Fire safety engineering — Performance of structures in fire — Part 6: Example of an eight-storey office concrete building

ISO/TR 24679-6:2017 provides an example of fire safety engineering design in the application of ISO 24679‑1 to an office building. In ISO/TR 24679-6:2017, an overall structural analysis of a building is undertaken. It consists in a numerical assessment of the structural performance of an eight-storey concrete building when subjected to a fire. This analysis is performed in order to demonstrate that the fire safety objectives, for the relevant design fire scenarios, due to structural behaviour of building in the event of fire, are met with the trial plan for the safety of structure. With regards to this, a fully developed fire was studied. The purpose of this document is to assess the performance of an office building which is fully accessible to public in case of fire, using ISO 24679‑1. In this respect, a critical design fire was identified and analysed using detailed fire modelling. A more detailed analysis was then performed for critical design fire using the finite element model. The advanced model provided all the comprehensive information necessary for analysing the given built environment with respect to fire safety. It is to be noted that this document only addresses the fire safety objectives related to the structural performance during fire. The analysis within this document is therefore only part of the overall building fire safety strategy.

Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en situation d'incendie — Partie 6: Exemple d'un immeuble de bureaux de huit étages en béton

L'ISO 24679-6:2017 donne un exemple de conception d'ingénierie de la sécurité incendie dans l'application de l'ISO 24679‑1 à un immeuble de bureaux. Dans le présent document, une analyse structurale globale d'un immeuble est mise en ?uvre. Celle-ci consiste en une évaluation numérique de la performance structurale d'un immeuble de huit étages en béton exposé à un incendie. Cette analyse est réalisée dans le but de démontrer que les objectifs de sécurité incendie, pour les scénarios d'incendie de dimensionnement correspondants, sont atteints avec le projet de solution de conception de la sécurité de la structure grâce au comportement structural du bâtiment en cas d'incendie. À cet égard, un feu pleinement développé a été étudié. L'objectif du présent document est d'évaluer les performances en cas d'incendie d'un immeuble de bureaux entièrement accessible au public en s'appuyant sur l'ISO 24679‑1. Dans ce contexte, un feu de dimensionnement enveloppe a été identifié et analysé à l'aide d'une modélisation de feu détaillée. Une analyse plus détaillée a ensuite été réalisée pour le feu de dimensionnement enveloppe à l'aide des modèles par éléments finis. Le modèle avancé a fourni l'ensemble des informations exhaustives nécessaires à l'analyse de l'environnement bâti donné concernant la sécurité incendie. Il est à noter que le présent document traite uniquement des objectifs de sécurité incendie liés à la performance structurale au cours de l'incendie. L'analyse décrite dans le présent document n'est donc qu'une partie de la stratégie globale de la sécurité incendie du bâtiment.

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Published
Publication Date
05-Dec-2017
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
14-Nov-2017
Completion Date
06-Dec-2017
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Technical report
ISO/TR 24679-6:2017 - Fire safety engineering -- Performance of structures in fire
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ISO/TR 24679-6:2017 - Ingénierie de la sécurité incendie -- Performance des structures en situation d'incendie
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 24679-6
First edition
2017-12
Fire safety engineering —
Performance of structures in fire —
Part 6:
Example of an eight-storey office
concrete building
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des structures en
situation d'incendie —
Partie 6: Exemple d'un immeuble de bureaux de huit étages en béton
renforcé
Reference number
ISO/TR 24679-6:2017(E)
ISO 2017
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2017, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

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ISO/TR 24679-6:2017(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 ......................................................................................................................................................................................................... 2

4 Design strategy for fire safety of structure ............................................................................................................................... 3

4.1 General design process for fire safety of structures ............................................................................................... 3

4.2 Guidance of practical design process for fire safety of structure ................................................................ 3

5 Qualification of the performance of structures in fire .................................................................................................. 3

5.1 STEP 1: Scope of the project for fire safety of structure ...................................................................................... 3

5.1.1 Built-environment characteristics .................................................................................................................... 3

5.1.2 Fuel loads ............................................................................................................................................................................... 6

5.1.3 Mechanical actions ......................................................................................................................................................... 7

5.2 STEP 2: Identifying objectives, functional requirements, and performance criteria

for fire safety of structure .............................................................................................................................................................. 8

5.3 STEP 3: Trial plan for fire safety of structure ............................................................................................................10

5.4 STEP 4: Design fire scenarios and design fires .........................................................................................................10

5.4.1 General...................................................................................................................................................................................10

5.4.2 Design fire scenarios .................................................................................................................................................10

5.4.3 Design fires ........................................................................................................................................................................11

5.5 STEP 5: Thermal response of the structure ................................................................................................................17

5.5.1 General...................................................................................................................................................................................17

5.5.2 Thermal analysis of the slab ...............................................................................................................................18

5.5.3 Thermal analysis of the beam ............................................................................................................................19

5.5.4 Thermal analysis of the column .......................................................................................................................21

