ISO/TR 16730-2:2013
(Main)Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods — Part 2: Example of a fire zone model
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods — Part 2: Example of a fire zone model
ISO/TR 16730-2:2013 shows how ISO 16730‑1 is applied to a calculation method for a specific example. It demonstrates how technical and users' aspects of the method are properly described in order to enable the assessment of the method in view of verification and validation. ISO/TR 16730-2:2013 describes the application of procedures given in ISO 16730‑1 for a fire zone model (CFAST). The main objective of the specific model treated here is the simulation of a fire in an open environment or in confined compartments with a natural or forced ventilation system.
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul — Partie 2: Exemple d'un modèle de zone
L'ISO/TR 16730-2:2013 montre comment l'ISO 16730‑1 est appliquée à une méthode de calcul pour un exemple spécifique. Elle montre comment décrire de manière appropriée les aspects techniques et l'utilisation de la méthode afin de permettre l'évaluation de la méthode en vue d'une vérification et d'une validation. L'exemple donné dans l'ISO/TR 16730-2:2013 décrit l'application des procédures données dans l'ISO 16730‑1 à un modèle de zone (CFAST). Le principal objectif du modèle spécifique traité est la simulation d'un incendie dans des compartiments confinés avec un système de ventilation naturelle ou forcée.
General Information
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 16730-2
First edition
2013-07-01
Fire safety engineering — Assessment,
verification and validation of
calculation methods —
Part 2:
Example of a fire zone model
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et
validation des méthodes de calcul —
Partie 2: Exemple d’un modèle de zone
Reference number
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ISO 2013
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Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 General information on the zone model considered . 1
3 Methodology used in this Technical Report . 2
Annex A (informative) Description of the calculation method . 3
Annex B (informative) Complete description of the assessment (verification and validation) of the
calculation method . 9
Annex C (informative) Worked example .11
Annex D (informative) User’s manual .21
Bibliography .22
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
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
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
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire
safety engineering.
ISO 16730 consists of the following parts, under the general title Fire safety engineering — Assessment,
verification and validation of calculation methods:
— Part 2: Example of a fire zone model (Technical report)
— Part 3: Example of a CFD model (Technical report)
— Part 4: Example of a structural model (Technical report)
— Part 5: Example of an Egress model (Technical report)
The following parts are under preparation:
— Part 1: General (revision of ISO 16730:2008)
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Introduction
Certain commercial entities, equipment, products, or materials are identified in this document in order
to describe a procedure or concept adequately or to trace the history of the procedures and practices
used. Such identification is not intended to imply recommendation, endorsement, or implication that the
entities, products, materials, or equipment are necessarily the best available for the purpose. Nor does
such identification imply a finding of fault or negligence by the International Standards Organization.
For the particular case of the example application of ISO 16730-1 described in this document, ISO takes
no responsibility for the correctness of the code used or the validity of the verification or the validation
statements for this example. By publishing the example, ISO does not endorse the use of the software or
the model assumptions described therein and states that there are other calculation methods available.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 16730-2:2013(E)
Fire safety engineering — Assessment, verification and
validation of calculation methods —
Part 2:
Example of a fire zone model
1 Scope
This part of ISO 16730 shows how ISO 16730-1 is applied to a calculation method for a specific example.
It demonstrates how technical and users’ aspects of the method are properly described in order to
enable the assessment of the method in view of verification and validation.
The example in this part of ISO 16730 describes the application of procedures given in ISO 16730-1 for
a fire zone model (CFAST).
The main objective of the specific model treated here is the simulation of a fire in confined compartments
with a natural or forced ventilation system.
2 General information on the zone model considered
The name given to the zone model considered in this Technical Report is “CFAST”. CFAST is a two-zone
fire model capable of predicting the environment in a multi-compartment structure subjected to a fire.
It calculates the time-evolving distribution of smoke and fire gases and the temperature throughout a
building during a user-prescribed fire. This Technical Report describes the equations which constitute
the model, the physical basis for these equations, and an evaluation of the sensitivity and predictive
capability of the model.
The modelling equations take the mathematical form of an initial value problem for a system of
ordinary differential equations (ODEs). These equations are derived using the conservation of mass, the
conservation of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), the ideal gas law, and relations
for density and internal energy. These equations predict as functions of time quantities such as pressure,
layer height, and temperature given the accumulation of mass and enthalpy in the two layers. The model
then consists of a set of ODEs to compute the environment in each compartment and a collection of
algorithms to compute the mass and enthalpy source terms required by the ODEs.
