ISO/TR 24679-3:2015
(Main)Fire safety engineering — Performance of structure in fire — Part 3: Example of an open car park
Fire safety engineering — Performance of structure in fire — Part 3: Example of an open car park
ISO/TR 24679-4:2015 provides a fire safety engineering application relative to fire resistance assessment of an open car park according to the methodology given in ISO/TS 24679. It describes the adopted process which followed the same step by step procedure as that given within ISO/TS 24679. The annexes of ISO/TR 24679-4:2015 presents the detailed numerical analysis results obtained for most severe fire scenarios on the basis of this specific fire safety engineering procedure for open car parks.
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en situation d'incendie — Partie 3: Exemple d'un parking aérien largement ventilé
L'ISO/TR 24679-3:2015 est une application de l'ingénierie de la sécurité incendie à l'évaluation de la résistance au feu d'un parking aérien largement ventilé selon la méthodologie indiquée dans l'ISO/TS 24679. Il décrit la méthode adoptée et suit la même procédure par étapes que celle indiquée dans l'ISO/TS 24679. Les annexes de l'ISO/TR 24679-3:2015 fournissent les résultats détaillés de l'analyse numérique obtenus pour les scénarios d'incendie les plus sévères, sur la base des résultats de cette procédure spécifique d'ingénierie de la sécurité incendie appliquée aux parkings aériens largement ventilés
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TECHNICAL ISO/TR
REPORT 24679-3
First edition
2015-08-01
Fire safety engineering —
Performance of structure in fire —
Part 3:
Example of an open car park
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en
situation d’incendie —
Partie 3: Exemple d’un parking aérien largement ventilé
Reference number
ISO/TR 24679-3:2015(E)
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ISO 2015
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 2
4 Design strategy for fire safety of structures . 2
5 Quantification of the performance of structures in fire . 2
5.1 Fire performance of structures — Design process . 2
5.2 Step 1: Scope of the project for fire safety of structures . 2
5.2.1 Built environment characteristics . 2
5.2.2 Fuel loads . 4
5.2.3 Mechanical actions . 5
5.3 Step 2: Identify objectives, functional requirements, and performance criteria for
fire safety of structures . 5
5.4 Step 3: Trial design plan for fire safety of structures . 6
5.5 Step 4: Design fire scenarios and design fires . 8
5.5.1 Design fire scenarios . 8
5.5.2 Design fires (thermal actions) .10
5.6 Step 5: Thermal response of the structure .13
5.7 Step 6: Mechanical response of the structure .17
5.8 Step 7: Assessment against the fire safety objectives .22
5.9 Documentation of the design for fire safety of structures .22
5.10 Factors and influences to be considered in the quantification process .22
6 Guidance on use of engineering methods .22
Annex A (informative) Analysis of structural behaviour of open car parks .23
Annex B (informative) Views and plans of the open car park .38
Bibliography .41
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
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 (see 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 (see 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.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical
Barriers to Trade (TBT), see the following URL: Foreword — Supplementary information.
The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, SC 4, Fire safety engineering.
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
Introduction
This Technical Report is an example of the application of ISO/TS 24679, prepared in the format of
ISO/TS 24679. It includes only those sections of ISO/TS 24679 that describe steps of the methodology
for assessing the performance of structures. It preserves the numbering of sections in ISO/TS 24679
and so omits numbered sections for which there is no text or information for this example.
This example is intended to illustrate the implementation of the steps of fire resistance assessment, as
defined in ISO/TS 24679. Only steps that are considered as relevant in this example are well detailed in
this Technical Report.
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 24679-3:2015(E)
Fire safety engineering — Performance of structure in
fire —
Part 3:
Example of an open car park
1 Scope
This Technical Report provides a fire safety engineering application relative to fire resistance
assessment of an open car park according to the methodology given in ISO/TS 24679. This report
describes the adopted process which followed the same step by step procedure as that given within
ISO/TS 24679. The Annexes of this Technical Report presents the detailed numerical analysis results
obtained for most severe fire scenarios on the basis of this specific fire safety engineering procedure
for open car parks.
The fire safety engineering applied here to open car parks, with respect to their fire resistance,
considers specific design fire scenarios as well as corresponding fire development. It takes account of
localized heating, global structural behaviour rather than single structural member resistance, etc.
In fact, in case of fire in open car parks, only a small part of structure will be exposed directly to fire
because of the limited fire spread due to open environment as well as rapid fire brigade intervention. In
consequence, the load redistribution to cold parts might become possible and can be taken into account
through global structural analysis.
This kind of approach based on 3D modelling of the mechanical response of composite floor was
already used in various fire safety engineering projects in France to check the stability of unprotected
composite steel framed open car parks subject to most severe real fire scenarios.
Finally, it should be mentioned that these severe fire scenarios have been selected for fire resistance
purposes only. They should not be used, for example, for smoke control purposes.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TS 24679:2011, Fire safety engineering — Performance of structures in fire
EN 1990:2002, Eurocode 0: Basis of structural design
EN 1991-1-2:2002, Eurocode 1: Actions on structures — Part 1-2: General actions — Actions on structures
exposed to fire
EN 1992-1-2:2004, Eurocode 2: Design of concrete structures — Part 1-2: General — Structural fire design
EN 1994-1-1:2004, Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures — Part 1-1: General —
Common rules and rules for buildings
EN 1994-1-2:2005, Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures — Part 1-2: General —
Structural fire design
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
3 Terms and definitions
For the needs of this example, following terms and definitions are used in addition to those described
in ISO/TS 24679:2011, Clause 3.
3.1
edge secondary beam
secondary beam located at the façade part of the floor and parallel to façade
3.2
edge primary beam
primary beam located at the façade part of the floor and parallel to façade
3.3
internal secondary beam
secondary beam located in internal part of the floor (other secondary beams than edge secondary beams)
3.4
internal primary beam
primary beam located in internal part of the floor (other primary beams than edge primary beams)
3.5
PRS
profil reconstitué soudé
welded steel section
4 Design strategy for fire safety of structures
The built environment is an open car park. With its well-ventilated configuration and easy intervention
condition of firefighters, a fully developed fire covering the whole area of the floor is not possible. In
consequence, the fire spread will be limited and remains always localized according to a statistic survey
of real fires in open car parks. As a result, burning of several cars is considered as relevant to predict
the impact on structural stability. A global structural analysis is carried out to evaluate the behaviour
of non-insulated steel frame and profiled steel deck slab. This approach is based on 3D modelling of the
mechanical response of composite floor which takes account of localized heating and global structural
behaviour rather than single structural member resistance.
5 Quantification of the performance of structures in fire
5.1 Fire performance of structures — Design process
The various steps of the design process considered in the conducted fire safety engineering study are
detailed in the following sections.
5.2 Step 1: Scope of the project for fire safety of structures
5.2.1 Built environment characteristics
The car park is a 3-storey building, of which all façades are open. According to the French regulation,
it is considered as an “open car park”, meaning that it meets simultaneously the following conditions:
— At each level, the openings shall be put at least on two opposite façades;
— These openings shall have a total area equal to at least 50 % of the total area of these façades, of
which the height has to be taken as the free height of the floor and shall not be less than 5 % of the
corresponding single floor total area;
— The maximum distance between two opposite and opened façades shall be less than 75 m.
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There are about 520 car park spaces (130 spaces per level). Each car park place occupies an area of
2,5 m by 5,0 m. Moreover, two access ramps allowing vehicle access to various levels are predicted at
longitudinal edge part of the building (see Figure 1). Each gross floor area is 31,30 m× 112,65 m. The
total building height is 10,274 m (height for ground storey: 4,658 m and for other stories: 2,808 m).
The structure of this building is designed with the following sizes:
— Span of secondary beams: 15,5 m;
— Span of primary beam: 10,0 m;
— Spacing of columns: 10,0 m in direction of primary beams and 15,5 m in direction of secondary beams.
As the building is located in a region subject to strong seismic action, the owner of the building decided
to use steel and concrete composite structures for this building. However, the ramps remain in concrete
and separated structurally from parking area. In consequence, the spacing of secondary beams is about
3,33 m which is also the span of the 120 mm thick floor composite slab (with a trapezoidal 0,88 mm
thick steel decking).
The applied load of design on the floors is taken as follows:
2
— Live load: 2,5 kN/m ;
2
— Permanent load on the floor due to screed and services: 0,2 kN/m for intermediary floor level and
2
1,10 kN/m for roof level;
2
— Self weight of floor (slab and steel members): 2,53 kN/m ;
— Self weight of façade: 0,8 kN/m on longitudinal edges and 2,0 kN/m on transverse edges.
More details of structure are given in Annex B.
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
Figure 1 — View of the built environment of investigated open car park: plan view (top) and
perspective view (bottom)
5.2.2 Fuel loads
In order to reach both realistic and efficient means of fire resistance safety of the structure, fuel loads
are characterized on an available scientific data basis in terms of the heat release rate of car fires and
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
fire propagation behaviour between cars according to real car fire tests performed at CTICM in the
[1]
scope of a European research project. The average mass, the mass of combustible materials, and the
heat released of 5 categories of European cars are reported in Table 1.
Table 1 — Average car mass, mass of combustible materials, and heat release for different
category of cars (of the 90s)
Category Car mass (kg) Mass of combustible materials Heat release (MJ)
(kg)
1 850 200 6 000
2 1 000 250 7 500
3 1 250 320 9 500
4 1 400 400 12 000
5 1 400 400 12 000
Fire from cars using liquefied petroleum gas is considered to be less severe on the basis of French fire
tests with this type of cars.
5.2.3 Mechanical actions
The mechanical actions in fire situation are determined in accordance with EN 1990. In consequence,
the following load combination is used:
1,0 G + 0,7 Q
with: G for sum of all the permanent loads and Q for live load.
The snow actions are considered as negligible because the construction zone is in a tropical region.
As far as design wind loads are concerned, they are much lower than the lateral seismic loads and the
resisting systems (bracing system shown in Annex B of this report) to seismic actions are therefore
strong enough to resist wind effects which, under fire situation, have a combination factor equal to
0,2 (instead of 1,5 at ultimate state design at room temperature). In this case, the wind effects under
localized fire become also negligible with respect to the resistance capacity of the whole bracing system
of the structure. It has to be noted that according to the French national regulations, no other accidental
actions need to be combined with fire action as it is already an accidental action on the structures.
