Fire safety engineering -- Assessment, verification and validation of calculation methods

ISO 16730-4:2013 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. The example it gives describes the application of procedures given in ISO 16730‑1 for a structural fire resistance model. The main objective of the specific model treated here is the simulation of the heat transfer and structural responses of wall assemblies.

Ingénierie de la sécurité incendie -- Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul

L'ISO/TR 16730-4:2013 montre comment l'ISO 16730‑1 est appliquée ŕ une méthode de calcul pour un exemple spécifique. Elle montre comment décrire de maničre 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 ŕ un modčle de résistance au feu structural. Le principal objectif du modčle spécifique traité ici est la simulation du transfert de chaleur et de la réponse structurale des murs.

General Information

Status
Published
Publication Date
12-Nov-2013
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
09-Sep-2013
Completion Date
13-Nov-2013
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Technical report
ISO/TR 16730-4:2013 - Fire safety engineering -- Assessment, verification and validation of calculation methods
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ISO/TR 16730-4:2013 - Ingénierie de la sécurité incendie -- Évaluation, vérification et validation des méthodes de calcul
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 16730-4
First edition
2013-11-01
Fire safety engineering — Assessment,
verification and validation of
calculation methods —
Part 4:
Example of a structural model
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation, vérification et
validation des méthodes de calcul —
Partie 4: Exemple d’un modèle structural
Reference number
ISO/TR 16730-4:2013(E)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-4:2013(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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Published in Switzerland
ii © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 16730-4:2013(E)
Contents Page

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

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

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

2 General information on the structural model ....................................................................................................................... 1

3 Methodology used in this Technical Report ............................................................................................................................. 1

Annex A (informative) Description of the calculation method ................................................................................................. 2

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

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

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................13

Worked example ..................................................................................................................................................................................................................14

User manual ..............................................................................................................................................................................................................................15

© ISO 2013 – All rights reserved iii
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ISO/TR 16730-4:2013(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.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity

assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical

Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information

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 16730-4:2013(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 16730-4:2013(E)
Fire safety engineering — Assessment, verification and
validation of calculation methods —
Part 4:
Example of a structural 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

structural fire resistance model.

The main objective of the specific model treated here is the simulation of the heat transfer and structural

responses of wall assemblies.
2 General information on the structural model

An analytical model for predicting the fire resistance of load bearing, gypsum protected, wood-stud

wall assemblies is presented. The model couples a heat transfer sub-model and a structural sub-model.

The heat transfer sub-model predicts the temperature profile inside the wood-stud wall and the time to

insulation failure. The structural sub-model, based on the elastic buckling-load, uses the temperature

profile to calculate the deflection of the wood studs and the time to structural failure of the assembly.

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. The Bibliography includes a worked example and user manual.

© ISO 2013 – All rights reserved 1
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ISO/TR 16730-4:2013(E)
Annex A
(informative)
Description of the calculation method
A.1 Purpose

Definition of problem To develop an analytical model to predict the fire resistance of lightweight wood-

solved or function per- frame wall assemblies exposed to fires. The model evaluates the heat transfer and

formed structural responses based on experimental observations, material properties at

elevated temperatures and equations of strength of materials.

Description of results of To simulate the fire resistance behaviour of wood-frame assemblies, it is essential

calculation method to evaluate their thermal and structural responses when exposed to fires. The

thermal response gives estimates of the temperature distribution in the assembly.

The structural response calculates the structural failure of an assembly, based on

this temperature distribution.

Inclusion of feasibility Traditionally, fire resistance of wood-frame assemblies has generally been evalu-

studies and justification ated by:
statements
— subjecting an assembly to testing in accordance with procedures outlined
in standards or
— using reference to ready-to-use tables or design procedures (component
additive method) found in building codes or
— alternatively, fire resistance can be evaluated using validated numerical
models that are becoming available.
Fire resistance test methods have drawbacks, including high costs and time,

limitations of specimen geometry and loading, and to a lesser degree repeatability.

