N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design...

20
N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 1(20) Performance based design for mass timber structures in fire– A Design Example October 2018 N214‐07 Daniel Brandon 1 , Koji Kagiya 2 , Tuula Hakkarainen 3 1 RISE Research Institutes of Sweden, Drottning Kristinasväg 61, P.O. Box 5604, Stockholm, Sweden, [email protected] 2 Building Research Institute, 1 Tachihara, Tsukuba, 305-0802, Japan, [email protected] 3 VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, P.O. Box 1000, FI-02044 VTT, Finland, [email protected]

Transcript of N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design...

Page 1: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  1(20) 

 

Performance based design for mass timber structures in fire– A Design Example

 

 

October 2018 

N214‐07 

 

 

 

 

 

Daniel Brandon1, Koji Kagiya2, Tuula Hakkarainen3

1 RISE Research Institutes of Sweden, Drottning Kristinasväg 61, P.O. Box 5604, Stockholm, Sweden, [email protected]

2 Building Research Institute, 1 Tachihara, Tsukuba, 305-0802, Japan, [email protected]

3 VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, P.O. Box 1000, FI-02044 VTT, Finland, [email protected]

Page 2: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  2(20) 

 

Performance based design for mass timber

structures in fire– A Design Example

COST Action FP 1404

“Fire Safe Use of Bio-Based Building Products”

N214‐07 

 

 

This publication is the result of work carried out within COST Action FP1404 “Fire Safe Use 

of Bio‐Based Building Products”, supported by COST (European Cooperation in Science and 

Technology). COST is a funding agency for research and innovation networks. The Actions 

help connect research initiatives across Europe and enable scientists to grow their ideas by 

sharing  them with  their  peers.  This  boosts  their  research  career  and  innovation. More 

information available at www.cost.eu.  

     

 

This guidance document may be cited as: 

Brandon, D, Kagiya K, Hakkarainen, T. Performance based design for mass timber

structures in fire – a design example, COST Action FP1404, Zürich, Switzerland, 2018.

DOI 10.3929/ethz‐b‐000319459 

Version 1 (2018)

Updates and corrections: http://www.costfp1404.ethz.ch/publications.

   

Page 3: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  3(20) 

 

This publication was created in WG 1 and can be considered as state of the art document. 

The  information  in  the  book  was  carefully  selected  by  experts  from  general  technical 

knowledge, standards, most recent research results and building practice. The author(s), 

the  editor(s)  and  publisher  disclaim  any  liability  in  connection  with  the  use  of  this 

information.  

Neither the COST Association nor any person acting on its behalf is responsible for the use 

of the information contained in this publication. The COST Association is not responsible 

for the external websites or other references referred to in this publication. 

No  permission  to  reproduce  or  utilise  the  contents  of  this  publication  by  any means  is 

necessary, other  than  in case of  images, diagrams or other material  from the copyright 

holders. In such cases, permission of the copyright holder(s) is required. 

   

Page 4: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  4(20) 

 

Contents 

1 Introduction ................................................................................................................... 5

2 Aim of the method ......................................................................................................... 6

3 Recommendations regarding the use of the method .................................................... 6

4 Compartment for performance based design ............................................................... 7

5 Determining parametric design fire exposure ............................................................... 8

6 Preventing failure of the base layer of gypsum boards ............................................... 11

7 Preventing fire char fall‐off .......................................................................................... 14

8 Structural calculations .................................................................................................. 15

9 Discussion of method ................................................................................................... 15

10 Conclusions ............................................................................................................... 16

11 Acknowledgments .................................................................................................... 16

12 References ................................................................................................................ 16

 

 

   

Page 5: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  5(20) 

 

1 Introduction 

Recent fires in tall buildings occurring in for example London, Dubai, Sao Paulo and Tehran evidence 

the risk of high consequences of fires in tall buildings and difficulties for fire service interference in 

case of large fire spread. In order to reduce the risk of deadly and large damage fires in especially 

tall buildings it is of importance to limit fire spread and avoid collapse [1].  

