Fire safety engineering — Performance of structures in fire — Part 8: Example of a probabilistic assessment of a concrete building

This document provides an example of a probabilistic assessment of a concrete building by revisiting the structural fire analysis of the concrete building presented in ISO/TR 24679-6, using probabilistic approaches. Specifically, the most heavily-loaded concrete column is analysed probabilistically, using the evaluation in ISO/TR 24679-6 as a starting point. This report only addresses the fire safety objectives related to the structural performance. The analysis within this document therefore forms only part of the overall building fire safety strategy.

Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en situation d'incendie — Partie 8: Exemple d'évaluation probabiliste d'un bâtiment en béton

Le présent document fournit un exemple d’évaluation probabiliste d’un bâtiment en béton en reprenant l’analyse de la sécurité incendie de la structure du bâtiment en béton présentée dans l’ISO/TR 24679-6 avec des approches probabilistes. Plus précisément, le poteau en béton le plus chargé est analysé de manière probabiliste, en utilisant l’évaluation de l’ISO/TR 24679-6 comme point de départ. Ce rapport traite uniquement des objectifs de sécurité incendie liés à la performance structurale. L’analyse décrite dans le présent document ne constitue donc qu’une partie de la stratégie globale de la sécurité incendie du bâtiment.

General Information

Status
Published
Publication Date
10-May-2022
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
11-May-2022
Completion Date
11-May-2022
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Technical report
ISO/TR 24679-8:2022 - Fire safety engineering — Performance of structures in fire — Part 8: Example of a probabilistic assessment of a concrete building Released:5/11/2022
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Technical report
ISO/TR 24679-8:2022 - Fire safety engineering — Performance of structures in fire — Part 8: Example of a probabilistic assessment of a concrete building Released:5/11/2022
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Standards Content (Sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 24679-8
First edition
2022-05
Fire safety engineering —
Performance of structures in fire —
Part 8:
Example of a probabilistic assessment
of a concrete building
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en
situation d'incendie —
Partie 8: Exemple d'évaluation probabiliste d'un bâtiment en béton
Reference number
ISO/TR 24679-8:2022(E)
© ISO 2022

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ISO/TR 24679-8:2022(E)
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ii
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
3.1 Terms and definitions . 1
3.2 Symbols . 1
4 Design strategy for fire safety of structure . 3
5 Quantification of the performance of structures in fire . 4
5.1 STEP 1: Scope of the project for fire safety of structure . 4
5.1.1 Built-environment characteristics . 4
5.1.2 Fuel loads . 7
5.1.3 Mechanical actions . 7
5.2 STEP 2: Identifying objectives, functional requirements and performance criteria
for fire safety of structures . 9
5.3 STEP 3: Trial plan for fire safety of structures . 9
5.4 STEP 4: Design fire scenarios and design fires . 9
5.5 STEP 5: Thermal response of the structures . 9
5.6 STEP 6: Mechanical response of the structures . 10
5.6.1 Structural model . 10
5.6.2 Stochastic variables . 11
5.6.3 Probabilistic evaluation of the column load bearing capacity .13
5.7 STEP 7: Assessment against the fire safety objectives . 14
5.7.1 Example assessment 1: full probabilistic analysis — user-calculated
analysis . 14
5.7.2 Example assessment 2: full probabilistic analysis — listed fragility curve . 18
5.7.3 Example assessment 3: semi-probabilistic assessment .20
5.8 STEP 8: Documentation of the design for fire safety of structures .22
Bibliography .24
iii
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ISO/TR 24679-8:2022(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 of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to
the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire
safety engineering.
A list of all parts in the ISO 24679 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
iv
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
Introduction
This document provides an example of the application of ISO 24679-1. The procedure in this document
is intended to follow the principles outlined in ISO 24679-1. The clauses of ISO 24679-1 which are
considered relevant to this document are identified and the clause titles are kept the same and in the
same order.
The purpose of this document is to demonstrate the application of the steps outlined in ISO 24679-1 for
fire safety engineering, performance of structures in fire, applying probabilistic methods.
The analysis shows how the achievement of the fire safety objectives, with respect to structural
fire resistance, can be demonstrated through probabilistic analysis. The building is based on a
[2]
demonstration case for Eurocode 2 and is thus conformant with the design requirements of EN 1992-
[5]
1-2 . For this type of building, a probabilistic analysis would generally not be performed. However,
probabilistic analysis can demonstrate the achievement of the fire safety objectives for situations which
are not conformant with standard design guidance.
This document only presents an example application of a probabilistic analysis. More advanced
applications considering system behaviour and stochastic fire exposure are possible. These more
advanced procedures will generally result in an improved understanding of the reasonably foreseeable
structural behaviour in case of fire, and can, for example, be used for an in-depth analysis of the post-
fire structural performance.
Probabilistic methods make engineering assumptions more explicit. This pushes the engineer to
question their competence and promotes an in-depth communication with stakeholders on the intended
structural performance in case of fire.
v
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 24679-8:2022(E)
Fire safety engineering — Performance of structures in
fire —
Part 8:
Example of a probabilistic assessment of a concrete
building
1 Scope
This document provides an example of a probabilistic assessment of a concrete building by revisiting
the structural fire analysis of the concrete building presented in ISO/TR 24679-6, using probabilistic
approaches. Specifically, the most heavily-loaded concrete column is analysed probabilistically, using
the evaluation in ISO/TR 24679-6 as a starting point.