Calculation methods offer one way of overcoming some of these problems when

attempting to assess the fire resistance of lightweight-framed assemblies. Calcula-

tion methods also aid in designing an experimental program, improve products
manufacturing, and assist the industry in taking full advantage of the opportu-
nities offered by performance-based codes, as these methods would facilitate a
faster design process.
2 © ISO 2013 – All rights reserved
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ISO/TR 16730-4:2013(E)
A.2 Theory

Description of underly- In order to develop a fire resistance model for wall assemblies that replicate test

ing conceptual model results, the fire resistance behaviour from the experimental program must be

(governing phenomena), carefully observed. Test results have shown that the behaviour of wood-stud wall

if applicable assemblies, when exposed to fire, depends on several key factors: the layers of

gypsum board separating the wood joists from the flames, the insulation between
the joists, the material properties of the wood joists, and the temperatures to
which the assembly is subjected.
The model comprises two sub-models, a heat transfer sub-model and a structural
response sub-model. The heat transfer sub-model, called WALL2D, predicts the
thermal response. The heat transfer model determines the temperature distribu-

tion in the wall as a function of time, taking into account the heat absorbed in the

dehydration of gypsum and wood, and in the pyrolysis of wood, without consid-
ering mass transfer. The heat transfer model uses thermo-physical properties of
wood, gypsum board, and insulation. The heat transfer model also predicts the

effect of glass-fibre and rock-fibre insulation on the fire resistance of wood-stud

walls, by combining conduction and radiation heat transfer through the insulation,

and is represented by a temperature-dependent effective thermal conductivity and

density of the insulation. In addition, the heat transfer model calculates the flow of

hot gases through the opening into the stud cavity based on shrinkage of gypsum

board and opening of the joints, as well as the advance of the char layer into the

cross-section of the stud with time.
The structural fire performance of wood-frame assemblies is affected
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 16730-4
Première édition
2013-11-01
Ingénierie de la sécurité incendie —
Évaluation, vérification et validation
des méthodes de calcul —
Partie 4:
Exemple d’un modèle structural
Fire safety engineering — Assessment, verification and validation of
calculation methods —
Part 4: Example of a structural model
Numéro de référence
ISO/TR 16730-4:2013(F)
ISO 2013
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 16730-4:2013(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.
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Publié en Suisse
ii © ISO 2013 – Tous droits réservés
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ISO/TR 16730-4:2013(F)
Sommaire Page

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

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

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

2 Informations générales sur le modèle structural .............................................................................................................. 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 ............................................................................................................................................................................................... 9

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................13

Cas d’étude .................................................................................................................................................................................................................................14

Manuel de l’utilisateur ...................................................................................................................................................................................................15

© ISO 2013 – Tous droits réservés iii
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ISO/TR 16730-4:2013(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 l’élaboration du 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. Ce document a été rédigé

conformément aux règles rédactionnelles spécifiées dans la Partie 2 des Directives ISO/CEI. 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 dans la liste des déclarations de brevets reçues par

l’ISO. www.iso.org/brevets

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour

information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.

Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation

de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC

concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos – Informations

supplémentaires

Le comité responsable 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, sous le titre général Ingénierie de la sécurité incendie —

Evaluation, 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]
Les parties suivantes sont en cours de préparation:
— Partie 1: Généralités (révision de l’ISO 16730:2008)
iv © ISO 2013 – Tous droits réservés
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ISO/TR 16730-4:2013(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 16730-4:2013(F)
Ingénierie de la sécurité incendie — Évaluation,
vérification et validation des méthodes de calcul —
Partie 4:
Exemple d’un modèle structural
1 Domaine d’application

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 résistance au feu structural.

Le principal objectif du modèle spécifique traité ici est la simulation du transfert de chaleur et de la

réponse structurale des murs.
2 Informations générales sur le modèle structural

Le présent document présente un modèle analytique permettant de prédire la résistance au feu de

montants de murs porteurs en bois protégés par des plaques de plâtre. Le modèle associe un sous-

modèle de transfert de chaleur et un sous-modèle structural. Le sous-modèle de transfert de chaleur

prédit le profil de température à l’intérieur du mur avec montants en bois et le délai de survenue d’une

défaillance d’isolation. Le sous-modèle structural, fondé sur la charge de flambement élastique, utilise

le profil de température pour calculer la flèche des montants en bois et le délai de survenue d’une

défaillance structurale du mur.
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. La Bibliographie inclut un cas d’étude et

un manuel de l’utilisateur.
© ISO 2013 – Tous droits réservés 1
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ISO/TR 16730-4:2013(F)
Annexe A
(informative)
Description de la méthode de calcul
A.1 Objet

Définition du problème Élaborer un modèle analytique permettant de prédire la résistance au feu de cadres en bois

résolu ou de la fonction légers exposés au feu. Le modèle évalue le transfert de chaleur et le comportement struc-

exécutée tural d’après des observations expérimentales, les propriétés des matériaux à température

élevée et selon les équations de résistance des matériaux.