It was previously indicated that prescriptive fire safety regulations are mostly based on experience 

rather than on scientific  facts  [2]. Therefore,  the application of regulations  for  less conventional 

buildings, such as tall timber buildings, is questionable. In contrast with prescriptive requirements, 

performance  based  requirements,  such  as  a  requirement  for  a  building  to withstand  a  full  fire 

without effective fire service interference, require accounting for the design and the function of the 

building. Multiple performance based methods for the fire safety design are available for buildings 

with  conventional  structural  materials,  i.e.  steel  and  concrete.  For  buildings  with  timber  as  a 

structural material performance based structural design is rarely applied due to lack of methods 

available.  

The number of  tall buildings with  timber as  their main structural material  is  increasing globally, 

which involves new fire safety challenges. In contrast with more conventional structural materials 

for  tall  buildings,  timber  can  fuel  the  fire  and  influence  its  duration  and  severity.  A  number  of 

previous experimental studies have shown that enough contribution of exposed timber to the fuel 

of a fire can result in continuous fully developed fires. Additionally, events that lead to increased 

combustion,  such as  sudden exposure of  initially protected  timber or bond  line  failure  in  glued 

timber members, can lead to fire regrowth after a period of decay [3]. Without effective sprinkler 

or  fire  service  interference,  these  fires  would  eventually  lead  to  collapse,  which  can  lead  to 

potentially unacceptable consequences in very tall buildings.  

Recently, a pragmatic  strategy and performance based design methods  [4, 5] were proposed  to 

design a structure for withstanding a fire without any presence of  fire surface  interference. The 

strategy involved: 

the limitation of fire spread 

structural design for realistic compartment fire conditions 

In this paper an example of generating a design time‐temperature curves for a compartment that 

has been fire tested will be given. An example of the structural assessment of timber elements is 

not given, but relevant methods are published [6‐8]. 

In order to generate design fires using the performance based design methods [4, 5] it is needed to 

prevent events that lead to increased combustion, which potentially lead to fire regrowth and/or 

continuous  fires.  By  including  the  contribution  of  timber  conservatively,  the method  allows  to 

determine a limit of area of timber that can be initially exposed in order to avoid continuous fires 

that need to be manually extinguished. 

Additionally, comparisons between predictions and other available test results are discussed. 

Page 6: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  6(20) 

 

2 Aim of the method 

An example of calculations for design to fulfil the following performance criterion is provided: 

The building should withstand an uncontrolled fire for the full duration of the fire, only requiring 

manual extinguishment of potential smouldering combustion. 

The term uncontrolled  is here used to indicate the absence of effective sprinkler and fire service 

interference. As smouldering of timber and other combustible materials can continue for a  long 

time, it is required to check local smouldering of timber after a fire. It is recommended that this is 

done  using  thermal  camera’s  [9]  as  shown  in  Figure  1.  Besides  calculations,  some  choices  of 

products that are important to achieve decaying fires are discussed. 

 

Figure 1: Searching for smouldering combustion after a fire [1] 

3 Recommendations regarding the use of the method 

Buildings are not required to survive a  full natural  fire  in most European countries. Examples of 

exceptions  are  buildings  of  certain  types  in Denmark  and Norway. However,  due  to  the  risk  of 

uncontrolled fires, an expert group of COST Action FP1404 on the fire safe use of bio‐based building 

materials has recommended the design of buildings to withstand burnout in uncontrolled fires in 

cases indicated in Figure 2 [10]. This tree diagram indicates that designing to withstand burnout is 

recommended in cases in which the local fire brigade cannot reach the whole building from the 

outside, or if collapse of a building cannot be ethically accepted and when the sprinkler reliability is 

not sufficient.  

