The impact of horizontal projections on external fire spread - A numerical comparative study

Abstract

The aim of the report was to investigate and compare the effect of horizontal projections along with different spandrel heights between the unprotected openings in the building facade. The effect was more specifically the effect on the risk level in regards to the external vertical fire spread. Furthermore, based upon the performance requirements of the Swedish building regulations (BBR), the aim was to compare the effects of the different protection methods. From the validation study it was shown that FDS version 6.2.0 is well suited as calculation tool for the problem area given the presented settings. The main conclusions drawn from the report was that the use of at least a 60 cm deep horizontal projection results in lesser consequences and lower risk levels at the facade above the projection compared with the scenarios built up by different spandrel heights. Also, the conclusion was that the use of at least a 60 cm deep horizontal projection results in lower risk levels above the projection compared with the risk level accepted in the prescriptive part of the BBR. The opposite was seen for the 20 cm and 30 cm deep horizontal projections. The use of 60, 80 and 100 cm deep horizontal projections resulted in 15-50 % reduction in the relative exposure of adiabatic surface temperature at the facade 1.2 m above the underlying opening. The main horizontal projections used in the report were 20 cm thick rectangular non-combustible balconies with open sides and no separation walls, extending 0.4 m on each side of the underlying openings. Based on the findings in this report, a spandrel distance of at least 1.2 m in the building exterior as stated by the BBR can be replaced by at least a 60 cm deep horizontal projection positioned at any height above the underlying opening. However, additional simulations on other setups are needed to determine the general use of this outcome. Furthermore, recommendations were given on the design of BBR for the problem area.

Popular Abstract (Swedish)

Balkongplattor som alternativ till bröstning i byggnadsfasaden

Tidigare forskning har visat att brandspridning i bostadshus ofta sker vertikalt via fönster i byggnadsfasaden. Samtidigt visar sig nivån på brandskyddet mot detta skilja sig åt mellan olika länders byggnadsregler. Att det finns oenighet i frågan antyder att ytterligare forskning behövs inom ämnet.

I avsnitt 5:553 av de svenska byggreglerna (BBR 22) anges kraven för fönster i yttervägg. Fönster placerade ovanför varandra i höjdled mellan skilda brandceller i samma byggnad ska utformas så att brandspridning mellan brandcellerna begränsas. Enligt de förenklade reglerna uppfylls detta om avståndet mellan fönstren är minst 1,2 m. Om avståndet är mindre än 1,2 m måste antingen ett av fönstren vara brandklassad i klass E 30 eller båda i klass E 15. Därutöver får de brandklassade fönstren endast vara öppningsbara med verktyg, nyckel eller liknande.

Utformningen av BBR i frågan skapar problem eftersom dagens byggnader ofta innehåller stora glaspartier längs med byggnadsfasaden för att skapa större ljusinsläpp. Även fasadutformningar som franska balkonger med öppningsbara dörrsektioner innebär potentiella problem. Problemet är mer specifikt att utformningarna av dessa glaspartier kan täcka stora delar av fasaden i höjdled, vilket innebär att bröstningskravet på 1,2 m hotas vid normal bjälklagshöjd. För en fransk balkong innebär detta att de endast får öppnas med nyckel, alternativt ska utrustas med dörrstängare, vilket sällan är önskvärt med en fransk balkong.

Ett sätt att lösa problemet med reducerad bröstning som ett resultat av nya fasadutformningar vore att anlägga en balkongplatta med lämplig utformning mellan fönstren i fasaden. Plattan skulle avleda flammorna bort från byggnadsfasaden, vilket således hade reducerat brandpåverkan på den ovanliggande fasaden och därigenom hämmat den vertikala brandspridningen. Tillämpningen av balkongplattor hade kunnat fungera som ett alternativ till de förenklade reglerna, vilket hade kunnat leda till samma risknivåer gällande den vertikala brandspridningen för positioner på fasaden ovanför balkongplattan jämfört med positioner längs med bröstningshöjden på 1,2 m.

I ”Balkongplattors påverkan på extern brandspridning - En numerisk jämförande studie” undersöks och jämförs effekten av balkongplattor och olika bröstningshöjder mellan icke brandklassade fönster i byggnadsfasaden. Mer specifikt undersöks påverkan på risknivån med hänsyn till den externa vertikala brandspridningen. Vidare jämförs denna påverkan mellan de olika skyddsmetoderna med de förenklade reglerna i de svenska byggreglerna (BBR) som grund.

För att ta reda på ovanstående används programmet FDS version 6.2.0 som beräkningsverktyg. För att kunna bedöma rimligheten i beräkningarna och i allmänhet utvärdera programmet för problemområdet, har en valideringsstudie utförts. Beräkningar i FDS valideras mot data från ett storskaligt brandförsök på en modifierad SP Fire 105 test rigg, vars geometri är nära knuten till problemområdet.

