformer à des exigences prescriptives spécifiées dans
des réglementations nationales de construction, ou pour développer des stratégies de sécurité incendie
basées sur les performances et impliquant souvent des analyses informatiques complexes.
En particulier, des méthodes d’analyse et des modèles de calcul ont été développés dans les domaines
suivants:
— réaction au feu des matériaux;
— croissance du feu dans un compartiment;
— feu de compartiment complètement développé;
— propagation du feu entre bâtiments;
— comportement au feu des éléments porteurs et de séparation et des structures de bâtiments;
— remplissage des enceintes par la fumée et déplacement de la fumée dans les voies d’évacuation et les
bâtiments à niveaux multiples;
— l’interaction entre sprinklers et feu, y compris l’interaction entre sprinklers et évacuation des fumées;
— processus d’évacuation; et
— approche systèmes pour la sécurité incendie globale d’un bâtiment, dans sa forme la plus générale, y
compris les modèles de développement d’un feu interagissant avec les modèles de réponses humaines.
Les progrès réalisés dans la recherche sur la sécurité incendie ont conduit à des évolutions conséquentes
dans le domaine des codes, des spécifications et des recommandations concernant l’ingénierie de
sécurité incendie. Certaines tendances caractéristiques de ces évolutions sont énumérées ci-dessous:
— relation améliorée entre essais normalisés et scénarios d’incendies réels;
— utilisation accrue des principes de l’ingénierie de la sécurité incendie pour satisfaire aux exigences
fonctionnelles et aux critères basés sur les performances;
— développement de nouvelles méthodes d’essai qui sont, autant que possible, indépendantes des
matériaux et liées à des phénomènes et propriétés bien définis;
— application accrue de la conception analytique basée sur la fiabilité;
— usage étendu d’évaluations intégrées; et
— introduction de systèmes d’analyse orientée buts de la protection active et passibe totale d’un bâtiment.
L’une des tendances connaissant l’évolution la plus rapide se rapporte à la conception de l’ingénierie contre
les feux de structures porteuses et de séparation. Une détermination analytique de la résistance au feu des
éléments de structure est en train d’être acceptée de façon plus étendue par les autorités compétentes dans
de nombreux pays, comme une alternative aux approches basées sur les spécifications internationales
fondées sur les résultats de l’essai normalisé de résistance au feu et à la classification associée.
Une contribution significative à l’analyse des structures de bâtiments en cas d’incendie a été apportée
par le développement des Eurocodes structuraux permettant aux ingénieurs techniciens de suivre
des procédures de conception approuvées pour l’application dans des états-membres individuels.
Vers le milieu des années 1990, ces codes qui couvraient les «Actions du feu et matériaux de structure
individuels (structures en béton, structures en acier, structures mixtes acier et béton, structure en bois,
ouvrages en maçonnerie, structures en aluminium)» ont été publiés en tant que prénormes européennes
(ENV). Ces codes avaient le statut de «projet pour le développement» et avaient été complétés par des
documents d’application nationale (NAD), qui ont permis à des états-membres d’attribuer certains
facteurs à un grand nombre de calculs et de variables d’entrée à des fins d’alignement avec l’expérience
au niveau national.
Au cours des cinq dernières années, des progrès considérables ont été accomplis pour convertir ces
prénormes en codes européens de conception destinés à être appliqués dans les états-membres de la
Communauté européenne. Les codes sont à présent divisés en deux parties distinctes:
— une partie normative, à laquelle les états-membres sont tenus de se conformer;
— une partie informative, habituellement constituée d’une série d’annexes dont l’acceptation est
faire de manière volontaire par des états-membres individuels.
En plus, il existe encore une disposition pour appliquer les paramètres individuels déterminés au
niveau national (NDP) afin d’assurer un alignement plus étroit avec l’expérience au niveau national. Les
interactions entre les Eurocodes sont résumées à la Figure 1.