5.6 STEP 6: Mechanical response of the structure .........................................................................................................21

5.6.1 Structural model ...........................................................................................................................................................21

5.6.2 Assumptions of the analysis ................................................................................................................................22

5.6.3 Structural behaviour of the building ...........................................................................................................24

5.7 STEP 7: Assessment against the fire safety objectives.......................................................................................34

5.8 STEP 8: Documentation of the design for fire safety of structures .........................................................34

5.9 STEP 9: Factors and influences to be considered in the quantification process .........................35

5.9.1 Material properties .....................................................................................................................................................35

Annex A (informative) Heat transfer of calculation ...........................................................................................................................39

Annex B (informative) Results from thermal and mechanical analyses ......................................................................40

Annex C (informative) Results from OAT sensitivity analysis for the uncertainty of

material properties ........................................................................................................................................................................................44

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................48

© ISO 2017 – All rights reserved iii
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ISO/TR 24679-6:2017(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 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 the following

URL: www.iso.org/iso/foreword.html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire

safety engineering.
iv © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
Introduction

The work described in this document is 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 sections of ISO 24679-1

which are considered relevant to this example are identified and thus, the section titles are the same

and appear in the same order.

The purpose of this study is to demonstrate the application of the steps outlined in ISO 24679-1 for fire

safety engineering and performance of structures in fire in compliance with the related standards of

France. As such, the relevant sections to this example are applied and discussed.

© ISO 2017 – All rights reserved v
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 24679-6:2017(E)
Fire safety engineering — Performance of structures in
fire —
Part 6:
Example of an eight-storey office concrete building
1 Scope

This document provides an example of fire safety engineering design in the application of ISO 24679-1

to an office building.

In this document, an overall structural analysis of a building is undertaken. It consists in a numerical

assessment of the structural performance of an eight-storey concrete building when subjected to a

fire. This analysis is performed in order to demonstrate that the fire safety objectives, for the relevant

design fire scenarios, due to structural behaviour of building in the event of fire, are met with the trial

plan for the safety of structure. With regards to this, a fully developed fire was studied.

The purpose of this document is to assess the performance of an office building which is fully accessible

to public in case of fire, using ISO 24679-1. In this respect, a critical design fire was identified and

analysed using detailed fire modelling. A more detailed analysis was then performed for critical design

fire using the finite element model. The advanced model provided all the comprehensive information

necessary for analysing the given built environment with respect to fire safety.

It is to be noted that this document only addresses the fire safety objectives related to the structural

performance during fire. The analysis within this document is therefore 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 terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— IEC Electropedia: available at http://www.electropedia.org/
— ISO Online browsing platform: available at http://www.iso.org/obp
1) Under preparation. Stage at the time of publication: ISO/DIS 24679-1:2017.
© ISO 2017 – All rights reserved 1
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
3.2 Symbols
A floor surface area
A total area of enclosure (walls, ceiling and floor, including openings) (m )
A total area of vertical openings on all walls (m )
D diameter of fire source (m)
EC Eurocode
1/2
O opening factor of the fire compartment (m )
1/2
O reduced opening factor in case of fuel controlled fire (m )
lim
RMT maximum rebar temperature (°C)
T gas temperature (°C)
T ambient temperature (°C)
V the design value of the fire induced shear load
Ed,fi
V the design value of shear resistance in case of fire
Rd,fi
2 1/2
b thermal inertia for the total enclosure (J/m ·s ·K)
c specific heat (J/kg·K)
dx grid size (m)
h convective coefficient of exposed side (W/m ·K)
h convective coefficient of unexposed side (W/m K)
h weighted average of window heights on all walls
k thermal conductivity (W/m·K)
m combustion factor
q design fire load density related to the floor area A (MJ/m )
f,d f
q characteristic fire load density related to the surface area A (MJ/m )
f,k f
q design fire load density related to the surface area A (MJ/m )
t,d t
t time to reach maximum gas temperature in case of fuel controlled fire (h)
lim
t time to reach maximum gas temperature (h)
max
t time to reach the rebar maximum temperature (min)
RMT
Γ time factor function of the opening factor O and the thermal absorptivity b
Γ time factor function of the opening factor O and the thermal absorptivity b
lim lim
ε surface emissivity of the member
ρ density (kg/m )
2 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
δ activation risk due to the size of the compartment equal to 1 in this example
δ fire activation risk due to the type of occupancy equal to 1 in this example

δ factor taking into account different active fire-fighting measures equal to 1 in this example

4 Design strategy for fire safety of structure
4.1 General design process for fire safety of structures

This example studies the fire resistance assessment of an office building using ISO 24679-1. According

to the history of the real fires in an open plan office, a generalized fire is possible.

Potential design fire scenarios in the build environment were studies. Temperature time curves were

[1], [2]

produced and analyses were carried out so as to identify the plausible worst case scenarios .

