Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of calculation methods — Part 2: Example of a fire zone model

ISO/TR 16730-2:2013 shows how ISO 16730‑1 is applied to a calculation method for a specific example. It demonstrates how technical and users' aspects of the method are properly described in order to enable the assessment of the method in view of verification and validation. ISO/TR 16730-2:2013 describes the application of procedures given in ISO 16730‑1 for a fire zone model (CFAST). The main objective of the specific model treated here is the simulation of a fire in an open environment or in confined compartments with a natural or forced ventilation system.

Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul — Partie 2: Exemple d'un modèle de zone

L'ISO/TR 16730-2:2013 montre comment l'ISO 16730‑1 est appliquée à une méthode de calcul pour un exemple spécifique. Elle montre comment décrire de manière appropriée les aspects techniques et l'utilisation de la méthode afin de permettre l'évaluation de la méthode en vue d'une vérification et d'une validation. L'exemple donné dans l'ISO/TR 16730-2:2013 décrit l'application des procédures données dans l'ISO 16730‑1 à un modèle de zone (CFAST). Le principal objectif du modèle spécifique traité est la simulation d'un incendie dans des compartiments confinés avec un système de ventilation naturelle ou forcée.

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Status
Published
Publication Date
02-Jul-2013
Current Stage
9093 - International Standard confirmed
Start Date
18-May-2018
Completion Date
18-May-2018
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Technical report
ISO/TR 16730-2:2013 - Fire safety engineering -- Assessment, verification and validation of calculation methods
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ISO/TR 16730-2:2013 - Ingénierie de la sécurité incendie -- Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 16730-2
First edition
2013-07-01
Fire safety engineering — Assessment,
verification and validation of
calculation methods —
Part 2:
Example of a fire zone model
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et
validation des méthodes de calcul —
Partie 2: Exemple d’un modèle de zone
Reference number
ISO/TR 16730-2:2013(E)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2013

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

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

the requester.
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Fax + 41 22 749 09 47
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Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(E)
Contents Page

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

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

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

2 General information on the zone model considered ...................................................................................................... 1

3 Methodology used in this Technical Report ............................................................................................................................. 2

Annex A (informative) Description of the calculation method ................................................................................................. 3

Annex B (informative) Complete description of the assessment (verification and validation) of the

calculation method ............................................................................................................................................................................................ 9

Annex C (informative) Worked example ........................................................................................................................................................11

Annex D (informative) User’s manual ..............................................................................................................................................................21

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................22

© ISO 2013 – All rights reserved iii
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ISO/TR 16730-2:2013(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 4, Fire

safety engineering.

ISO 16730 consists of the following parts, under the general title Fire safety engineering — Assessment,

verification and validation of calculation methods:
— Part 2: Example of a fire zone model (Technical report)
— Part 3: Example of a CFD model (Technical report)
— Part 4: Example of a structural model (Technical report)
— Part 5: Example of an Egress model (Technical report)
The following parts are under preparation:
— Part 1: General (revision of ISO 16730:2008)
iv © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 16730-2:2013(E)
Introduction

Certain commercial entities, equipment, products, or materials are identified in this document in order

to describe a procedure or concept adequately or to trace the history of the procedures and practices

used. Such identification is not intended to imply recommendation, endorsement, or implication that the

entities, products, materials, or equipment are necessarily the best available for the purpose. Nor does

such identification imply a finding of fault or negligence by the International Standards Organization.

For the particular case of the example application of ISO 16730-1 described in this document, ISO takes

no responsibility for the correctness of the code used or the validity of the verification or the validation

statements for this example. By publishing the example, ISO does not endorse the use of the software or

the model assumptions described therein and states that there are other calculation methods available.

© ISO 2013 – All rights reserved v
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TECHNICAL REPORT ISO/TR 16730-2:2013(E)
Fire safety engineering — Assessment, verification and
validation of calculation methods —
Part 2:
Example of a fire zone model
1 Scope

This part of ISO 16730 shows how ISO 16730-1 is applied to a calculation method for a specific example.

It demonstrates how technical and users’ aspects of the method are properly described in order to

enable the assessment of the method in view of verification and validation.