Choix des scénarios d’incendie de dimensionnement pertinents
Eurocode 1: Actions du feu
Détermination de l’incendie de dimensionnement correspondant
Eurocode 1: Actions du feu
Calcul de l’augmentation de température de l’élément de structure
Eurocodes 2 à 6 et 9: Actions du feu
Calcul de la réponse mécanique
Eurocodes 2 à 6 et 9: Actions du feu
Figure 1 — Interaction entre les Eurocodes structuraux
Les modèles de conception d’ingénierie contre les feux de structures ont été examinés dans la Référence [1]
et peuvent être essentiellement présentés sous la forme simple de trois étapes de conception succinctes
illustrées à la Figure 2:
vi © ISO 2013 – Tous droits réservés
Analyse du feu
Analyse du transfert thermique
Analyse structurale
Figure 2 — Trois étapes du calcul du comportement au feu
Le présent Rapport technique examine chacune des étapes ci-dessus sous trois titres distincts. Dans
chaque cas, des méthodes appliquées au niveau international pour une conception de l’ingénierie contre
les feux de structures sont abordées.
Pour les modèles feu ou les actions thermiques, le rapport aborde les points suivants:
Essais au four:
— selon l’ISO 834: les courbes de combustion de cellulose, de combustion d’hydrocarbure, d’un feu
externe et d’un feu couvant.
— courbes d’échauffement d’un feu de tunnel selon le RWS (Pays-Bas) et la courbe nationale française.
Feux naturels:
— feux monozones ou feux paramétriques, dans la mesure où ils peuvent être utilisés de façon
normalisée pour des essais normalisés caractéristiques liés à l’occupation. Cela inclut également des
relations équivalentes en temps pour quantifier des feux réels au cours d’une période équivalente
d’échauffement lors de l’essai de la norme ISO 834.
Pour les modèles de transfert thermique, le rapport étudie les points suivants:
— Transfert thermique pour une distribution uniforme de la température
— Distribution non uniforme de la température pour
— une dimension
— deux dimensions
— trois dimensions.
Pour les modèles structuraux, le rapport aborde les points suivants:
— Analyse d’un élément unique
— Analyse d’ensemble de cadres secondaires (cadres secondaires et ensemble d’éléments)
— Analyse structurale globale dans laquelle a lieu une redistribution des charges.
Le rapport étudie également des modèles mixtes pour l’analyse thermique et structurale ainsi que les
performances du verre, des plastiques et des résines de structure.
Lors de l’étude de modèles structuraux, des propriétés thermophysiques et mécaniques sont présentées
pour chaque matériau porteur. Bien qu’elles soient, pour la plupart, destinées à être utilisées dans le
calcul de la réponse thermique dans des conditions normalisées d’échauffement au four, les mêmes
propriétés seront toujours appropriées pour les feux naturels.
Le présent Rapport technique fait partie d’une série de Rapports techniques qui fournit des lignes
directrices sur les aspects importants des méthodes de calcul de la résistance au feu des structures. Les
documents y relatifs comprennent:
— ISO/TR 15655, Résistance au feu — Essais des propriétés thermophysiques et mécaniques des matériaux
aux températures élevées pour la conception de l’ingénierie contre l’incendie,
— ISO/TR 15656, Résistance au feu — Lignes directrices pour évaluer l’aptitude des modèles mathématiques
à simuler le comportement des feux de structures, et
— ISO/TR 15658, Essais de résistance au feu — Lignes directrices pour la conception et la conduite d’essais
et de simulations à large échelle non basés sur les fours.
D’autres documents, produits dans le cadre de l’ISO/TC 92/SC 2, fournissent des données et des
informations sur la détermination de la résistance au feu. Ces documents comprennent notamment:
— ISO 834 (toutes les parties), Essais de résistance au feu — Éléments de construction,
— ISO/TR 12470, Essais de résistance au feu — Recommandations pour l’application et l’extrapolation
des résultats,
— ISO/TR 12471, Conception de calcul des feux de structures — État des travaux des modèles de calcul
et d’essais au feu pour la détermination des données de base requises et des besoins du développement
ultérieur, et
1)
— ISO/TR 10158:1991 , Principes et analyse servant de base aux méthodes de calcul portant sur la
résistance au feu des éléments structuraux.
