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
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2. www.iso.org/directives
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patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received. www.iso.org/patents
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constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 2, Fire containment.
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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.
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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 Tec
...
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
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ISO 2013
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Publié en Suisse
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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.
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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 abor
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.