The example in this part of ISO 16730 describes the application of procedures given in ISO 16730-1 for

a fire zone model (CFAST).

The main objective of the specific model treated here is the simulation of a fire in confined compartments

with a natural or forced ventilation system.
2 General information on the zone model considered

The name given to the zone model considered in this Technical Report is “CFAST”. CFAST is a two-zone

fire model capable of predicting the environment in a multi-compartment structure subjected to a fire.

It calculates the time-evolving distribution of smoke and fire gases and the temperature throughout a

building during a user-prescribed fire. This Technical Report describes the equations which constitute

the model, the physical basis for these equations, and an evaluation of the sensitivity and predictive

capability of the model.

The modelling equations take the mathematical form of an initial value problem for a system of

ordinary differential equations (ODEs). These equations are derived using the conservation of mass, the

conservation of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), the ideal gas law, and relations

for density and internal energy. These equations predict as functions of time quantities such as pressure,

layer height, and temperature given the accumulation of mass and enthalpy in the two layers. The model

then consists of a set of ODEs to compute the environment in each compartment and a collection of

algorithms to compute the mass and enthalpy source terms required by the ODEs.
© ISO 2013 – All rights reserved 1
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ISO/TR 16730-2:2013(E)
3 Methodology used in this Technical Report

For the calculation method considered, checks based on ISO 16730-1 and as outlined in this Technical

Report are applied. This Technical Report lists in Annexes A and B the important issues to be checked

in the left-hand column of a two-column table. The issues addressed are then described in detail, and

it is shown how these were dealt with during the development of the calculation method in the right-

hand column of the Annexes A and B cited above, where Annex A covers the description of the calculation

method and Annex B covers the complete description of the assessment (verification and validation) of the

particular calculation method. Annex C describes a worked example and Annex D adds a user’s manual.

2 © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 16730-2:2013(E)
Annex A
(informative)
Description of the calculation method
A.1 Purpose

Definition of problem solved or The model has been developed for solving practical fire problems in fire

function performed protection engineering while at the same time providing a tool to study

fundamental fire dynamics and smoke spread. It is intended for system
modelling of building and building components. It is not intended for
detailed study of flow within a compartment such as is needed for smoke
detector siting.
3 3
Space scales from ~1 m to 1 000 m and time scales from ~1 s to approx-
imately a few hours.

(Qualitative) description of results The outputs of the model are the sensible variables that are needed for

of the calculation method assessing the environment in a building subjected to a fire. These include

temperatures of the upper and lower gas layers within each compart-
ment, the ceiling/wall/floor temperatures within each compartment, the
visible smoke and gas species concentrations within each layer, target
temperatures, and sprinkler activation time.

Justification statements and feasi- The model predicts the environment within compartmented structures

bility studies resulting from a fire prescribed by the user. It is an example of the class

of models called finite element. This particular implementation is called
a zone model and, essentially, the space to be modelled is broken down to
a few elements. The physics of the compartment fire phenomena is driven
by fluid flow, primarily buoyancy. The usual set of elements or zones are
the upper and lower gas layers, partitioning of the wall/ceiling/floor to
an element each, one or more plumes, and objects such as fires, targets,
and detectors. One feature of this implementation of a finite element
model is that the interface between the elements (in this case, the upper
and lower gas layers) can move, with its position defined by the govern-
ing equations.
[1-4]
The attached bibliography has a compendium of all validation testing
which has been done.
© ISO 2013 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(E)
A.2 Theory

Underlying conceptual model The modelling equations take the mathematical form of an initial

(governing phenomena) value problem for a system of ordinary differential equations (ODEs).

These equations are derived using the conservation of mass, the con-
servation of energy (equivalently, the first law of thermodynamics),
and the ideal gas law. These equations predict as functions of time
quantities such as pressure, layer height, and temperature given the
accumulation of mass and enthalpy in the two layers. The assump-
tion of a zone model is that properties such as temperature can be
approximated throughout a control volume by an average value.