In order to provide a more detailed and broader resolution of the fire scenario for the use of detailed

structural analysis, the critical design fire scenario was investigated using advanced fire modelling and

design fire was established.

The comprehensive structural behaviour was studied via advanced structural modelling of the worst

case scenario.

Additionally, factors and influences in quantification process and uncertainty of material properties

where studied. As such, a more detailed analysis was carried out by means of sensitivity analyses in

which the OAT (i.e. one-factor-at-a-time) was used where only one input variable in the base case fire

[3]

scenario was changed . In this respect, a range of input variables in generating the fully developed fire

and heat transfer models were investigated by means of a literature study.
4.2 Guidance of practical design process for fire safety of structure

ISO 24679-1:—, Table 1, illustrates various steps and parameters to be considered when assessing the

behaviour of structures subjected to fire exposure. The details of the relevant steps to this example are

presented in the following clauses.
5 Qualification 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 building studied is an open-plan office building without any interior vertical compartmentations,

with a glazed façade all around the perimeter. It has a floor area of approximately 420 m and total

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 by 14,25 m wide and 25 m

high. The ground floor has a height of 4 m whereas the upper storeys have a height of 3 m. Elevators and

staircases are placed in the central core.

The length is divided into five structural bays, and the width into two bays. Each bay is 6 m by 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 by 500 mm wide, and the beams are 400 mm deep by 250 mm wide.

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ISO/TR 24679-6:2017(E)
Figure 1 — Plan and elevation of the structure, dimensions in metres

The structure includes three kinds of structural members: reinforced concrete columns, beams and

slabs. The cross section of the column is equal to 0,25 m and is presented in Figure 2. 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.
4 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
Figure 2 — Column cross section
The reinforcement in the column and the axis distance are presented in Table 1.
Table 1 — Column reinforcements and the axis distance of reinforcements
Column Ø Axis distance
Longitudinal reinforcement 12 Ø 20 52 mm
Stirrups Ø12/200 mm 36 mm

In Figure 3, the cross sections of the beams are illustrated. The materials are as follows:

— concrete: C25/30;
— steel: hot rolled, grade 500 class B.
2 611,2 1 827,6
1 180,6 1 180,6
Key
1 cross-section at mid-span
2 cross section at intermediate support
Figure 3 — Continuous beam cross section
The reinforcement and the axis distances in the beams are presented in Table 2.
Table 2 — Reinforcement and axis distance in the beams
Beam Perimeter support Mid-span Intermediate support Axis distance
Upper 7 Ø12 2 Ø10 9 Ø12 42 mm
Lower 3 Ø16 3 Ø16 3 Ø16 44 mm
Stirrups Ø8/175 mm Ø8/175 mm Ø8/175 mm 34 mm

The slab is 180 mm thick and the reinforcement is presented in Figure 4 and Table 3. The materials are

as follows:
— concrete: C25/30 concrete;
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
— steel: hot rolled, grade 500 class B.
1 500 3 000
1 500
Figure 4 — Reinforcement distribution in the slab
Table 3 — Slab reinforcement and axis distance
X direction slab Middle strip (3 m) Axis distance
Upper Ø14/125 mm 37 mm
Lower Ø12/125 mm 36 mm
Y direction slab Middle strip (3 m) Axis distance
Upper Ø16/125 mm 52 mm
Lower Ø12/250 mm 49 mm
Ø14/250 mm

NOTE Stress-strain relationships of concrete and steel are given in Reference [4] As such, an explicit model

for transient strain was applied. Tensile strength of concrete has been considered in the advanced modelling.

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. Moreover, the

fire load density from construction elements, linings and finishing should be calculated and added to

[5][6]
the tabulated fire load densities .

There is no clear information on the use of this building. As such, potential fire scenarios with possible

fire load densities for sparsely furnished (i.e. office machine sales) to densely loaded (i.e. business

6 © ISO 2017 – All rights reserved
1 750 3 500 1 750
mm mm
mm mm
mm mm
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
2 2[6]

office, library) ranging from 350 MJ/m to 1 350 MJ/m were examined to define the acceptable fuel

load density in this building.
5.1.3 Mechanical actions
Dead and live loads are presented in Table 4.
Table 4 — Loads
Load name Value of load
Self-weight 25 kN/m
Dead load
Finishing, pavement, embedded services, partition 1,5 kN/m
Live/variable load Office 4 kN/m

The mechanical action in fire situation was determined in accordance with Reference [7]. Consequently,

the load combination given in Formula (1) was used:
GQ+Ψ (1)
2,ii
where
G is the sum of all the permanents loads;
Q is the dominant live load;
Ψ = 0,6.

The loads which were used for calculation with an advanced structural model (finite element model in

3D that takes account of the nonlinearities of materials and geometric) are summarized in Table 5.

NOTE No wind action was considered because Ψ = 0 for wind. The charge from upper storeys will be added

in detailed structural modelling.
Table 5 — Used loads in detailed structural analysis
Unit
Slab Dead load (G) 0,18 × 25 +1,5 6
Live load (Q) 4 4
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
Total load G+G 10,5
Interior beams
Dead load (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5
Total load G 2,5

For the detailed structural analysis, only the first floor was modelled in a structural modelling software.