Moreover, as the considered floor area in the design is important, according to EN 1990, the live load can
2
be reduced by a factor of 0,8 which leads to a reduced live load of 2,0 kN/m . Therefore, the final design
2 2
loads in fire situation over the floor are thus 1,60 kN/m and 2,50 kN/m for intermediary floor level
and roof level, respectively. In addition to these uniformly distributed loads, a linear load of 2,0 kN/m
from façade self-weight is applied safely on the perimeter beams.
5.3 Step 2: Identify objectives, functional requirements, and performance criteria for
fire safety of structures
According to current French national regulations relative to fire safety, the statutory requirement is no
increase of risk to life safety of occupants, fire fighters, and others in the vicinity of the building, due to
the structural behaviour of the building once subjected to fire.
To fulfil this objective, the functional requirement is to not have any failure of the building during the
whole duration of fire, including their cooling phases.
Consequently, the following performance criterion in terms of stability of the structure is:
— No overall failure of the building, e.g. due to the loss of stability of columns.
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More precisely, the overall failure is considered to be avoided if following performance criteria are met:
— Maximum deflection of all beams does not exceed 1/20 of their spans;
— Maximum mechanical strain of reinforcing steel mesh remains lower than 5 %, because such
limitation is not taken into account directly in the stress-strain relationship of reinforcing steel.
The deflection limit is introduced for the following two reasons:
— to avoid the risk to have concrete crushing which cannot be taken into account rigorously in the
material model of the computer code ANSYS and
— to avoid any risk of loading.
5.4 Step 3: Trial design plan for fire safety of structures
Preliminary designs, at room temperature, were carried out in accordance with EN 1994-1-1, to
determine the sizes of various structural members of composite floors on the basis of structural grid
system described in 5.2.1.
As far as the material properties used in these designs are concerned, the grade of structural steel
is S355 with a yield strength of 355 MPa. The quality of concrete was assumed to be C30/37 with a
compressive strength of 30 MPa. With respect to shear connectors, they all are in headed studs with a
diameter of 19 mm and a height of 100 mm. The partial shear connection was designed for all composite
beams. Thus, its distribution over steel beams is one stud every 207 mm for secondary beams and one
stud every 200 mm and 150 mm for edge primary beams and internal primary beams, respectively. The
complementary structural details of structure are reported in Table 2.
As the heating of unprotected steel members will be very important (more than 700 °C), the fire
resistance of the floor can no longer be ensured with classical structural resistance approach without
any fire protection. The only way to get an unprotected floor structure is to have the floor system
behaving under membrane action through which the load redistribution becomes possible. In order to
achieve this structural behaviour, a reinforcing steel mesh composed of steel bars of 7 mm in diameter
along two perpendicular directions (parallel and perpendicular to span of composite slab) with the
same grid size of 150 mm along the two directions is placed at 35 mm from the unexposed face of
composite slab. The grade of the reinforcing bars is S500 with the yield strength of 500 MPa.
Another strategy adopted in this fire design is to use steel grade of S355 which will provide higher fire
resistance than other steel grades below.
The steel columns need also to be dealt with in a particular way. It is decided to combine two solutions;
on the one hand, the steel section of columns has to be partially concrete encased and on the other
hand, their applied load in fire situation is limited to 0,35 of their room temperature ultimate load
bearing capacity.
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
Table 2 — Summary of structural members
Floor levels Ground floor Intermediary floor Roof
Column
PRS 320 × 16/300 × 20
(four sides
−1
(A/V = 110 m )
exposed)
Primary beam
PRS 548 × 15/300 × 20
(three sides
−1
(A/V = 116 m )
exposed)
Secondary beam PRS 548 × 10/250 × 20 IPE 500 IPE 550
−1 −1 −1
(three sides (A/V = 93 m ) (A/V = 134 m ) (A/V = 124 m )
exposed)
thickness: 0,88 mm
Steel decking
Total depth
of composite 120 mm
slab
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5.5 Step 4: Design fire scenarios and design fires
5.5.1 Design fire scenarios
[2]
In fire resistance assessment, three basic families of fire scenarios are considered, derived from a
statistic survey of real fires in open car parks with respect to the number of cars that get involved
[3]
within a fire. As shown in Figure 2, these families of fire scenarios are as follows:
— Burning of seven cars including a utility vehicle in the same parking line, with the fire spreading
after ignition progressively from the central vehicle to three vehicles at each side according to a
propagation time of 12 min from one vehicle to another.
— Burning of four cars including a utility vehicle situated in two different parking lines, with the fire
spreading after ignition progressively from the first vehicle to other three vehicles according to a
propagation time of 12 min from one vehicle to another.
— Burning of one utility vehicle located at any position of the floor.
The above fire scenarios are more or less the standard fire scenarios imposed by French authorities
though according to above mentioned statistics of real fires in open car parks, the highest number of
cars involved in a fire does not exceed three. It has to be noted also that the cars except the utility
vehicle to be considered should be all in class 3.
Figure 2 — Basic scenarios of car fire
The above three basic families of fire scenarios have to be applied in combination with structure
arrangement in order to derive the most severe scenarios in terms of fire resistance objective of
considered open car park. Therefore, for floor structure at first level of the open car park (columns and
floor structure above), the following fire scenarios are taken into account (see Figure 3):
— Fire scenario S1.1: seven cars including a utility vehicle involved in fire, which are located at the
corner part of the floor where the structural continuity is present only at two sides.
