Numerical simulation of fire performance and test conditions for facade insulation materials

Thumbnail Image

Files

master_Bytskov_Gleb_2015.pdf (4.45 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2015-09-21

Department

Major/Subject

Rakennetekniikka

Mcode

R3001

Degree programme

Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

93 + 20

Series

Abstract

Development and harmonization of test standards for fire classification of building products is actively investigated at current moment. Investigation of such standard test characteristics and sensitivities is a part of each standard development process. While the full-scale tests with alternative details cannot be avoided, many of the phenomena can be studied using Computational Fluid Dynamics simulations. The main task of this thesis was to investigate the sensitivity of the building façade fire test standard ISO 13785-2 on the details of the test setup. The practical tasks were to prepare a validated model for the ISO 13785-2, to characterize insulation materials for simulation purposes, and to demonstrate the use of CFD in façade fire test simulation. The validation of the simulation model was performed by the simulation of specific fire test of non-combustible façade conducted in TUS (Tokyo University of Science) laboratory which results was published in Journal of Fire Science and Technology in 2012. In the test series, a range of different heat release rates was used. After the validation, the model was used for investigating heat fluxes at different heights above the opening and temperatures at different depths. Excluding the fires with small fire load as they were not representative to the stand-ard test conditions, the model provides results with bias of 0.84 for heat flux and 1.05 for temperature on façade wall. The test series with only one additional opening in rear side of combustion chamber gave the most accurate results. The largest devi-ation between numerical and experimental results was observed in the tests with fuel flow rate smaller than ½ of ISO (60 g/s). In addition, significant differences be-tween the measured and simulated temperatures inside the combustion chamber were found. A series of small flammability test, such as TGA, MCC, DSC and Cone Calorimeter test, were conducted for common combustible insulation materials. All achieved results were used for determining fire protection of combustible insulation materials in large-scale test conditions. As a result, 70 mm of fire protection is needed for defend-ing EPS against burning and 60 mm against melting in the most critical region from 0 mm to 400 mm above window. For PIR this layer thickness should be not less than 90 mm.

Rakennustuotteiden palokäyttäytymistä säätelevien standardien kehittäminen ja harmonisointi on aktiivisen tutkimuksen kohteena. Näiden standardikokeiden piirteiden ja herkkyyden tutkiminen on osa standardien kehittämisprosessia. Vaikka täyden mittakaavan kokeita ei voidakaan täysin välttää, useita yksityiskohtia voidaan tutkia CFD-pohjaista palosimulointia käyttäen. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia ISO 13785-2 kokeen paloaltistuksen herk-kyyttä koeasentelun yksityiskohdille. Päämääränä oli valmistaa toimiva simulointimalli ISO 13785-2-kokeelle, kuvata eristysmateriaaleja simulointia varten sekä soveltaa CFD simulointia julkisivun palotestin tutkimiseen. Mallin validoinnissa hyödynnettiin Tokion yliopistossa tehtyjä kokeita. Testien tulokset oli julkaistu Journal of Fire Science-lehdessä vuonna 2012. Kokeissa käytetyt julkisivut olivat palamattomia ja kokeet oli toteutettu erilaisilla palotehoilla. Validoitua mallia käytettiin lämpövirtojen ja lämpötilojen arviointiin eri kohdissa julkisivua. Validointitulosten perusteella FDS-malli aliarvioi julkisivuun kohdistuvia lämpövirtoja 16 % ja yliarvioi lämpötiloja 5 %. Tarkimmat tulokset saatiin koesarjassa, jossa oli vain yksi tuuletusikkuna palokomeron takaseinällä. Suurin poikkeama simulaation ja kokeen välillä havaittiin testeissä, joissa polttoaineen massavirta oli alle puolet ISO standardin mukaisesta maksimimassavirrasta. Palotilan lämpötiloissa erot olivat merkittäviä niissäkin kokeissa, joissa lämpövirran ja lämpötilojen arvot julkisivulla olivat lähellä toisiaan. Julkisivueristeiden palo-ominaisuuksia tutkittiin TGA-, MCC-, DSC- ja kartiokalori-metrikokeiden avulla. Materiaalien paloteknisiä ominaisuuksia käytettiin palosuojakerroksen paksuuden arvioinnissa ison mittakaavan testin olosuhteissa. Tulosten perusteella voitiin päätellä, että EPS-eristeen suojaamiseksi syttymiseltä tarvitaan 70 mm suojan 0 - 400 mm alueella ikkunan yläpuolella. PIR-eristeelle tämän suojakerroksen paksuuden tulee olla vähintään 90 mm.

Description

Supervisor

Hostikka, Simo

Thesis advisor

Hostikka, Simo

Keywords

FDS, fire, insulation, facade, simulation, test

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201510164713

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG