ISO 16735:2006
(Main)Fire safety engineering — Requirements governing algebraic equations — Smoke layers
Fire safety engineering — Requirements governing algebraic equations — Smoke layers
The requirements given in ISO 16735:2006 govern the application of algebraic equation sets to the calculation of specific characteristics of smoke layers generated by fires. ISO 16735:2006 is an implementation of the general requirements provided in ISO/TR 13387-3 for the case of fire dynamics calculations involving sets of algebraic equations. ISO 16735:2006 is arranged in the form of a template, where specific information relevant to algebraic smoke layer equations is provided to satisfy the following types of general requirements: description of physical phenomena addressed by the calculation method; documentation of the calculation procedure and its scientific basis; limitations of the calculation method; input parameters for the calculation method; domain of applicability of the calculation method. Examples of sets of algebraic equations meeting all the requirements of ISO 16735:2006 are provided in separate annexes for each different type of smoke layer scenario. Annex A contains general information and conservation requirements for smoke layers and Annex B contains specific algebraic equations for calculation of smoke layer characteristics.
Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les équations algébriques — Couches de fumée
Les exigences spécifiées dans l'ISO 16735:2006 régissent l'application de systèmes d'équations algébriques pour le calcul de caractéristiques spécifiques des couches de fumées générées par les incendies. L'ISO 16735:2006 est une mise en application des exigences générales spécifiées dans l'ISO/TR 13387-3 pour les calculs relatifs à la dynamique d'un incendie impliquant des systèmes d'équations algébriques. L'ISO 16735:2006 est organisée sous forme d'un modèle dans lequel les informations spécifiques relatives aux équations algébriques pour la couche de fumée sont fournies pour satisfaire aux types suivants d'exigences générales: description des phénomènes physiques traités par la méthode de calcul; documentation de la méthode de calcul et de sa base scientifique; limites de la méthode de calcul; paramètres d'entrée de la méthode de calcul; et domaine d'applicabilité de la méthode de calcul. Des exemples de systèmes d'équations algébriques satisfaisant à toutes les exigences de l'ISO 16735:2006 sont fournis dans des annexes séparées pour chaque type différent de scénario de couche de fumée. L'Annexe A contient des informations générales et des exigences de conservation relatives aux couches de fumée, et l'Annexe B contient des équations algébriques spécifiques pour le calcul des caractéristiques des couches de fumée.
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STANDARD 16735
First edition
2006-11-15
Fire safety engineering — Requirements
governing algebraic equations — Smoke
layers
Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les équations
algébriques — Couches de fumée
Reference number
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©
ISO 2006
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Contents Page
Foreword. iv
Introduction . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions. 2
4 Requirements governing description of physical phenomena. 2
5 Requirements governing documentation. 2
6 Requirements governing limitations . 2
7 Requirements governing input parameters . 3
8 Requirements governing domain of applicability . 3
Annex A (informative) General aspect of smoke layers . 4
Annex B (informative) Specific equations for smoke layer meeting requirements of Annex A. 7
Bibliography . 26
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ISO 16735:2006(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 16735 was prepared by Technical Committee ISO/TC 92, Fire safety, Subcommittee SC 4, Fire safety
engineering.
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ISO 16735:2006(E)
Introduction
This International Standard is intended to be used by fire safety practitioners who use fire safety engineering
calculation methods. Examples include fire safety engineers; authorities having jurisdiction, such as territorial
authority officials; fire service personnel; code enforcers; code developers. It is expected that users of this
International Standard are appropriately qualified and competent in the field of fire safety engineering. It is
particularly important that users understand the parameters within which particular methodologies may be
used.
Algebraic equations conforming to the requirements of this International Standard are used with other
engineering calculation methods during fire safety design. Such design is preceded by the establishment of a
context, including the fire safety goals and objectives to be met, as well as performance criteria when a
tentative fire safety design is subject to specified design fire scenarios. Engineering calculation methods are
used to determine if these performance criteria will be met by a particular design and if not, how the design
must be modified.
The subjects of engineering calculations include the fire-safe design of entirely new built environments, such
as buildings, ships or vehicles as well as the assessment of the fire safety of existing built environments.
The algebraic equations discussed in this International Standard are very useful for quantifying the
consequences of design fire scenarios. Such equations are particularly valuable for allowing the practitioner to
determine very quickly how a tentative fire safety design should be modified to meet agreed-upon
performance criteria, without having to spend time on detailed numerical calculations until the stage of final
design documentation. Examples of areas where algebraic equations have been applicable include
determination of heat transfer – both convective and radiant – from fire plumes, prediction of ceiling jet flow
properties governing detector response times, calculation of smoke transport through vent openings and
analysis of compartment fire hazards such as smoke transport and flashover. With respect to smoke layers,
algebraic equations are often used to estimate the time for smoke to fill a given fraction of a compartment, as
well as the temperature and concentrations within the smoke layer.
The algebraic equations discussed in this International Standard are essential for checking the results of
comprehensive numerical models that calculate fire growth and its consequences.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 16735:2006(E)
Fire safety engineering — Requirements governing algebraic
equations — Smoke layers
1 Scope
1.1 The requirements given in this International Standard govern the application of algebraic equation sets
to the calculation of specific characteristics of smoke layers generated by fires.
1.2 This International Standard is an implementation of the general requirements provided in
ISO/TR 13387-3 for the case of fire dynamics calculations involving sets of algebraic equations.
1.3 This International Standard is arranged in the form of a template, where specific information relevant to
algebraic smoke layer equations is provided to satisfy the following types of general requirements:
a) description of physical phenomena addressed by the calculation method;
b) documentation of the calculation procedure and its scientific basis;
c) limitations of the calculation method;
d) input parameters for the calculation method;
e) domain of applicability of the calculation method.
1.4 Examples of sets of algebraic equations meeting all the requirements of this International Standard are
provided in separate annexes for each different type of smoke layer scenario. Annex A contains general
information and conservation requirements for smoke layers and Annex B contains specific algebraic
equations for calculation of smoke layer characteristics.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 5725 (all parts), Accuracy (trueness and precision) of measurement methods and results
ISO/TR 13387-3, Fire safety engineering — Part 3: Assessment and verification of mathematical fire models
ISO 13943, Fire safety — Vocabulary
ISO 16734:2006, Fire safety engineering — Requirements governing algebraic equations — Fire plumes
ISO 16737, Fire safety engineering — Requirements governing algebraic equations — Vent flows
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ISO 16735:2006(E)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 13943 shall apply. See Annex A for
the terms and definitions specific to that Annex.
4 Requirements governing description of physical phenomena
4.1 The buoyant smoke layer resulting from a source fire in an enclosed space is a complex thermo-
physical phenomenon that can be highly transient or nearly steady-state. Smoke layers may contain regions
involved in flaming combustion and regions where there is no combustion taking place. In addition to
buoyancy, smoke layers can be influenced by dynamic forces due to mechanical fans.
4.2 General types of source fires, enclosure boundary conditions and other scenario elements to which the
analysis is applicable shall be described with the aid of diagrams.
4.3 Smoke layer characteristics to be calculated and their useful ranges shall be clearly identified, including
those characteristics inferred by association with calculated quantities (e.g., the association of smoke
concentration with excess gas temperature based on the analogy between energy and mass conservation)
and those associated with heat exposure to objects and occupants by the smoke layer, if applicable.
4.4 Physical phenomena (e.g., simple smoke filling, mechanical smoke exhaust, etc.) to which specific
equations apply shall be clearly identified.
4.5 Because different equations describe different smoke layer characteristics (4.3) or apply to different
scenarios (4.4), it shall be shown that if there is more than one method to calculate a given quantity, the result
is independent of the method used.
5 Requirements governing documentation
5.1 General requirements governing documentation can be found in ISO 13387-3.
5.2 The procedure to be followed in performing calculations shall be described through a set of algebraic
equations.
5.3 Each equation shall be presented in a separate clause containing a phrase that describes the output of
the equation, as well as explanatory notes and limitations unique to the equation being presented.
5.4 Each variable in the equation set shall be clearly defined, along with appropriate SI units, although
equation versions with dimensionless coefficients are preferred.
5.5 The scientific basis for the equation set shall be provided through reference to recognised handbooks,
the peer-reviewed scientific literature or through derivations, as appropriate.
5.6 Examples shall demonstrate how the equation set is evaluated using values for all input parameters
consistent with the requirements given in Clause 4.
6 Requirements governing limitations
6.1 Quantitative limits on direct application of the algebraic-equation set to calculate output parameters,
consistent with the scenarios described in Clause 4, shall be provided.
6.2 Cautions on the use of the algebraic-equation set within a more general calculation method shall be
provided, which shall include checks of consistency with the other relations used in the calculation method
and the numerical procedures used.
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ISO 16735:2006(E)
7 Requirements governing input parameters
7.1 Input parameters for the set of algebraic equations shall be identified clearly, such as heat release rate
or geometric dimensions.
7.2 Sources of data for input parameters shall be identified or provided explicitly within the International
Standard.
7.3 The valid ranges for input parameters shall be listed (see ISO 13387-3).
8 Requirements governing domain of applicability
8.1 One or more collections of measurement data shall be identified to establish the domain of applicability
of the equation set. These data shall have level of quality (e.g., repeatability, reproducibility) assessed through
a documented/standardized procedure, (see ISO 5725).
8.2 The domain of applicability of the algebraic equations shall be determined through comparison with the
measurement data of 8.1, following the principles of assessment, verification and validation of calculation
methods.
8.3 Potential sources of error that limit the set of algebraic equations to the specific scenarios given in
Clause 4 shall be identified.
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ISO 16735:2006(E)
Annex A
(informative)
General aspect of smoke layers
A.1 Terms and definitions
The terms and definitions given in ISO 13943 and the following shall apply.
A.1.1
boundary
surface that defines the extent of an enclosure
A.1.2
enclosure
room, space or volume that is bounded by surfaces
A.1.3
fire plume
upward turbulent fluid motion generated by a source of buoyancy that exists by virtue of combustion and often
includes an initial flaming region
A.1.4
flame
luminous region of fire plume associated with combustion
A.1.5
heat release rate
rate at which heat is being released by a source of combustion (such as the fire source)
A.1.6
interface position
elevation of the smoke layer interface relative to a reference elevation, typically the lowest boundary of the
enclosure
NOTE Also referred to as the smoke layer height.
A.1.7
quasi-steady state
assumption that the full effects of heat release rate changes at the fire source are felt everywhere in the
immediate flow field
A.1.8
smoke
airborne solid and liquid particulates and gases evolved when a material undergoes pyrolysis or combustion,
together with the quantity of air that is entrained or otherwise mixed into the mass
A.1.9
smoke layer
relatively homogeneous volume of smoke that forms and accumulates beneath the boundary having the
highest elevation in an enclosure as a result of a fire
NOTE Also referred to as the hot upper layer and the hot gas layer.
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ISO 16735:2006(E)
A.1.10
smoke layer interface
horizontal plane separating the smoke layer from the lower, smoke-free layer
A.1.11
vent
opening in an enclosure boundary through which air and smoke can flow as a result of naturally- or
mechanically-induced forces
A.1.12
vent flow
flow of smoke or air through a vent in an enclosure boundary
A.2 Description of physical phenomena addressed by the equation set
A.2.1 General description of calculation method
This annex is intended to describe the methods that can be used to calculate interface positions, average
temperatures and average concentrations of specific chemical species of smoke layers that form beneath
boundaries during fires in enclosures. These calculation methods are based on the principles of mass,
species and energy conservation as applied to the smoke layer as a thermodynamic control volume.