— Fire scenario S1.2: four cars including a utility vehicle involved in fire, which are located under mid-
span of a primary beam leading to most severe heating of primary beams.
— Fire scenario S1.3: four cars including a utility vehicle involved in fire, which are located around a
column of ground level leading to most severe heating of the column (surrounded by fire flames).
— Fire scenario S1.4: one utility vehicle located at the edge part of the composite floor and under mid-
span of a secondary beam.
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Figure 3 — Possible fire scenarios applied to ground floor level
The possible fire scenarios on intermediary floor levels of the modelled structure are as follows
(see Figure 4):
— Fire scenario S2.1: seven cars including a utility vehicle involved in fire, which are located at the
corner part of the floor where the structural continuity is present only at two sides.
— Fire scenario S2.2: seven cars including a utility vehicle involved in fire, which are located at the
edge part of the floor and under a secondary beam.
— Fire scenario S2.3: four cars including a utility vehicle involved in fire, which are located under mid-
span of a primary beam leading to most severe heating of primary beams.
— Fire scenario S2.4: four cars including a utility vehicle involved in fire, which are located around a
column of concerned floor leading to most severe heating of the column (surrounded by fire flames).
— Fire scenario S2.5: one utility vehicle located at the edge part of the composite floor and under mid-
span of a secondary beam.
It can be observed that most fire scenarios at intermediary levels are identical to those at ground level.
The reason to consider them independently is that the storey height is different between ground level
and the levels above.
Figure 4 — Possible fire scenarios applied to intermediary floor levels
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ISO/TR 24679-3:2015(E)
In the present report, the calculation results for ground floor and intermediary floor levels are given
for two representative fire scenarios, respectively:
— taking into account the buckling length of steel columns for ground level which is higher than
intermediary floor levels, resulting therefore in most critical cases under fire scenario S1.3 with
four vehicles around a column at ground floor;
— under fire scenario S2.2 involving seven vehicles perpendicular to secondary beams at edge part
of open car park leading to the most critical situation to structural behaviour of composite floor
because the steel beams are much more heated in this case.
5.5.2 Design fires (thermal actions)
As mentioned in the previous paragraph, the vehicles to be considered for design fire scenarios should
be systematically in class 3 in combination with one utility vehicle filled of combustible materials. The
heat release rates of class 3 cars initiating the fire and subject to fire spread are compared with that of
utility vehicle, as shown in Figure 5.
In addition, the total heat release rate obtained from different fire scenarios are also given in Figure 5
for information.
)
a) Comparison of heat release rate of different vehicles
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b) Total heat release rate under different fire scenarios
Figure 5 — Heat release rates
It has to be noted that the heat release rate of a utility vehicle is significantly more important
(see Figure 5) than class 3 car.
Thermal actions resulted from fire flames to the structural members near burning cars in fire safety
design of the structure are calculated according to simple analytical formulae given in EN 1991-1-2
(Hasemi’s method). In addition, as for thermal effect of the hot smoke layer on structural members far
[4]
from fire, a two-zone model is used. The combination of both above models allows the determination
of the temperature field near and far away from the fire. In consequence, the thermal actions for all the
structural members are obtained by taking the most important value predicted by above two models,
as shown in Figure 6.
(Air Temperature at ceiling level)
Figure 6 — Combination of two-zone model with localized fire model
This procedure has been applied to predict the heating of structural members. For example, the
incident heat fluxes received by primary and secondary beams above the utility vehicle and the hot gas
layer temperature versus time under fire scenario S2.2, is plotted on Figure 7. The evolution of the heat
fluxes received by internal secondary beam above vehicles in fire as a function of both time and space
is plotted on Figure 8. As for column, the evolution of the heat fluxes received by column surrounded
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RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 24679-3
Première édition
2015-08-01
Ingénierie de la sécurité incendie —
Performance des structures en
situation d’incendie —
Partie 3:
Exemple d’un parking aérien
largement ventilé
Fire safety engineering — Performance of structure in fire —
Part 3: Example of an open car park
Numéro de référence
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Stratégie de conception pour la sécurité incendie des structures .2
5 Quantification de la performance des structures en situation d’incendie .2
5.1 Tenue au feu des structures – Processus de conception . 2
5.2 Étape 1 : Domaine d’application du projet relatif à la sécurité incendie des structures. 3
5.2.1 Caractéristiques de l’ouvrage. 3
5.2.2 Charges calorifiques . . 4
5.2.3 Actions mécaniques . 5
5.3 Étape 2 : Identification des objectifs, exigences fonctionnelles et critères de
performance pour la sécurité incendie des structures . 5
5.4 Étape 3 : Projet de conception pour la sécurité incendie des structures . 6
5.5 Étape 4 : Scénarios d’incendie de dimensionnement et feux de calcul . 7
5.5.1 Scénarios d’incendie de dimensionnement . 7
5.5.2 Feux de calcul (actions thermiques) .10
5.6 Étape 5 : Réponse thermique de la structure .14
5.7 Étape 6 : Réponse mécanique de la structure .20
5.8 Étape 7 : Évaluation par rapport aux objectifs de sécurité incendie .25
5.9 Documentation de la conception pour la sécurité incendie des structures .25
5.10 Facteurs et influences à prendre en compte au cours du processus de quantification .25
6 Lignes directrices sur l’utilisation des méthodes d’ingénierie .25
Annexe A (informative) Analyse du comportement structurel des parkings aériens
largement ventilés .26
Annexe B (informative) Vues et plans du parking aérien largement ventilé .42
Bibliographie .45
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
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 (IEC) 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/IEC, 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/IEC, Partie 2 (voir 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 dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC
concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant : Avant-propos —
Informations supplémentaires.
