Fire resistance tests -- Guidelines for computational structural fire design

ISO/TR 15657:2013 provides an overview of the advances that have been made in understanding how structures respond to fire. This is reviewed in terms of heat transfer to the structural elements from primarily nominal (furnace) fires changes in the elevated temperature, physical and mechanical characteristics of structural materials, and how the information is used in the analysis of structural elements for the fire limit state. In reviewing the fire scenarios the report concentrates primarily on standardized heating curves but includes the basis of characteristic curves, which may at some time in the future be adopted in a standardized way. Reference is made to time equivalent as a recognized methodology in relating a natural or characteristic fire to an equivalent period of heating in the ISO 834 furnace test.

Essais de résistance au feu -- Lignes directrices sur la conception statistique des feux de structures

L'ISO/TR 15657:2013 donne un aperçu général des progrčs réalisés pour comprendre la maničre dont structures réagissent au feu. Ce thčme est traité en termes de transfert thermique aux éléments de structure principalement ŕ partir de variations de feux (de four) nominaux en ce qui concerne la température élevée, les caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux structuraux et de maničre dont les informations sont utilisées dans l'analyse d'éléments de structure pour l'état limite du feu. Pour l'examen des scénarios d'incendie, le rapport s'intéresse principalement aux courbes d'échauffement normalisées, mais il inclut la base des courbes caractéristiques qui pourront ŕ l'avenir ętre adoptée d'une maničre normalisée. Une référence est ŕ l'équivalent temps en tant que méthodologie reconnue utilisée pour relier un feu naturel ou caractéristique ŕ une période équivalente d'échauffement dans l'essai au four de l'ISO 834.

General Information

Status
Published
Publication Date
02-Jul-2013
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
04-Jun-2013
Completion Date
03-Jul-2013
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Technical report
ISO/TR 15657:2013 - Fire resistance tests -- Guidelines for computational structural fire design
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Technical report
ISO/TR 15657:2013 - Essais de résistance au feu -- Lignes directrices sur la conception statistique des feux de structures
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 15657
First edition
2013-06-15
Fire resistance tests — Guidelines for
computational structural fire design
Essais de résistance au feu — Lignes directrices sur la conception
statistique des feux de structures
Reference number
ISO/TR 15657:2013(E)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 15657:2013(E)
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Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 15657:2013(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Basic principles ...................................................................................................................................................................................................... 1

2.1 Primary objectives of fire safety design ............................................................................................................................ 1

2.2 Performance criteria .......................................................................................................................................................................... 2

3 Design process ........................................................................................................................................................................................................ 4

3.1 Fire model ................................................................................................................................................................................................... 4

3.2 Heat transfer model ............................................................................................................................................................................ 5

3.3 Structural model .................................................................................................................................................................................... 6

3.4 Combination models .......................................................................................................................................................................... 6

3.5 Material properties ............................................................................................................................................................................. 8

4 Fire models ..............................................................................................................................................................................................................12

4.1 Standard (nominal) fires .............................................................................................................................................................12

4.2 Natural fires ............................................................................................................................................................................................14

4.3 Numerical simulation of natural fires - Zone models .........................................................................................16

4.4 Heat flux to the structure ............................................................................................................................................................18

5 Heat transfer models for temperature calculations .....................................................................................................20

5.1 Uniform temperature .....................................................................................................................................................................21

5.2 Non uniform heating .......................................................................................................................................................................28

5.3 Time equivalent ...................................................................................................................................................................................32

6 Structural design ...............................................................................................................................................................................................36

6.1 Mechanical properties ...................................................................................................................................................................36

6.2 Thermo physical properties .....................................................................................................................................................51

6.3 Thermal properties of structural fire protection ...................................................................................................68

6.4 Structural fire design methods ......... ......................................................................................................................................70

Annex A (informative) National Fire Engineering Codes for Structural Design ...................................................76

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................77

© ISO 2013 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 15657:2013(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. www.iso.org/directives

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received. www.iso.org/patents

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

The committee responsible for this document is ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 2, Fire containment.

iv © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 15657:2013(E)
Introduction

In recent years significant advances have been made in the scientific community in understanding the

behaviour of fire in building structures and as a result there is an increasing activity in the development

of computer models that are capable of describing and predicting many of the different aspects of fire

safety engineering.

As a result of this research, design codes have been prepared that enable practising engineers to

undertake this type of analysis which can be applied to comply with prescriptive requirements as

specified in National Building Regulations, or, to develop performance based fire safety strategies and

often involving complex computational analysis.

In particular, analytical procedures and computer models have been developed in the areas of:

— reaction of materials to fire;
— fire growth in a compartment;
— fully developed compartment fire;
— fire spread between buildings;

— fire behaviour of load-bearing and separating elements and building structures;

— smoke filling in enclosures and smoke movement in escape routes and multi-story buildings;

— interaction of sprinklers and fire, including sprinkler and fire venting interaction;

— process of escape; and

— systems approach to the overall fire safety of a building, in its most general form comprising fire

development models interacting with human response models.

This progress in fire research has led to consequent changes in the field of codes, specifications, and

recommendations for fire engineering. Some characteristic trends in these changes are:

— improved relationship between standard tests and real fire scenarios;

— increased use of fire safety engineering principles to meet functional requirements and performance

based criteria;

— development of new test methods, that are, as far as possible, material-independent and related to

well-defined phenomena and properties;
— increase in the application of reliability-based analytical design;
— extended use of integrated assessments; and

— introduction of goal-oriented systems of analysis of total, active and passive fire protection for a building.