Page 7: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  7(20) 

 

 

* Examples of structures whose collapse may not be acceptable even after a certain fire duration are structures which 

hold multiple immobile persons such as hospitals and care houses or buildings that have only a single escape route. 

Figure 2. Tree‐diagram indicating scenarios for which design‐for‐withstanding‐burnout is recommended 

[10] 

4 Compartment for performance based design 

The example discussed in this paper is based of fire tests reported in [10], which were performed at 

the Bureau of Alcohol, Tobacco, Firearms and Explosives in cooperation with the Forest Products 

Laboratory.  The  compartment’s  inner  dimensions  were  9.2  x  9.2  x  2.7 m  and  there  were  two 

ventilation openings in one wall of the compartment of 3.6 m wide by 2.4 m high. The fuel load 

comprised of typical apartment furniture with an average density of 550MJ/m2. The compartment 

comprised  of  5‐layer  CLT walls  and  a  ceiling  of  similar  CLT.  25m2  of  the  CLT  of  the  ceiling was 

exposed. All other surfaces were encapsulated. The amount of type‐F or type‐X gypsum protection 

needed was calculated in this example using a method proposed by [4]. 

 

Figure 2: Dimensions and fuel load density of compartments tested at the ATF fire lab 

Is the top of the building withinthe reach of the local fire brigade?

Yes

No(not recommended)

Are sprinklers installed?

No

Is the sprinkler system sufficiently reliable toaccept risks ofmalfunction

Yes

No

YesCan collapseafter a regulatedtime period be accepted?*

No

Yes

Design towithstandburnout(recommended)

Design towithstandburnout(recommended)

Inner dimensions9.2 x 9.2 x 2.7 m

550 MJ/m2

3.6 x 2.4mopening

3.6 x 2.4mopening

Floor plan

Page 8: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  8(20) 

 

5 Determining parametric design fire exposure 

The temperature‐time curves for parametric fires which are incorporated in Eurocode 1 (EN1991‐

1‐2  [12])  are  based  on  a  modification  to  the  standard  time‐temperature  curve  of  ISO834.  The 

parametric design fires (time‐temperature curves) originate from a one‐zone model, which is only 

suitable  for  predictions  corresponding  to  post‐flashover  fires  in  compartments  with  limited 

dimensions. According to EN1991‐1‐2 [12] this method can only be used for compartments with 

floor areas up to 500 m2. 

First an opening factor should be calculated: 

0.105 vv

t

AO hA                   (1) 

with: 

Av is the area of the ventilation openings ‐> Av = 17.8 m2 

At is the total surface area of the compartment boundaries ‐> At = 265.4 m2 

hv  is  the height of  the  ventilation opening  (note:  for multiple  ventilation openings with 

different heights rules from EN1991‐1‐2 apply) ‐> 2.4 m 

The calculated opening factor, therefore, is: O = 0.105 

Brandon [4] showed that temperatures  in the full developed phase of a compartment fires with 

solely gypsum board linings were similar to temperatures in compartments with large quantities of 

exposed timber, suggesting that the same thermal inertia can be assumed for timber and gypsum 

board  linings.  This  pragmatic  approach  avoids  having  to  account  for  a  number  of  complex 

phenomena  such  as  evaporation  of  moisture,  mass  transfer,  surface  combustion.  Using  this 

approach, the following lining properties are chosen: 

c 770W / mK                 (2) 

Where ρ is the density, c is the specific heat and λ is the thermal conductivity of the lining material. 

The heating rate factor can be calculated using: 

15.7 2 2Γ (O / cλ ) / (0.04 /1160)              (3) 

To  generate  a  parametric  time  temperature  curve  that  accounts  for  exposed  CLT  an  iterative 

procedure is performed. In the first iteration the contribution of CLT in the compartment fire is not 

taken  into  account,  as  there  is  no  knowledge  yet  of  the  quantity  of  contribution.  Using  the 

parametric  time  temperature  curve  of  the  first  iteration,  the  thickness  of  the  char  layer  is 

determined and the maximum combustion energy corresponding to the char layer is determined. 