Den generella slutsatsen är att FDS väl uppskattar gas- och yttemperaturer såväl som infallande strålning. För att uppnå likvärdigt resultat nära branden krävs emellertid en fin mesh-upplösning, närmare bestämt ett D^*/δx av åtminstone 30. Ur valideringsstudien framgår det att FDS version 6.2.0 är väl lämpad som beräkningsverktyg för problemområdet givet de presenterade inställningarna i studien. Resultaten från valideringsstudien tas i beaktning under beräkningarna i den jämförande analysen.
 
I den jämförande analysen uppskattas med hjälp av FDS konsekvensen på den ovanliggande fasaden från en brand i en underliggande lägenhet. Konsekvensen beskrivs av den adiabatiska yttemperaturen samt FDS-variabeln incident heat flux och åskådliggörs i olika diagram med konsekvensen som en funktion av höjden ovanför den underliggande öppningen. I dessa diagram jämförs sedan konsekvenserna från scenarier med olika djupa balkongplattor i fasaden mot scenarier med olika bröstningshöjder mellan öppningarna.

Genom att låta konsekvenserna från bröstningsfallet utgöra den representerade risknivån kan ändringen i risknivå studeras i diagrammen efter införandet av olika balkongplattor. Därefter kan slutsatser dras om huruvida risknivån stiger eller sjunker efter införandet av dessa balkongplattor jämfört med olika bröstningshöjder samt bröstningskravet enligt BBR.

Den generella slutsatsen är att användningen av åtminstone en 60 cm djup balkongplatta resulterar i mindre konsekvenser och lägre risknivåer ovanför plattan jämfört med scenarier uppbyggda av olika bröstningshöjder. Det motsatta ses för de 20 cm och 30 cm djupa balkongplattorna. Den generella slutsatsen är även att användningen av åtminstone en 60 cm djup balkongplatta resulterar i lägre risknivåer ovanför plattan jämfört med den risknivå som är accepterad i de allmänna råden i BBR. Det motsatta ses även här för de 20 cm och 30 cm djupa balkongplattorna. Användningen av 60, 80 och 100 cm djupa balkongplattor resulterar i 15-50 % reduktion av den relativa exponeringen av adiabatisk yttemperatur på fasaden, 1,2 m ovanför den underliggande öppningen.

De huvudsakligen använda balkongplattorna i rapporten är 20 cm tjocka, rektangulära och icke-brännbara balkonger med öppna sidor samt inga skiljeväggar, utstickande 0,4 m åt var sida om den underliggande öppningen. Två typer av öppningar i den obrännbara fasaden studeras: en 0,8 m (B) * 2 m (H) dörr och ett 1,2 m (B) * 1,2 m (H) fönster. I några av scenarierna placeras balkongplattorna precis ovanför den underliggande öppningen. Givet förutsättningarna i studien kan därmed en bröstning av 1,2 m som anges i de svenska byggreglerna ersättas med åtminstone en 60 cm djup balkongplatta placerad på en valfri höjd ovanför den underliggande öppningen. Dock behövs ytterligare simuleringar med andra uppställningar för att fastställa resultatets allmänna tillämpning.

En rekommendation till de svenska byggreglerna vore att vidare utreda möjligheterna till att använda balkongplattor som skydd, enligt ovan, för att sedan utveckla de allmänna råden likt utformningen av de Nya Zeeländska byggnadsreglerna. Detta är fördelaktigt eftersom de senare reglerna erbjuder antingen valet av en eller kombinationer av de skyddsmetoder som testas i rapporten. Detta skulle medföra att flexibla skyddsmetoder erbjuds i BBR som fortfarande resulterar i samma risknivåer jämfört med dagens bröstningskrav på 1,2 m, samt att likadana risknivåer skulle kunna förväntas i olika byggnader även vid tillämpande av balkonger som ersättning för bröstningen.

• author: Nilsson, Markus
• supervisor: Bjarne Husted
• organization: Division of Fire Safety Engineering
• alternative title: Balkongplattors påverkan på extern brandspridning - En numerisk jämförande studie
• course: VBRM10 20152
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: fönsterbröstning, bröstning, balkongplatta, balkong, horisontell projektion, SP Fire 105, numerical study, comparative analysis, validation study, adiabatic surface temperature, vertical fire spread, external fire spread, FDS 6.2.0, FDS, balcony, spandrel, horizontal projection, extern brandspridning, vertikal brandspridning, adiabatisk yttemperatur, valideringsstudie, jämförande analys, numerisk studie
• publication/series: LUTVDG/TVBB
• report number: 5510
• other publication id: ISRN: LUTVDG/TVBB--5510--SE
• language: English
• id: 8719885
• date added to LUP: 2016-02-17 14:25:21
• date last changed: 2016-02-18 04:05:49