Smoke is accumulated in the upper part of an enclosure as a result of burning. It is assumed that smoke forms
a layer of fairly uniform temperature and species concentration. Based on the principles of mass, species and
energy conservation applied to the smoke layer, average values of temperature, smoke concentration and
interface positions are calculated. Descriptions of fire plumes and vent flows are given in ISO 16734 and
ISO 16737, respectively.
A.2.2 Smoke layer characteristics to be calculated
Equations provide average smoke layer temperature, species concentration and interface position.
A.3 Equation-set documentation
A.3.1 General
As shown in Figure A.1, a smoke layer is generated over a fire source in an enclosure. The conservation of
mass, heat and specific chemical species are given in A.3.2 to A.3.4.
A.3.2 Mass conservation
Conservation of mass in the smoke layer shall be considered over an appropriately chosen control volume as
shown in Figure A.1 by broken lines. The mass flow rate incoming across each interface (negative for
outgoing flow) of the control volume shall be equal to the rate of mass accumulation of the smoke layer.
Plume flow, vent flows and other flows shall be considered where necessary.
A.3.3 Energy conservation
Conservation of energy in the smoke layer shall be considered in a similar way to mass conservation. The
energy flow rate incoming across the layer interface (negative for outgoing flow) shall be equal to the rate of
energy accumulation in the smoke layer. In addition to plume and vent flows, radiation losses and heat
absorption by the enclosure boundary shall be considered appropriately.
NOTE When it is difficult to determine the radiation heat loss from the flame, the energy flow rate can be
approximated by heat release rate as will be applied in Annex B.
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ISO 16735:2006(E)
Key
1 heat flow
2 mass flow
3 wall heat absorption
4 vent flow
5 control volume
6 plume flow
7 fire source
Figure A.1 — General heat and mass conservation of smoke layer in an enclosure with a fire source
A.3.4 Conservation of specific chemical species
Mass conservation of specific chemical species shall be considered in a similar way to total mass
conservation. In addition, if a gas phase chemical reaction takes place in the smoke layer, the reaction rate
shall be considered appropriately.
A.3.5 Mass flow rate of fire plume across interface
The mass flow rate of the fire plume at the interface (bottom surface of smoke layer) shall be given as a
function of the heat release rate of the fire and the vertical distance between the base of the fire source and
the layer interface. An example of a set of explicit equations for this plume characteristic is given by
ISO 16734.
A.3.6 Mass flowrate of smoke through vent
The mass flowrate through a vent is given as a function of the temperature of the smoke layer and that of the
adjacent compartment, pressure differences between the layer and the adjacent compartment, vent width and
vent height. An example of a set of equations for this vent characteristic is given in ISO 16737.
A.3.7 Equation of state
Smoke temperature and density are correlated by the equation of state. Typically, smoke is approximated by
an ideal gas whose properties are identical with air.
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ISO 16735:2006(E)
Annex B
(informative)
Specific equations for smoke layer meeting requirements of Annex A
B.1 Symbols and abbreviated terms used in Annex B
See Table B.1.
Table B.1
Symbol Description Unit
2
A Floor area of enclosure m
2
A Area of opening for smoke exhaust m
vent
2
A Area of opening for intake of fresh air m
open
2
A Surface area of enclosure boundary in contact with smoke layer m
wall
C Flow coefficient 1
D
–3 −1
C Volumetric heat capacity of enclosure boundary materials kJ⋅m ⋅K
v
−1 −1
c Specific heat of air at constant pressure (= 1,0) kJ⋅kg ⋅K
p
D Thickness of enclosure boundary material m
wall
D Diameter of fire source m
−2
g Acceleration due to gravity m⋅s
−2 −1
h Effective heat transfer coefficient of enclosure boundary kW⋅m ⋅K
wall
H Height of enclosure m
H Height of lower boundary of opening m
l
H Height of upper boundary of opening m
u
−1 −1
k Thermal conductivity of enclosure boundary materials kW⋅m ⋅K
L Mean flame height m
−1
m Mass flow rate of air coming into enclosure kg⋅s
a
−1
m Mass flow rate of smoke exhaust kg⋅s
e
−1
m Mass flow rate of gases in fire plume kg⋅s
p
∆p Pressure difference Pa
Q Heat release rate of fire source kW
Q Convective heat release rate of fire source, (1−χ)Q kW
c
t Time s
t Characteristic time for heat absorption by enclosure boundary s
c
T Reference temperature, often taken by outside temperature K
0
T Smoke layer temperature K
s
3 −1
V Volumetric flow rate of mechanical exhaust system m ⋅s
e
−1
Y Concentration of specific chemical species kg⋅kg
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ISO 16735:2006(E)
Table B.1 (continued)
Symbol Description Unit
−1
Y Concentration of specific chemical species at reference state kg⋅kg
0
z Interface height above base of fire source m
−2
α Fire growth rate kW⋅s
χ Fraction of heat released that is emitted as thermal radiation 1
η Species yield kg/kJ
λ Fraction of heat absorbed by enclosure boundary during smoke filling period 1
−3
ρ Air density at reference temperature kg⋅m
0
−3
ρ Smoke density kg⋅m
s
B.2 Description of physical phenomena addressed by the equation set
B.2.1 General
These calculation methods permit the calculation of average temperatures, smoke concentrations and
interface positions that develop as a result of several fire scenarios. Other methods may be used to calculate
these quantities, provided that such methods have been validated and verified for the range of conditions to
which such methods are applied.
B.2.2 Scenario elements to which the equation-set is applicable
The equation set is applicable to smoke layers above fire sources in a quiescent environment. If flow-
disturbance by non-fire related phenomena is significant, the equation set is not applicable. For example, the
effect of airflow caused by HVAC systems or by external wind should be considered if they have a significant
effect. If active fire suppression systems, such as sprinklers, interact significantly with the smoke layer, the
equation set is not applicable.
The fire source must be small enough so that the mean flame height is lower than the interface position and
the characteristic plume width is less than the width of the enclosure (subject to additional restrictions imposed
by the equations used to obtain plume characteristics).
Methods of calculating smoke layer conditions are developed for two limit stages. One limit stage is a simple
2
enclosure smoke filling process during the initial stage of the fire (typically t -fires) when smoke control
equipment is not yet in operation. The other limit stage is a quasi-steady vented condition, when the smoke
production rate equals the rate of outflow from the smoke layer. An intermediate stage (i.e., smoke filling is still
occurring even though a smoke venting system is in operation) is not treated in this Annex.
B.2.3 Smoke layer characteristics to be calculated
Equations provide gas temperatures, species concentration and interface position.
B.2.4 Smoke layer conditions to which equations apply
Explicit equations are given for transient smoke filling process in an enclosure without smoke exhaust and
quasi-steady state under mechanical or natural smoke exhaust.
B.2.5 Self-consistency of the equation set
The set of equations is developed to be self-consistent.
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ISO 16735:2006(E)
B.2.6 Standards and other documents where the equation set is used
None specified.
B.3 Equation-set documentation
B.3.1 Scope of equation sets
In this Annex, four different sets of equations are provided. One is for the smoke filling process in a single
enclosure during the early stage of fire. The other three sets are for steady state smoke control by mechanical
exhaust or by natural vents.
B.3.2 Enclosure smoke filling process
B.3.2.1 Process to which equation applies
Until the smoke layer interface moves down to the upper edge of a vertical opening, smoke is accumulated in
the upper part of an enclosure as shown in Figure B.1. Due to thermal expansion, excess air is pushed out of
the enclosure.
NOTE This assumption is valid as long as the bottom of the smoke layer is above the upper boundary of the opening.
After the smoke layer descends below the upper boundary of the opening, smoke flows out of enclosure while fresh air
flows into the enclosure.
Key
1 excess air due to thermal expansion
2 floor area A
Figure B.1 — Mass conservation during enclosure smoke filling process
The equation set is constructed for the heat release rate given by
n
Q(t) =αt (B.1)
where n = 0 represents a steady burning fire, n = 2 represents a growing fire in accordance with square of time.
A fraction of χ is released by radiation. Convective heat release rate is represented by
n
Q(=−11χ)Q=−( χ)αt (B.2)
c
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ISO 16735:2006(E)
Mass flow rate of plume at a height z above the fire source is given in bibliographic reference [1].
13//1 3 5/3
m,=−0 076(1 χ)Q z (B.3)
p
NOTE This equation can be interpreted as an approximation of the plume equation in Annex A of ISO 16734. This
equation is valid only above the mean flame height. If the resulting interface position is below the mean flame height,
calculation results might be inaccurate.
B.3.2.2 Interface position
Interface position is calculated so that plume mass flow accumulates in the upper layer of uniform density.
−32/
n
⎛⎞
13//1 3
()1+
0,076 (1−χ) α 2 1
⎜⎟3
z(t)=+t (B.4)
23/
⎜⎟
ρ An + 3
H
s
⎝⎠
NOTE To calculate interface position, smoke density must be assumed. For practical applications, ρ = 1,0 gives
s
conservative results for initial smoke filling process in large volume enclosures (see bibliographic reference [2]). During the
latter stage of smoke filling, thermal expansion is significant. In this case, the following equation, from [3] and [4], is
2
2
applicable for t -fires (i.e., Q =αt ):
95/
⎛⎞
ΛX
z(X)=−H 1 (B.5)
⎜⎟
⎜⎟
1−T/T
s0
⎝⎠
where
23/
H
13//13 5/3
X,=−0 026 8 αχ(1 ) t (B.6)
A
45//2 5
A (1−λα)
Λ =07, 54 (B.7)
11/ 5
35/
H
(1−χ)
Smoke layer temperature, T , is calculated from (B.9) in the next section.
s
B.3.2.3 Smoke layer temperature
Smoke layer temperature is calculated so that heat released by fire is used to heat up a smoke layer of
volume, A(H − z). Heat absorption by enclosure boundary is neglected.
n+1
(1−λα) t
Tt()=+T (B.8)
s0
c ρ AH()−+z n1
ps
NOTE 1 The symbol λ is the fraction of heat absorption by enclosure boundary. Unless calculation of thermal radiation
exchange between plume, smoke layer and enclosures is coupled, it is recommended to assume that λ = 0, which means
that all the heat is used to heat up the smoke layer.
NOTE 2 For practical applications, ρ = 1,0 gives acceptable results for initial smoke filling of large volume enclosures.
s
NOTE 3 During the latter stage, when thermal expansion of smoke layer is significant, smoke layer temperature for
2
t -fires is calculated from the following equation:
9/5
⎛⎞
ΛX
TX()=−T exp⎜⎟ (B.9)
s0
−3/2
⎜⎟
1(−+1 X)
⎝⎠
where Λ and X are calculated from Equations (B.6) and (B.7).
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ISO 16735:2006(E)
B.3.2.4 Concentration of specific chemical species
Concentration of specific chemical species is calculated so that generated mass is distributed in the smoke
layer uniformly.
n+1
ηαt
Yt()=+Y (B.10)
0
ρ AH()−+z n1
s
B.3.2.5 Calculation example
2
2
⎯ A fire source Qt= 0,05 (α = 0,05 kW/s , n = 2, D = 1m) is located in an enclosure shown in Figure B.1.
2
⎯ Floor area of enclosure, A, is 100 m .
⎯ Enclosure height, H, is 8 m. Doorway opening height, H , is 2 m.
u
⎯ It is assumed that radiative fraction of heat release, χ, is 0,333.
⎯ Heat absorption by enclosure boundary is neglected (λ = 0).