The determination of the time temperature curve of the 1st iteration is discussed first. The start of 

decay  according  to  Eurocode  1  (EN1991‐1‐2  [12])  corresponding  to  a  compartment  with  non‐

combustible linings can be calculated using: 

1max 0.32 h3

t,d limt max (0.2 10 q /O);t             (4) 

Page 9: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  9(20) 

 

Similarly, for the ith iteration the time of decay can be calculated using: 

max ,

i it d

3limt max (0.2 10 q /O);t               (5) 

Where, tlim is the lower limit of the duration of the heating phase, which is 0:15h, 0:20h or 0:25h 

for slow, medium and fast fire growth, respectively.  

The relationship between the fire temperature, Θ, and the time, t, is given by [12]: 

ttt eee 197.12.0 472.0204.0324.01(132520        (6) 

After the start of the cooling phase at tmax, the temperature decreases linearly until it reaches 20°C 

according to one of the following expressions: 

)(625 maxmax xtt                          if                      5.0max t         (7) 

))(3(250 maxmaxmax xttt   if                25.0 max t         (8) 

)(250 maxmax xtt          if                        2max t       (9) 

1.0x if  limmax tt or ΓΓ/ttx maxlim if  limmax tt

The time‐temperature curve of the first iteration can be determined as shown in Figure 2. Brandon 

[4] proposed including the contribution of wood, using an iterative procedure using the following 

equation: 

2( )

i 1CLT 1 char;end par maxi 1 1

td tdc

A α d β tq q

A            (10) 

With: 

ACLT is the surface area of exposed CLT given in m2 ‐> 25 m2 

dichar,end  is  the  final  char  depth  in  mm  of  the  ith  iteration  according  to  [13]‐> i ichar,end

par 0d 2β t                 (11) 

i0t is the time at which the charring rate reduces  in the ith  iteration according to Hadvig 

(1981) ‐> 

i

i t,d

0

qt 0.009

O             (12) 

βpar  is  the  charring  rate  in  mm/min  according  to  [13]‐> 

1.03mm / min

par 0

0.2 Γ 0.04β 1.5β

0.16 Γ 0.08          (13) 

β0 is the one dimensional charring rate according to Eurocode 5 (EN 1995‐1‐2 [14]) ‐> β0 = 

0.65 mm/min (softwood) 

Ac is the total surface area of the compartment boundaries (including walls and ceiling) in 

m2 ‐> Ac = 265.4 m2 

Page 10: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  10(20) 

 

α1 the ratio between heat release and char depth according to Schmid et al. [15] ‐> α1=5.39 

MJ/m2mm. 

α2 is the fraction of the CLT combustion that takes place outside ‐> an empirical study of 

multiple  compartment  fire  test  series  indicated  that  α2=0.7  if  solely  the  movable  fuel 

(combustible content) of the compartment would be sufficient to lead to a fully developed 

fire [4]. For situations in which this cannot be assumed, α2 should be lower.  

The superscripted letter i denotes the number of the iteration, meaning that the char depth from 

the  first  calculation  is  used  to  calculate  the  fuel  load  density  used  for  the  second  calculation 

(iteration) and so forth.  

The only parameters that change every iteration are provided in Table 1, for 6 iterations. It can be 

seen that the values converge and that they do not change from the 4th  iteration onwards. This 

indicates  that  the  fire  would  involve  a  decay  phase  if  char  fall‐off  (also  called  fire  induced 

delamination),  encapsulation  failure  and  other  phenomena  leading  to  suddenly  exposed 

combustibles are prevented, as the combustion of the initially exposed surface is not sufficient to 

sustain a fully developed fire. Non‐converging iterations of the parametric time‐temperature curves 

would indicate that there is too much timber exposed to reach a decay phase. The parametric time 

temperature  curves  can  be  calculated  using  eq.  (10).  The  parametric  time‐temperature  curves 

corresponding to the first 4 iterations are shown in Figure 3. However, it is important to note, that 

the  implementation  of  this  curve,  requires  the  prevention  of  sudden  exposure  of  cold  timber 

surfaces to the fire. Therefore, fire char fall‐off and encapsulation failure need to be avoided, as is 

discussed in the next sections. 