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.
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
Introduction
Le présent Rapport technique est un exemple d’application de l’ISO/TS 24679, élaboré selon le format
utilisé dans l’ISO/TS 24679. Il comprend uniquement les paragraphes de l’ISO/TS 24679 qui décrivent
les étapes de la méthodologie d’évaluation de la performance des structures. Il reprend la numérotation
des paragraphes de l’ISO/TS 24679 et les numéros de paragraphes qui ne concernent pas cet exemple
sont donc omis.
Cet exemple est destiné à illustrer la mise en œuvre des étapes d’évaluation de la résistance au feu,
comme défini dans l’ISO/TS 24679. Seules les étapes qui sont considérées comme pertinentes pour cet
exemple sont décrites en détail dans le présent Rapport technique.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 24679-3:2015(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des
structures en situation d’incendie —
Partie 3:
Exemple d’un parking aérien largement ventilé
1 Domaine d’application
Le présent Rapport technique est une application de l’ingénierie de la sécurité incendie à l’évaluation
de la résistance au feu d’un parking aérien largement ventilé selon la méthodologie indiquée dans
l’ISO/TS 24679. Le présent rapport décrit la méthode adoptée et suit la même procédure par étapes que
celle indiquée dans l’ISO/TS 24679. Les annexes du présent Rapport technique fournissent les résultats
détaillés de l’analyse numérique obtenus pour les scénarios d’incendie les plus sévères, sur la base des
résultats de cette procédure spécifique d’ingénierie de la sécurité incendie appliquée aux parkings
aériens largement ventilés.
L’ingénierie de la sécurité incendie appliquée ici aux parkings aériens largement ventilés pour évaluer
leur résistance au feu se base sur des scénarios d’incendie de dimensionnement spécifiques ainsi que
sur le développement de l’incendie correspondant. Elle tient compte de l’échauffement localisé, du
comportement global de la structure plutôt que de la résistance d’un seul élément de structure, etc.
En fait, en cas d’incendie dans un parking aérien largement ventilé, seule une petite partie de la
structure est directement exposée au feu car la propagation du feu sera limitée grâce à l’environnement
ouvert et à l’intervention rapide des sapeurs-pompiers. Par conséquent, une redistribution des charges
vers les parties froides devient possible et peut être prise en compte dans une analyse de structure
globale.
Ce type d’approche fondée sur la modélisation en 3D de la réponse mécanique d’un plancher mixte a
déjà été mis en œuvre dans de nombreux projets d’ingénierie de la sécurité incendie en France, pour
vérifier la stabilité des parkings aériens largement ventilés en ossature mixte acier-béton non protégée
soumis aux scénarios d’incendie réels les plus sévères.
Finalement, il convient de préciser que ces scénarios d’incendie sévères ont été choisis uniquement
pour étudier la résistance au feu. Il convient de ne pas les employer, par exemple, pour une étude de
désenfumage.
2 Références normatives
Les documents suivants, en totalité ou en partie, sont référencés de façon normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO/TS 24679:2011, Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en situation d’incendie
EN 1990:2002, Eurocodes structuraux — Eurocodes: Bases de calcul des structures
EN 1991-1-2:2002, Eurocode 1 — Actions sur les structures — Partie 1-2: Actions générales — Actions sur
les structures exposées au feu
EN 1992-1-2:2004, Eurocode 2: Calcul des structures en béton — Partie 1-2: Règles générales — Calcul du
comportement au feu
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
EN 1994-1-1:2004, Eurocode 4: Calcul des structures mixtes acier-béton — Partie 1-1: Règles générales et
règles pour les bâtiments
EN 1994-1-2:2005, Eurocode 4: Calcul des structures mixtes acier-béton — Partie 1-2: Règles générales -
Calcul du comportement au feu
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent exemple, les termes et définitions suivants s’appliquent en plus de ceux
décrits dans l’ISO/TS 24679:2011, Article 3.
3.1
solive de rive
solive située en façade du parking et parallèle à la façade
3.2
poutre de rive
poutre située en façade du parking et parallèle à la façade
3.3
solive interne
solive située à l’intérieur du parking (solives autres que les solives de rive)
3.4
poutre interne
poutre située à l’intérieur du parking (poutres autres que les poutres de rive)
3.5
PRS
profilé reconstitué soudé
4 Stratégie de conception pour la sécurité incendie des structures
L’ouvrage est un parking aérien. Avec sa configuration largement ventilée et compte tenu du fait que les
sapeurs-pompiers peuvent intervenir facilement, un feu pleinement développé couvrant toute la surface
de plancher est impossible. Par conséquent, selon une étude statistique réalisée sur des incendies réels
dans des parkings aériens largement ventilés, la propagation du feu sera limitée et restera toujours
localisée. Il en résulte qu’un incendie de plusieurs voitures est considéré comme suffisamment pertinent
pour prédire l’impact sur la stabilité structurelle. Une analyse globale de la structure est réalisée pour
évaluer le comportement de l’ossature métallique et de la dalle mixte avec bac acier collaborant non
protégés. Cette approche est basée sur la modélisation en 3D pour la réponse mécanique du plancher
mixte, qui prend en compte l’échauffement localisé et le comportement global de la structure plutôt que
la résistance d’un élément de structure individuel.