One of the most rapidly developing trends relates to the structural fire engineering design of load-bearing

and separating structures. An analytical determination of the fire resistance of structural elements is

being accepted more widely by the Approving Authorities in many countries as an alternative to the

internationally prescriptive based approaches based on the results of the standard fire resistance test

and connected classification.

A significant contribution to the analysis of building structures in fire has been made by the development

of the European Structural Eurocodes which enable practising engineers to follow agreed design

procedures for application in individual members states. During the mid 1990s, these Codes which

covered; Fire Actions and individual structural materials (Concrete, Steel, Composite Steel and Concrete,

Timber, Masonry, Aluminium) were published as ENV’s (or pre-standards). These Codes had the status

of Draft for Development, and were supplemented with National Applications Documents (NAD’s), which

© ISO 2013 – All rights reserved v
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ISO/TR 15657:2013(E)

permitted member states to ascribe certain factors to many of the calculations and input variables in

order to align with National experience.

During the last five years, considerable progress has been made in converting these pre-standards into

full European Design Codes for application in the European Community member states. The Codes are

now divided into two separate parts:
— Normative - in which members states are obliged to follow.

— Informative - usually consisting of a series of Annexes in which acceptance is voluntary by individual

member states.

In addition, there is still provision to apply individual National Determined Parameters (NDP’s) to align

more closely with National experience. The interaction of the Eurocodes are summarized in Figure 1.

Selection of the relevant design fire scenarios
Eurocode 1: Fire Actions
Determination of the corresponding design fire
Eurocode 1: Fire Actions
Calculation of the temperature rise of the structural member
Eurocodes 2-6 & 9: Fire Actions
Calculation of the mechanical response
Eurocodes 2-6 & 9: Fire Actions
Figure 1 — Interaction of the Structural Eurocodes
[1]

The structural Fire Engineering design models have been reviewed in Reference and essentially they

can be presented in a simple form as three succinct design steps shown in Figure 2:

Fire Analysis
Heat Transfer Analysis
Structural Analysis
Figure 2 — Three stages to structural fire design

This report examines each of the above under separate headings. In each case, internationally applied

methods for a structural fire engineering design are discussed.
For fire models or thermal actions the report considers:
Furnace tests:

— according to ISO 834: cellulosic, hydrocarbon, external and smouldering curves.

— tunnel heating curves according to RWS and the French National curve.
vi © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 15657:2013(E)
Natural fires:

— single zone or parametric fires in so far as they may be used in a standardised way to provide

characteristic occupancy related standard tests. This also includes time equivalent relationships

for quantifying real fires into an equivalent period of heating in the standard ISO 834 test.

For heat transfer models the report considers:
— Heat transfer for uniform temperature distribution
— Non-uniform temperature distribution for
— one dimension
— two dimensions
— three dimensions
For structural models the report considers:
— Single member analysis
— Sub-frame assembly analysis (sub-frames and assembly of members)
— Global structural analysis in which load redistribution occurs.

The report also considers Combination Models for thermal and structural analysis and the performance

of structural glass, plastics and resins.

In addressing structural models relevant thermo-physical and mechanical properties are presented

for each loadbearing material. While these are presented for use in calculating the thermal response

under standard furnace heating conditions for the most part the same properties will invariably be

appropriate for natural fires.

This Technical Report is one of a series of Technical Reports being developed that provide guidance on

important aspects of calculation methods for fire resistance of structures. Related documents include

— ISO/TR 15655, Fire resistance — Tests for thermo-physical and mechanical properties of structural

materials at elevated temperatures for fire engineering design,

— ISO/TR 15656, Fire resistance — Guidelines for evaluating the predictive capability of calculation

models for structural fire behaviour, and

— ISO/TR 15658, Fire resistance tests — Guidelines for the design and conduct of non-furnace-based

large-scale tests and simulation.

Other documents, which have been produced in ISO/TC92/SC2, provide data and information on the

determination of fire resistance. In particular, these include

— ISO 834 (all parts), Fire resistance tests — Elements of Building Construction,

— ISO/TR 12470, Fire resistance tests — Guidance on the application and extension of results,

— ISO/TR 12471, Computational structural fire design — Review of calculation models, fire tests for

determining input material data and needs for further development, and

— ISO/TR 10158:1991 , Principles and rationale underlying calculation methods in relation to fire

resistance of structural elements.
1) Withdrawn.
© ISO 2013 – All rights reserved vii
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 15657:2013(E)
Fire resistance tests — Guidelines for computational
structural fire design
1 Scope

This Technical Report provides an overview of the advances that have been made in understanding

how structures respond to fire. This is reviewed in terms of heat transfer to the structural elements

from primarily nominal (furnace) fires changes in the elevated temperature, physical and mechanical

characteristics of structural materials, and how the information is used in the analysis of structural

elements for the fire limit state. In reviewing the fire scenarios the report concentrates primarily on

standardized heating curves but includes the basis of characteristic curves, which may at some time

in the future be adopted in a standardized way. Reference is made to time equivalent as a recognized

methodology in relating a natural or characteristic fire, to an equivalent period of heating in the ISO 834

furnace test.

This Technical Report is the result of the development of European Structural Eurocodes for application

by member states in the European Community. These Codes enable practising engineers to follow

agreed design procedures for application in individual members states irrespective of whether these

are for building projects either inside or outside their own National boundaries.