   

Page 11: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  11(20) 

 

Table 1: Parameters corresponding to the first 6 iterations. 

Iteration  tmax (h)  dichar,end (mm)  ti0 (min)  i

tdq (MJ/m2) 

1  0.33  45.3  14.7  171.6 

2  0.34  48.1  15.5  182.4 

3  0.35  48.5  15.6  183.6 

4  0.35  48.5  15.6  183.8 

5  0.35  48.5  15.6  183.8 

6  0.35  48.5  15.6  183.8 

 

 

Figure 3: Parametric time temperature design fire exposure 

6 Preventing failure of the base layer of gypsum boards 

In  order  to  prevent  encapsulation  failure  (i.e.  failure  of  the  base  layer  of  gypsum  boards), 

temperature calculations of the boundaries are performed using Safir. The calculations can be done 

using different commercial software. 2 layers of 15mm type F gypsum boards are assumed and it is 

checked whether these would remain in place in this analysis. If and when the temperature on the 

unexposed side of  the gypsum  layer  reaches 300°C,  fall‐off  is assumed. At  this  time step of  the 

analysis  the  gypsum board  is  removed  and  the  temperature  calculation  is  continued,  assuming 

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Firetemperature(°C)

Time(min)

1st iteration

2nd iteration

3rd iteration

4th iteration

Page 12: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  12(20) 

 

exposure  (thermal  radiation  and  convection)  on  the  base  layer,  as  is  shown  in  Figure  4.  The 

prediction indicates no encapsulation failure,  if the temperature behind the base layer does not 

exceed 300°C before the end of the parametric design fire. 

               

Figure 4: Removal of a layer of type F gypsum boards (grey) from the modelled assembly after the gypsum 

failure criterion is reached. The modelled assembly before removal (left) and after removal (right). 

A schematic drawing of the finite element model is shown in Figure 5. The first model represented 

two layers of 15mm type F gypsum boards and a CLT slab of 175mm thick. The model consisted of 

a single strip of two‐dimensional square elements. In the figure the fire exposure is on the left side. 

The model aims to predict one‐dimensional heat transfer through the wall assembly. The element 

size of 1 x 1mm and a time step of 2 seconds were verified by performing a mesh sensitivity analysis. 

As one‐dimensional heat transfer was needed, there was no heat gain or heat loss implemented 

from  the  longitudinal  sides. At  both ends  convective  and  radiative heat  transfer  are  taken  into 

account using: 

)T-σε(T)T-(Thq 4s

4fsfcn                 (14) 

where qn  is  the net heat  flux through the surface, hc  is a convection coefficient, σ  is  the Stefan 

Boltzmann constant, ε  is  the effective emissivity, Tf  is  the fire temperature and Ts  is  the surface 

temperature. On the exposed side a convection coefficient of 25 W/m2K and an emissivity of 0.8 

were used, which are in accordance with EN 1991‐1‐2. Similarly, on the unexposed side, the same 

emissivity and a lower convection coefficient were implemented (9 W/m2K). The parametric design 

fire  exposure  obtained  above  (Figure  3)  was  used  to  describe  the  fire  temperature  for  the 

calculations. The thermal properties of wood were taken from [7] and the thermal properties of 

gypsum were taken from [16] (Table 2). After the criterion for fall‐off has been fulfilled, the exposed 

gypsum layer can be removed from the model for further predictions, as shown in Figure 4.  

Page 13: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  13(20) 

 

 

Figure 5: Schematic drawing a finite element model for calculations of temperatures behind gypsum boards. 

   

Boundaryconditions: Convectionand radiation

Fire tem‐perature

1mm

total thickness

1st layer thickness

GB layer 1 GB layer 2

a) Before fall‐off of 1st gypsum board (GB) layer

Ambient tempera‐ture

Boundaryconditions: Convectionand radiation

CLT layer

2nd layer thickness

Boundary conditions: Convection and radiation

Fire tem‐perature

1mm

total thickness

GB layer 2Ambient tempera‐ture

Boundaryconditions: Convectionand radiation

CLT layer

2nd layer thickness

b) After fall‐off of 1st gypsum board (GB) layer

Boundary conditions: Convection and radiation

Fire tem‐perature

1mm

total thickness

Ambient tempera‐ture

Boundaryconditions: Convectionand radiation

CLT layer

CLT thickness

c) After fall‐off of 2nd gypsum board (GB) layer

CLT thickness

CLT thickness

Page 14: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  14(20) 

 

Table 2: Effective thermal properties for temperature calculations of gypsum boards – linear interpolation 

should be applied for other values at other temperatures [16] 

Temperature (°C)  Thermal conductivity (W/mK)  Specific heat (J/kgK)  Density (kg/m3) 

20  0.25  1500  680 

78  0.25  1842  680 

85  0.25  2769  642 

90  0.25  5234  615 

97  0.205  8684  577 

110  0.12  15096  577 

124  0.12  22000  577 

139  0.12  2006  577 

148  0.12  1001  577 

373  0.12  714  577 

430  0.12  715  577 

571  0.12  571  577 

600  0.12  607  577 

609  0.128  618  577 

662  0.176  3000  577 

670  0.183  3070  577 

685  0.197  571  577 

800  0.3  571  577 

1000  0.6  571  577 

1200  1.4  571  577 

 

7 Preventing fire char fall‐off 

Char fall‐off (also referred to as fire induced delamination) is a phenomenon that has been observed 

in CLT exposed to fire and has been the cause of fire regrowth and continuous fully developed fires 

in previous fire experiments [3]. Brandon and Dagenais [17] proposed an experimental method to 

Page 15: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  15(20) 

 

identify adhesives that do not lead to delamination, by replicating certain relevant fire conditions 

of  a  compartment  in  a  smaller  scale  furnace  tests.  Alternatively,  Janssens  [18]  proposed  to 

standardise full scale compartment fire tests for the identification of non‐delaminating adhesives.  

The use of non‐delaminating adhesives should avoid sudden exposure of cold timber surfaces to 

potentially high fire temperatures. This, therefore, prevents increased heating, charring and heat 

release rates. 

8 Structural calculations  

Methods for structural calculations of timber exposed to parametric design fires are proposed in 

previous publications [6‐8]. In [6, 7] effective cross‐section methods are proposed to calculate the 

reduction of capacity in parametric fires. The method in [9] requires calculations of temperatures 

throughout the timber members, but is the only available method suitable for structural members 

with  inhomogeneous  cross‐sections.  This  paper  does  not  include  examples  of  structural 

calculations. 

9 Discussion of method 

The predicted char depth at the end of the test using parametric design fires which account for the 

contribution of exposed timber to the fire was 48.5 mm (see Table 1). The compartment was fire 

tested  [10]  and  in  accordance  with  the  report  the  temperature  measurements  indicated  the 

charring depth was in between 23 and 35mm thick.  

Previously, comparisons made between the predicted char depth and the maximum char depths 

measured at the end (or after a significant period of fire decay) of multiple compartment fire tests 

indicated that the method is conservative as all predictions seem to be lower than the maximum 

determined fire tests (Figure 6). This indicates that the predictions of structural damage imposed 

by  post‐flashover  fires  are  conservative  and  that  parametric  design  fires  accounting  for  the 

contribution of exposed wood can be conservatively used as a basis for structural analysis. 