This report only addresses the fire safety objectives related to the structural performance. The analysis
within this document therefore forms only part of the overall building fire safety strategy.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 24679-1, Fire safety engineering — Performance of structures in fire — Part 1: General
3 Terms, definitions and symbols
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 24679-1 apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.2 Symbols
e average eccentricity
E load effect
E design value of E
d
E characteristic load
k
f out-of-straightness
f characteristic concrete compressive strength
ck
1
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
f characteristic steel yield strength
yk
G dead load
G dead load façade
F
G characteristic value of the permanent load effect
k
K model uncertainty for the load effect
E
K model uncertainty for the resistance effect
R
L column height
N design load
ED,fi
p reliability (i.e. probability of failure in the case of a given fire exposure)
s
p failure probability
f
p target maximum failure probability
f,t
P axial load
P load bearing capacity of the column
max
P numerical evaluation of P
max,num max
P characteristic permanent load
Gk
P characteristic imposed load
Qk
P total axial load
T
Q dominant live load effect
Q characteristic value of the imposed load effect
k
R resistance effect
R design value of R
d
R characteristic resistance
k
V coefficient of variation
V coefficient of variation for the load effect
E
V coefficient of variation for the resistance effect
R
Z limit state function
β reliability index
β target reliability index
t
γ safety factor
0
γ load factor
E
γ resistance factor
R
2
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
ε surface emissivity of the member
μ mean value
μ mean value for the load effect
E
μ mean value for the resistance effect
R
σ standard deviation
σ standard deviation for the load effect
E
σ standard deviation for the resistance effect
R
Φ out-of-plumbness; the standard normal cumulative distribution function
χ load ratio (characteristic live load effect relative to total characteristic load effect)
Ψ combination factor for the live load effect
Ψ fire design variable action combination factor
fi
Ø reinforcement bar diameter
4 Design strategy for fire safety of structure
The built environment of this example is an office building, as considered in ISO/TR 24679-6. The
structural elements are composed of concrete.
For the concrete columns, the tabulated fire resistance, under standard thermal action (ISO 834) in
accordance with EN 1992-1-2 is 90 min, while the calculated fire resistance using simplified calculation
[2]
methods is 180 min, as specified in Eurocode 2.
The safety level (i.e. probability of failure) associated with a tabulated or calculated standard fire
resistance is not known. Consequently, there is a possibility that the structure does not behave as
expected during fire exposure, notably because:
— the expectations did not account for the failure probability;
— the real fire conditions and structural behaviour do not match the concept of fire resistance under
standard fire exposure.
These shortcomings can be reduced by:
— conducting a detailed analysis taking into account potential fire scenarios and structural behaviour
for the building system in question, as applied in ISO/TR 24679-6, where the fire was defined taking
into account Reference [3]; or
— conducting a probabilistic assessment of the failure probability for an isolated structural element
exposed to a standard fire, as applied further; or
— a combination of both of the previous bullet points, for example, a full probabilistic analysis
of a structural system, taking into account uncertainties in the fire development and structural
response. This level of analysis can be very computationally expensive.
In the following clauses, a probabilistic assessment is carried out for the example concrete building
(specifically, for the most loaded concrete column), demonstrating confidence in the achievement of the
fire safety objectives.
3
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
5 Quantification of the performance of structures in fire
5.1 STEP 1: Scope of the project for fire safety of structure
5.1.1 Built-environment characteristics
The concrete building considered is the same as that studied in ISO/TR 24679-6. The building
characteristics are re-introduced in this subclause.
The building studied is an open-plan office building without any interior vertical compartmentations,
2
with a glazed façade all around the perimeter. It has a floor area of approximately 420 m and total
2
gross area of 3 360 m . The building is divided into two basement levels, a ground floor and five floors
above ground which are open to the public. The building is 30,25 m long × 14,25 m wide × 25 m high.
The ground floor has a height of 4 m, whereas the upper storeys have a height of 3 m. Elevators and
stair cases are placed in the central core.
The length is divided into five structural bays and the width into two bays. Each bay measures 6 m ×
7,125 m as shown in Figure 1. The building frame is composed of reinforced continuous concrete beams
and columns, supporting concrete floor slabs which are 180 mm thick; the exterior walls are 200 mm
thick; the columns are 500 mm × 500 mm wide, and the beams are 400 mm deep × 250 mm wide.
Dimensions in metres
4
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
Figure 1 — Plan and elevation of the structure
The structure includes three kinds of structural members: reinforced concrete columns, beams and
2
slabs. The cross-section of the column is equal to 0,25 m and is presented in Figure 2 (Key element 1,
longitudinal reinforcement).
For the first floor, the height of the column is equal to 4 m whereas the upper storeys have a column
height of 3 m. The materials are:
— Concrete: C30/37 (Note: 30 and 37 are the characteristic cylinder and cube compressive strengths
respectively in MPa);
— Steel: hot rolled, Grade 500, Class B.
Dimensions in millimetres
Key
1 longitudinal reinforcement
Figure 2 — Column cross-section
The reinforcement in the column and the axis distance are presented in Table 1.