This assumption was discussed in 5.6.2. The action of the floors above was considered in the detailed

structural analysis, by applying vertical forces acting at the top of the first floor columns.

The vertical forces representing the floors above are presented in the Figure 5.
© ISO 2017 – All rights reserved 7
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
Figure 5 — Vertical forces representing the floors above

5.2 STEP 2: Identifying objectives, functional requirements, and performance criteria

for fire safety of structure
The objectives of structural fire safety in this study are:

— life safety of occupants, fire-fighters and others in the vicinity of building in terms of structural

behaviour of building in the event of fire;
— conservation of property and continuity of operation.

The functional requirement consists of structural stability to prevent failure of any structural element

during the entire duration of fire, including the cooling phase. It results to prevent the fire from

spreading to other storeys due to failure of floor and ceiling within the compartment.

A set of performance criteria were selected to fulfil the above objectives and functional requirements:

— the maximum temperature in the tension reinforcement of the concrete structure: It allowed to

rapidly compare the relative impact of large numbers of potential design fire scenarios and to

[8]
identify the critical fire scenario for detailed structural analysis .

The following performance criteria in terms of structural stability were assumed for the detailed

structural analysis:

— no overall failure of the building, e.g. due to the loss of stability of columns, shear failure, rotational

capacity;
— maximum deflection of all slabs does not exceed 1/20 of their spans;
8 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
[9]
— rotational capacity does not exceed 250 mrad .

The critical temperature of tension reinforcement at elevated temperature was calculated assuming a

[4]

reduction of 0,6 for the design load level in the relevant the fire situation and a partial safety factor of

1,15 for reinforcing steel according with Reference [10]. As such, failure in selected structural member

occurred when the characteristic strength of reinforcement steel reached 0,52 of its original capacity.

[4]

In accordance with 4.2 , for reinforcing steel (hot rolled) in concrete and for strain larger than 2 %

(which is the case for slabs and beams with no high reinforcement ratio), the critical temperature is

583 °C. For the purpose of this document, the value was conservatively taken as 560 °C.

Figure 6 shows a summary of applied methodology in this document.
Figure 6 — Schematic overview of the applied methodology
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
5.3 STEP 3: Trial plan for fire safety of structure

The office building studied here has been designed for the ambient temperature. Structural elements

are not protected by any passive or active fire protection systems.

The staircase with surrounding walls of 120 mm has a fire resistance of R120 in accordance with

References [4] and [11], which provides the safe egress route for the people and firefighters in the

vicinity of building during the fire. Lift should not be used in the case of the fire.

It was assumed that floors and roof sustain their structural fire performance over the whole duration

of fire and does not contribute to interior fire spread. This was examined in the detailed structural

analysis in the following clauses. The external fire spread to other storeys is assumed to be controlled

by measures such as fire protection glass. As such, no multi-storey fire was considered in this example.

5.4 STEP 4: Design fire scenarios and design fires
5.4.1 General

Design fire scenarios and design fires are an important step in the assessment of the performance of

structures in fire. It should be noted that a design fire scenario is a specific qualitative description of

the development of a fire whereas a design fire (thermal action) is a quantitative description of assumed

fire characteristics within a design fire scenario.
[2] [12]

See ISO 16733-1 and ISO/TS 16733-2 for more information about the selection of design fire

scenarios and design fires.
5.4.2 Design fire scenarios

The relative impact of a fully developed fire was studied according to the history of the real fires in an

office. The location of fire was taken to occur on the ground floor. This enabled the structural effects

of a low level story fire to be analysed without the need to explicitly consider the effects caused by

the foundations or the top storey of the building. This also enables to determine the performance of

structure considering that columns in the ground floor were the most critical load bearing elements

and had the largest height in the studied building. Nevertheless, it seems obvious that the size of the

concrete columns and their reinforcement ratio are varying over the various levels of the building, but

for the purpose of simplicity of this example, it is assumed that the fire in the ground floor is the best

representative fire scenario. All stories have an identical architectural plan with identical fire scenarios.

This building is an open-plan office without any interior compartmentation and a fully developed fire

engulfs the whole floor surface.
The design Fire scenario was selected as follows.

Initially, a group of fire scenarios were produced using a fuel load density of 511 MJ/m , 80 % fractile) in

accordance with Reference [5] and different opening factors (ventilation sizes). The worst case scenario

was identified as the “base case scenario”. The base case was then used to produce other potential

scenarios for the possible range of fuel load. Potential fire scenarios were compared to identify the

acceptable fuel load density in this building and therefore the plausible worst fire scenario. It was then

examined whether changes in opening factors have any impact on the identified fire scenario.

At this stage, the temperature in the reinforcement rebar in concrete element was used as a simple

and easily comparable scale to compare the relative impact of different potential fire scenarios and to

identify the worst condition.
10 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO/TR 24679-6:2017(E)
5.4.3 Design fires
5.4.3.1 General
[2]

At the preliminary stage, the design fires were produced based on the parametric fires and analyses

were carried out so as to identify the worst case scenarios. Once previous steps were undertaken, a

selection of critical design fires were analy
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 24679-6
Première édition
2017-12
Ingénierie de la sécurité incendie —
Performance des structures en
situation d'incendie —
Partie 6:
Exemple d'un immeuble de bureaux
de huit étages en béton
Fire safety engineering — Performance of structures in fire —
Part 6: Example of an eight-storey office concrete building
Numéro de référence
ISO/TR 24679-6:2017(F)
ISO 2017
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ISO/TR 24679-6:2017(F)
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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 ...................................................................................................................................................................................................... 2

4 Stratégie de conception pour la sécurité incendie de la structure...................................................................3

4.1 Processus de conception général pour la sécurité incendie de la structure ...................................... 3

4.2 Recommandations relatives au processus de conception pratique pour la sécurité

incendie de la structure ................................................................................................................................................................... 3

5 Qualification de la performance de la structure en situation d’incendie .................................................3

5.1 ÉTAPE 1: portée du projet de sécurité incendie de la structure .................................................................. 3

5.1.1 Caractéristiques de l’environnement bâti .................................................................................................. 3

5.1.2 Charges calorifiques ........................................................................................................................................... ........... 7

5.1.3 Actions mécaniques ...................................................................................................................................................... 7

5.2 ÉTAPE 2: identification des objectifs, des exigences fonctionnelles et des critères

de performance pour la sécurité incendie de la structure ................................................................................ 9

5.3 ÉTAPE 3: projet de solution de conception pour la sécurité incendie de la structure ...........11

5.4 ÉTAPE 4: scénarios d’incendie de dimensionnement et feux de dimensionnement ...............11

5.4.1 Généralités .........................................................................................................................................................................11

5.4.2 Scénarios d’incendie de dimensionnement ...........................................................................................11

5.4.3 Feux de dimensionnement ...................................................................................................................................12

5.5 ÉTAPE 5: réponse thermique de la structure ............................................................................................................18

5.5.1 Généralités .........................................................................................................................................................................18

5.5.2 Analyse thermique de la dalle ...........................................................................................................................19

5.5.3 Analyse thermique de la poutre.......................................................................................................................20

5.5.4 Analyse thermique du poteau............................................................................................................................22

5.6 ÉTAPE 6: réponse mécanique de la structure ...........................................................................................................22

5.6.1 Modèle structural .........................................................................................................................................................22

5.6.2 Hypothèses de l’analyse..........................................................................................................................................23

5.6.3 Comportement structural du bâtiment .....................................................................................................25

5.7 ÉTAPE 7: évaluation des objectifs de sécurité incendie ...................................................................................35

5.8 ÉTAPE 8: documentation de conception pour la sécurité incendie des structures ..................35

5.9 ÉTAPE 9: facteurs et influences à prendre en compte dans le processus

de quantification.................................................................................................................................................................................36

5.9.1 Propriétés des matériaux ......................................................................................................................................36

Annexe A (informative) Transfert thermique de calcul .................................................................................................................41

Annexe B (informative) Résultats des analyses thermiques et mécaniques............................................................42

Annexe C (informative) Résultats de l’analyse de sensibilité OAT pour l’incertitude des

propriétés des matériaux .........................................................................................................................................................................47

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................51

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ISO/TR 24679-6:2017(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 le lien suivant: 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 incendie.
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ISO/TR 24679-6:2017(F)
Introduction

Le travail décrit dans le présent document est un exemple d’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

sections de l’ISO 24679-1 considérées comme pertinentes pour le présent exemple sont identifiées; par

conséquent, les titres des sections sont identiques et apparaissent dans le même ordre.

L’objectif de cette étude 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 conformité avec les normes correspondantes de France. Les sections correspondantes du

présent exemple sont appliquées et discutées en tant que telles.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 24679-6:2017(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Performance des
structures en situation d'incendie —
Partie 6:
Exemple d'un immeuble de bureaux de huit étages en béton
1 Domaine d’application

Le présent document donne un exemple de conception d’ingénierie de la sécurité incendie dans

l’application de l’ISO 24679-1 à un immeuble de bureaux.

Dans le présent document, une analyse structurale globale d’un immeuble est mise en œuvre. Celle-ci

consiste en une évaluation numérique de la performance structurale d’un immeuble de huit étages en

béton exposé à un incendie. Cette analyse est réalisée dans le but de démontrer que les objectifs de

sécurité incendie, pour les scénarios d’incendie de dimensionnement correspondants, sont atteints avec

le projet de solution de conception de la sécurité de la structure grâce au comportement structural du

bâtiment en cas d’incendie. À cet égard, un feu pleinement développé a été étudié.