1) Annulée.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 15657:2013(F)
Essais de résistance au feu — Lignes directrices sur la
conception statistique des feux de structures
1 Domaine d’application
Le présent Rapport technique donne un aperçu général des progrès réalisés pour comprendre la manière
dont structures réagissent au feu. Ce thème est traité en termes de transfert thermique aux éléments
de structure principalement à partir de variations de feux (de four) nominaux en ce qui concerne la
température élevée, les caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux structuraux et de
manière dont les informations sont utilisées dans l’analyse d’éléments de structure pour l’état limite
du feu. Pour l’examen des scénarios d’incendie, le rapport s’intéresse principalement aux courbes
d’échauffement normalisées, mais il inclut la base des courbes caractéristiques qui pourront à l’avenir
être adoptée d’une manière normalisée. Une référence est à l’équivalent temps en tant que méthodologie
reconnue utilisée pour relier un feu naturel ou caractéristique à une période équivalente d’échauffement
dans l’essai au four de l’ISO 834.
Le présent Rapport technique est le résultat de l’élaboration des Eurocodes structuraux destinés à être
appliqués par les États membres au sein de la Communauté européenne. Ces codes permettent aux
ingénieurs techniciens de suivre des procédures de conception approuvées pour l’application dans des
États membres, indépendamment du fait qu’il s’agisse ou non de projets de construction à l’intérieur ou
à l’extérieur de leurs de propres frontières nationales.
Les codes structuraux actuellement en vigueur au Royaume-Uni et les Eurocodes sont énumérés dans
l’Annexe A.
2 Principes fondamentaux
2.1 Principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie
Les principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie sont les suivants:
— Sécurité des personnes: exigences réglementaires pour les occupants, les sapeurs-pompiers et les
services de sauvetage;
— Protection des biens: exigences réglementaires, communautaires, économiques et concernant
les assurances;
— Protection de l’environnement: exigences réglementaires, sociétales, économiques et concernant
les assurances;
— Patrimoine: exigences réglementaires et sociétales.
Afin de limiter l’impact des risques d’incendie, les niveaux acceptés sont reflétés dans les codes nationaux
de sécurité incendie qui sont généralement exprimés en termes d’exigences et de recommandations. Ces
codes préconisent la maîtrise du risque d’allumage, de croissance du feu et d’embrasement généralisé
ainsi que de leurs conséquences; ils englobent également les stratégies suivantes:
a) la réduction du risque d’apparition d’un début de feu;
b) la maîtrise du feu (chaleur, flammes, fumée et gaz toxiques) à un stade précoce;
c) la prévision d’une évacuation en toute sécurité des personnes (et éventuellement de biens), ou des
lieux de refuge sûrs;
d) la prévention de la propagation du feu (chaleur, flammes, fumée et gaz toxiques) au-delà d’une
certaine zone (compartimentation);
e) la mise en place de conditions d’intervention sûres et efficaces pour les sapeurs pompiers et les
services de sauvetage;
f) la prévention d’une ruine prématurée de la structure ou la limitation de dommages structuraux par
rapport au rétablissement;
g) la limitation, autant que possible, de l’interruption des activités et des pertes financières;
h) la limitation, autant que possible, de l’impact sur l’environnement.
La conception de sécurité contre les feux de structures concerne directement les stratégies impliquant
les aliénas c) à h) car ceux-ci entrent en jeu si le feu n’est pas maîtrisé dès le début de son développement.
Il convient que le niveau prévu de sécurité contre les feux de structures soit pris en compte en fonction:
— du risque d’apparition d’un départ de feu, qui est considéré comme une situation accidentelle;
— du développement du feu à travers:
— la géométrie du compartiment;
— la ventilation;
— la charge calorifique.
— de la réduction du risque par prise de dispositions au niveau des structures:
— la conception d’ingénierie;
— le choix des matériaux;
— la protection passive.
— la réduction du risque par la mise en œuvre de compartiments ou d’endiguements empêchant
la propagation du feu au-delà de la zone délimitée, pendant une durée spécifique. Pour certains
bâtiments, un plancher complet peut être considéré comme un seul compartiment.