The current UK national structural codes and the European (Eurocodes) are listed in Annex A.

2 Basic principles
2.1 Primary objectives of fire safety design
The primary objectives for fire safety design are

— Life safety - Regulatory requirements for the occupants, fire fighters and rescue services

— Property protection - Regulatory, societal, economic and insurance requirements

— Environmental protection - Regulatory, societal and insurance requirements
— Heritage - Regulatory and societal requirements

In order to limit the impact of fire risk accepted levels are reflected in national fire safety codes, which are

generally expressed in terms of requirements and recommended measures. These set out to control the risk

of ignition, fire growth and flashover, as well as their consequences and encompass the following strategies:

a) reducing the risk of occurrence,
b) control of fire (heat, flames, smoke and toxic gases) at an early stage,

c) ensuring a safe evacuation of people (and possibly of property), or safe areas of refuge,

d) preventing fire spread (heat, flames, smoke and toxic gases) beyond a certain area (compartmentation),

e) providing for safe and efficient operating conditions for the fire brigades and rescue services,

f) avoiding premature structural failure or limiting structural damage with respect to reinstatement,

g) minimising business interruption and financial losses,
h) minimising the impact upon the environment.
© ISO 2013 – All rights reserved 1
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ISO/TR 15657:2013(E)

Structural fire safety design is directly concerned with strategies involving items (c) to (h) since these

will come into play if the fire is not controlled at an early stage in its development.

The level of structural fire safety provided should be considered in terms of:
— the risk of fire occurring, which is considered as an accidental situation,
— the development of fire through:
— compartment geometry
— ventilation
— fire loading
— the reduction in risk by introducing structural measures,
— engineering design
— materials selection
— passive protection

— the reduction in risk by introducing fire compartments or containments that prevent fire spread

beyond the surrounded area for a specific time. For some buildings, a complete floor may be regarded

as a single compartment.

— the reduction in risk by the introduction of active protection measures (detection, alarm, sprinklers,

smoke control, fire brigade).
2.2 Performance criteria

The level of structural fire safety can be evaluated by performance criteria depending of the strategy chosen.

For load-bearing structures, these are:

— load-bearing function for the whole duration of fire or a part of it (ultimate limit state),

— limit on the extent of deformation (deflection, displacement, contraction, elongation) with respect

to the integrity of separating elements, or, for the fire protection material to remain attached to the

load-bearing structure (deformation limit state),

— limit of structural damage (limit of the overall deformations and other effects such as spalling,

corrosion, charring occurring during the heating and the cooling phases) to allow reparability of

building after fire (re-serviceability or reusability limit state).
For separating elements, they include:

— limit on the temperature rise of the unexposed surface, (+140 °C average, +180 °C max);

— limit on the leakage of hot gases through gaps created in the element (movement of gap gauge,

cotton wool pad);

— limit on the thermal radiation from the unexposed face, (for escape routes 3 kW/m ).

The human skin can only tolerate a certain level of heat flux for a certain time. The higher the incident heat

flux level the shorter the tolerable exposure time. Some typical critical values are presented in Table 1.

2 © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 15657:2013(E)

Table 1 — Examples of human tolerance and physiological damage from exposure at ambient

temperature to various levels of incident radiant heat flux from a remote emitter

Incident radiant heat
flux
Physiological Effect
kW/m
1.0 Maximum for indefinite tolerability

4.0 - 5.0 Sufficient to cause pain to personnel if unable to reach cover in 20 seconds.

Blistering of the skin (second degree burns) is likely, 0 % lethality
10.0 Intolerable pain after 12 seconds
12.5 - 15.0 1 % lethality in 1 minute, first degree burns in 10 seconds
25.0 100 % lethality in 1 minute; significant injury after 10 seconds
35 - 37.5 100 % lethality in one minute; 1 % lethality in 10 seconds
41.8 Skin necrosis to 0.05 mm depth after 2 seconds

More detailed information is given in the publication Risk-Informed, Performance Based Industrial Fire

Protection (ISBN 1-882194-09-8).

Other criteria may be based upon the incident heat flux to cause ignition on different types of materials

as shown in Table 2.

Table 2 — Incident radiant heat flux from a remote emitter for ignition after 10 minutes

exposure at ambient temperature
Incident radiant
heat flux
Material
kW/m
Polystyrene 18
Polymethyl methacrylate 18
Polyethylene 20
Polypropylene 20
Paper 20
Polyvinyl chloride 21
Nylon 29
Wood 32

The criteria may also depend upon the ability of certain types of products to withstand specific

temperatures as presented in Table 3. These are indicative only.
Table 3 — Effect of temperature on selected materials
Approximate
Material Typical Examples Damage Conditions
Temperature °C
Polystyrene Thin walled food contain- Collapse 120
ers, foam, light shades, Softens 120 - 140
handles, curtain hooks, Melts and flows 150 - 180
radio casings
Polyethylene Bags, films, bottles, buck- Shrivels 120
ets, pipes Softens and melts 120 - 140