L’objectif du présent document est d’évaluer les performances en cas d’incendie d’un immeuble de

bureaux entièrement accessible au public en s’appuyant sur l’ISO 24679-1. Dans ce contexte, un feu

de dimensionnement enveloppe a été identifié et analysé à l’aide d’une modélisation de feu détaillée.

Une analyse plus détaillée a ensuite été réalisée pour le feu de dimensionnement enveloppe à l’aide

des modèles par éléments finis. Le modèle avancé a fourni l’ensemble des informations exhaustives

nécessaires à l’analyse de l’environnement bâti donné concernant la sécurité incendie.

Il est à noter que le présent document traite uniquement des objectifs de sécurité incendie liés à la

performance structurale au cours de l’incendie. L’analyse décrite dans le présent document n’est donc

qu’une partie de la stratégie globale de la sécurité incendie du bâtiment.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte 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 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:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/ ;

1) En cours de préparation. Stade au moment de la publication: ISO/DIS 24679-1:2017.

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— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp.

3.2 Symboles
A aire de la surface de plancher

A aire totale de l’enceinte (murs, plafond et plancher, incluant les ouvertures) (m )

A aire totale des ouvertures verticales dans tous les murs (m )
D diamètre de la source d’incendie (m)
EC Eurocode
1/2
O coefficient d’ouverture du compartiment feu (m )
1/2
O coefficient d’ouverture réduit en cas de feu contrôlé par le combustible (m )
lim
RMT température maximale de la barre d’armature (°C)
T température des gaz (°C)
T température ambiante (°C)
V valeur de dimensionnement de la charge de cisaillement induite par le feu
Ed,fi
V valeur de dimensionnement de la résistance au cisaillement en cas d’incendie
Rd,fi
2 1/2
b inertie thermique pour l’enceinte totale (J/m ·s ·K)
c chaleur spécifique (J/kg·K)
dx taille du maillage (m)
h coefficient de convection du côté exposé (W/m ·K)
h coefficient de convection du côté non exposé (W/m ·K)
h moyenne pondérée des hauteurs de fenêtre sur tous les murs
k conductivité thermique (W/m·K)
m coefficient de combustion

q densité de charge calorifique de calcul relative à la surface de plancher A (MJ/m )

f,d f
q densité de charge calorifique caractéristique relative à la surface A (MJ/m )
f,k f
q densité de charge calorifique de calcul relative à la surface A (MJ/m )
t,d t

t temps nécessaire pour atteindre la température des gaz en cas de feu contrôlé par le com-

lim
bustible (h)
t temps nécessaire pour atteindre la température maximale des gaz (h)
max

t temps nécessaire pour atteindre la température maximale de la barre d’armature (min)

RMT

Γ facteur temps fonction du coefficient d’ouverture O et de l’absorptivité thermique b

Γ facteur temps fonction du coefficient d’ouverture O et de l’absorptivité thermique b

lim lim
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ε émissivité de surface de l’élément
ρ densité (kg/m )

δ risque d’activation du feu en raison de la taille du compartiment égal à 1 dans le présent

exemple

δ risque d’activation du feu en raison du type d’occupation égal à 1 dans le présent exemple

δ facteur tenant compte de différentes mesures actives de lutte contre l’incendie égal à 1 dans

le présent exemple
4 Stratégie de conception pour la sécurité incendie de la structure
4.1 Processus de conception général pour la sécurité incendie de la structure

Le présent exemple étudie l’évaluation de la résistance au feu d’un immeuble de bureaux en s’appuyant

sur l’ISO 24679-1. Selon les retours d’expériences d’incendies réels dans des bureaux en espace ouvert,

un incendie généralisé est possible.

Des scénarios d’incendie de dimensionnement potentiels dans l’environnement bâti ont été étudiés.

Des courbes température/temps ont été générées et des analyses ont été réalisées pour identifier les

[1][2]
scénarios plausiblement les plus défavorables .

Afin de fournir une détermination plus détaillée et plus large du scénario d’incendie à utiliser pour

l’analyse structurale détaillée, le scénario d’incendie de dimensionnement critique a été étudié à l’aide

d’une modélisation de feu avancée et un feu de dimensionnement a été établi.

Le comportement structural complet a été étudié à l’aide d’une modélisation structurale avancée du

scénario le plus défavorable.

Les facteurs et influences dans le processus de quantification et l’incertitude des propriétés des

matériaux ont également été étudiés. À cet effet, une analyse plus détaillée a été réalisée au moyen

d’analyses de sensibilité, dans lesquelles l’approche «OAT» (un facteur à la fois, de l’anglais «one-factor-

at-a-time») a été utilisée, en modifiant uniquement une variable d’entrée dans le scénario d’incendie

[3]

de base. Dans ce contexte, une série de variables d’entrée utilisées pour générer les modèles de feu

pleinement développé et de transfert thermique a été examinée en s’appuyant sur une étude de la

littérature existante.