— la réduction du risque par la mise en œuvre de moyens de protection active (détection, alarme,
sprinklers, désenfumage, sapeurs-pompiers).
2.2 Critères de performances
Le niveau de sécurité contre les feux de structures peut être évalué par des critères de performances en
fonction de la stratégie choisie.
Pour les structures porteuses, ces critères sont les suivants:
— la fonction portante pendant toute la durée de l’incendie ou une partie de celle-ci (état limite ultime);
— la limite de l’étendue de la déformation (flèche, déplacement, contraction, allongement) en ce qui
concerne l’intégrité des éléments de séparation ou, pour le matériau de protection contre le feu, la
capacité de rester fixé à la structure porteuse (état limite de déformation);
— la limite des dommages structuraux (limite des déformations globales et d’autres effets tels que
l’écaillage, la corrosion, la carbonisation, se produisant durant les phases d’échauffement et de
refroidissement) afin de permettre la réparation du bâtiment après l’incendie (état-limite d’aptitude
au service ou à la réutilisation).
2 © ISO 2013 – Tous droits réservés
Pour les éléments de séparation, ces critères comprennent:
— la limite concernant l’augmentation de température de la surface non exposée (moyenne: + 140 °C,
maximale: + 180 °C);
— la limite concernant la fuite de gaz chauds à travers des espaces créés dans l’élément (mouvement
de calibre d’ouverture, tampon de coton);
— la limite concernant le rayonnement thermique provenant de la face non exposée (pour les voies
d’évacuation, 3 kW/m ).
La peau humaine ne peut supporter un certain niveau de flux de chaleur que pendant un certain temps.
Plus le niveau de flux de chaleur incident est élevé et plus le temps d’exposition supportable est court.
Certaines valeurs critiques types sont présentées dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Exemples de tolérance humaine et de dommages physiologiques
après exposition (à température ambiante) à divers niveaux de flux
de chaleur rayonnant incident provenant d’un émetteur distant
Flux de chaleur Effet physiologique
rayonnant inci-
dent
kW/m
1,0 Valeur maximale pour un seuil de tolérance indéterminé
4,0 à 5,0 Valeur suffisante pour provoquer une sensation de douleur chez des personnes, si celles-ci
ne peuvent pas se mettre à l’abri dans un délai de 20 s. Apparition probable de cloques sur
la peau (brûlures du second degré); Taux de mortalité de 0 %.
10,0 Douleur insupportable au bout de 12 s.
12,5 à 15,0 Taux de mortalité de 1 % en 1 min, première brûlures au bout de 10 s.
25,0 Taux de mortalité de 100 % en 1 min; lésions graves au bout de 10 s.
35 à 37,5 Taux de mortalité de 100 % en 1 min; taux de mortalité de 1 % en 10 s.
41,8 Nécrose de la peau à 0,05 mm de profondeur au bout de 2 s.
Des informations plus détaillées sont données dans la publication «Risk-Informed, Performance Based
Industrial Fire Protection» (ISBN 1 −882194-09-8).
D’autres critères peuvent être fondés sur la capacité du flux de chaleur incident à provoquer l’allumage
sur différents types de matériaux, comme indiqué dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Flux de chaleur rayonnant incident provenant d’un émetteur distant
pour l’allumage après 10 min d’exposition à température ambiante
Matériau Flux de chaleur
rayonnant incident
kW/m
Polystyrène 18
Polyméthacrylate de méthyle 18
Polyéthylène 20
Polypropylène 20
Papier 20
Polychlorure de vinyle 21
Nylon 29
Bois 32
Les critères peuvent également dépendre de l’aptitude de certains types de produits à supporter des
températures spécifiques, comme indiqué dans le Tableau 3. Ces valeurs sont uniquement données à
titre indicatif.