5
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
Table 1 — Column reinforcements and the axis distance of reinforcements.
Column Ø Axis distance
mm mm
Longitudinal reinforcement 12 Ø 20 52
Stirrups Ø 12/200 36
In Figure 3, the cross-sections of the beams are illustrated, and in Figure 4 the concrete slab and
reinforcement is presented (180 mm thick). As the analysis further focuses on the most-loaded concrete
column, no further details regarding the beams and slabs are given here.
Dimensions in millimetres
a) Cross-section at mid-span b) Cross-section at intermediate support
Figure 3 — Continuous beam cross-section
Dimensions in millimetres
NOTE The terms "UPPER" and "LOWER" in this figure refer to the upper side and lower side measurements,
respectively.
Figure 4 — Reinforcement distribution in the slab
6
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
5.1.2 Fuel loads
The building is an office space with cellulosic (i.e. majority of fuel load), plastic and miscellaneous type
fuel, which is assumed to be uniformly distributed throughout the compartment. The fuel load varies
greatly depending on the building types and available guidance provides typical ranges.
Commonly, structural fire performance requirements are stated with respect to the ISO 834 standard
fire curve. This is also the approach followed in the analysis below. For a consideration of fire
development through parametric (natural) fire exposure, reference is made to ISO/TR 24679-6.
The application of the ISO 834 standard fire curve has the advantage of clarity and ease of
communication, as no further engineering assumptions nor calculations have to be made. This comes
at the cost of reduced correspondence with actual compartment fire development. Notably, the ISO 834
standard fire ought to be considered as a reference exposure, not as a realistic representation of fire.
In other words, performance relative to the ISO 834 standard fire exposure is applied as a well-
understood proxy for performance during any of the wide range of natural fires. Capturing a severe fire
exposure, the standard fire exposure is set at 240 min (4 h) of ISO 834.
5.1.3 Mechanical actions
Dead and live loads are presented in Table 2.
Table 2 — Loads
Load name Value of load
3
Self-weight 25 kN/m
Dead load
2
Finishing, pavement, embedded services, partition 1,5 kN/m
2
Live/variable load Office 4 kN/m
The concrete column with the highest design load is considered further. The design load is determined
in a single (deterministic) analysis considering the load combination using Formula (1), in accordance
with Reference [4]:
GQ+ψ (1)
2,
where
G is the permanent load effect;
Q is dominant live load effect;
ψ = 0,6 is the combination factor, accounting for the low likelihood of fire coincidence with a high
2
realization of the live load effect.
The distribution of loads between the columns was calculated using an advanced model (finite element
model in 3D, see ISO/TR 24679-6). The loads applied in this model are summarized in Table 3.
Table 3 — Used loads in detailed structural analysis
  Unit
Slab Dead load (G) 0,18 × 25 + 1,5 6
2
Live load (Q) 4 4 kN/m
Total load G + 0,6Q 8,4
Exterior beams Dead load (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5
Dead load façade (G ) 8 8 kN/m
F
Total load G + G 10,5
F
7
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
Table 3 (continued)
  Unit
Interior beams Dead load (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5 kN/m
Total load G 2,5
The resulting loads on the columns are indicated in Figure 5. The most loaded concrete column is
evaluated further as a critical element, taking into account pinned connections for further analysis
in isolation. The evaluation of the critical column as pinned ignores redistribution to other structural
members and ensures that the analysis of the element can be performed in isolation.
Considering a design load, N , of 2,8 MN for the most loaded column, as evaluated in ISO/TR 24679-6,
ED,fi
a fire design variable action combination factor Ψ = 0,60, and evaluating the load ratio χ =+QQ/( G )
fi kk k
as 0,40, the characteristic value of the permanent load, P , and imposed load, P , on the column are
Gk Qk
evaluated using Formula (2):
χ
 
NP=+ψψPP=+1 (2)
ED,fiGkfiQkGkf i 
1−χ
 
where
P = 2 000 kN
Gk
P = 1 333 kN
Qk

Figure 5 — Total design loads on concrete columns above
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
5.2 STEP 2: Identifying objectives, functional requirements and performance criteria
for fire safety of structures
In agreement with ISO/TR 24679-6, the objectives of structural fire safety in this document are:
— life safety of occupants, fire-fighters and others in the vicinity of building in terms of structural
behaviour of the building in the event of fire, including search and rescue operations;
— conservation of property and continuity of operation.
Considering that the stability of the columns is crucial for the overall performance of the structure,
and that columns in the ground floor are the most heavily loaded and have the greatest length, the
functional requirement is:
— no loss of stability for the most loaded ground floor column, considering 240 min of ISO 834 standard
fire exposure.
This functional requirement considers the ISO 834 standard fire exposure as a common point of
reference in structural fire engineering. This functional requirement does not explicitly consider the
[6]
cooling phase of realistic fires, although cooling phase performance is known to be a key issue .
Instead, it addresses cooling phase performance through a deemed-to-be-conservative assessment of
the fire severity (ISO 834 standard heating regime duration); see also 5.4.
Imperfections in the column geometry and stochastic variations in the concrete compressive strength,
steel yield strength and concrete cover imply uncertainty with respect to the column performance.
