Numerical analysis of storey-to-storey fire spreading

• Autorzy: Schabowicz Krzysztof , Sulik Paweł , Gorzelańczyk Tomasz , Zawiślak Łukasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140158

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna rozprzestrzeniania się ognia pomiędzy kondygnacjami po elewacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents detailed comparisons for numerical simulations of fire development along the facade, with particular emphasis on the so-called “leap frog effect”, for different variations of window opening sizes and storey heights. A total of 9 models were subjected to numerical analysis. The problem occurred in most of the analyzed models - i.e., the fire penetrated through the facade to the higher storey. It should be noted that the adopted hearth was identified by standard parameters, and materials on the facade were non-combustible - as a single-layer wall. In the case of real fires, the parameters of the release rate can also vary greatly, but the values are usually higher. It has been shown that the most dangerous situation is with small size windows, where the discharge of warm gases and flames, causes a fairly easy fire jump between floors. The leap frog effect can be limited by increasing windows and storey height - this changes the shape of the flames escaping from the interior of the building and limits the possibility of fire entering the storeys above. In addition, increasing the size of windows results in a reduction of fire power per unit window dimension [KW/m2] at constant fire power (fuel-controlled fire), which is also of key importance for the fire to penetrate with the leap frog effect.

PL

W artykule przedstawiono szczegółowe porównania dla symulacji numerycznych rozwoju pożaru po elewacji, ze szczególnym uwzględnieniem tzw efektu “żabiego skoku”, dla różnych wariacji rozmiarów otworów okiennych i wysokości kondygnacji. Analizie numerycznej poddano łacznie 9 modeli. W większości analizowanych modeli problem ten wystąpił - tzn. ogień przedostał się po elewacji na wyższą kondygnację. Należy zauważyć iż przyjęte palenisko było zidentyfikowane o parametry normowe, a materiały na elewacji były niepalne - jako ściana jednowarstwowa. W przypadku pożarów rzeczywisty parametry szybkości uwalniania mogą być również bardzo zróżnicowane, lecz są to wartości zazwyczaj większe. Wykazano iż najniebezpieczniejsza sytuacja to niewielkie gabarytowo okna, w których to wyrzut ciepłych gazów i płomieni, powoduje dość łatwy przeskok pożaru pomiędzy kondygnacjami. Efekt żabiego skoku, można ograniczyć poprzez zwiększanie okien, oraz wysokości kondygnacji - powoduje to zmianę kształtu wydostających się płomieni z wnętrza budynku, oraz ogranicza możliwość przedostawania się ognia na powyższe kondygnacje. Dodatkowo zwiększanie gabarytów okien powoduje zmniejszenie mocy pożaru na jednostkę wymiaru okna [KW/m2] przy stałej mocy pożaru (pożarze kontrolowanym przez paliwo), które to również ma kluczowe znaczenie przy przedostaniu się ognia przy efekcie żabiego skoku.

Słowa kluczowe

EN

fire; leap-frog effect; façade; fire safety; large scale test; storey; fire spreading; numerical analysis

PL

pożar; efekt skoku; elewacja; bezpieczeństwo pożarowe; badanie w dużej skali; rozprzestrzenianie ognia; kondygnacja; analiza numeryczna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 1
• Strony: 91--109
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Schabowicz Krzysztof

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Construction Technology, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6320-9539

autor

Sulik Paweł

• Instytut Techniki Budowlanej, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-8050-8194

autor

Gorzelańczyk Tomasz

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Construction Technology, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4251-4769

autor

Zawiślak Łukasz

• Wrocław University of Science and Technology, Faculty of Civil Engineering, Department of Construction Technology, Wrocław, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2828-5899