−5
⎯ CO yield, η, is 7,61 × 10 kg/kJ.
2
⎯ Interface height, temperature and CO concentration at 60 s are calculated.
2
Using Equation (B.4), interface height is
−3/2
⎛⎞n
⎛⎞
1/ 3 1/ 3
1+
⎜⎟
0,076 (1−χα) 2 1
3
⎜⎟⎝⎠
zt=+
2/3
⎜⎟
ρ An + 3
H
s
⎝⎠
−3/2
⎛⎞2
⎛⎞
1/ 3 1/ 3
1+
⎜⎟
0,076 (1−×0,333) 0,05 2 1
3
⎜⎟⎝⎠
=+60=
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 16735
Première édition
2006-11-15
Ingénierie de la sécurité incendie —
Exigences régissant les équations
algébriques — Couches de fumée
Fire safety engineering — Requirements governing algebraic
equations — Smoke layers
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ISO 2006
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ISO 16735:2006(F)
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Version française parue en 2008
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos. iv
Introduction . v
1 Domaine d'application. 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions. 2
4 Exigences régissant la description des phénomènes physiques . 2
5 Exigences régissant la documentation . 2
6 Exigences régissant les limites. 3
7 Exigences régissant les paramètres d'entrée. 3
8 Exigences régissant le domaine d'applicabilité . 3
Annexe A (informative) Aspect général des couches de fumée. 4
Annexe B (informative) Équations spécifiques pour une couche de fumée satisfaisant
aux exigences de l'Annexe A. 8
Bibliographie . 28
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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 Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
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.
L'ISO 16735 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 92, Sécurité au feu, sous-comité SC 4, Ingénierie
de la sécurité incendie.
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Introduction
La présente Norme internationale est destinée à être utilisée par les praticiens de la sécurité incendie qui
utilisent des méthodes de calcul d'ingénierie relatives à la sécurité incendie. Ces praticiens comprennent, par
exemple, les ingénieurs en sécurité incendie, les autorités compétentes telles que les fonctionnaires
territoriaux compétents, le personnel des services d'incendie, les agents chargés de l'application des codes,
les agents chargés de l'élaboration des codes. Il est prévu que les utilisateurs de la présente Norme
internationale possèdent une qualification et une compétence appropriées dans le domaine de l'ingénierie de
la sécurité incendie. Il est particulièrement important que les utilisateurs comprennent les paramètres pour
lesquels des méthodologies particulières peuvent être employées.
Les équations algébriques conformes aux exigences de la présente Norme internationale sont utilisées avec
d'autres méthodes de calcul d'ingénierie lors de la conception de la sécurité contre l'incendie. Cette
conception est précédée de la détermination d'un contexte, y compris les objectifs devant être atteints en
matière de sécurité contre l'incendie, ainsi que de critères de performance lorsqu'un plan expérimental de
sécurité incendie est confronté à des scénarios d'incendie de dimensionnement spécifiés. Les méthodes de
calcul d'ingénierie sont utilisées pour déterminer si les critères de performance seront satisfaits par une
conception donnée et, dans la négative, la manière dont la conception doit être modifiée.
Les calculs d'ingénierie ont notamment pour objet la conception sûre en matière d'incendie des
environnements bâtis entièrement neufs, par exemple les bâtiments, les navires ou les véhicules, ainsi que
l'évaluation de la sécurité contre l'incendie des environnements bâtis existants.
Les équations algébriques mentionnées dans la présente Norme internationale sont très utiles pour quantifier
les conséquences de scénarios d'incendie de dimensionnement. Ces équations sont particulièrement utiles
dans la mesure où elles permettent au praticien de déterminer très rapidement la manière dont il convient de
modifier un plan expérimental de sécurité incendie pour répondre aux critères de performance convenus,
sans perdre de temps à effectuer des calculs numériques détaillés jusqu'à l'étape de documentation de la
conception finale. Les domaines dans lesquels des équations algébriques se sont avérées applicables
comprennent, par exemple, la détermination du transfert de chaleur — par convection et par rayonnement —
des panaches de feu, la prédiction des propriétés des écoulements en jet sous plafond régissant les temps de
réponse des détecteurs, le calcul du transport de la fumée dans les ouvertures de ventilation et l'analyse des
dangers d'un feu en compartiment tels que le transport de la fumée et l'embrasement éclair. En ce qui
concerne les couches de fumée, des équations algébriques sont souvent utilisées pour estimer le temps
nécessaire à l'envahissement par la fumée d'une portion donnée d'un compartiment ainsi que la température
et les concentrations dans la couche de fumée.
Les équations algébriques mentionnées dans la présente Norme internationale sont essentielles pour vérifier
les résultats de modèles numériques complets qui calculent l'augmentation du débit calorifique et ses
conséquences.
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NORME INTERNATIONALE ISO 16735:2006(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les
équations algébriques — Couches de fumée
1 Domaine d'application
1.1 Les exigences spécifiées dans la présente Norme internationale régissent l'application de systèmes
d'équations algébriques pour le calcul de caractéristiques spécifiques des couches de fumées générées par
les incendies.
1.2 La présente Norme internationale est une mise en application des exigences générales spécifiées dans
l'ISO/TR 13387-3 pour les calculs relatifs à la dynamique d'un incendie impliquant des systèmes d'équations
algébriques.
1.3 La présente Norme internationale est organisée sous forme d'un modèle dans lequel les informations
spécifiques relatives aux équations algébriques pour la couche de fumée sont fournies pour satisfaire aux
types suivants d'exigences générales:
a) description des phénomènes physiques traités par la méthode de calcul;
b) documentation de la méthode de calcul et de sa base scientifique;
c) limites de la méthode de calcul;
d) paramètres d'entrée de la méthode de calcul;
e) domaine d'applicabilité de la méthode de calcul.