Tableau 3 — Effet de la température sur les matériaux choisis
Matériaux Exemples types Conditions d’endomma- Température approxi-
gement mative °C
Polystyrène Récipients alimentaires à Affaissement 120
paroi fine, mousse, stores,
Ramollissement 120 à 140
poignées, crochets de
rideaux, boîtiers radio Fusion et écoulement 150 à 180
Polyéthylène Sachets, films, bouteilles, Déformation avec réduc- 120
seaux, tuyaux tion de volume
120 à 140
Ramollissement et fusion
Polyméthacrylate de Poignées, couvercles, Ramollissement 130 à 200
méthyle lucarnes, «vitrage»
Cloquage 250
PVC Câbles, tuyaux, revête- Dégradations 100
ments, profilés, poignées,
Dégagement de fumée 150
articles ménagers, jouets,
bouteilles
Coloration brune 200
Carbonisation 400 à 500
Cellulose Bois, papier, coton Coloration foncée 200 à 300
Surface peinte - - Détérioration 100
enduit résineux ou pein-
Destruction 250
ture à l’huile
Verre de silicate sodo-cal- Vitre de fenêtre, portes et Fissuration due à des gra- Gradient thermique, en
cique, recuit vitrage interne dients thermiques entraî- général 160 °C
nant un décrochage
720 °C
Point de ramollissement
1010 °C
Point de fusion
Verre armé Vitre de fenêtre, portes et Fissuration comme pour le
vitrage interne verre recuit, mais l’arma-
ture en fils métalliques
maintient les éléments en
place
Verre de silicate sodo-cal- Vitrage résistant aux chocs Possibilité de défaillance Gradient thermique situé
cique, trempé catalectique soudaine en général entre 150 °C et
due à un choc thermique 280 °C (voir note)
important
Si l’intégrité est mainte-
nue, on observe un ramol-
lissement comme indiqué
plus haut
Verre de silicate sodo-cal- Vitrage de protection et de Fissuration des couches de À partir de 180 °C environ
cique, feuilleté sécurité, avec intercalaire verre qui se comportent
Accélération du phéno-
en polyvinyle de butyral comme indiqué plus haut
mène à partir de 300 °C
(PVB)
Début de dégradation de environ
la couche organique inter-
calaire, conduisant à un
dégagement de fumée puis
à une inflammation
Les températures critiques peuvent dépendre de la vitesse d’échauffement. En particulier, les produits en verre dépendent
également de l’effet de l’eau ainsi que de l’état de l’encadrement et du verre.
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3 Processus de conception
Afin d’évaluer les performances d’une structure ou d’une partie de celle-ci, l’évaluation doit se dérouler
en trois étapes:
Étape 1: Analyse des actions/exposition thermiques – modèle feu
Étape 2: Analyse de la vitesse d’échauffement et des températures atteintes par les composants
de structure – modèle de transfert thermique
Étape 3: Analyse des performances mécaniques/capacité portante des éléments – modèle structural
Ces étapes sont décrites comme suit:
3.1 Modèle feu
L’exposition thermique (feu de dimensionnement) est généralement décrite par une relation température-
temps, mais elle peut être également décrite par une condition rayonnante incidente dépendante du
temps, qui pourrait être simulée par une relation température-temps. Le modèle feu peut donc être un
feu (de four) nominal ou un feu simulant un scénario réel, voire un feu expérimental.
La première étape du feu (c’est-à-dire la phase avant embrasement généralisé) est généralement
considérée comme l’étape la plus critique pour la vie humaine car c’est au cours de cette étape que
sont produits les fumées et les gaz toxiques. Dans le passé, les études sur la résistance aux feux de
structures ne prêtaient pas attention à cette phase car, malgré leur criticité pour les êtres humains, les
températures atteintes étaient généralement trop faibles pour affecter sérieusement le comportement
mécanique d’une structure. Cependant, compte tenu de l’utilisation de plus en plus courante de
l’aluminium, des plastiques structuraux et des résines dans des situations où leur tenue au feu peut
être critique, il convient de ne pas ignorer les feux avant embrasement généralisé. L’aluminium et/ou
les alliages perdent pratiquement toutes leurs propriétés de résistance mécanique à environ 400 °C. Les
plastiques structuraux peuvent se carboniser d’une manière très similaire au bois à des températures
inférieures à 300 °C.