Description des résultats de Pour simuler la résistance au feu de cadres en bois, il est essentiel d’évaluer leurs réponses

la méthode de calcul thermiques et structurales en situation d’incendie. La réponse thermique donne des esti-

mations de la répartition de la température dans le mur. La réponse structurale permet de

calculer la défaillance structurale d’un mur en fonction de cette répartition de la tempéra-

ture.

Intégration des études de Traditionnellement, la résistance au feu de cadres en bois a généralement été évaluée de la

faisabilité et des justifica- manière suivante:
tions
— en les soumettant à des essais conformément aux modes opératoires prescrits
dans les normes, ou
— en se référant à des tableaux ou des procédures de conception prédéfinis
(méthode par addition de composants) figurant dans les codes du bâtiment, ou
— en utilisant les modèles numériques validés lorsqu’ils sont disponibles.

Les méthodes d’essai de résistance au feu ont des inconvénients, notamment en termes

de coût et de temps, de limites s’appliquant à la géométrie de l’échantillon et à sa mise en

charge, et, à un degré moindre, de répétabilité. Les méthodes de calcul offrent un moyen

de surmonter quelques-uns de ces problèmes en tentant d’évaluer la résistance au feu de

cadres en structures légères. Les méthodes de calcul favorisent également la conception de

programme expérimental et l’amélioration de la fabrication des produits, et aident l’indus-

trie à profiter pleinement des opportunités offertes par les codes reposant sur la perfor-

mance, car ces méthodes faciliteraient une accélération du processus de conception.

2 © ISO 2013 – Tous droits réservés
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ISO/TR 16730-4:2013(F)
A.2 Théorie

Description du modèle Pour élaborer un modèle de résistance au feu applicable aux murs qui permette de repro-

conceptuel sous-jacent duire les résultats d’essai, il faut observer soigneusement le comportement de résistance

(phénomène déterminant), au feu dans le cadre de programme expérimental. Les résultats d’essai ont montré que le

le cas échéant comportement de montants de murs en bois, en cas d’exposition au feu, dépend de plu-

sieurs facteurs clés: les couches de plaques de plâtre qui séparent les montants en bois des

flammes, l’isolation entre les montants, les propriétés des matériaux des montants en bois

et les températures auxquelles est soumis le mur.

Le modèle comprend deux sous-modèles: un sous-modèle de transfert de chaleur et un

sous-modèle de réponse structurale. Le sous-modèle de transfert de chaleur, appelé

WALL2D, prédit la réponse thermique. Le modèle de transfert de chaleur détermine la

répartition de la température dans le mur en fonction du temps, compte tenu de la chaleur

absorbée lors de la déshydratation du plâtre et du bois, et lors de la pyrolyse du bois, sans

considération de transfert de masse. Le modèle de transfert de chaleur utilise les proprié-

tés thermo-physiques du bois, des plaques de plâtre et de l’isolation. Il permet également

de prédire l’effet de l’isolation en fibres de verre ou en fibres de roche sur la résistance au

feu des montants de murs en bois, en combinant le transfert de chaleur par conduction et

par rayonnement à travers l’isolation; il est représenté par une conductivité thermique

effective dépendant de la température et par la densité de l’isolation. En outre, le modèle

de transfert de chaleur permet de calculer le débit de gaz chauds au travers des ouvertures,

dans la cavité entre montants, d’après le retrait des plaques de plâtre, l’ouverture des joints

et la progression de la carbonisation de la section du montant, avec le temps.

La résistance au feu structurale des cadres en bois est affectée par la vitesse de carboni-

sation, la dégradation des propriétés mécaniques du bois aux températures élevées et la

charge supportée par les murs. Pour déterminer la réponse structurale, un sous-modèle de

flambement critique est associé au modèle de transfert de chaleur. Le sous-modèle utilise

la répartition de la température préd
...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.