1.4 Des exemples de systèmes d'équations algébriques satisfaisant à toutes les exigences de la présente
Norme internationale sont fournis dans des annexes séparées pour chaque type différent de scénario de
couche de fumée. L'Annexe A contient des informations générales et des exigences de conservation relatives
aux couches de fumée, et l'Annexe B contient des équations algébriques spécifiques pour le calcul des
caractéristiques des couches de fumée.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 5725 (toutes les parties), Exactitude (justesse et fidélité) des résultats et méthodes de mesure
ISO/TR 13387-3, Ingénierie de la sécurité contre l'incendie — Partie 3: Évaluation et vérification des modèles
mathématiques
ISO 13943, Sécurité au feu — Vocabulaire
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ISO 16735:2006(F)
ISO 16734:2006, Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les équations algébriques —
Panaches de feu
ISO 16737, Ingénierie de la sécurité incendie — Exigences régissant les équations algébriques —
Écoulements au travers d'une ouverture
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943 s'appliquent. Voir
Annexe A pour les termes et définitions propres à cette annexe.
4 Exigences régissant la description des phénomènes physiques
4.1 La couche flottante de fumée générée par un feu source dans un espace clos est un phénomène
thermophysique complexe qui peut être extrêmement transitoire ou quasi stationnaire. Les couches de fumée
peuvent comprendre des zones impliquées dans la combustion avec flamme et des zones où il ne se produit
pas de combustion. Outre la flottabilité, les couches de fumée peuvent être influencées par des forces
dynamiques dues aux ventilateurs mécaniques.
4.2 Les types généraux de feux sources, les conditions des limites physiques de l'enceinte et les autres
éléments du scénario auxquels l'analyse est applicable doivent être décrits à l'aide de schémas.
4.3 Les caractéristiques des couches de fumée devant être calculées et leurs domaines d'utilité doivent
être clairement identifiés, y compris les caractéristiques déduites par association aux grandeurs calculées (par
exemple association d'une concentration de fumée et d'une température excessive des gaz fondée sur
l'analogie entre énergie et conservation de la masse) et celles associées à l'exposition à la chaleur d'objets et
d'occupants par la couche de fumée, le cas échéant.
4.4 Les phénomènes physiques (par exemple simple remplissage par la fumée, extraction mécanique des
fumées, etc.) auxquels s'appliquent des équations spécifiques doivent être clairement identifiés.
4.5 Étant donné que différentes équations décrivent différentes caractéristiques des couches de fumée
(4.3) ou s'appliquent à différents scénarios (4.4), il doit être démontré que, si plusieurs méthodes permettent
de calculer une grandeur donnée, le résultat est indépendant de la méthode utilisée.
5 Exigences régissant la documentation
5.1 Les exigences générales régissant la documentation sont spécifiées dans l'ISO 13387-3.
5.2 La procédure à suivre pour réaliser les calculs doit être décrite par un système d'équations algébriques.
5.3 Chaque équation doit être présentée dans un paragraphe distinct contenant une phrase pour décrire le
résultat de l'équation ainsi que des notes explicatives et les limites propres à l'équation présentée.
5.4 Chaque variable du système d'équations doit être clairement définie, avec les unités SI appropriées,
bien que des versions des équations avec des coefficients sans dimension soient préférées.
5.5 La base scientifique du système d'équations doit être donnée par référence à des manuels reconnus, à
la littérature scientifique évaluée par des pairs ou par des dérivations, selon le cas.
5.6 Des exemples doivent montrer comment le système d'équations est évalué en utilisant, pour tous les
paramètres d'entrée, des valeurs conformes aux exigences spécifiées à l'Article 4.
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6 Exigences régissant les limites
6.1 Les limites quantitatives à l'application directe du système d'équations algébriques pour calculer les
paramètres de sortie, cohérentes avec les scénarios décrits à l'Article 4, doivent être spécifiées.
6.2 Des avertissements relatifs à l'utilisation du système d'équations algébriques dans une méthode de
calcul plus générale doivent être fournis, ces avertissements devant comprendre un contrôle de la cohérence
avec les autres relations utilisées dans la méthode de calcul et les procédures numériques utilisées.
7 Exigences régissant les paramètres d'entrée
7.1 Les paramètres d'entrée du système d'équations algébriques doivent être clairement définis, par
exemple le débit calorifique ou les dimensions géométriques.
7.2 L'origine des données relatives aux paramètres d'entrée doit être identifiée ou fournie explicitement
dans la Norme internationale.
7.3 Les plages de validité des paramètres d'entrée doivent être indiquées (voir l'ISO 13387-3).
8 Exigences régissant le domaine d'applicabilité
8.1 Une ou plusieurs collectes de données mesurées doivent être identifiées pour déterminer le domaine
d'applicabilité du système d'équations. Ces données doivent présenter un niveau de qualité (par exemple
répétabilité, reproductibilité) évalué par une procédure documentée/normalisée (voir l'ISO 5725).
8.2 Le domaine d'applicabilité des équations algébriques doit être déterminé par une comparaison avec les
données de mesurage en 8.1, en suivant les principes d'évaluation, de vérification et de validation des
méthodes de calcul.
8.3 Il faut identifier les sources d'erreur possibles qui limitent le système d'équations algébriques aux
scénarios spécifiques indiqués à l'Article 4.
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Annexe A
(informative)
Aspect général des couches de fumée
A.1 Termes et définitions
Les termes et définitions donnés dans l'ISO 13943 ainsi que les suivants s'appliquent.
A.1.1
limite physique
surface qui définit l'étendue d'une enceinte
A.1.2
enceinte
pièce, espace ou volume limité par des surfaces
A.1.3
panache de feu
mouvement turbulent ascendant d'un fluide généré par une source de flottabilité qui est liée à une combustion
et qui comprend souvent une zone d'inflammation initiale
A.1.4
flamme
partie lumineuse d'un panache de feu associée à la combustion
A.1.5
débit calorifique
débit de chaleur dégagée par une source de combustion (telle qu'un foyer d'incendie)
A.1.6
position de l'interface
altitude de l'interface d'une couche de fumée par rapport à une altitude de référence, habituellement la limite
inférieure de l'enceinte
NOTE Également désignée en tant que hauteur de la couche de fumée.