A l’avenir, il est prévu que les feux avant embrasement généralisé puissent être simulés par un essai au
four d’une manière normalisée ou en tant que flux de chaleur rayonnant incident en fonction du temps.
Cependant, lorsqu’un feu se déclare, il n’est pas évident qu’il atteigne un niveau de gravité susceptible de
mettre en danger une structure porteuse. Il est nécessaire de prendre en compte une vaste gamme de
facteurs tels que des systèmes de détection, des systèmes d’extinction automatique, des interventions de
sapeurs-pompiers, etc. (en général par le biais d’une approche probabiliste) afin d’assurer une évaluation
plus représentative des conditions d’exposition au feu et de la réaction au feu résultante de la structure.
Le feu de dimensionnement, utilisé pour évaluer la résistance au feu d’un ou plusieurs éléments de
structure, peut être basé sur:
— Un feu nominal exprimé par une relation température-temps bien définie. Il s’agit en général d’un
essai au four normalisé ayant servi à l’établissement des réglementations nationales, bien qu’il soit
principalement utilisé pour classer les produits et les systèmes plutôt que pour refléter la réalité.
— Un feu naturel, basé sur une simple formule ou sur un ensemble de courbes température-temps,
en tenant compte des principaux paramètres qui influencent la réponse temps-température dans
le compartiment. On parle souvent de modèles feux monozones ou de feux paramétriques qu’il
convient d’utiliser dans des géométries de compartiments simples facilement définies.
— Un feu déterminé au moyen de calculs numériques complexes, tels que des modèles multi-zones ou
la mécanique des fluides numérique. Ce type d’analyse avancée convient pour les compartiments
de très grandes dimensions, les compartiments à géométries complexes et éventuellement les
plafonds irréguliers.
Pour une revue plus complète des scénarios de feux de dimensionnement et des feux de dimensionnement,
il convient de se reporter à l’ISO/TS 16733.
3.2 Modèle de transfert thermique
L’analyse du transfert thermique a pour objet de déterminer l’augmentation et la distribution de
température dans les éléments de structure. Les modèles thermiques sont fondés sur les principes et
hypothèses reconnus de la théorie du transfert thermique. Ils peuvent présenter divers niveaux de
sophistication selon les hypothèses et les besoins. La complexité des modèles est variable; ils peuvent
simplement servir à déterminer une distribution uniforme de la température ou à déterminer des
distributions plus complexes de la température dans lesquelles les gradients thermiques peuvent être
calculés selon une, deux ou trois directions.
La formulation des problèmes de conduction thermique à l’état transitoire est différente de celle des
cas de conduction thermique en régime permanent car les problèmes transitoires impliquent un terme
supplémentaire représentant la variation dans le temps du contenu énergétique du milieu. Ce terme
supplémentaire apparaît comme une dérivée première de la température par rapport au temps dans
l’équation différentielle, et comme une variation du contenu énergétique interne pendant un intervalle
de temps Δt, dans la formulation du bilan énergétique. Les nœuds et les éléments de volume dans les
problèmes transitoires sont sélectionnés comme dans le cas permanent. Pour des raisons de commodité,
on suppose que l’ensemble du transfert thermique se situe dans l’élément.
Le bilan énergétique sur un élément de volume pendant un intervalle de temps Δt peut être exprimé
comme suit:
Transfert thermique dans
Chhaleur générée dans Variation du contenu
lélément de volume de
eergétique de
lélément de volume én
tous côtés pendant un
+ =
durant un intervallle lélément de volume
intervalle de tempsΔt.
Δt. durant Δt.
de temps
•
G ΔΔEt/
Q
∑
ou
•
QG+=ΔΔEt/
∑ élémentélément
Le taux de transfert thermique Q se compose normalement de termes de conduction pour les nœuds
intérieurs, mais il peut impliquer un flux de chaleur (convection et rayonnement) pour les nœuds limites.
La somme de Q est égale à zéro, sauf aux limites.