4.2 Recommandations relatives au processus de conception pratique pour la sécurité

incendie de la structure

Le Tableau 1 de l’ISO 24679-1:— illustre différentes étapes et divers paramètres à prendre en

compte lors de l’évaluation du comportement de la structure exposée au feu. Les détails des étapes

correspondantes du présent exemple sont présentés dans les articles suivants.
5 Qualification de la performance de la structure en situation d’incendie
5.1 ÉTAPE 1: portée du projet de sécurité incendie de la structure
5.1.1 Caractéristiques de l’environnement bâti

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 de long

sur 14,25 m de large et 25 m de haut. Le rez-de-chaussée a une hauteur de 4 m, tandis que les étages

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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 par 7,125 m, comme indiqué 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 par 500 mm

et les poutres mesurent 400 mm de hauteur sur 250 mm de largeur.
Figure 1 — Plan et élévation de la structure, dimensions en mètres

La structure inclut trois types d’éléments structuraux: des poteaux, des poutres et des dalles en béton

armé. La section transversale du poteau est égale à 0,25 m et est représentée à la Figure 2. Pour le

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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 les résistances caractéristiques à la compression sur cube et sur cylindre,

respectivement, en Mpa.
— acier: laminé à chaud, qualité 500 classe B.
Figure 2 — Section transversale de poteau
L’armature du poteau et la distance axiale sont présentées dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Armatures de poteau et distance axiale des armatures
Poteau Ø Distance axiale
Armature longitudinale 12 Ø 20 52 mm
Étriers Ø12/200 mm 36 mm

Les sections transversales des poutres sont illustrées à la Figure 3. Les matériaux sont comme suit:

— béton: C25/30;
— acier: laminé à chaud, qualité 500 classe B.
2 611,2 1 827,6
1 180,6 1 180,6
Légende
1 cross-section at mid-span
2 cross section at intermediate support
Figure 3 — Section transversale de la poutre continue

L’armature et les distances axiales dans les poutres sont présentées dans le Tableau 2.

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Tableau 2 — Armature et distance axiale dans les poutres
Poutre Support périphé- Mi-portée Support intermédiaire Distance axiale
rique
Supérieure 7 Ø12 2 Ø10 9 Ø12 42 mm
Inférieure 3 Ø16 3 Ø16 3 Ø16 44 mm
Étriers Ø8/175 mm Ø8/175 mm Ø8/175 mm 34 mm

La dalle fait 180 mm d’épaisseur et l’armature est présentée à la Figure 4 et le Tableau 3. Les matériaux

sont comme suit:
— béton: C25/30;
— acier: laminé à chaud, qualité 500 classe B.
Figure 4 — Répartition de l’armature dans la dalle
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Tableau 3 — Armature de dalle et distance axiale
Armature selon la direction X (de Bande centrale (3 m) Distance axiale
la dalle)
Supérieure Ø14/125 mm 37 mm
Inférieure Ø12/125 mm 36 mm
Armature selon la direction Y (de Bande centrale (3 m) Distance axiale
la dalle)
Supérieure Ø16/125 mm 52 mm
Inférieure Ø12/250 mm 49 mm
Ø14/250 mm
[4]

NOTE Les relations contrainte-déformation du béton et de l’acier sont données dans la Référence. À cet

effet, un modèle explicite de déformation temporaire a été appliqué. La résistance à la traction du béton a été

étudiée dans la modélisation avancée.
5.1.2 Charges calorifiques

Le bâtiment est un espace de bureau présentant des combustibles de type cellulosique (représentant

la majorité de la charge calorifique), plastique et divers, supposés comme étant uniformément répartis

dans l’ensemble du compartiment. La charge calorifique varie considérablement en fonction des types

de bâtiments et les plages typiques sont indiquées dans les documents-guides disponibles. En outre, il

convient de calculer la densité de charge calorifique des éléments de construction, des revêtements et

[5][6]
du second œuvre et de l’ajouter aux densités de charge calorifique tabulées .

Il n’existe aucune information claire concernant l’usage de ce bâtiment. Par conséquent, des scénarios

d’incendie potentiels, avec des densités de charge calorifique possibles pour des espaces peu meublés

(ventes de machine de bureau) à densément chargés (bureau d’affaires, bibliothèque) allant de

2 2[6]

350 MJ/m à 1 350 MJ/m , ont été examinés pour définir la densité de charge calorifique acceptable

dans ce bâtiment.
5.1.3 Actions mécaniques

Les charges permanentes et les charges d’exploitation sont présentées dans le Tableau 4.