Accounting for this uncertainty, the performance criterion selected to fulfil the above objectives and
functional requirements, and confirmed through stakeholder consultation, is:
— structural stability of the most loaded ground floor column, considering 240 min of ISO 834 standard
fire, is to be maintained with a reliability, p of 99,5 % (i.e. a probability of failure given the fire
s,
-3
exposure of no more than 0,5 %, i.e. p ≤ 5·10 ).
f
5.3 STEP 3: Trial plan for fire safety of structures
The concrete building considered here has been designed for the ambient temperature. Achievement
of the fire safety objectives with regard to structural fire resistance does not rely on any additional
passive or active measures.
5.4 STEP 4: Design fire scenarios and design fires
The design fire has (hypothetically) been set at 240 min of exposure to the ISO 834 standard fire.
Achieving the performance requirement of maintaining stability for the most loaded column with
99,5 % reliability with this conventional fire exposure is deemed appropriate for ensuring the structural
performance when exposed to any (reasonably possible) real fire development.
In other words, all possible design fire scenarios are aggregated into a single conventional design fire
for ease of communication.
As noted in Clause 4, analyses whereby the fire exposure itself is also evaluated probabilistically are
possible. The conceptual benefits of this more elaborate approach have to be weighed against the
additional computational costs and complexity (both in terms of the calculation and the communication
of the results).
5.5 STEP 5: Thermal response of the structures
The thermal response of the concrete column is evaluated deterministically considering the following
[5]
thermal and physical properties, based on Eurocode 2:
— water content: 2,0 % of mass;
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
3
— concrete density: 2 400 kg/m ;
[5]
— thermal conductivity: average between the upper and lower limit given in Eurocode 2 ;
— siliceous aggregates;
— emissivity related to the concrete surface: 0,7;
2
— the coefficient of heat transfer by convection is taken as 25 W/(m ·K) (on all 4 sides);
— initial temperature: 20 °C.
With respect to the thermal response, a probabilistic analysis can also be applied. In the current
evaluation, the uncertainty regarding the thermal properties of the concrete column is aggregated with
the uncertainty on the fire exposure, both of which are taken into account through the deterministic
ISO 834 standard fire exposure in accordance with Reference [5].
The heat transfer to the column has been calculated using an advanced model (see Reference [7]). The
temperature distribution at 240 min of exposure is visualized in Figure 6.
Key
T temperature
TEMPERATURE PLOT
TIME: 14 400 s
Figure 6 — Temperature in column cross-section, at 4 h of ISO 834 standard fire exposure
5.6 STEP 6: Mechanical response of the structures
5.6.1 Structural model
The column is modelled in Reference [7].
In ISO/TR 24679-6, a 3D model was considered with the columns clamped at the bottom and with lateral
and rotational restraint by the remainder of the structure experienced at their connection to the floor
slab. As the column is considered in isolation here, a 2D analysis is performed. The column is modelled
with a pinned support at the bottom, considering that there are 2 basement levels underneath the
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ISO/TR 24679-8:2022(E)
ground floor, and a roller support at the top (lateral restraint, but no rotational restraint). Neglecting
rotational restraint results in a more onerous evaluation as rotational restraint helps reduce the lateral
deformation of the column, but allows for the column to be modelled in isolation. Building system
effects are deemed to be accounted for through the onerous assessment of the most loaded column.
The 4 m long column is modelled using 10 beam elements. As listed in ISO/TR 24679-6, the structural
[7]
fire analysis considers the following points:
a) the Bernoulli Hypothesis;
b) effects of non-uniform temperature distribution in the section (this is considered through a fibre
model);
c) fracture energy (however, shear energy of the plane sections in the finite elements is ignored);
d) plastifications (in the longitudinal direction of beam elements only, meaning that uniaxial
constitutive models are used in the beam element);
e) large displacements (however, strains are assumed to be small).
For a given realization of the column characteristics (concrete compressive strength, steel yield stress,
steel yield stress retention (reduction) factor and geometry, see 5.6.2) and axial load, P, the deformation
of the column and the time of structural failure are evaluated; see Figure 7, for example. The time of
structural failure is evaluated considering a resolution of 1 min.