Pour les matériaux contenant de l’humidité libre, il convient de prendre en compte l’effet de migration de
l’humidité à travers le système afin de fournir une représentation précise de la distribution thermique
en fonction du temps. Ce point peut être traité dans le cadre de l’analyse thermique en introduisant le
transfert de masse dans le modèle. Lorsque cette approche est utilisée, des informations complémentaires
peuvent être fournies dans le domaine de la pression en raison de la formation de vapeur et également
pour donner des détails utiles sur les matériaux soumis au phénomène d’écaillage.
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3.3 Modèle structural
L’analyse/modèle structural(e), qui est très largement utilisé(e), dépend de la forme structurale étudiée
et peut être généralement décrit(e) comme indiqué ci-dessous et illustré à la Figure 3:
OU
a) Exemple d’analyse d’élé- b) Exemple d’analyse c) Exemple d’analyse globale
ments de sous-ensembles
Figure 3 — Exemples de types d’analyses
L’analyse d’éléments uniques (par exemple poutres, piliers, planchers, parois) est habituellement
utilisée pour vérifier la conformité aux exigences d’un essai normalisé de résistance au feu, bien qu’elle
puisse être utilisée dans de cadre de scénarios de feux réels. Les conditions d’assujettissement au niveau
des supports qui prévalent au début d’un essai (instant t = 0) restent en général inchangées pendant toute
la période d’exposition au feu. Seuls doivent être pris en compte les effets de la déformation thermique
résultant des gradients de température créés au travers de la section. Habituellement, les effets de la
dilatation thermique ne sont pas pris en compte.
Analyse de sous-ensembles (cadres secondaires et ensemble d’éléments). Les conditions fixées au
début d’un essai varieront lors de l’échauffement. En particulier, les forces générées par la dilatation
ou la contraction (lors du refroidissement) sont prises en compte ainsi que le transfert de charges
vers d’autres parties de la structure lorsqu’un ou plusieurs éléments ont perdu leur capacité portante.
Toutefois, les effets d’assujettissement par rapport au reste du cadre, notamment en ce qui concerne
les effets de la dilatation et de la ruine locale, ne sont pris en compte que dans une moindre mesure.
L’analyse des sous-ensembles peut être effectuée aussi bien dans des scénarios de feu nominal que dans
des scénarios de feu réel.
Analyse structurale globale (de l’ensemble de la structure dans laquelle un incendie s’est déclaré). Cette
analyse prend en compte les conditions de transfert thermique, les modes de défaillance pertinents, les
propriétés des matériaux dépendantes de la température, la rigidité et, le cas échéant, les effets de la
dilatation thermique. On considère généralement que la répartition des charges reste inchangée pendant
toute la période d’exposition au feu. En général, une analyse globale est effectuée dans des conditions
d’échauffement dues à un feu naturel, mais il est également possible que cette analyse soit réalisée dans
des conditions d’échauffement au four, bien que les effets de la phase de refroidissement sur la réponse
de la structure ne soient normalement pas pris en compte.
3.4 Modèles combinés
L’utilisation des modèles pour le feu, le transfert thermique et l’analyse structurale doit être envisagée
selon le niveau de sophistication requis. Le fait d’effectuer une analyse exacte de transfert thermique
présente peu d’intérêt si, lorsqu’on arrive à l’analyse structurale, on adopte une approche très grossière, à
moins que l’on puisse démontrer qu’un modèle grossier est assez précis pour obtenir les résultats requis.
Il existe certaines combinaisons d’analyse thermique et d’analyse structurale qui ne peuvent servir qu’à
des fins de calcul (voir Figure 4).
Figure 4 — Combinaison d’analyse thermique et d’analyse structurale
Le modèle thermique H décrit l’exposition thermique selon l’essai normalisé de résistance au feu des
éléments de structures, tel que spécifié dans l’ISO 834 et dans les normes nationales correspondantes,
ou selon d’autres courbes température-temps nominales ou caractéristiques. Une conception de feu
basée sur cette exposition thermique représente la situation prévalant au niveau international pour des
éléments de structure porteurs et de séparation. Elle peut être appliquée à des éléments uniques ou à
des sous-ensembles simples.