Critical temperatures may be dependent upon the rate of heating. in particular, glass products are also dependent upon the

impact of water as well as the framing and glass condition.
© ISO 2013 – All rights reserved 3
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ISO/TR 15657:2013(E)
Table 3 (continued)
Approximate
Material Typical Examples Damage Conditions
Temperature °C
Polymethyl meth- Handles, covers, skylights, Softens 130 - 200
acrylate ‘glazing’ Bubbles 250
PVC Cables, pipes, ducts, linings, Degrades 100
profiles, handles, house Fumes 150
ware, toys, bottles Browns 200
Chars 400 - 500
Cellulose Wood, paper, cotton Darkens 200 - 300
Paint surface- resin- - Deteriorates 100
ous or oil based Destroyed 250

Annealed soda-lime- Window glass, doors and Cracking due to thermal gradi- Thermal gradient

silica glass internal glazing ents leading to falling out typically 160°C
Softening pointWorking point 720°C
Practical melting point 1010°C
Wired glass Window glass, doors and Cracks as for annealed but wires
internal glazing ensure pieces stay in place

Toughened (or tem- Impact safety glazing Subject to unpredictable cata- Thermal gradient typi-

pered) soda-lime- strophic thermal shock failure cally in range 150°C to
silica glass 280°C (see note)
If integrity retained, softening as
above

Laminated soda- Security and safety glazing, Glass layers crack and behave as Starts from ~180°C

lime-silica glass with pvb interlayer above
accelerating from ~300°C
Organic interlayer starts to onwards
degrade leading to smoking and
ignition

Critical temperatures may be dependent upon the rate of heating. in particular, glass products are also dependent upon the

impact of water as well as the framing and glass condition.
3 Design process

In order to evaluate the performance of a structure or a part of it, the assessment has to be carried out

in three stages:
Stage 1: Analysis of the thermal actions/exposure - fire model

Stage 2: Analysis of the heating rate and temperatures attained by the structural components -

heattransfer model

Stage 3: Analysis of the mechanical/load bearing performance of the member/s - structural model

These are described as follows:
3.1 Fire model

The thermal exposure (design fire) is generally described by a temperature-time relationship but can

also be described by a time dependent – incident radiant condition, which could be simulated as by

a temperature-time relationship. The fire model can therefore be a nominal (furnace) fire, or, a fire

simulating a real scenario, or even an experimental fire.

The first stage of fire (pre-flashover phase) is generally regarded the most critical for human life since

during this stage smoke and toxic gases are produced. When dealing with structural fire resistance, this

phase has in the past, been ignored, since the temperatures reached although critical for human beings,

4 © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 15657:2013(E)

are generally too low to seriously affect the mechanical behaviour of a structure. However, with the use

of aluminium, structural plastics and resins becoming more widely employed in situations where their

performance in fire can be critical, the pre-flashover fires should not be ignored. Aluminium and/or

alloys virtually lose all their strength at around 400 °C. Structural plastics can char in a very similar

manner to timber at temperatures below 300 °C.

In the future it is expected that pre-flashover fires may be simulated into a furnace test in a standardised

way or as incident radiant heat flux with time.

However, when a fire occurs, it is not obvious that it will reach such a severity that it will endanger a load-

bearing structure. A wide range of factors such as detection, automatic extinguisher system, fire brigade

action etc., need to be taken into account (generally by using a probabilistic approach) in order to provide

a more representative evaluation of the fire exposure conditions and resulting structural fire response.

The design fire used to assess the fire resistance assessment of a structural member/s can be based upon:

— A nominal fire, which is expressed by a well - defined temperature-time relationship. This would be

typically a Standard furnace test upon which national Regulations are set, although it is primarily

used for ranking of products and systems rather than reflecting reality.

— A natural fire, based upon a simple formula or a set of temperature-time curves, taking into account

the main parameters that influence the time temperature response within the compartment. These

are often referred to as single zone fire models or parametric fires and would be used in simple

easily defined compartment geometries.

— A fire determined using complex numerical calculations such as multi-zone models or Computational

Fluid Dynamics. This type of advanced analysis would be required in very large compartments,

compartments with complex geometries and possibly high and irregular ceilings.

For a more comprehensive review of design fire scenarios and design fires reference should be made to

ISO/TS 16733.
3.2 Heat transfer model

The heat transfer analysis is carried out to determine the temperature rise and distribution within the

structural members. Thermal models are based on the acknowledged principles and assumptions of the

theory of heat transfer. They may present various levels of sophistication according to the assumptions

and needs. Models vary in complexity and may be used simply to determine a uniform temperature

distribution, or, more complex temperature distributions in which thermal gradients may be calculated

in 1, 2 or 3 directions.

The formulation of transient state heat conduction problems differs from that of steady cases in that

the transient problems involve an additional term representing the change in the energy content of the

medium with time. This additional term appears as a first derivative of temperature with respect to

time in the differential equation, and as a change in the internal energy content during Δt, in the energy

balance formulation. The nodes and the volume elements in transient problems are selected as in the

steady case. For convenience, it is assumed that all heat transfer is into the element.