Key
X ISO 834 standard fire duration (min)
Y mid-height lateral displacement (m)
Figure 7 — Example of mid-height lateral deflection of a column according to the ISO 834
standard fire duration, and indication of assessed time of structural failure
5.6.2 Stochastic variables
The performance criterion requires the column to have a high reliability of maintaining structural
stability up to 240 min of exposure to the ISO 834 standard fire. The achieved reliability is evaluated
by taking into account the uncertainties associated with the characteristics (parameters) defining the
column. The considered stochastic parameters and their probabilistic models are listed in Table 4. The
11
© ISO 2022 – All
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 24679-8
Première édition
2022-05
Ingénierie de la sécurité incendie —
Performance des structures en
situation d'incendie —
Partie 8:
Exemple d'évaluation probabiliste
d'un bâtiment en béton
Fire safety engineering — Performance of structures in fire —
Part 8: Example of a probabilistic assessment of a concrete building
Numéro de référence
ISO/TR 24679-8:2022(F)
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives .1
3 Termes, définitions et symboles . 1
3.1 Termes et définitions . 1
3.2 Symboles . 1
4 Stratégie de conception relative à la sécurité incendie des structures .3
5 Quantification de la performance de la structure en situation d’incendie .4
5.1 ÉTAPE 1: domaine d’application du projet relatif à la sécurité incendie
des structures . 4
5.1.1 Caractéristiques de l’ouvrage . 4
5.1.2 Actions calorifiques . 7
5.1.3 Actions mécaniques . 7
5.2 ÉTAPE 2: identification des objectifs, des exigences fonctionnelles et des critères
de performance relatifs à la sécurité incendie des structures . 9
5.3 ÉTAPE 3: projet de conception relatif à la sécurité incendie des structures . 10
5.4 ÉTAPE 4: scénarios d’incendie de dimensionnement et feux de dimensionnement . 10
5.5 ÉTAPE 5: réponse thermique des structures . 10
5.6 ÉTAPE 6: Réponse mécanique des structures . 11
5.6.1 Modèle structural . 11
5.6.2 Variables stochastiques.12
5.6.3 Évaluation probabiliste de la capacité portante du poteau . 14
5.7 ÉTAPE 7: évaluation des objectifs de sécurité incendie. 14
5.7.1 Exemple d’évaluation 1: analyse probabiliste complète – analyse calculée
par l’utilisateur . 14
5.7.2 Exemple d’évaluation 2: analyse probabiliste complète – courbe de fragilité
répertoriée . . 19
5.7.3 Exemple d’évaluation 3: évaluation semi-probabiliste . 21
5.8 ÉTAPE 8: Documentation de conception relative à la sécurité incendie des
structures . 24
Bibliographie .25
iii
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ISO/TR 24679-8:2022(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 attirée 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 nature volontaire des normes, 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’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 4,
Ingénierie de la sécurité au feu.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 24679 se trouve sur le site web de l’ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
iv
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Introduction
Le présent document fournit un exemple de l’application de l’ISO 24679-1. La procédure présentée
dans le présent document est destinée à suivre les principes décrits dans l’ISO 24679-1. Les articles
et paragraphes de l’ISO 24679-1 considérés comme pertinents pour le présent document sont identifiés;
ils conservent le même titre et apparaissent dans le même ordre.
L’objectif du présent document est de faire une démonstration de l’application des étapes décrites dans
l’ISO 24679-1 pour l’ingénierie de la sécurité incendie et la performance des structures en situation
d’incendie en appliquant des méthodes probabilistes.
L’analyse montre comment l’atteinte des objectifs de sécurité incendie, en ce qui concerne la résistance
au feu de la structure, peut être démontrée par une analyse probabiliste. Le bâtiment est basé sur un cas
[2]
de démonstration pour l’Eurocode 2 et est donc conforme aux exigences de conception de l’EN 1992-
[5]
1-2. Pour ce type de bâtiment, une analyse probabiliste ne serait généralement pas effectuée.
Cependant, l’analyse probabiliste peut démontrer l’atteinte des objectifs de sécurité incendie pour des
situations qui ne sont pas conformes aux recommandations de conception types.
Le présent document présente uniquement un exemple d’application d’une analyse probabiliste.
Des applications plus avancées prenant en compte le comportement du système et l’exposition
stochastique au feu sont possibles. Ces procédures plus avancées permettent généralement de mieux
comprendre le comportement raisonnablement prévisible de la structure en cas d’incendie et peuvent,
par exemple, être utilisées pour une analyse approfondie de la performance de la structure après
l’incendie.
Les méthodes probabilistes rendent les hypothèses d’ingénierie plus explicites. Cela pousse l’ingénieur
à remettre en question ses compétences et favorise une communication approfondie avec les parties
prenantes sur la performance de la structure prévue en cas d’incendie.
v
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 24679-8:2022(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des
structures en situation d'incendie —
Partie 8:
Exemple d'évaluation probabiliste d'un bâtiment en béton
1 Domaine d’application
Le présent document fournit un exemple d’évaluation probabiliste d’un bâtiment en béton en reprenant
l’analyse de la sécurité incendie de la structure du bâtiment en béton présentée dans l’ISO/TR 24679-6
avec des approches probabilistes. Plus précisément, le poteau en béton le plus chargé est analysé
de manière probabiliste, en utilisant l’évaluation de l’ISO/TR 24679-6 comme point de départ.
Ce rapport traite uniquement des objectifs de sécurité incendie liés à la performance structurale.