Le modèle thermique H décrit une exposition thermique basée sur un feu réel simulé qui est soit
calculé en résolvant les équations de bilan énergétique et massique du feu de compartiment soit
déterminé à partir d’une certaine base de conception systématisée. Par exemple, l’Eurocode 1: «Actions
sur les structures exposées au feu», présente un ensemble d’équations paramétriques. Celles-ci sont
très similaires aux courbes température-temps des gaz basées sur les équations de bilan énergétique
et massique du feu de compartiment complètement développé pour lequel des codes informatiques sont
disponibles (SFIRE, COMPF-2 et BRAND). Ces modèles peuvent être appliqués à des éléments uniques, à
des sous-ensembles et à l’ensemble de la structure. Des essais au four sont actuellement à l’étude pour
représenter les conditions d’échauffement dans des scénarios de feux liés à l’occupation.
Le modèle structural S comprend les éléments structuraux uniques, par exemple des poutres, des
piliers, des parois, des planchers et des toits. Le modèle peut alors simuler un élément de structure qui
se comporte comme un élément unique dans la structure réelle ou comme un élément qui, en réalité, agit
conjointement à d’autres d’autres éléments de la structure complète, mais qui est séparé de celle-ci et
décrit par des conditions finales simplifiées dans l’analyse du feu.
Le modèle structural S se rapporte à une sous-structure, qui décrit approximativement le
comportement mécanique d’une partie du système porteur complet du bâtiment. Par rapport à la
structure réelle, une sous-structure est analysée par des conditions aux limites simplifiées au niveau de
ses extrémités ou de ses bords extérieurs.
Le modèle structural S décrit le comportement mécanique de l’ensemble de la structure porteuse du
bâtiment agissant comme, par exemple, un cadre à deux ou trois dimensions, un système poutre-dalle
ou un système pilier-poutre-dalle.
Dans la matrice illustrée à la Figure 4, les modèles d’exposition thermique et les modèles structuraux
sont combinés selon la séquence d’idéalisation améliorée. En principe, chaque élément dans la matrice
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représente une procédure de conception particulière. La matrice peut donc être considérée comme un type
de système de classification pour les methodes de conception d’ingénierie contre les feux de structures.
Il est toutefois évident que les modèles ne peuvent pas tous être utilisés dans toutes les combinaisons
et il convient que le but soit de fournir une combinaison sensée à chaque niveau de progression. Dans la
matrice, il est fait référence à tous ces aspects. En principe, une conception de l’ingénierie contre les feux
de structures offre un choix «orienté problème» pour la combinaison du modèle d’exposition thermique
et du modèle de comportement structural et le choix final peut également dépendre des préférences au
niveau national, de la complexité de l’application et la situation particulière de la conception.
3.5 Propriétés des matériaux
Les propriétés requises des matériaux pour les modèles thermiques et structuraux, y compris celles
d’éventuels matériaux de protection contre l’incendie, peuvent être généralement divisées en deux
classes et être utilisées lors de l’essai normalisé d’échauffement au four ou de feux caractéristiques
représentatifs liés à l’occupation. Elles ne sont pas nécessairement appropriées pour l’analyse structurale
lors de la phase de refroidissement.
3.5.1 Propriétés thermophysiques
La résolution des équations de flux thermique transitoire vers et dans une structure exposée au feu,
nécessite des informations sur les propriétés suivantes pour les matériaux de structure et, le cas
échéant, pour les matériaux d’isolation/protection:
— l’émissivité des surfaces de la structure exposées au feu (on suppose normalement une valeur de 1
pour toute protection appliquée contre l’incendie);
— la conductivité thermique des matériaux de structure et des matériaux de protection contre l’incendie;
— la chaleur spécifique des matériaux de structure et des matériaux de protection contre l’incendie;
— l’énergie thermique due aux changements de phases à divers niveaux de température des matériaux
de structure et pour certains matériaux de protection;
— le taux de chaleur générée en interne dans la structure et dans la protection contre l’incendie;
— la dilatation/contraction thermique des matériaux de structure;
— la masse volumique des matériaux de structure et des matériaux de protection contre l’incendie.
Pour les structures réalisées en matériaux combustibles, des informations supplémentaires sur la
vitesse de
...
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