Theoretical basis of the phenomena and The equations used take the mathematical form of an initial value

physical laws on which the calculation problem for a system of ordinary differential equations (ODEs). These

method is based equations are derived using the conservation of mass, the conserva-

tion of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), the
ideal gas law, and relations for density and internal energy. These
equations predict as functions of time quantities such as pressure,
layer height, and temperature given the accumulation of mass and
enthalpy in the two layers.
A.3 Implementation of theory

Governing equations The modelling equations used take the mathematical form of an initial

value problem for a system of ordinary differential equations. These
equations are derived using the conservation of mass, the conserva-
tion of energy (equivalently, the first law of thermodynamics), and the
ideal gas law. These equations predict as functions of time quantities
such as pressure, layer height, and temperature given the accumula-
tion of mass and enthalpy in the two layers. The assumption of a zone
model is that properties such as temperature can be approximated
throughout a control volume by an average value.
The formulation uses the definitions of density, internal energy, and
the ideal gas law. These rates represent the exchange of mass and
enthalpy between zones due to physical phenomena such as plumes,
natural and forced ventilation, convective and radiative heat transfer,
and so on. For example, a vent exchanges mass and enthalpy between
zones in connected rooms, a fire plume typically adds heat to the
upper layer and transfers entrained mass and enthalpy from the
lower to the upper layer, and convection transfers enthalpy from the
gas layers to the surrounding walls.
4 © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 16730-2:2013(E)

Mathematical techniques, proce- The equations used in zone fire modelling are ordinary differential

dures, and computational algorithms equations (ODEs), which are stiff. The term “stiff” means that large

employed, with references to them variations in time scales are present in the ODE solution. In our prob-

lem, pressures adjust to changing conditions more quickly than other
quantities such as layer temperatures or interface heights. Special
solvers are required in general to solve zone fire modelling ODEs
because of this stiffness, which are used here.
There are two assumptions which reduce the computation time. The
first is that relatively few zones or elements per compartment are
sufficient to model the physical situation. The second assumption is
to close the set of equations without using the momentum equation
in the compartment interiors. This simplification eliminates acoustic
waves. Though this prevents one from calculating gravity waves in
compartments (or between compartments), coupled with only a few
elements per compartment allows for a prediction in a large and com-
plex space very quickly.

Identification of each assumption The model has been developed for solving practical fire problems in

embedded in the logic; limitations on fire protection engineering while at the same time providing a tool

the input parameters that are caused by to study fundamental fire dynamics and smoke spread. It is intended

the range of applicability of the calcula- for system modelling of buildings and building components. It is not

tion method intended for detailed study of flow within a compartment such as is
needed for smoke detector siting. It includes the activation of
sprinklers and fire suppression by water droplets.
The most extensive use of the model is in fire and smoke spread in
complex buildings. The efficiency and computational speed are inher-
ent in the few computation cells needed for a zone model implemen-
tation. Most of the use is for reconstruction of timelines for fire and
smoke spread in residential, commercial, and industrial fire recon-
structions. Some applications of the model have been for design of
smoke control systems.
© ISO 2013 – All rights reserved 5
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ISO/TR 16730-2:2013(E)
Compartments: The model is generally limited to situations where the
compartment volumes are strongly stratified. However, in order to
facilitate the use of the model for preliminary estimates when a more
sophisticated calculation is ultimately needed, there are algorithms for
corridor flow, smoke detector activation, and detailed heat conduction
through solid boundaries. This model does provide for non-rectangular
compartments, though the application is intended to be limited to rela-
tively simple spaces such as attics and ship corridors. There is no intent
to include complex geometries where a complex flow field is a driving
force. For these applications, computational fluid dynamics (CFD)
models are appropriate.
There are also limitations inherent in the assumption of stratifica-
tion of the gas layers. The zone model concept, by definition, implies
a sharp boundary between the upper and lower layers, whereas in
reality, the transition is typically over about 10 % of the height of the
compartment and can be larger in weakly stratified flow. For example,
a burning cigarette in a normal room is not within the purview of a
zone model. While it is possible to make predictions within 5 % of the
actual temperatures of the gas layers, this is not the optimum use of
the model. It is more properly used to make estimates of fire spread
(not flame spread), smoke detection and contamination, and life-safety
calculations.
Heat release rate: There are limitations inherent in the assumptions
used in the application of the empirical models. As a general guideline,
the heat release should not exceed about 1 MW/m . This is a limitation
on the numerical routines due to the coupling between gas
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 16730-2
Première édition
2013-07-01
Ingénierie de la sécurité incendie —
Évaluation, vérification et validation
des méthodes de calcul —
Partie 2:
Exemple d’un modèle de zone
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of
calculation methods —
Part 2: Example of a fire zone model
Numéro de référence
ISO/TR 16730-2:2013(F)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2013