The energy balance on a volume element during a time interval Δt can be expressed as:

 
Heat transfer into the Heat generaated within The change
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 15657
Première édition
2013-06-15
Essais de résistance au feu —
Lignes directrices sur la conception
statistique des feux de structures
Fire resistance tests — Guidelines for computational structural fire
design
Numéro de référence
ISO/TR 15657:2013(F)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 15657:2013(F)
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Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
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ISO/TR 15657:2013(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Principes fondamentaux .............................................................................................................................................................................. 1

2.1 Principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie ....................................................................... 1

2.2 Critères de performances .............................................................................................................................................................. 2

3 Processus de conception .............................................................................................................................................................................. 5

3.1 Modèle feu ................................................................................................................................................................................................... 5

3.2 Modèle de transfert thermique ................................................................................................................................................. 6

3.3 Modèle structural ................................................................................................................................................................................. 7

3.4 Modèles combinés ................................................................................................................................................................................ 7

3.5 Propriétés des matériaux ............................................................................................................................................................... 9

4 Modèles feu .............................................................................................................................................................................................................13

4.1 Feux normalisés (nominaux) ...................................................................................................................................................14

4.2 Feux naturels .........................................................................................................................................................................................15

4.3 Simulation numérique de feux naturels .................................................................................... Modèles

de zones......................................................................................................................................................................................................18

4.4 Flux de chaleur reçu par la structure................................................................................................................................20

5 Modèles de transferts thermiques pour les calculs des températures ....................................................22

5.1 Température uniforme ..................................................................................................................................................................23

5.2 Échauffement non uniforme .....................................................................................................................................................31

5.3 Équivalent temps................................................................................................................................................................................35

6 Calcul des structures .....................................................................................................................................................................................39

6.1 Propriétés mécaniques .................................................................................................................................................................39

6.2 Propriétés thermophysiques ...................................................................................................................................................56

6.3 Propriétés thermiques des matériaux de protection contre les feux de structures ................74

6.4 Méthodes de calcul du comportement aux feux de structures ...................................................................75

Annexe A (informative) Codes nationaux d’ingénierie de sécurité incendiepour le calcul

de structures ..........................................................................................................................................................................................................81

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................82

© ISO 2013 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 15657:2013(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 (CEI) en ce qui concerne

la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.

org/directives

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les

références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration

du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,

www.iso.org/patents

Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour

information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.

Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 2,

Endiguement du feu.
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ISO/TR 15657:2013(F)
Introduction

Au cours des dernières années, la communauté scientifique a réalisé des avancées significatives dans la

compréhension du comportement au des structues de bâtiments; on assiste à une activité accrue pour

l’élaboration de modèles de calcul capables de décrire et de prédire bon nombre d’aspects différents de

l’ingénierie de la sécurité incendie.

Ces recherches ont abouti à l’élaboration de codes de conception pour permettre à des ingénieurs de réaliser

ce type d’analyse pouvant être appliquée pour se conformer à des exigences prescriptives spécifiées dans

des réglementations nationales de construction, ou pour développer des stratégies de sécurité incendie

basées sur les performances et impliquant souvent des analyses informatiques complexes.

En particulier, des méthodes d’analyse et des modèles de calcul ont été développés dans les domaines

suivants:
— réaction au feu des matériaux;
— croissance du feu dans un compartiment;
— feu de compartiment complètement développé;
— propagation du feu entre bâtiments;

— comportement au feu des éléments porteurs et de séparation et des structures de bâtiments;

— remplissage des enceintes par la fumée et déplacement de la fumée dans les voies d’évacuation et les

bâtiments à niveaux multiples;

— l’interaction entre sprinklers et feu, y compris l’interaction entre sprinklers et évacuation des fumées;

— processus d’évacuation; et

— approche systèmes pour la sécurité incendie globale d’un bâtiment, dans sa forme la plus générale, y

compris les modèles de développement d’un feu interagissant avec les modèles de réponses humaines.

Les progrès réalisés dans la recherche sur la sécurité incendie ont conduit à des évolutions conséquentes

dans le domaine des codes, des spécifications et des recommandations concernant l’ingénierie de

sécurité incendie. Certaines tendances caractéristiques de ces évolutions sont énumérées ci-dessous:

— relation améliorée entre essais normalisés et scénarios d’incendies réels;

— utilisation accrue des principes de l’ingénierie de la sécurité incendie pour satisfaire aux exigences

fonctionnelles et aux critères basés sur les performances;

— développement de nouvelles méthodes d’essai qui sont, autant que possible, indépendantes des

matériaux et liées à des phénomènes et propriétés bien définis;
— application accrue de la conception analytique basée sur la fiabilité;
— usage étendu d’évaluations intégrées; et

— introduction de systèmes d’analyse orientée buts de la protection active et passibe totale d’un bâtiment.

L’une des tendances connaissant l’évolution la plus rapide se rapporte à la conception de l’ingénierie contre

les feux de structures porteuses et de séparation. Une détermination analytique de la résistance au feu des

éléments de structure est en train d’être acceptée de façon plus étendue par les autorités compétentes dans

de nombreux pays, comme une alternative aux approches basées sur les spécifications internationales

fondées sur les résultats de l’essai normalisé de résistance au feu et à la classification associée.

Une contribution significative à l’analyse des structures de bâtiments en cas d’incendie a été apportée

par le développement des Eurocodes structuraux permettant aux ingénieurs techniciens de suivre

des procédures de conception approuvées pour l’application dans des états-membres individuels.

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ISO/TR 15657:2013(F)

Vers le milieu des années 1990, ces codes qui couvraient les «Actions du feu et matériaux de structure

individuels (structures en béton, structures en acier, structures mixtes acier et béton, structure en bois,

ouvrages en maçonnerie, structures en aluminium)» ont été publiés en tant que prénormes européennes

(ENV). Ces codes avaient le statut de «projet pour le développement» et avaient été complétés par des

documents d’application nationale (NAD), qui ont permis à des états-membres d’attribuer certains

facteurs à un grand nombre de calculs et de variables d’entrée à des fins d’alignement avec l’expérience

au niveau national.