L’analyse décrite dans le présent document ne constitue donc qu’une partie de la stratégie globale de la
sécurité incendie du bâtiment.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. 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 24679-1, Ingénierie de la sécurité incendie — Performances des structures en situation d’incendie —
Partie 1: Généralités
3 Termes, définitions et symboles
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 24679-1 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.2 Symboles
e excentricité moyenne
E effet d’action
E valeur de calcul de l'effet des actions E
d
E valeur caractéristique de l’action
k
f flambement
1
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
f valeur caractéristique de la résistance à la compression du béton
ck
f valeur caractéristique de la limite d’élasticité de l’acier
yk
G action permanente
G action permanente de la façade
F
G valeur caractéristique de l’effet d’action permanente
k
K incertitude du modèle pour l’effet d’action
E
K incertitude du modèle pour l’effet de résistance
R
L hauteur du poteau
N valeur de calcul de l'effet des actions
ED,fi
p fiabilité (c’est-à-dire probabilité de rupture en cas d’une exposition au feu donnée)
s
p probabilité de rupture
f
p probabilité de rupture maximale cible
f,t
P action axiale
P capacité portante du poteau
max
P évaluation numérique de P
max,num max
P valeur caractéristique d'action permanente
Gk
P valeur caractéristique d'action d’exploitation
Qk
P action axiale équivalente
T
Q effet d'action d’exploitation dominante
Q valeur caractéristique de l’effet d’action d’exploitation
k
R effet de résistance
R valeur de calcul d'une résistance de R
d
R valeur caractéristique de résistance
k
V coefficient de variation
V coefficient de variation pour l’effet d’action
E
V coefficient de variation pour l’effet de résistance
R
Z fonction d’états limites
β indice de fiabilité
β indice cible de fiabilité
t
γ facteur de sécurité
0
γ facteur d’action
E
2
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
γ coefficient de résistance
R
ε émissivité de la surface de l’élément
μ valeur moyenne
μ valeur moyenne pour l’effet d’action
E
μ valeur moyenne pour l’effet de résistance
R
σ écart-type
σ écart-type pour l’effet d’action
E
σ écart-type pour l’effet de résistance
R
Φ écart de verticalité: fonction de répartition de la loi normale standard
χ niveau de chargement (effet d’action d’exploitation caractéristique par rapport à l’effet d’action
totale caractéristique)
Ψ facteur de combinaison pour l’effet d’action d’exploitation
Ψ facteur de combinaison d’action variable de dimensionnement en cas d’incendie
fi
Ø diamètre des barres d’armature
4 Stratégie de conception relative à la sécurité incendie des structures
L’ouvrage de cet exemple est un immeuble de bureaux, tel que pris en compte dans l’ISO/TR 24679-6.
Les éléments structuraux sont constitués de béton.
Pour les poteaux en béton, la valeur tabulée de la résistance au feu normalisé, sous action thermique
standard (ISO 834) conformément à l’EN 1992-1-2 est de 90 min, tandis que la résistance au feu calculée
[2]
à l’aide de méthodes de calcul simplifiées est de 180 min, comme spécifié dans l’Eurocode 2.
Le niveau de sécurité (c’est-à-dire la probabilité de rupture) associé à une résistance au feu tabulée
ou calculée sous une action normalisée n’est pas connu. Par conséquent, il est possible que la structure
ne se comporte pas comme prévu pendant l’exposition au feu, notamment parce que:
— les attentes ne tenaient pas compte de la probabilité de rupture;
— les conditions réelles d’incendie et le comportement des structures ne correspondent pas au concept
de résistance au feu sous une exposition au feu normalisé.
Ces insuffisances peuvent être réduites:
— en effectuant une analyse détaillée tenant compte des scénarios d’incendie potentiels et
du comportement structurel du système de construction en question, comme indiqué dans
l’ISO/TR 24679-6, où l’incendie a été défini en tenant compte de la Référence [3]; ou
— en effectuant une évaluation probabiliste de la probabilité de rupture d’un élément structurel isolé
exposé à un incendie normalisé, comme appliqué plus loin; ou
— en combinant les deux points précédents, par exemple, une analyse probabiliste complète d’un
système structural, prenant en compte les incertitudes dans le développement du feu et la réponse
structurale. Ce niveau d’analyse peut être très coûteux en matière de calcul.
Dans les articles suivants, une évaluation probabiliste est effectuée pour l’exemple de bâtiment en
béton (spécifiquement, pour le poteau en béton le plus chargé), démontrant la confiance dans l’atteinte
des objectifs de sécurité incendie.
3
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
5 Quantification de la performance de la structure en situation d’incendie
5.1 ÉTAPE 1: domaine d’application du projet relatif à la sécurité incendie
des structures
5.1.1 Caractéristiques de l’ouvrage
Le bâtiment en béton considéré est le même que celui qui est étudié dans l’ISO/TR 24679-6.
Les caractéristiques du bâtiment sont réintroduites dans le présent paragraphe.
Le bâtiment étudié est un immeuble de bureaux en espace ouvert sans cloisonnements verticaux
intérieurs, avec une façade vitrée tout autour du périmètre. Il présente une surface de plancher
2 2
d’environ 420 m et une superficie brute totale de 3 360 m . Le bâtiment est divisé en deux sous-
sols, un rez-de-chaussée et cinq étages au-dessus du sol qui sont ouverts au public. Il mesure 30,25 m
(longueur) × 14,25 m (largeur) × 25 m (hauteur). Le rez-de-chaussée a une hauteur de 4 m, tandis que
les étages supérieurs ont une hauteur de 3 m. Les ascenseurs et les cages d’escaliers sont placés dans le
noyau central.
La longueur est divisée en cinq travées structurales et la largeur en deux travées. Chaque travée
mesure 6 m × 7,125 m, comme représenté à la Figure 1. La structure du bâtiment est composée
de poutres en béton armé continu et de poteaux qui supportent les dalles de plancher en béton de
180 mm d’épaisseur; les murs extérieurs ont une épaisseur de 200 mm; les poteaux ont une section
de 500 mm × 500 mm et les poutres mesurent 400 mm (hauteur) × 250 mm (largeur).