Droits de reproduction réservés. Sauf indication contraire, aucune partie de cette publication ne peut être reproduite ni utilisée

sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur

l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à

l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
Tel. + 41 22 749 01 11
Fax + 41 22 749 09 47
E-mail copyright@iso.org
Web www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(F)
Sommaire Page

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

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

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

2 Informations générales sur le modèle de zone étudié .................................................................................................. 1

3 Méthodologie utilisée dans ce Rapport technique ............................................................................................................ 1

Annexe A (informative) Description de la méthode de calcul .................................................................................................... 2

Annexe B (informative) Description complète de l’évaluation (vérification et validation)

de la méthode de calcul ................................................................................................................................................................................. 8

Annexe C (informative) Cas d’étude ....................................................................................................................................................................10

Annexe D (informative) Manuel de l’utilisateur ....................................................................................................................................20

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................21

© ISO 2013 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(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 4,

Ingénierie de la sécurité incendie.

L’ISO 16730 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Ingénierie de la sécurité

incendie — Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul:
— Partie 2: Exemple d’un modèle de zone (Rapport technique)
— Partie 3: Exemple d’un modèle CFD (Rapport technique)
— Partie 4: Exemple d’un modèle structural (Rapport technique)
— Partie 5: Exemple d’un modèle d’évacuation (Rapport technique)
La partie suivante est en préparation:
— Partie 1: Généralités (révision de l’ISO 16730:2008)
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(F)
Introduction

Certaines entités et certains équipements, produits ou matériaux commerciaux sont identifiés dans ce

document afin de décrire de façon appropriée une procédure ou un concept ou de retracer l’historique

des procédures et pratiques utilisées. Ce type d’identification n’est pas destiné à sous-entendre une

recommandation, une approbation ou une implication que ces entités, produits, matériaux ou équipements

sont nécessairement les meilleurs disponibles aux fins visées. Cette identification n’implique pas non plus

l’existence d’une faute ou d’une négligence de la part de l’Organisation internationale de normalisation.

Pour le cas particulier de l’exemple d’application de l’ISO 16730-1 décrit dans le présent document, l’ISO

décline toute responsabilité quant à l’exactitude du code utilisé ou la validité des énoncés de vérification

ou de validation pour cet exemple. La publication de cet exemple ne signifie pas que l’ISO approuve

l’utilisation du logiciel ou des hypothèses du modèle qui y sont décrits, et il est précisé que d’autres

méthodes de calcul existent.
© ISO 2013 – Tous droits réservés v
---------------------- Page: 5 ----------------------
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 16730-2:2013(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation,
vérification et validation des méthodes de calcul —
Partie 2:
Exemple d’un modèle de zone
1 Domaine d’application
[5]

La présente partie de l’ISO 16730 montre comment l’ISO 16730-1 est appliquée à une méthode de calcul

pour un exemple spécifique. Elle montre comment décrire de manière appropriée les aspects techniques

et l’utilisation de la méthode afin de permettre l’évaluation de la méthode en vue d’une vérification et

d’une validation.

L’exemple donné dans la présente partie de l’ISO 16730 décrit l’application des procédures données dans

l’ISO 16730-1 à un modèle de zone (CFAST).