Tableau 4 — Charges
Nom de la charge Valeur de la charge
Poids propre 25 kN/m
Charge permanente
Second œuvre, dallage, services intégrés, cloison 1,5 kN/m
Charge d’exploitation/variable Bureau 4 kN/m
[7]

L’action mécanique en situation d’incendie a été déterminée conformément à la Référence. Par

conséquent, la combinaison de charges donnée à la Formule (1) a été utilisée:
GQ+Ψ (1)
2,ii
G est la somme de toutes les charges permanentes;
Q est la charge d’exploitation prédominante;
Ψ = 0,6.
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Les charges qui ont été utilisées pour le calcul avec un modèle structural avancé (modèle par éléments

finis en 3D prenant en compte les non-linéarités des matériaux et géométriques) sont indiquées dans le

Tableau 5.

NOTE L’action du vent n’a pas été prise en compte, car Ψ = 0 pour le vent. La charge des étages supérieurs

sera ajoutée à la modélisation structurale détaillée.
Tableau 5 — Charges utilisées dans l’analyse structurale détaillée
Unité
Dalle Charge permanente (G) 0,18 × 25 +1,5 6
Charge d’exploitation (Q) 4 4
Charge totale G + 0,6Q 8,4
Poutres extérieures Charge permanente (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5
Charge permanente de la façade
8 8
(G )
Charge totale G+G 10,5
Poutres intérieures
Charge permanente (G) 0,25 × 0,40 × 25 2,5
Charge totale G 2,5

Pour l’analyse structurale détaillée, seul le premier étage a été modélisé dans un logiciel de modélisation

structural. Cette hypothèse a été discutée en 5.6.2. L’action des étages supérieurs a été considérée dans

l’analyse structurale détaillée en appliquant des forces verticales agissant au sommet des poteaux du

premier étage.

Les forces verticales représentant les étages supérieurs sont présentées à la Figure 5.

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Figure 5 — Forces verticales représentant les étages supérieurs

5.2 ÉTAPE 2: identification des objectifs, des exigences fonctionnelles et des critères de

performance pour la sécurité incendie de la structure
Dans la présente étude, les objectifs de la sécurité incendie 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;
— la sauvegarde des biens et la continuité des activités.

L’exigence fonctionnelle réside dans la stabilité structurale afin d’empêcher la ruine de tout élément

structural pendant toute la durée de l’incendie, y compris la phase de refroidissement. Elle permet

d’éviter que le feu se propage aux autres étages en raison de la ruine du plancher et du plafond au sein

du compartiment.

Une série de critères de performance ont été sélectionnés pour répondre aux objectifs et à l’exigence

fonctionnelle susmentionnés:

— la température maximale dans l’armature de tension de la structure en béton: elle permet de

comparer rapidement l’impact relatif de nombreux scénarios d’incendie de dimensionnement

[8]

potentiels et d’identifier le scénario d’incendie critique pour l’analyse structurale détaillée .

Les critères de performance suivants relatifs à la stabilité structurale ont été supposés pour l’analyse

structurale détaillée:

— aucune ruine globale du bâtiment, due par exemple à la perte de stabilité des poteaux, rupture par

cisaillement, capacité de rotation;
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— la déformation maximale de toutes les dalles ne dépasse pas 1/20 de leur portée;

[9]
— la capacité de rotation ne dépasse pas 250 mrad .

La température critique de l’armature de tension à température élevée a été calculée en supposant

une réduction de 0,6 pour le niveau de charge de dimensionnement dans la situation d’incendie

[4] [10]

correspondante et un facteur de sécurité partiel de 1,15 pour l’acier conformément à la Référence.

Ce faisant, la ruine de l’élément structural sélectionné se produit lorsque la résistance caractéristique

[4]

de l’acier a atteint 0,52 de sa capacité d’origine. Selon 4.2, pour l’acier (laminé à chaud) dans le béton et

pour une déformation supérieure à 2 % (ce qui est le cas pour les dalles et les poutres sans pourcentage

d’armature élevé), la température critique est de 583 °C. Aux fins du présent document, la valeur a été

fixée de manière conservatrice à 560 °C.

La Figure 6 montre un résumé de la méthodologie appliquée dans le présent document.

Figure 6 — Aperçu schématique de la méthodologie appliquée
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5.3 ÉTAPE 3: projet de solution de conception pour la sécurité incendie de la structure

L’immeuble de bureaux étudié dans le présent document a été conçu pour la température ambiante.

Les éléments structuraux ne sont pas protégés par des systèmes de protection active ou passive contre

l’incendie.

La cage d’escalier, entourée de murs de 120 mm, présente une résistance au feu de R120 conformément

aux Références [4] et [11], ce qui offre un itinéraire d’évacuation sûr aux personnes et sapeurs-pompiers

à proximité du bâtiment pendant l’incendie. Il est recommandé de ne pas utiliser l’ascenseur en cas

d’incendie.

Il a été supposé que les planchers et le toit maintiennent leur performance de tenue au feu structurale

pendant toute la durée de l’incendie et ne contribuent pas à la propagation du feu à l’intérieur. Cette

hypothèse a été examinée dans l’analyse structurale détaillée dans les articles suivants. La propagation

extérieure du feu aux autres étages est supposée être contrôlée par des mesures telles que du verre de

protection contre l’incendie. P
...

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