Bibliografia

• [1] EN 13501-1:2019-02. Fire classification of construction products and building elements - Part 1: Classification using data from reaction to fire tests.
• [2] M. Bonner, G. Rein, “Flammability and multi-objective performance of building: towards optimum design”, International Journal of High-Rise Buildings, 2018, vol. 7, pp. 363-374, DOI: 10.21022/IJHRB.2018.7.4.363.
• [3] K. Livkiss, S. Svensson, “Flame Heights and Heat Transfer in Façade System Ventilation Cavities”, Fire Technology, 2018, no 54, pp. 689-713, DOI: 10.1007/s10694-018-0706-2.
• [4] D.I. Kolaitis, E.K. Asimakopoulou, M.A. Founti, “A Full-scale fore test to investigate the fire behaviour of the “ventilated facade” system”, in Interflam 2016, Windsor, 2016.
• [5] S. Colwell, T. Baker, Fire Performance of external thermal insulation for walls of multistorey buildings, 3rd ed., Garston: IHS BRE Press, 2013.
• [6] S. Boström, D. McNamee, “Fire test of ventilated and unventilated wooden facades”, SP Report 2016:16, Boras, 2016.
• [7] J. Anderson, R. Jensson, “Experimental and numerical investigation of fire”, in Fire Computer Modeling Santander, 18-19th October 2012, Spain, 2012.
• [8] J. Andersson, L. Boström, R. Jansson McNamee, “Fire Safety of Facades”, RISE Research Institutes of Sweden, SP Rapport 2017:37, Brandforsk 2017:3.
• [9] R. Rogan, E. Shipper, ASTM Leap Frog Effect. The design and analysis of a computer fire model to test for flame spread through a building’s exterior, 2010.
• [10] BS 8414-1:2015+A1:2017 Fire performance of external cladding systems. Test method for non-loadbearing external cladding systems applied to the masonry face of a building, Building Research Establishment.
• [11] PN-90/B-02867:1990+Az1:2001 Fire protection of buildings. The method of testing the degree of fire spread through walls (in Polish).
• [12] EOTA No 761/PP/GRO/IMA/19/1133/11140, European Commision, 2019.
• [13] ISO 13785-2:2002 Reaction-to-fire tests for façades - Part 2: Large-scale test.
• [14] M. Smolka, E. Anselmi, T. Crimi, B. Le Madec, I.F. Moder, K.W. Park, R. Rupp, Y.-H. Yoo, H. Yoshioka, “Semi-natural test methods to evaluate fire safety of wall claddings: Update”, in MATEC Web of Conferences, 2016, vol. 46, DOI: 10.1051/matecconf/20164601003.
• [15] D. Chen, S.M. Lo, W. Lu, K.K. Yuen, Z. Fang, “A numerical study of the effect of window configuration on the external heat and smoke spread in building fire”, Numerical Heat Transfer, 2001, no. 40, pp. 821-839, DOI: 10.1080/104077801753344286.
• [16] M. Ibrahim, A.M. Sharaf Eldin, M. Ayoub, “Effect of Window Configurations on Fire Spread in Buildings”, in 11th International Energy Conversion Engineering Conference, 2013, DOI: 10.2514/6.2013-3947.
• [17] I. Oleszkiewicz, “Heat transfer from a window fire plume to a building facade”, ASME HTD, 1989, vol. 123, pp. 163-170, DOI: 10.4224/40001813.
• [18] I. Korrhoff, “ETICS and fire safety Basic principles and framework conditions”, in Third ETICS Forum, Milan, 2015.
• [19] J. Anderson, L. Boström, R. Jansson McNamee, B. Milovanovic, “Modeling of fire exposure in facade fire testing”, Fire and Materials, 2018, vol. 42, pp. 475-483, DOI: 10.1002/fam.2485.
• [20] SP FIRE 105. Method for fire testing of façade materials, Department of Fire Technology, Swedish National Testing and Research Institute, 1994.
• [21] ISO 13785-2:2002 Reaction-to-fire tests for façades - Part 2: Large-scale test, International Organization for Standardization.
• [22] W.K. Chow, W.Y. Hung, Y. Gao, G. Zou, H. Dong, “Experimental study on smoke movement leading to glass damages in double-skinned facade”, Construction and Building Materials, 2007, vol. 21, no. 3, pp. 556-566, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2005.09.005.
• [23] Z. Ni, S. Lu, L. Peng, “Experimental study on fire performance of double-skin glass facades”, Journal of Fire Sciences, 2012, vol. 30, no. 5, pp. 457-472, DOI: 10.1177/0734904112447179.
• [24] I. Kotthoff, “Mechanismen der Brandausbreitung an der Gebäudeaußenwand, Brandverhalten von WDVS unter besonderer Berücksichtigung von Polystyrol-Hartschaum”, in 9. Hessischer Energieberatertag, Frankfurt, 2012.
• [25] F. Incropera, D. DeWitt, T. Bergman, A. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th ed., John Wiley & Sons, 2007.
• [26] M. Hurley, SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 5th ed., vol. 1, Springer New York, 2016.
• [27] J. Degler, A. Ellasson, J. Anderson, D. Lange, “A-priopri modelling of the tisova fire test as input to the experimental work”, in The First International Conference on Structural Safety under Fire&Blast, Glasgow, 2015.
• [28] K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd, R. McDermott, M. Vanella, Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 3: Validation, NIST Special Publication 1018-3, 6th ed., National Institute of Standards and Technology and VTT Technical Research Centre of Finland, 2019.
• [29] C.H. Lin, Y. M. Ferng, W.S. Hsu, “Investigating the effect of computational grid sizes on the predicted characteristics of thermal radiation for a fire”, Applied Thermal Engineering, 2009, vol. 29, pp. 2243-2250, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2008.11.010.
• [30] P. Sulik, J. Kinowski, “Operational safety of façades" (in Polish), Materiały Budowlane, 2014, no. 9, pp. 38-39.
• [31] B. Sedłak, J. Kinowski, P. Sulik, G. Kimbar, “The risks associated with falling parts of glazed façades”, Open Engineering, 2018, vol. 8, pp. 147-155, DOI: 10.1515/eng-2018-0011.
• [32] J. Kinowski, B. Sedłak, P. Roszkowski, P. Sulik, “The effect of the way of fixing exterior wall cladding on its behaviour in fire conditions” (in Polish), Materiały Budowlane, 2018, no. 8, pp. 204-205.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).