Le principal objectif du modèle spécifique traité ici est la simulation d’un incendie dans des compartiments

confinés avec un système de ventilation naturelle ou forcée.
2 Informations générales sur le modèle de zone étudié

Le nom donné au modèle de zone étudié dans ce Rapport technique est «CFAST». CFAST est un modèle à

deux zones capable de prédire l’environnement dans un bâtiment à plusieurs compartiments soumis à

un incendie. Il permet de calculer l’évolution de la distribution de la fumée et des effluents gazeux du feu

en fonction du temps ainsi que la température à l’intérieur d’un bâtiment au cours d’un incendie défini

par l’utilisateur. Le présent Rapport technique décrit les équations qui constituent le modèle, la base

physique de ces équations, et une évaluation de la sensibilité et de la capacité prédictive du modèle.

Les équations de modélisation ont la forme mathématique d’un problème à valeurs initiales pour

un système d’équations différentielles ordinaires (EDO). Ces équations sont établies à partir de la

conservation de la masse, la conservation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique), la loi

de gaz parfaits et diverses relations pour la densité et l’énergie interne. Elles permettent de prédire, en

fonction du temps, des grandeurs comme la pression, la hauteur d’interface et la température à partir de

l’accumulation de masse et d’enthalpie dans les deux couches. Le modèle consiste donc en un ensemble

d’EDO pour calculer l’environnement de chaque compartiment et une série d’algorithmes permettant de

calculer les termes source de masse et d’enthalpie requis par les EDO.
3 Méthodologie utilisée dans ce Rapport technique

Pour la méthode de calcul étudiée, des vérifications basées sur l’ISO 16730-1 et telles que décrites

dans ce Rapport technique sont appliquées. Le présent Rapport technique répertorie dans l’Annexe A

et l’Annexe B les points importants à contrôler dans la colonne de gauche des tableaux. Les points

concernés sont ensuite décrits en détail et il est indiqué comment ceux-ci ont été traités au cours du

développement de la méthode de calcul, dans la colonne de droite de l’Annexe A et l’Annexe B citées ci-

dessus, l’Annexe A couvrant la description de la méthode de calcul et l’Annexe B la description complète

de l’évaluation (vérification et validation) de la méthode de calcul spécifique. L’Annexe C décrit un cas

d’étude, et l’Annexe D ajoute un manuel de l’utilisateur.
© ISO 2013 – Tous droits réservés 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(F)
Annexe A
(informative)
Description de la méthode de calcul
A.1 Objet

Définition du problème résolu Le modèle a été développé afin de résoudre des problèmes pratiques en

ou de la fonction exécutée ingénierie de la protection incendie, tout en fournissant un outil d’étude

des fondamentaux de la dynamique du feu et de la propagation des fumées.
Il est destiné à la modélisation systémique des bâtiments et des parties de
bâtiments. Il n’est pas destiné à l’étude détaillée de l’écoulement au sein d’un
compartiment telle que requise pour la pose de détecteurs de fumée.
3 3
Volumes de l’ordre de 1 m à 1 000 m et durées de l’ordre de 1 s à plusieurs
heures.

Description (qualitative) des Les données de sortie du modèle sont les variables nécessaires pour évaluer

résultats de la méthode de l’environnement d’un bâtiment soumis à un incendie. Celles-ci incluent la tem-

calcul pérature des couches supérieure et inférieure de gaz dans chaque comparti-

ment, la température du plafond, des murs et du plancher dans chaque com-
partiment, la fumée visible et les concentrations d’espèces de gaz dans chaque
couche, la température des cibles et le délai d’activation des sprinklers.

Justifications et études de fai- Le modèle prédit l’environnement, au sein de bâtiments compartimentés,

sabilité résultant d’un feu défini par l’utilisateur. Il s’agit d’un exemple de la classe des

modèles par éléments finis. Cette configuration particulière est appelée un
modèle de zone, le point essentiel étant que l’espace à modéliser est divisé en
plusieurs éléments. Dans un compartiment en feu, les phénomènes physiques
sont dominés par les écoulements de fluides, principalement les effets de flot-
tabilité. L’ensemble des éléments comprend habituellement les zones relatives
aux couches supérieure et inférieure de gaz, trois parties relatives respective-
ment au plafond, aux murs et au plancher, une ou plusieurs zones de panaches

et des objets tels que les feux, les cibles et les détecteurs. L’une des caractéris-

tiques de cette configuration de modèle par éléments finis est que l’interface
entre les éléments (dans ce cas, les couches supérieure et inférieure de gaz)
peut bouger, sa position étant définie par les équations déterminantes.
La Bibliographie jointe [Références 1 à 4] présente un compendium de tous
les essais de validation qui ont été réalisés.
2 © ISO 2013 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/TR 16730-2:2013(F)
A.2 Théorie