Dimensions en mètres
4
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Figure 1 — Plan et élévation de la structure
La structure inclut trois types d’éléments structuraux: des poteaux, des poutres et des dalles en béton
2
armé. La section transversale du poteau est égale à 0,25 m et est représentée à la Figure 2 (point 1 de
la légende, armature longitudinale).
Pour le premier étage, la hauteur du poteau est égale à 4 m, tandis que la hauteur de poteau des étages
supérieurs est de 3 m. Les matériaux sont:
— béton: C30/37 (Note: 30 et 37 sont respectivement les résistances caractéristiques à la compression
sur cube et sur cylindre, en MPa);
— acier: laminé à chaud, qualité 500, classe B.
Dimensions en millimètres
Légende
1 armature longitudinale
Figure 2 — Section transversale de poteau
L’armature du poteau et la distance axiale sont présentées dans le Tableau 1.
5
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Tableau 1 — Armatures de poteau et distance axiale des armatures
Poteau Ø Distance axiale
mm mm
Armature longitudinale 12 × Ø 20 52
Étriers Ø 12/200 36
Les sections transversales des poutres sont représentées à la Figure 3 et la dalle en béton et
l’armature (180 mm d’épaisseur) sont représentées à la Figure 4. Comme l’analyse se centre davantage
sur le poteau en béton le plus chargé, aucun autre détail concernant les poutres et les dalles n’est donné
dans le présent document.
Dimensions en millimètres
a) Section transversale à mi-portée b) Section transversale au niveau d’un appui
intermédiaire
Figure 3 — Section transversale de la poutre continue
Dimensions en millimètres
NOTE Les termes « SUPÉRIEURE » et « INFÉRIEURE » dans cette figure font respectivement référence aux
mesures de la face supérieure et de la face inférieure.
Figure 4 — Répartition de l’armature dans la dalle
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
5.1.2 Actions calorifiques
Le bâtiment est un espace de bureau présentant des combustibles de type cellulosique (représentant la
majorité de l’action calorifique), plastique et divers, présumés uniformément répartis dans l’ensemble
du compartiment. L’action calorifique varie considérablement en fonction des types de bâtiments et les
plages typiques sont indiquées dans les documents-guides disponibles.
En général, les exigences en matière de résistance au feu des structures sont énoncées par rapport
à la courbe de feu normalisé ISO 834. C’est également l’approche suivie dans l’analyse ci-après. Pour un
examen du développement du feu par l’exposition au feu paramétrique (naturel), il est fait référence
à l’ISO/TR 24679-6.
L’application de la courbe de feu normalisé ISO 834 présente l’avantage de la clarté et de la facilité de
communication, car il n’est pas nécessaire de faire d’autres hypothèses ou calculs techniques. Cela se fait
au prix d’une correspondance réduite avec le développement réel du feu de compartiment. Notamment,
le feu normalisé ISO 834 est à considérer comme une exposition de référence, et non comme une
représentation réaliste du feu.
En d’autres termes, la performance relative à l’exposition au feu normalisé ISO 834 est appliquée comme
une approximation bien comprise de la performance pendant l’un des nombreux incendies naturels.
Pour refléter une exposition au feu intense, l’exposition au feu normalisé ISO 834 est fixée à 240 min
(4 h).
5.1.3 Actions mécaniques
Les actions permanentes et les actions d’exploitation sont présentées dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Actions
Nom de l’action Valeur de l’action
3
Poids propre 25 kN/m
Action permanente
2
Second œuvre, dallage, services intégrés, cloison 1,5 kN/m
2
Action d’exploitation/variable Bureau 4 kN/m
Le poteau en béton présentant l’action de dimensionnement la plus élevée est pris en compte plus
loin. L’action de dimensionnement est déterminée dans une analyse unique (déterministe) prenant en
compte la combinaison d’actions en utilisant la Formule (1), conformément à la Référence [4]:
GQ+ψ (1)
2,

G est l’effet d’action permanente;
Q est l’effet d’action d’exploitation dominante;
ψ = 0,6
est le facteur de combinaison, tenant compte de la faible probabilité que le feu coïncide
2
avec un effet élevé de l’action d’exploitation.
La répartition des actions entre les poteaux a été calculée à l’aide d’un modèle avancé (modèle par
éléments finis en 3D, voir ISO/TR 24679-6). Les actions appliquées dans ce modèle sont résumées dans
le Tableau 3.
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Tableau 3 — Actions utilisées dans l’analyse structurale détaillée
  Unité
Dalle Action permanente (G) 0,18 × 25 + 1,5 6
2
Action d’exploitation (Q) 4 4 kN/m
Action totale G + 0,6Q 8,4
Poutres exté- Action permanente (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5
rieures
Action permanente de la façade (G ) 8 8 kN/m
F
Action totale G + G 10,5
F
Poutres inté- Action permanente (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5 kN/m
rieures
Action totale G 2,5
Les actions supportées par les poteaux sont indiquées à la Figure 5. Le poteau en béton le plus chargé
est évalué plus loin en tant qu’élément critique, en tenant compte des connexions articulées pour une
analyse approfondie d'un élément isolé. L’évaluation du poteau critique considéré comme étant articulé
néglige la redistribution vers les autres éléments de la structure et garantit que l’analyse de l’élément
peut être effectuée de manière isolée.