5 Quantification de la performance des structures en situation d’incendie
5.1 Tenue au feu des structures – Processus de conception
Les différentes étapes du processus de conception considérées dans l’étude d’ingénierie de la sécurité
incendie qui a été menée sont détaillées dans les paragraphes suivants.
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
5.2 Étape 1 : Domaine d’application du projet relatif à la sécurité incendie des
structures
5.2.1 Caractéristiques de l’ouvrage
Le parking est un bâtiment de 3 étages dont toutes les façades sont ouvertes. Selon la réglementation
française, il s’agit d’un « parking aérien largement ventilé » car il remplit simultanément les conditions
suivantes :
— à chaque niveau, les surfaces d’ouverture dans les parois doivent être placées au moins dans deux
façades opposées ;
— ces surfaces d’ouverture dans les parois doivent au moins être égales à 50 % de la surface totale
de ces façades et correspondre au moins à 5 % de la surface totale de plancher d’un niveau dont la
hauteur par étage est définie comme la hauteur libre sous plafond;
— la distance maximale entre deux façades opposées et ouvertes à l’air libre doit être inférieure à
75 m.
Ce parking contient environ 520 places de parking (130 par niveau). Chaque place de parking occupe
une surface de 2,5 m par 5,0 m. De plus, deux rampes d’accès permettant aux véhicules d’accéder aux
différents niveaux sont prévues sur la rive longitudinale du bâtiment (voir la Figure 1). La surface brute
de chaque plancher est de 31,30 m × 112,65 m. La hauteur totale du bâtiment est de 10,274 m (hauteur
du rez-de-chaussée de 4,658 m et hauteur des autres étages de 2,808 m).
La structure de ce bâtiment est conçue avec les dimensions suivantes :
— portée des solives : 15,5 m ;
— portée des poutres : 10,0 m ;
— espacement des poteaux : 10,0 m dans la direction des poutres et 15,5 m dans la direction des
solives.
Comme le bâtiment est situé dans une région soumise à une forte action sismique, le maître d’ouvrage
a décidé d’utiliser des structures mixtes acier et béton. Cependant, les rampes restent en béton et elles
sont structurellement indépendantes de la zone de stationnement. Par ailleurs, l’espacement des solives
est d’environ 3,33 m, ce qui correspond également à la portée de la dalle mixte de 120 mm d’épaisseur
(constituée d’un bac acier collaborant trapézoïdal de 0,88 mm d’épaisseur).
Les charges appliquées sur les planchers sont les suivantes :
2
— charges d’exploitation : 2,5 kN/m ;
2
— charges permanentes sur le plancher dues à l’étanchéité et aux équipements : 0,2 kN/m pour un
2
niveau intermédiaire et 1,10 kN/m pour le niveau toiture ;
2
— poids propre du plancher (dalle et éléments en acier) : 2,53 kN/m ;
— poids propre de la façade : 0,8 kN/m sur les bords longitudinaux et 2,0 kN/m sur les bords
transversaux.
L’Annexe B donne plus de détails sur la structure.
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
Figure 1 — Vues du parking aérien largement ventilé étudié : vue en plan (image du haut) et vue
en perspective (image du bas)
5.2.2 Charges calorifiques
Afin de parvenir à des solutions de sécurité incendie en matière de résistance au feu de la structure
à la fois réalistes et efficaces, les charges calorifiques ont été caractérisées sur la base des données
scientifiques disponibles en termes de débit calorifique de feux de véhicules, et la propagation du feu
d’une voiture à l’autre a été définie à partir d’essais d’incendies réels de voitures réalisés au CTICM dans
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
le cadre d’un projet de recherche européen [1]. La masse moyenne, la masse de matières combustibles
et l’énergie dégagée pour 5 catégories de voitures européennes sont indiquées dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Masse moyenne d’une voiture, masse de matières combustibles et énergie dégagée
pour différentes catégories de voitures (des années 90)
Masse
d’une Masse de matières Énergie déga-
Catégorie
voiture combustibles (kg) gée (MJ)
(kg)
1 850 200 6 000
2 1 000 250 7 500
3 1 250 320 9 500
4 1 400 400 12 000
5 1 400 400 12 000
Un feu de voitures utilisant du gaz de pétrole liquéfié est considéré comme moins sévère, selon des
essais d’incendie réalisés en France sur ce type de véhicule.
5.2.3 Actions mécaniques
Les actions mécaniques en situation d’incendie sont déterminées conformément à l’EN 1990. Par
conséquent, la combinaison de charges suivante est utilisée :
1,0 G + 0,7 Q
où G est la somme de toutes les charges permanentes et Q est la charge d’exploitation.
Les actions dues à la neige sont considérées comme négligeables car le parking à construire est situé
dans une région tropicale.