A.1.7
état quasi stationnaire
hypothèse selon laquelle la totalité des effets liés à des variations du débit calorifique au niveau du foyer
d'incendie sont ressentis partout dans le champ d'écoulement immédiat
A.1.8
fumée
particules solides et liquides et gaz émis dans l'atmosphère lorsqu'un matériau subit une pyrolyse ou une
combustion, associés à la quantité d'air qui est entraînée ou mélangée d'une autre manière dans la masse
A.1.9
couche de fumée
volume de fumée relativement homogène qui se forme et qui s'accumule au-dessous de la limite physique la
plus haute dans une enceinte à la suite d'un incendie
NOTE Également désignée en tant que couche chaude supérieure ou couche chaude de gaz.
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A.1.10
interface de la couche de fumée
plan horizontal séparant la couche de fumée de la couche inférieure exempte de fumée
A.1.11
évent
ouverture dans la limite physique d'une enceinte par laquelle l'air et la fumée peuvent s'écouler sous l'action
de forces induites naturellement ou mécaniquement
A.1.12
écoulement de ventilation
écoulement de fumée ou d'air par un évent dans la limite physique d'une enceinte
A.2 Description des phénomènes physiques traités par le système d'équations
A.2.1 Description générale de la méthode de calcul
La présente annexe est destinée à décrire les méthodes qui peuvent être utilisées pour calculer les positions
d'interface, les températures moyennes et les concentrations moyennes d'espèces chimiques spécifiques
dans les couches de fumée qui se forment au-dessous des limites physiques lors d'incendies dans des
enceintes. Ces méthodes de calcul sont fondées sur les principes de conservation de la masse, des espèces
et de l'énergie, tels qu'ils sont appliqués à la couche de fumée considérée comme un volume de contrôle
thermodynamique.
La fumée s'accumule dans la partie supérieure d'une enceinte à la suite d'une combustion. Il est supposé que
la fumée forme une couche dont la température et la concentration d'espèces sont relativement uniformes.
Les valeurs moyennes de température, de concentration de la fumée et de positions d'interface sont calculées
en se fondant sur les principes de conservation de la masse, des espèces et de l'énergie appliqués à la
couche de fumée. Une description des panaches de feu et des écoulements de ventilation est respectivement
fournie dans l'ISO 16734 et l'ISO 16737.
A.2.2 Caractéristiques de la couche de fumée devant être calculées
Les équations permettent de calculer la température moyenne, la concentration des espèces et la position de
l'interface de la couche de fumée.
A.3 Documentation relative au système d'équations
A.3.1 Généralités
Comme représenté dans la Figure A.1, une couche de fumée est générée au-dessus d'un foyer d'incendie
dans une enceinte. La conservation de la masse, de la chaleur et des espèces chimiques spécifiques est
traitée en A.3.2 à A.3.4.
A.3.2 Conservation de la masse
La conservation de la masse dans la couche de fumée doit être prise en compte dans un volume de contrôle
approprié choisi, comme représenté dans la Figure A.1 par des lignes discontinues. Le débit massique entrant
par chaque interface (négatif pour un écoulement sortant) du volume de contrôle doit être égal au débit
d'accumulation de masse de la couche de fumée. L'écoulement du panache, les écoulements de ventilation et
les autres écoulements doivent, si nécessaire, être pris en compte.
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A.3.3 Conservation de l'énergie
La conservation de l'énergie dans la couche de fumée doit être prise en compte de la même manière que la
conservation de la masse. Le flux énergétique entrant par l'interface de la couche (négatif pour un écoulement
sortant) doit être égal à la vitesse d'accumulation d'énergie dans la couche de fumée. Outre le panache et les
écoulements de ventilation, les pertes par rayonnement et l'absorption de chaleur par la limite physique de
l'enceinte doivent être prises en compte de manière appropriée.
NOTE Lorsqu'il est difficile de déterminer la perte de chaleur par rayonnement d'une flamme, le flux énergétique peut
être évalué approximativement par le débit calorifique tel qu'appliqué à l'Annexe B.
Légende
1 flux de chaleur
2 débit massique
3 absorption de chaleur par la paroi
4 écoulement de ventilation
5 volume de contrôle
6 écoulement du panache
7 foyer d'incendie
Figure A.1 — Conservation générale de la chaleur et de la masse d'une couche de fumée
dans une enceinte contenant un foyer d'incendie
A.3.4 Conservation d'espèces chimiques spécifiques
La conservation de la masse d'espèces chimiques spécifiques doit être prise en compte de la même manière
que la conservation totale de la masse. De plus, si une réaction chimique en phase gazeuse se produit dans
la couche de fumée, la vitesse de réaction doit être prise en compte de manière appropriée.
A.3.5 Débit massique du panache de feu au niveau de l'interface
Le débit massique du panache de feu au niveau de l'interface (surface inférieure de la couche de fumée) doit
être donné en fonction du débit calorifique de l'incendie et de la distance verticale entre la base du foyer
d'incendie et l'interface de la couche. Un exemple de système d'équations explicites pour cette caractéristique
du panache est fourni dans l'ISO 16734.
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A.3.6 Débit massique de fumée au niveau d'un évent
Le débit massique au niveau d'un évent est donné en fonction de la température de la couche de fumée et de
celle du compartiment adjacent, des différences de pression entre la couche et le compartiment adjacent, de
la largeur de l'évent et de la hauteur de l'évent. Un exemple de système d'équations pour cette caractéristique
de l'évent est fourni dans l'ISO 16737.