En prenant en compte une action de dimensionnement, N , de 2,8 MN pour le poteau le plus chargé,
ED,fi
telle qu’évaluée dans l’ISO/TR 24679-6, un facteur de combinaison d’action variable de dimensionnement
en cas d’incendie Ψ = 0,60 et en évaluant le niveau de chargement χ =+QQ/( G ) à 0,40, la valeur
fi kk k
caractéristique de l’action permanente, P , et de l’action d’exploitation, P , sur le poteau sont évaluées
Gk Qk
à l’aide de la Formule (2):
χ
 
NP=+ψψPP=+1 (2)
ED,fiGkfiQkGkf i 
1−χ
 

P = 2 000 kN
Gk
P = 1 333 kN
Qk
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Figure 5 — Actions de dimensionnement totales sur les poteaux en béton ci-dessus
5.2 ÉTAPE 2: identification des objectifs, des exigences fonctionnelles et des critères de
performance relatifs à la sécurité incendie des structures
Selon l’ISO/TR 24679-6, les objectifs de sécurité incendie des structures dans le présent document sont:
— la sécurité des occupants, des pompiers et des autres personnes à proximité du bâtiment concernant
le comportement structural du bâtiment en cas d’incendie, y compris pendant les opérations
de recherche et de sauvetage;
— la sauvegarde des biens et la continuité des activités.
Considérant que la stabilité des poteaux est cruciale pour la performance globale de la structure, et
que les poteaux du rez-de-chaussée sont les plus chargés et les plus longs, l’exigence fonctionnelle est la
suivante:
— aucune perte de stabilité pour le poteau du rez-de-chaussée le plus chargé, pendant une durée
de 240 min d’exposition au feu normalisé ISO 834.
Cette exigence fonctionnelle considère l’exposition au feu normalisé ISO 834 comme un point de
référence commun dans l’ingénierie incendie structurale. Cette exigence fonctionnelle ne prend pas
explicitement en compte la phase de refroidissement des incendies réels, bien que la performance de la
[6]
phase de refroidissement soit considérée comme un point essentiel. Elle aborde plutôt la performance
de la phase de refroidissement par le biais d’une évaluation jugée prudente de la gravité de l’incendie
(durée du régime de chauffage normalisé ISO 834); voir également 5.4.
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ISO/TR 24679-8:2022(F)
Les imperfections de la géométrie du poteau et les variations stochastiques de la résistance à
la compression du béton, de la limite d’élasticité de l’acier et de l’enrobage de béton impliquent
une incertitude quant à la performance du poteau. Compte tenu de cette incertitude, le critère de
performance sélectionné pour satisfaire aux objectifs et aux exigences fonctionnelles ci-dessus et
confirmé par la consultation des parties prenantes, est le suivant:
— la stabilité structurelle du poteau le plus chargé du rez-de-chaussée, exposé à un feu normalisé
ISO 834 pendant une durée de 240 min doit être assurée avec une fiabilité, p , de 99,5 % (c’est-à-
s
dire une probabilité de rupture qui ne doit pas dépasser 0,5 % compte tenu de l’exposition au feu,
–3
c’est-à-dire p ≤ 5·10 ).
f
5.3 ÉTAPE 3: projet de conception relatif à la sécurité incendie des structures
L’immeuble en béton considéré dans le présent document a été conçu pour la température ambiante.
L’atteinte des objectifs de sécurité incendie en matière de résistance au feu des structures ne repose
pas sur des mesures passives ou actives supplémentaires.
5.4 ÉTAPE 4: scénarios d’incendie de dimensionnement et feux de dimensionnement
Le feu de dimensionnement a été fixé (par hypothèse) à 240 min d’exposition au feu normalisé ISO 834.
L’atteinte de l’exigence de performance consistant à maintenir la stabilité du poteau le plus chargé avec
une fiabilité de 99,5 % dans le cadre de cette exposition au feu conventionnelle est jugée appropriée
pour garantir la performance structurelle en cas d’exposition à tout feu réel (raisonnablement possible).
En d’autres termes, tous les scénarios possibles d’incendie de dimensionnement sont regroupés en un
seul feu de dimensionnement conventionnel pour faciliter la communication.
Comme indiqué à l’Article 4, il est possible d’effectuer des analyses dans lesquelles l’exposition au
feu proprement dite est également évaluée de manière probabiliste. Les avantages conceptuels de
cette approche plus élaborée sont à comparer aux coûts du calcul et à la complexité supplémentaires
(tant au niveau du calcul que de la communication des résultats).
5.5 ÉTAPE 5: réponse thermique des structures
La réponse thermique du poteau en béton est évaluée de manière déterministe en considérant les
[5]
propriétés thermiques et physiques suivantes, basées sur l’Eurocode 2:
— teneur en eau: 2,0 % en masse;
3
— densité du béton: 2 400 kg/m ;
[5]
— conductivité thermique: moyenne entre la limite supérieure et inférieure donnée dans l’Eurocode 2;
— agrégats siliceux;
— émissivité relative à la surface du béton: 0,7;
2
— le coefficient de transfert thermique par convection est fixé à 25 W/(m ·K) (sur les 4 côtés);
— température initiale: 20 °C.
...

Questions, Comments and Discussion

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