3 Methodology used in this Technical Report
For the calculation method considered, checks based on ISO 16730-1 and as outlined in this Technical
Report are applied. This Technical Report lists in Annexes A and B the important issues to be checked
in the left-hand column of a two-column table. The issues addressed are then described in detail, and
it is shown how these were dealt with during the development of the calculation method in the right-
hand column of the Annexes A and B cited above, where Annex A covers the description of the calculation
method and Annex B covers the complete description of the assessment (verification and validation) of the
particular calculation method. Annex C describes a worked example and Annex D adds a user’s manual.
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Annex A
(informative)
Description of the calculation method
A.1 Purpose
Definition of problem solved or The model has been developed for solving practical fire problems in fire
function performed protection engineering while at the same time providing a tool to study
fundamental fire dynamics and smoke spread. It is intended for system
modelling of building and building components. It is not intended for
detailed study of flow within a compartment such as is needed for smoke
detector siting.
3 3
Space scales from ~1 m to 1 000 m and time scales from ~1 s to approx-
imately a few hours.
(Qualitative) description of results The outputs of the model are the sensible variables that are needed for
of the calculation method assessing the environment in a building subjected to a fire. These include
temperatures of the upper and lower gas layers within each compart-
ment, the ceiling/wall/floor temperatures within each compartment, the
visible smoke and gas species concentrations within each layer, target
temperatures, and sprinkler activation time.
Justification statements and feasi- The model predicts the environment within compartmented structures
bility studies resulting from a fire prescribed by the user. It is an example of the class
of models called finite element. This particular implementation is called
a zone model and, essentially, the space to be modelled is broken down to
a few elements. The physics of the compartment fire phenomena is driven
by fluid flow, primarily buoyancy. The usual set of elements or zones are
the upper and lower gas layers, partitioning of the wall/ceiling/floor to
an element each, one or more plumes, and objects such as fires, targets,
and detectors. One feature of this implementation of a finite element
model is that the interface between the elements (in this case, the upper
and lower gas layers) can move, with its position defined by the govern-
ing equations.
[1-4]
The attached bibliography has a compendium of all validation testing
which has been done.
A.2 Theory
Underlying conceptual model The modelling equations take the mathematical form of an initial
(governing phenomena) value problem for a system of ordinary differential equations (ODEs).
These equations are derived using the conservation of mass, the con-
servation of energy (equivalently, the first law of thermodynamics),
and the ideal gas law. These equations predict as functions of time
quantities such as pressure, layer height, and temperature given the
accumulation of mass and enthalpy in the two layers. The assump-
tion of a zone model is that properties such as temperature can be
approximated throughout a control volume by an average value.
Theoretical basis of the phenomena and The equations used take the mathematical form of an initial value
physical laws on which the calculation problem for a system of ordinary differential equations (ODEs). These
method is based equations are derived using the conservation of mass, the conserva-
tion of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), the
ideal gas law, and relations for density and internal energy. These
equations predict as functions of time quantities such as pressure,
layer height, and temperature given the accumulation of mass and
enthalpy in the two layers.
A.3 Implementation of theory
Governing equations The modelling equations used take the mathematical form of an initial
value problem for a system of ordinary differential equations. These
equations are derived using the conservation of mass, the conserva-
tion of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), and the
ideal gas law. These equations predict as functions of time quantities
such as pressure, layer height, and temperature given the accumula-
tion of mass and enthalpy in the two layers. The assumption of a zone
model is that properties such as temperature can be approximated
throughout a control volume by an average value.
The formulation uses the definitions of density, internal energy, and
the ideal gas law. These rates represent the exchange of mass and
enthalpy between zones due to physical phenomena such as plumes,
natural and forced ventilation, convective and radiative heat transfer,
and so on. For example, a vent exchanges mass and enthalpy between
zones in connected rooms, a fire plume typically adds heat to the
upper layer and transfers entrained mass and enthalpy from the
lower to the upper layer, and convection transfers enthalpy from the
gas layers to the surrounding walls.
4 © ISO 2013 – All rights reserved
Mathematical techniques, proce- The equations used in zone fire modelling are ordinary differential
dures, and computational algorithms equations (ODEs), which are stiff. The term “stiff” means that large
employed, with references to them variations in time scales are present in the ODE solution. In our prob-
lem, pressures adjust to changing conditions more quickly than other
quantities such
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 16730-2
Première édition
2013-07-01
Ingénierie de la sécurité incendie —
Évaluation, vérification et validation
des méthodes de calcul —
Partie 2:
Exemple d’un modèle de zone
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of
calculation methods —
Part 2: Example of a fire zone model
Numéro de référence
©
ISO 2013
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l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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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 Informations générales sur le modèle de zone étudié . 1
3 Méthodologie utilisée dans ce Rapport technique . 1
Annexe A (informative) Description de la méthode de calcul . 2
Annexe B (informative) Description complète de l’évaluation (vérification et validation)
de la méthode de calcul . 8
Annexe C (informative) Cas d’étude .10
Annexe D (informative) Manuel de l’utilisateur .20
Bibliographie .21
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 4,
Ingénierie de la sécurité incendie.