Au cours des cinq dernières années, des progrès considérables ont été accomplis pour convertir ces

prénormes en codes européens de conception destinés à être appliqués dans les états-membres de la

Communauté européenne. Les codes sont à présent divisés en deux parties distinctes:

— une partie normative, à laquelle les états-membres sont tenus de se conformer;

— une partie informative, habituellement constituée d’une série d’annexes dont l’acceptation est

faire de manière volontaire par des états-membres individuels.

En plus, il existe encore une disposition pour appliquer les paramètres individuels déterminés au

niveau national (NDP) afin d’assurer un alignement plus étroit avec l’expérience au niveau national. Les

interactions entre les Eurocodes sont résumées à la Figure 1.
Choix des scénarios d’incendie de dimensionnement pertinents
Eurocode 1: Actions du feu
Détermination de l’incendie de dimensionnement correspondant
Eurocode 1: Actions du feu
Calcul de l’augmentation de température de l’élément de structure
Eurocodes 2 à 6 et 9: Actions du feu
Calcul de la réponse mécanique
Eurocodes 2 à 6 et 9: Actions du feu
Figure 1 — Interaction entre les Eurocodes structuraux

Les modèles de conception d’ingénierie contre les feux de structures ont été examinés dans la Référence [1]

et peuvent être essentiellement présentés sous la forme simple de trois étapes de conception succinctes

illustrées à la Figure 2:
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ISO/TR 15657:2013(F)
Analyse du feu
Analyse du transfert thermique
Analyse structurale
Figure 2 — Trois étapes du calcul du comportement au feu

Le présent Rapport technique examine chacune des étapes ci-dessus sous trois titres distincts. Dans

chaque cas, des méthodes appliquées au niveau international pour une conception de l’ingénierie contre

les feux de structures sont abordées.

Pour les modèles feu ou les actions thermiques, le rapport aborde les points suivants:

Essais au four:

— selon l’ISO 834: les courbes de combustion de cellulose, de combustion d’hydrocarbure, d’un feu

externe et d’un feu couvant.

— courbes d’échauffement d’un feu de tunnel selon le RWS (Pays-Bas) et la courbe nationale française.

Feux naturels:

— feux monozones ou feux paramétriques, dans la mesure où ils peuvent être utilisés de façon

normalisée pour des essais normalisés caractéristiques liés à l’occupation. Cela inclut également des

relations équivalentes en temps pour quantifier des feux réels au cours d’une période équivalente

d’échauffement lors de l’essai de la norme ISO 834.
Pour les modèles de transfert thermique, le rapport étudie les points suivants:
— Transfert thermique pour une distribution uniforme de la température
— Distribution non uniforme de la température pour
— une dimension
— deux dimensions
— trois dimensions.
Pour les modèles structuraux, le rapport aborde les points suivants:
— Analyse d’un élément unique

— Analyse d’ensemble de cadres secondaires (cadres secondaires et ensemble d’éléments)

— Analyse structurale globale dans laquelle a lieu une redistribution des charges.

Le rapport étudie également des modèles mixtes pour l’analyse thermique et structurale ainsi que les

performances du verre, des plastiques et des résines de structure.

Lors de l’étude de modèles structuraux, des propriétés thermophysiques et mécaniques sont présentées

pour chaque matériau porteur. Bien qu’elles soient, pour la plupart, destinées à être utilisées dans le

calcul de la réponse thermique dans des conditions normalisées d’échauffement au four, les mêmes

propriétés seront toujours appropriées pour les feux naturels.
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ISO/TR 15657:2013(F)

Le présent Rapport technique fait partie d’une série de Rapports techniques qui fournit des lignes

directrices sur les aspects importants des méthodes de calcul de la résistance au feu des structures. Les

documents y relatifs comprennent:

— ISO/TR 15655, Résistance au feu — Essais des propriétés thermophysiques et mécaniques des matériaux

aux températures élevées pour la conception de l’ingénierie contre l’incendie,

— ISO/TR 15656, Résistance au feu — Lignes directrices pour évaluer l’aptitude des modèles mathématiques

à simuler le comportement des feux de structures, et

— ISO/TR 15658, Essais de résistance au feu — Lignes directrices pour la conception et la conduite d’essais

et de simulations à large échelle non basés sur les fours.

D’autres documents, produits dans le cadre de l’ISO/TC 92/SC 2, fournissent des données et des

informations sur la détermination de la résistance au feu. Ces documents comprennent notamment:

— ISO 834 (toutes les parties), Essais de résistance au feu — Éléments de construction,

— ISO/TR 12470, Essais de résistance au feu — Recommandations pour l’application et l’extrapolation

des résultats,

— ISO/TR 12471, Conception de calcul des feux de structures — État des travaux des modèles de calcul

et d’essais au feu pour la détermination des données de base requises et des besoins du développement

ultérieur, et

— ISO/TR 10158:1991 , Principes et analyse servant de base aux méthodes de calcul portant sur la

résistance au feu des éléments structuraux.
1) Annulée.
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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 15657:2013(F)
Essais de résistance au feu — Lignes directrices sur la
conception statistique des feux de structures
1 Domaine d’application

Le présent Rapport technique donne un aperçu général des progrès réalisés pour comprendre la manière

dont structures réagissent au feu. Ce thème est traité en termes de transfert thermique aux éléments

de structure principalement à partir de variations de feux (de four) nominaux en ce qui concerne la

température élevée, les caractéristiques physiques et mécaniques des matériaux structuraux et de

manière dont les informations sont utilisées dans l’analyse d’éléments de structure pour l’état limite

du feu. Pour l’examen des scénarios d’incendie, le rapport s’intéresse principalement aux courbes

d’échauffement normalisées, mais il inclut la base des courbes caractéristiques qui pourront à l’avenir

être adoptée d’une manière normalisée. Une référence est à l’équivalent temps en tant que méthodologie

reconnue utilisée pour relier un feu naturel ou caractéristique à une période équivalente d’échauffement

dans l’essai au four de l’ISO 834.