En ce qui concerne les charges de vent, elles sont beaucoup plus faibles que les charges sismiques
latérales, donc les systèmes de résistance aux actions sismiques (système de bracons illustré dans
l’Annexe B du présent rapport) sont suffisamment robustes pour résister aux effets du vent qui, en
situation d’incendie, ont un coefficient de combinaison égal à 0,2 (au lieu de 1,5 à l’état limite ultime,
à température normale). Ainsi, les effets du vent en cas d’incendie localisé deviennent également
négligeables au regard de la capacité de résistance de l’ensemble du système de bracons de la structure.
Il faut noter que, selon la réglementation nationale française, l’incendie est déjà considéré comme
une situation accidentelle pour les structures, donc aucune autre action accidentelle n’a besoin d’être
ajoutée.
De plus, étant donné que la surface de plancher prise en compte est importante, selon l’EN 1990 la
charge d’exploitation peut être minorée d’un facteur de 0,8, soit une charge d’exploitation réduite égale
2
à 2,0 kN/m . Par conséquent, les charges de calcul finales du plancher en situation d’incendie sont
2 2
respectivement de 1,60 kN/m et 2,50 kN/m pour un niveau intermédiaire et pour le niveau toiture.
En plus de ces charges réparties de manière uniforme, une charge linéaire de 2,0 kN/m due au poids
propre de la façade est appliquée par mesure de sécurité aux solives et poutres de rive.
5.3 Étape 2 : Identification des objectifs, exigences fonctionnelles et critères de
performance pour la sécurité incendie des structures
Les règlements de sécurité incendie français actuels imposent que le comportement structurel du
bâtiment lorsqu’il est soumis à l’incendie n’augmente pas le risque pour la sécurité des occupants, des
sapeurs-pompiers et des autres personnes se trouvant à proximité du bâtiment.
Pour remplir cet objectif, l’exigence fonctionnelle est qu’il ne se produise pas de ruine du bâtiment
pendant toute la durée de l’incendie, y compris pendant les phases de refroidissement.
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Par conséquent, le critère de performance en termes de stabilité de la structure est le suivant :
— aucune ruine globale du bâtiment, par exemple due à la perte de stabilité des poteaux.
Plus précisément, on considère que la ruine globale est évitée si les critères de performance suivants
sont remplis :
ème
— la flèche maximale de toutes les poutres ne dépasse pas 1/20 de leur portée ;
— la déformation mécanique maximale du treillis soudé reste inférieure à 5 %, car une telle limitation
n’est pas prise en compte directement dans la relation de contrainte-déformation de l’armature.
La limitation de la flèche est introduite pour les deux raisons suivantes :
— pour éviter le risque d’écrasement du béton qui ne peut pas être pris en compte de manière
rigoureuse dans le modèle matériau du logiciel ANSYS ; et
— pour éviter une déformation trop importante de la structure susceptible de remettre en cause les
hypothèses de sollicitations mécaniques.
5.4 Étape 3 : Projet de conception pour la sécurité incendie des structures
Des analyses préliminaires ont été réalisées à température normale, conformément à l’EN 1994-1-1,
afin de dimensionner les différents éléments de structure des planchers mixtes sur la base de la trame
structurelle décrite en 5.2.1.
En ce qui concerne les propriétés des matériaux utilisés pour ce dimensionnement, la nuance de l’acier
de construction est S355, avec une limite d’élasticité de 355 MPa. Le béton est de classe C30/37 avec une
résistance à la compression de 30 MPa. Pour les connecteurs, on utilise des goujons à tête de diamètre
19 mm et de hauteur 100 mm. Une connexion partielle est prévue pour toutes les poutres mixtes. Ainsi,
la répartition des connecteurs sur les profilés métalliques est d’un goujon tous les 207 mm pour les
solives et d’un goujon tous les 200 mm et tous les 150 mm respectivement pour les poutres de rive et
pour les poutres internes. Le Tableau 2 fournit des détails complémentaires concernant cette structure.
Étant donné que l’échauffement des éléments en acier non protégés sera très important (plus de 700 °C),
la résistance au feu du plancher ne peut plus être assurée par une approche classique de résistance
structurelle sans aucune protection incendie. La seule manière d’avoir une structure de plancher
non protégée est que le système de plancher puisse développer un effet membrane à travers lequel la
redistribution des charges devient possible. Pour obtenir ce comportement structurel, un treillis soudé
composé de barres d’acier de 7 mm de diamètre et disposant de mailles identiques de 150 mm dans les
deux directions, est uniformément réparti sur toute la surface et placé à 35 mm de la face non exposée
de la dalle mixte. La nuance des barres d’armature est S500, avec une limite d’élasticité de 500 MPa.
Une autre stratégie adoptée pour ce dimensionnement à l’incendie consiste à utiliser un acier de nuance
S355, qui fournira une résistance au feu plus élevée que les nuances inférieures.
Les poteaux en acier doivent également être traités d’une manière particulière. Il a été décidé de
combiner deux solutions : d’une part, la section en acier des poteaux doit être partiellement enrobée de
béton et d’autre part, la charge qui est appliquée à ces poteaux en situation d’incendie est limitée à 0,35
de leur résistance de calcul à température normale.