L’ISO 16730 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Ingénierie de la sécurité
incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul:
— Partie 2: Exemple d’un modèle de zone (Rapport technique)
— Partie 3: Exemple d’un modèle CFD (Rapport technique)
— Partie 4: Exemple d’un modèle structural (Rapport technique)
— Partie 5: Exemple d’un modèle d’évacuation (Rapport technique)
La partie suivante est en préparation:
— Partie 1: Généralités (révision de l’ISO 16730:2008)
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés
Introduction
Certaines entités et certains équipements, produits ou matériaux commerciaux sont identifiés dans ce
document afin de décrire de façon appropriée une procédure ou un concept ou de retracer l’historique
des procédures et pratiques utilisées. Ce type d’identification n’est pas destiné à sous-entendre une
recommandation, une approbation ou une implication que ces entités, produits, matériaux ou équipements
sont nécessairement les meilleurs disponibles aux fins visées. Cette identification n’implique pas non plus
l’existence d’une faute ou d’une négligence de la part de l’Organisation internationale de normalisation.
Pour le cas particulier de l’exemple d’application de l’ISO 16730-1 décrit dans le présent document, l’ISO
décline toute responsabilité quant à l’exactitude du code utilisé ou la validité des énoncés de vérification
ou de validation pour cet exemple. La publication de cet exemple ne signifie pas que l’ISO approuve
l’utilisation du logiciel ou des hypothèses du modèle qui y sont décrits, et il est précisé que d’autres
méthodes de calcul existent.
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 16730-2:2013(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation,
vérification et validation des méthodes de calcul —
Partie 2:
Exemple d’un modèle de zone
1 Domaine d’application
[5]
La présente partie de l’ISO 16730 montre comment l’ISO 16730-1 est appliquée à une méthode de calcul
pour un exemple spécifique. Elle montre comment décrire de manière appropriée les aspects techniques
et l’utilisation de la méthode afin de permettre l’évaluation de la méthode en vue d’une vérification et
d’une validation.
L’exemple donné dans la présente partie de l’ISO 16730 décrit l’application des procédures données dans
l’ISO 16730-1 à un modèle de zone (CFAST).
Le principal objectif du modèle spécifique traité ici est la simulation d’un incendie dans des compartiments
confinés avec un système de ventilation naturelle ou forcée.
2 Informations générales sur le modèle de zone étudié
Le nom donné au modèle de zone étudié dans ce Rapport technique est «CFAST». CFAST est un modèle à
deux zones capable de prédire l’environnement dans un bâtiment à plusieurs compartiments soumis à
un incendie. Il permet de calculer l’évolution de la distribution de la fumée et des effluents gazeux du feu
en fonction du temps ainsi que la température à l’intérieur d’un bâtiment au cours d’un incendie défini
par l’utilisateur. Le présent Rapport technique décrit les équations qui constituent le modèle, la base
physique de ces équations, et une évaluation de la sensibilité et de la capacité prédictive du modèle.
Les équations de modélisation ont la forme mathématique d’un problème à valeurs initiales pour
un système d’équations différentielles ordinaires (EDO). Ces équations sont établies à partir de la
conservation de la masse, la conservation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique), la loi
de gaz parfaits et diverses relations pour la densité et l’énergie interne. Elles permettent de prédire, en
fonction du temps, des grandeurs comme la pression, la hauteur d’interface et la température à partir de
l’accumulation de masse et d’enthalpie dans les deux couches. Le modèle consiste donc en un ensemble
d’EDO pour calculer l’environnement de chaque compartiment et une série d’algorithmes permettant de
calculer les termes source de masse et d’enthalpie requis par les EDO.
3 Méthodologie utilisée dans ce Rapport technique
Pour la méthode de calcul étudiée, des vérifications basées sur l’ISO 16730-1 et telles que décrites
dans ce Rapport technique sont appliquées. Le présent Rapport technique répertorie dans l’Annexe A
et l’Annexe B les points importants à contrôler dans la colonne de gauche des tableaux. Les points
concernés sont ensuite décrits en détail et il est indiqué comment ceux-ci ont été traités au cours du
développement de la méthode de calcul, dans la colonne de droite de l’Annexe A et l’Annexe B citées ci-
dessus, l’Annexe A couvrant la description de la méthode de calcul et l’Annexe B la description complète
de l’évaluation (vérification et validation) de la méthode de calcul spécifique. L’Annexe C décrit un cas
d’étude, et l’Annexe D ajoute un manuel de l’utilisateur.