Le présent Rapport technique est le résultat de l’élaboration des Eurocodes structuraux destinés à être

appliqués par les États membres au sein de la Communauté européenne. Ces codes permettent aux

ingénieurs techniciens de suivre des procédures de conception approuvées pour l’application dans des

États membres, indépendamment du fait qu’il s’agisse ou non de projets de construction à l’intérieur ou

à l’extérieur de leurs de propres frontières nationales.

Les codes structuraux actuellement en vigueur au Royaume-Uni et les Eurocodes sont énumérés dans

l’Annexe A.
2 Principes fondamentaux
2.1 Principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie

Les principaux objectifs de la conception de la sécurité incendie sont les suivants:

— Sécurité des personnes: exigences réglementaires pour les occupants, les sapeurs-pompiers et les

services de sauvetage;

— Protection des biens: exigences réglementaires, communautaires, économiques et concernant

les assurances;

— Protection de l’environnement: exigences réglementaires, sociétales, économiques et concernant

les assurances;
— Patrimoine: exigences réglementaires et sociétales.

Afin de limiter l’impact des risques d’incendie, les niveaux acceptés sont reflétés dans les codes nationaux

de sécurité incendie qui sont généralement exprimés en termes d’exigences et de recommandations. Ces

codes préconisent la maîtrise du risque d’allumage, de croissance du feu et d’embrasement généralisé

ainsi que de leurs conséquences; ils englobent également les stratégies suivantes:

a) la réduction du risque d’apparition d’un début de feu;

b) la maîtrise du feu (chaleur, flammes, fumée et gaz toxiques) à un stade précoce;

c) la prévision d’une évacuation en toute sécurité des personnes (et éventuellement de biens), ou des

lieux de refuge sûrs;
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d) la prévention de la propagation du feu (chaleur, flammes, fumée et gaz toxiques) au-delà d’une

certaine zone (compartimentation);

e) la mise en place de conditions d’intervention sûres et efficaces pour les sapeurs pompiers et les

services de sauvetage;

f) la prévention d’une ruine prématurée de la structure ou la limitation de dommages structuraux par

rapport au rétablissement;

g) la limitation, autant que possible, de l’interruption des activités et des pertes financières;

h) la limitation, autant que possible, de l’impact sur l’environnement.

La conception de sécurité contre les feux de structures concerne directement les stratégies impliquant

les aliénas c) à h) car ceux-ci entrent en jeu si le feu n’est pas maîtrisé dès le début de son développement.

Il convient que le niveau prévu de sécurité contre les feux de structures soit pris en compte en fonction:

— du risque d’apparition d’un départ de feu, qui est considéré comme une situation accidentelle;

— du développement du feu à travers:
— la géométrie du compartiment;
— la ventilation;
— la charge calorifique.
— de la réduction du risque par prise de dispositions au niveau des structures:
— la conception d’ingénierie;
— le choix des matériaux;
— la protection passive.

— la réduction du risque par la mise en œuvre de compartiments ou d’endiguements empêchant

la propagation du feu au-delà de la zone délimitée, pendant une durée spécifique. Pour certains

bâtiments, un plancher complet peut être considéré comme un seul compartiment.

— la réduction du risque par la mise en œuvre de moyens de protection active (détection, alarme,

sprinklers, désenfumage, sapeurs-pompiers).
2.2 Critères de performances

Le niveau de sécurité contre les feux de structures peut être évalué par des critères de performances en

fonction de la stratégie choisie.
Pour les structures porteuses, ces critères sont les suivants:

— la fonction portante pendant toute la durée de l’incendie ou une partie de celle-ci (état limite ultime);

— la limite de l’étendue de la déformation (flèche, déplacement, contraction, allongement) en ce qui

concerne l’intégrité des éléments de séparation ou, pour le matériau de protection contre le feu, la

capacité de rester fixé à la structure porteuse (état limite de déformation);

— la limite des dommages structuraux (limite des déformations globales et d’autres effets tels que

l’écaillage, la corrosion, la carbonisation, se produisant durant les phases d’échauffement et de

refroidissement) afin de permettre la réparation du bâtiment après l’incendie (état-limite d’aptitude

au service ou à la réutilisation).
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Pour les éléments de séparation, ces critères comprennent:

— la limite concernant l’augmentation de température de la surface non exposée (moyenne: + 140 °C,

maximale: + 180 °C);

— la limite concernant la fuite de gaz chauds à travers des espaces créés dans l’élément (mouvement

de calibre d’ouverture, tampon de coton);

— la limite concernant le rayonnement thermique provenant de la face non exposée (pour les voies

d’évacuation, 3 kW/m ).

La peau humaine ne peut supporter un certain niveau de flux de chaleur que pendant un certain temps.