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Tableau 2 — Récapitulatif des éléments de structure
Niveaux de plan-
Rez-de-chaussée Niveau intermédiaire Toiture
cher
Poteau
PRS 320×16/300×20
(quatre côtés
−1
(A/V = 110 m )
exposés)
Poutre
PRS 548×15/300×20
(trois côtés
−1
(A/V = 116 m )
exposés)
Solive PRS 548×10/250×20 IPE 500 IPE 550
−1 −1 −1
(trois côtés (A/V = 93 m ) (A/V = 134 m ) (A/V = 124 m )
exposés)
épaisseur : 0,88 mm
Bac acier
Épaisseur totale
120 mm
de la dalle mixte
5.5 Étape 4 : Scénarios d’incendie de dimensionnement et feux de calcul
5.5.1 Scénarios d’incendie de dimensionnement
Pour l’évaluation de la résistance au feu, trois familles de scénarios d’incendie de base sont
[2]
considérées . Elles découlent d’une étude statistique sur les incendies réels dans les parkings aériens
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[3]
largement ventilés et portent sur le nombre de véhicules impliqués dans l’incendie . Comme illustré à
la Figure 2, ces familles de scénarios d’incendie sont les suivantes :
— Incendie de sept véhicules, dont un utilitaire, stationnés dans la même rangée. L’incendie débute au
niveau du véhicule central, puis se propage progressivement aux trois autres véhicules situés de
chaque côté, avec un temps de propagation de 12 min d’un véhicule à l’autre.
— Incendie de quatre véhicules, dont un utilitaire, stationnés dans deux rangées différentes. L’incendie
se propage progressivement du premier véhicule aux trois autres avec un temps de propagation de
12 min d’un véhicule à l’autre.
— Incendie d’un utilitaire situé à n’importe quelle position du plancher.
Les scénarios d’incendie ci-dessus sont plus ou moins les scénarios d’incendie standard imposés
par les autorités françaises bien que, d’après les statistiques mentionnées ci-dessus se rapportant
à des incendies réels dans des parkings aériens largement ventilés, le nombre maximal de véhicules
impliqués dans un incendie n’est jamais supérieur à trois. Il faut noter également que tous les véhicules,
sauf l’utilitaire, sont de classe 3.
Figure 2 — Scénarios d’incendie de base
Ces trois scénarios d’incendie de base doivent être placés aux endroits jugés les plus critiques pour la
stabilité au feu de la structure du parking aérien largement ventilé considéré. Ainsi, pour la structure
de plancher au premier niveau du parking aérien largement ventilé (poteaux et structure de plancher
au-dessus), les scénarios d’incendie suivants sont pris en compte (voir la Figure 3):
— Scénario d’incendie S1.1 : incendie impliquant sept véhicules, dont un utilitaire, situés dans un angle
du parking, à l’endroit où la continuité structurelle n’est présente que sur deux côtés.
— Scénario d’incendie S1.2 : incendie impliquant quatre véhicules, dont un utilitaire, situés en dessous
d’une poutre, à mi-portée, ce qui conduit à l’échauffement le plus sévère pour les poutres.
— Scénario d’incendie S1.3 : incendie impliquant quatre véhicules, dont un utilitaire, situés autour d’un
poteau au rez-de-chaussée, ce qui conduit à l’échauffement le plus sévère pour le poteau (entouré
par les flammes).
— Scénario d’incendie S1.4 : incendie impliquant un véhicule utilitaire situé en rive du plancher mixte
et en dessous à mi-portée d’une solive.
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Figure 3 — Scénarios d’incendie possibles au rez-de-chaussée
Les scénarios d’incendie possibles aux niveaux intermédiaires de la structure sont les suivants (voir la
Figure 4) :
— Scénario d’incendie S2.1 : incendie impliquant sept véhicules, dont un utilitaire, situés dans un angle
du parking, à l’endroit où la continuité structurelle n’est présente que sur deux côtés.
— Scénario d’incendie S2.2 : incendie impliquant sept véhicules, dont un utilitaire, situés en rive du
plancher et sous une solive.
— Scénario d’incendie S2.3 : incendie impliquant quatre véhicules, dont un utilitaire, situés en dessous
d’une poutre, à mi-portée, ce qui conduit à l’échauffement le plus sévère pour les poutres.
— Scénario d’incendie S2.4 : incendie impliquant quatre véhicules, dont un utilitaire, situés autour d’un
poteau du niveau concerné, ce qui conduit à l’échauffement le plus sévère pour le poteau (entouré
par les flammes).
— Scénario d’incendie S2.5 : incendie impliquant un véhicule utilitaire situé en rive du plancher mixte
et en dessous à mi-portée d’une solive.
On remarque que la plupart des scénarios d’incendie aux niveaux intermédiaires sont identiques à ceux
du rez-de-chaussée. La raison pour laquelle ils sont pris en compte séparément est que la hauteur de
l’étage est différente au rez-de-chaussée et aux étages supérieurs.
Figure 4 — Scénarios d’incendie possibles aux niveaux intermédiaires
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ISO/TR 24679-3:2015(F)
Dans le présent rapport, les résultats des calculs pour le rez-de-chaussée et les niveaux intermédiaires
sont donnés pour deux scénarios d’incendie représentatifs, respectivement :
— le scénario d’incendie S1.3 impliquant quatre véhicules situés autour d’un poteau au rez-de-chaussée,
car la longueur de flambement des poteaux en acier au rez-de-chaussée est plus grande
...
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