Modèle conceptuel sous-jacent Les équations de modélisation ont la forme mathématique d’un problème à

(phénomène déterminant) valeurs initiales pour un système d’équations différentielles ordinaires. Ces

équations sont établies à partir de la conservation de la masse, la conser-
vation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique) et la loi de gaz
parfaits. Elles permettent de prédire, en fonction du temps, des grandeurs
comme la pression, la hauteur d’interface et la température à partir de l’accu-
mulation de masse et d’enthalpie dans les deux couches. L’hypothèse d’un
modèle de zone est que des propriétés telles que la température peuvent être
approximées par une valeur moyenne à l’intérieur d’un volume de contrôle.

Base théorique des phéno- Les équations utilisées ont la forme mathématique d’un problème à valeurs

mènes et des lois physiques sur initiales pour un système d’équations différentielles ordinaires. Ces équations

lesquels repose la méthode de sont établies à partir de la conservation de la masse, la conservation de l’éner-

calcul gie (la première loi de la thermodynamique), la loi de gaz parfaits et diverses

relations pour la densité et l’énergie interne. Elles permettent de prédire, en
fonction du temps, des grandeurs comme la pression, la hauteur d’interface
et la température à partir de l’accumulation de masse et d’enthalpie dans les
deux couches.
A.3 Mise en œuvre de la théorie

Équations déterminantes Les équations de modélisation utilisées ont la forme mathématique d’un

problème à valeurs initiales pour un système d’équations différentielles ordi-
naires. Ces équations sont établies à partir de la conservation de la masse, la
conservation de l’énergie (la première loi de la thermodynamique) et la loi de
gaz parfaits. Elles permettent de prédire, en fonction du temps, des grandeurs
comme la pression, la hauteur d’interface et les températures à partir de l’ac-
cumulation de masse et d’enthalpie dans les deux couches. L’hypothèse d’un
modèle de zone est que des propriétés telles que la température peuvent être
approximées par une valeur moyenne à l’intérieur d’un volume de contrôle.

La formulation utilise les définitions de la densité, de l’énergie interne et de la

loi de gaz parfaits. Des débits représentent les échanges de masse et d’enthal-
pie entre les zones du fait de phénomènes physiques tels que les panaches,
la ventilation naturelle ou forcée, le transfert de chaleur par convection ou
par rayonnement, etc. Par exemple, une ouverture échange de la masse et de
l’enthalpie entre les zones connectées par celle-ci, un panache de feu apporte
de la chaleur à la couche supérieure et entraîne un transfert de masse et
d’enthalpie de la couche inférieure vers la couche supérieure, et la convection
transfert de l’enthalpie des couches de gaz aux parois du local.

Techniques mathématiques, Les équations utilisées dans la modélisation du feu par zone sont des équa-

procédures et algorithmes de tions différentielles ordinaires (EDO) raides. Le terme raide signifie que de

calcul utilisés, avec leurs réfé- grandes variations temporelles sont présentes dans la solution des EDO. Dans

rences notre problème, les variations de pression sont plus rapides que d’autres
grandeurs comme les températures de couche ou les hauteurs d’interface.
Des solveurs spécifiques sont généralement requis pour résoudre les EDO
utilisées dans la modélisation du feu par zone du fait de leur raideur, lesquels
sont utilisés ici.
Deux hypothèses permettent de réduire le temps de calcul. La première est
que relativement peu de zones ou d’éléments par compartiment suffisent
pour modéliser la situation physique. La deuxième hypothèse est de fermer
l’ensemble des équations sans utiliser l’équation de quantité de mouvement
au sein des compartiments. Cette simplification élimine les problèmes d’ondes
acoustiques. Bien que cela empêche de calculer les ondes de gravité dans
les compartiments (ou entre les compartiments), avec seulement quelques
éléments par compartiment ces hypothèses permettent une prédiction très
rapide dans un espace grand et complexe.
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ISO/TR 16730-2:2013(F)
A.3 Mise en œuvre de la théorie