Annexe A
(informative)
Description de la méthode de calcul
A.1 Objet
Définition du problème résolu Le modèle a été développé afin de résoudre des problèmes pratiques en
ou de la fonction exécutée ingénierie de la protection incendie, tout en fournissant un outil d’étude
des fondamentaux de la dynamique du feu et de la propagation des fumées.
Il est destiné à la modélisation systémique des bâtiments et des parties de
bâtiments. Il n’est pas destiné à l’étude détaillée de l’écoulement au sein d’un
compartiment telle que requise pour la pose de détecteurs de fumée.
3 3
Volumes de l’ordre de 1 m à 1 000 m et durées de l’ordre de 1 s à plusieurs
heures.
Description (qualitative) des Les données de sortie du modèle sont les variables nécessaires pour évaluer
résultats de la méthode de l’environnement d’un bâtiment soumis à un incendie. Celles-ci incluent la tem-
calcul pérature des couches supérieure et inférieure de gaz dans chaque comparti-
ment, la température du plafond, des murs et du plancher dans chaque com-
partiment, la fumée visible et les concentrations d’espèces de gaz dans chaque
couche, la température des cibles et le délai d’activation des sprinklers.
Justifications et études de fai- Le modèle prédit l’environnement, au sein de bâtiments compartimentés,
sabilité résultant d’un feu défini par l’utilisateur. Il s’agit d’un exemple de la classe des
modèles par éléments finis. Cette configuration particulière est appelée un
modèle de zone, le point essentiel étant que l’espace à modéliser est divisé en
plusieurs éléments. Dans un compartiment en feu, les phénomènes physiques
sont dominés par les écoulements de fluides, principalement les effets de flot-
tabilité. L’ensemble des éléments comprend habituellement les zones relatives
aux couches supérieure et inférieure de gaz, trois parties relatives respective-
ment au plafond, aux murs et au plancher, une ou plusieurs zones de panaches
et des objets tels que les feux, les cibles et les détecteurs. L’une des caractéris-
tiques de cette configuration de modèle par éléments finis est que l’interface
entre les éléments (dans ce cas, les couches supérieure et inférieure de gaz)
peut bouger, sa position étant définie par les équations déterminantes.
La Bibliographie jointe [Références 1 à 4] présente un compendium de tous
les essais de validation qui ont été réalisés.
2 © ISO 2013 – Tous droits réservés
A.2 Théorie
Modèle conceptuel sous-jacent Les équations de modélisation ont la forme mathématique d’un problème à
(phénomène déterminant) valeurs initiales pour un système d’équations différentielles ordinaires. Ces
équations sont établies à partir de la conservation de la masse, la conser-
vation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique) et la loi de gaz
parfaits. Elles permettent de prédire, en fonction du temps, des grandeurs
comme la pression, la hauteur d’interface et la température à partir de l’accu-
mulation de masse et d’enthalpie dans les deux couches. L’hypothèse d’un
modèle de zone est que des propriétés telles que la température peuvent être
approximées par une valeur moyenne à l’intérieur d’un volume de contrôle.
Base théorique des phéno- Les équations utilisées ont la forme mathématique d’un problème à valeurs
mènes et des lois physiques sur initiales pour un système d’équations différentielles ordinaires. Ces équations
lesquels repose la méthode de sont établies à partir de la conservation de la masse, la conservation de l’éner-
calcul gie (la première loi de la thermodynamique), la loi de gaz parfaits et diverses
relations pour la densité et l’énergie interne. Elles permettent de prédire, en
fonction du temps, des grandeurs comme la pression, la hauteur d’interface
et la température à partir de l’accumulation de masse et d’enthalpie dans les
deux couches.
A.3 Mise en œuvre de la théorie
Équations déterminantes Les équations de modélisation utilisées ont la forme mathématique d’un
problème à valeurs initiales pour un système d’équations différentielles ordi-
naires. Ces équations sont établies à partir de la conservation de la masse, la
conservation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique) et la loi de
gaz parfaits. Elles permettent de prédire, en fonction du temps, des grandeurs
comme la pression, la hauteur d’interface et les températures à partir de l’ac-
cumulat
...
Questions, Comments and Discussion
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