Plus le niveau de flux de chaleur incident est élevé et plus le temps d’exposition supportable est court.

Certaines valeurs critiques types sont présentées dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Exemples de tolérance humaine et de dommages physiologiques
après exposition (à température ambiante) à divers niveaux de flux
de chaleur rayonnant incident provenant d’un émetteur distant
Flux de chaleur Effet physiologique
rayonnant inci-
dent
kW/m
1,0 Valeur maximale pour un seuil de tolérance indéterminé

4,0 à 5,0 Valeur suffisante pour provoquer une sensation de douleur chez des personnes, si celles-ci

ne peuvent pas se mettre à l’abri dans un délai de 20 s. Apparition probable de cloques sur

la peau (brûlures du second degré); Taux de mortalité de 0 %.
10,0 Douleur insupportable au bout de 12 s.

12,5 à 15,0 Taux de mortalité de 1 % en 1 min, première brûlures au bout de 10 s.

25,0 Taux de mortalité de 100 % en 1 min; lésions graves au bout de 10 s.
35 à 37,5 Taux de mortalité de 100 % en 1 min; taux de mortalité de 1 % en 10 s.
41,8 Nécrose de la peau à 0,05 mm de profondeur au bout de 2 s.

Des informations plus détaillées sont données dans la publication «Risk-Informed, Performance Based

Industrial Fire Protection» (ISBN 1 −882194-09-8).

D’autres critères peuvent être fondés sur la capacité du flux de chaleur incident à provoquer l’allumage

sur différents types de matériaux, comme indiqué dans le Tableau 2.
Tableau 2 — Flux de chaleur rayonnant incident provenant d’un émetteur distant
pour l’allumage après 10 min d’exposition à température ambiante
Matériau Flux de chaleur
rayonnant incident
kW/m
Polystyrène 18
Polyméthacrylate de méthyle 18
Polyéthylène 20
Polypropylène 20
Papier 20
Polychlorure de vinyle 21
Nylon 29
Bois 32
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Les critères peuvent également dépendre de l’aptitude de certains types de produits à supporter des

températures spécifiques, comme indiqué dans le Tableau 3. Ces valeurs sont uniquement données à

titre indicatif.
Tableau 3 — Effet de la température sur les matériaux choisis
Matériaux Exemples types Conditions d’endomma- Température approxi-
gement mative °C
Polystyrène Récipients alimentaires à Affaissement 120
paroi fine, mousse, stores,
Ramollissement 120 à 140
poignées, crochets de
rideaux, boîtiers radio Fusion et écoulement 150 à 180
Polyéthylène Sachets, films, bouteilles, Déformation avec réduc- 120
seaux, tuyaux tion de volume
120 à 140
Ramollissement et fusion
Polyméthacrylate de Poignées, couvercles, Ramollissement 130 à 200
méthyle lucarnes, «vitrage»
Cloquage 250
PVC Câbles, tuyaux, revête- Dégradations 100
ments, profilés, poignées,
Dégagement de fumée 150
articles ménagers, jouets,
bouteilles
Coloration brune 200
Carbonisation 400 à 500
Cellulose Bois, papier, coton Coloration foncée 200 à 300
Surface peinte - - Détérioration 100
enduit résineux ou pein-
Destruction 250
ture à l’huile

Verre de silicate sodo-cal- Vitre de fenêtre, portes et Fissuration due à des gra- Gradient thermique, en

cique, recuit vitrage interne dients thermiques entraî- général 160 °C
nant un décrochage
720 °C
Point de ramollissement
1010 °C
Point de fusion
Verre armé Vitre de fenêtre, portes et Fissuration comme pour le
vitrage interne verre recuit, mais l’arma-
ture en fils métalliques
maintient les éléments en
place

Verre de silicate sodo-cal- Vitrage résistant aux chocs Possibilité de défaillance Gradient thermique situé

cique, trempé catalectique soudaine en général entre 150 °C et
due à un choc thermique 280 °C (voir note)
important
Si l’intégrité est mainte-
nue, on observe un ramol-
lissement comme indiqué
plus haut

Verre de silicate sodo-cal- Vitrage de protection et de Fissuration des couches de À partir de 180 °C environ

cique, feuilleté sécurité, avec intercalaire verre qui se comportent
Accélération du phéno-
en polyvinyle de butyral comme indiqué plus haut
mène à partir de 300 °C
(PVB)
Début de dégradation de environ
la couche organique inter-
calaire, conduisant à un
dégagement de fumée puis
à une inflammation

Les températures critiques peuvent dépendre de la vitesse d’échauffement. En particulier, les produits en verre dépendent

également de l’effet de l’eau ainsi que de l’état de l’encadrement et du verre.
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ISO/TR 15657:2013(F)
3 Processus de conception

Afin d’évaluer les performances d’une structure ou d’une partie de celle-ci, l’évaluation doit se dérouler

en trois étapes:
Étape 1: Analyse des actions/exposition thermiques – modèle feu

Étape 2: Analyse de la vitesse d’échauffement et des températures atteintes par les composants

de structure – modèle de transfert thermique

Étape 3: Analyse des performances mécaniques/capacité portante des éléments – modèle structural

Ces étapes sont décrites comme suit:
3.1 Modèle feu

L’exposition thermique (feu de dimensionnement) est généralement décrite par une relation température-

temps, mais elle peut être également décrite par une condition rayonnante in
...

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