Identification de chaque hypo- Le modèle a été développé afin de résoudre des problèmes pratiques en

thèse incluse dans la logique; ingénierie de la protection incendie, tout en fournissant un outil d’étude

limitations applicables aux des fondamentaux de la dynamique du feu et de la propagation des fumées.

paramètres d’entrée dues au Il est destiné à la modélisation systémique des bâtiments et des parties de

domaine d’applicabilité de la bâtiments. Il n’est pas destiné à l’étude détaillée de l’écoulement au sein d’un

méthode de calcul compartiment telle que requise pour la pose de détecteurs de fumée. Il inclut

l’activation de sprinklers et l’extinction du feu par pulvérisation d’eau.
L’utilisation la plus courante du modèle concerne la propagation du feu et de
la fumée dans les bâtiments complexes. L’efficacité et la vitesse du calcul sont
inhérentes à la faible puissance informatique requise pour la mise en œuvre
du modèle de zone. Le modèle est majoritairement utilisé pour déterminer
le déroulement chronologique de la propagation du feu et des fumées dans le
cadre de reconstitutions d’incendies domestiques, commerciaux et indus-
triels. Certaines applications du modèle ont eu pour but le dimensionnement
de systèmes de désenfumage.
Compartiments: Le modèle se limite généralement aux situations dans
lesquelles les volumes au sein du compartiment sont fortement stratifiés.
Toutefois, afin de faciliter l’utilisation du modèle pour des estimations
préliminaires avant qu’un calcul plus sophistiqué soit finalement réalisé, il
existe des algorithmes relatifs à l’écoulement dans les couloirs, à l’activation
de détecteurs de fumée et à la conduction précise de la chaleur au travers de
surfaces solides. Ce modèle peut être utilisé pour des compartiments non rec-
tangulaires, bien que l’application soit prévue pour être limitée à des espaces
relativement simples tels que des greniers et des couloirs de navires. Il n’est
pas prévu d’inclure des géométries complexes lorsque les forces d’entraine-
ment induisent un champ d’écoulement complexe. Pour ces applications, les
modèles de champs CFD (Computational Fluid Dynamics) sont appropriés.
Il existe également des limitations inhérentes à l’hypothèse de stratification
des couches de gaz. Le concept de modèle de zone, par définition, implique
une frontière nette entre les couches supérieure et inférieure, alors que dans
la réalité, la transition se fait généralement sur environ 10 % de la hauteur
du compartiment et peut-être plus dans le cas d’un écoulement faiblement
stratifié. Par exemple, une cigarette qui brûle dans une pièce n’entre pas dans
le champ d’application d’un modèle de zone. Même s’il est possible de faire
des prédictions avec une précision de 5 % en ce qui concerne la température
réelle des couches de gaz, ce n’est pas l’utilisation optimale du modèle. Il est
plus approprié pour évaluer la propagation du feu (et non des flammes) et de
la fumée, la détection de la fumée, ainsi que la sécurité des personnes.
Débit calorifique: Il existe des limitations inhérentes aux hypothèses utili-
sées dans les modèles empiriques. En règle générale, il convient que le débit
calorifique ne dépasse pas environ 1 MW/m . Il s’agit d’une limitation sur
les routines numériques due au couplage entre le débit de gaz et le transfert
thermique au travers des frontières (conduction, convection et rayonnement).
Il est probable que l’hypothèse de stratification parfaite des deux couches ne
soit plus valable bien avant que cette limite ne soit atteinte.
Rayonnement: Étant donné que le modèle inclut un modèle de rayonnement
sophistiqué et des algorithmes pour la ventilation, il peut également être
utilisé pour étudier la contamination des bâtiments à travers le système de
ventilation, ainsi que l’effet cheminée et l’effet du vent sur la circulation de
l’air dans les bâtiments.
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A.3 Mise en œuvre de la t
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