A.3.7 Équation d'état
La température et la densité de la fumée sont mises en corrélation par l'équation d'état. En général, la fumée
se rapproche d'un gaz parfait dont les propriétés sont identiques à celles de l'air.
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Annexe B
(informative)
Équations spécifiques pour une couche de fumée
satisfaisant aux exigences de l'Annexe A
B.1 Symboles et termes abrégés utilisés dans l'Annexe B
Voir le Tableau B.1.
Tableau B.1
Symbole Description Unité
2
A Surface de plancher de l'enceinte m
2
A Surface d'ouverture pour l'extraction de fumée m
vent
2
A Surface d'ouverture pour l'entrée d'air frais m
open
2
A Aire de la limite physique de l'enceinte en contact avec la couche de fumée m
wall
C Coefficient de débit 1
D
−3 −1
C Capacité thermique volumique des matériaux de la limite physique de l'enceinte kJ⋅m ⋅K
V
−1 −1
c Chaleur spécifique de l'air à pression constante (= 1,0) kJ⋅kg ⋅K
p
D Épaisseur des matériaux de la limite physique de l'enceinte m
wall
D Diamètre du foyer d'incendie m
−2
g Accélération due à la pesanteur m⋅s
−2 −1
h Coefficient effectif de transfert de chaleur de la limite physique de l'enceinte kW⋅m ⋅K
wall
H Hauteur de l'enceinte m
H Hauteur de la limite inférieure de l'ouverture m
l
H Hauteur de la limite supérieure de l'ouverture m
u
−1 −1
k Conductivité thermique des matériaux de la limite physique de l'enceinte kW⋅m ⋅K
L Hauteur moyenne des flammes m
−1
m Débit massique d'air entrant dans l'enceinte kg⋅s
a
−1
m Débit massique du système d'extraction de fumée kg⋅s
e
−1
m Débit massique de gaz dans le panache de feu kg⋅s
p
∆p Différence de pression Pa
Q Débit calorifique du foyer d'incendie kW
Q Débit calorifique par convection du foyer d'incendie, (1−χ)Q kW
c
t Temps s
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Tableau B.1 (suite)
Symbole Description Unité
t Temps caractéristique pour l'absorption de chaleur par la limite physique
c
s
de l'enceinte
T Température de référence, souvent prise comme la température extérieure K
0
T Température de la couche de fumée K
s
3 −1
V Débit volumique du système d'extraction mécanique m ⋅s
e
−1
Y Concentration d'espèces chimiques spécifiques kg⋅kg
−1
Y Concentration d'espèces chimiques spécifiques à l'état de référence kg⋅kg
0
z Hauteur de l'interface par rapport à la base du foyer d'incendie m
−2
α Taux d'augmentation du débit calorifique kW⋅s
χ Fraction de chaleur dégagée émise sous forme de rayonnement thermique 1
η Production d'espèces kg/kJ
λ Fraction de chaleur absorbée par la limite physique de l'enceinte pendant la période
1
de remplissage par la fumée
−3
ρ Densité de l'air à la température de référence kg⋅m
0
−3
ρ Densité de la fumée kg⋅m
s
B.2 Description des phénomènes physiques traités par le système d'équations
B.2.1 Généralités
Ces méthodes de calcul permettent de calculer les températures moyennes, les concentrations de fumée et
les positions de l'interface obtenues dans plusieurs scénarios d'incendie. D'autres méthodes peuvent être
utilisées pour calculer ces grandeurs, à condition que ces méthodes aient été validées et vérifiées pour la
gamme de conditions à laquelle sont appliquées ces méthodes.
B.2.2 Éléments de scénario auxquels est applicable le système d'équations
Le système d'équations est applicable aux couches de fumée surmontant des foyers d'incendie dans un
environnement calme. Si la perturbation de l'écoulement due à des phénomènes non liés à l'incendie est
importante, le système d'équations n'est pas applicable. Par exemple, il convient de tenir compte de l'effet du
flux d'air engendré par les systèmes CVCA ou par le vent extérieur si cet effet est important. Lorsque des
systèmes d'extinction d'incendie actifs, tels que des extincteurs automatiques (sprinklers), interagissent de
manière significative avec la couche de fumée, le système d'équations n'est pas applicable.
Le foyer d'incendie doit être suffisamment petit pour que la hauteur moyenne des flammes soit inférieure à la
position de l'interface et que la largeur caractéristique du panache soit inférieure à la largeur de l'enceinte
(soumis à des restrictions supplémentaires imposées par les équations utilisées pour obtenir les
caractéristiques du panache).
Des méthodes de calcul des conditions de la couche de fumée sont développées pour deux phases limites.
Une phase limite est un processus simple d'envahissement d'une enceinte par la fumée au cours de la phase
2
initiale d'un incendie (feux t , en général), alors que le matériel de désenfumage n'est pas encore en service.
L'autre phase limite est une condition de ventilation quasi continue, lorsque le débit de fumée produite est
égal au débit de sortie de la couche de fumée. Une phase intermédiaire (à savoir, poursuite de
l'envahissement par la fumée alors même qu'un système d'extraction des fumées est en service) n'est pas
traitée dans la présente annexe.
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B.2.3 Caractéristiques de la couche de fumée devant être calculées
Les équations donnent la température des gaz, la concentration des espèces et la position de l'interface.
B.2.4 Conditions de la couche de fumée auxquelles s'appliquent les équations
Des équations explicites sont fournies pour le processus transitoire d'envahissement d'une enceinte par la
fumée sans extraction des fumées et pour l'état quasi stationnaire en présence d'une extraction mécanique ou
naturelle des fumées.
B.2.5 Cohérence interne du système d'équations
Le système d'équations est développé de manière à présenter une cohérence interne.
B.2.6 Normes et autres documents dans lesquels est utilisé le système d'équations
Aucun n'est spécifié.
B.3 Documentation relativ
...
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