 

Page 16: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  16(20) 

 

 

Figure 6: Predicted charring depths and experimental charring depths after compartment fires. 

10 Conclusions 

This paper provides a worked example of generating design fires for compartments with exposed 

wood.  The  design  fire  can  only  be  used  for  CLT  that  is  not  prone  to  char  fall‐off  and  requires 

sufficient  fire  board  protection  on  surfaces  that  are  not  exposed.  The method  uses  parametric 

design  fires according  to Eurocode 1 and,  therefore,  corresponds only  to post‐flashover  fires  in 

compartments with limited dimensions.  

A parametric design fire was generated for a compartment made of CLT with exposed wood in the 

ceiling. Using temperature calculations the number of required gypsum board layers required to 

avoid involvement of protected CLT in the fire was determined. The compartment corresponded to 

a previous flash‐over fire test and comparisons between the predicted and measured char depth 

indicated  that  predictions were  conservative.  Additionally,  a  previous  validation  of  the method 

against numerous compartment fire test results was briefly discussed. 

11 Acknowledgments 

The  authors  acknowledge  COST  Action  FP1404  for  providing  the  network  that  led  to  the 

collaboration between the authors. 

12 References 

[1]   Brandon D., Just A., Andersson P., Östman B. 2018. ‐Mitigation of Fire Spread in Multi‐Storey Timber Buildings  –  statistical  analysis  and  guidelines  for  design.  Research  Institutes  of  Sweden,  RISE Report 2018:43, Stockholm, Sweden. 

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

Experimentalcharringdepthatornearthe

endofacom

partmenttest(mm)

Predictedcharringdepthatorneartheendofacompartmenttest(mm)

Exact solution

Maximum chardepthreported/foundversus predictionsusing eq.8 and eq.13

Conservative side

non-conservative side

Page 17: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  17(20) 

 

[2]   Hadjisophocleous G.V., Benichou N.,  Tamim A.S.  1998.  Literature Review of  Performance Based  Fire Codes and Design Environment. Journal of Fire Protection Engineering, 9 (1) pp 12‐40. 

[3] Brandon D., Östman B. (2016) Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings – Phase 2: Literature Review. NFPA report: FPRF‐2016‐22. 

[4]   Brandon D. 2018. Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings – Phase 2: Task 4 ‐ Engineering methods. National Fire Protection Association. NFPA report: FPRF‐2018‐04. 

[5]   Brandon D., Just A., Lange D., Tiso M. (2017) Parametric fire design – Zero‐Strength‐Layers and Charring  Rates.  In  Görlacher  R:  proceedings  of  INTER  International  Network  on  Timber Engineering Research, KIT Holzbau und Baukonstruktionen, Karlsruhe, Germany. 

[6]   Lange  D.,  Boström  L.,  Schmid  J.,  Albrektsson  J.  (2015)  The  reduced  cross  section  method applied  to  glulam  timber  exposed  to  non‐standard  fire  curves.  Fire  Technology  DOI: 10.1007/s10694‐015‐0485‐y 

[7]   Brandon D., Just A., Lange D., Tiso M. (2017) Parametric fire design – Zero‐Strength‐Layers and Charring Rates. Proceedings of INTER 2017. 

[8]   Brandon D. 2018. Engineering methods for structural fire design of wood buildings – structural integrity  during  a  full  natural  fire.  Research  Institutes  of  Sweden.  RISE  Report  2018:44, Stockholm, Sweden. 

[9]   Vylund L and Palmkvist K  (2018) Taktik och metodik  för släckning av höga trähus. Research Institutes of Sweden, RISE Rapport; 2017:65. ISBN: 078‐91‐88695‐35‐2. 

[10] Klippel et al. (2018) Guidance document – Fire design of CLT incl. best practise. COST Action FP1404 WG2 TG1. ETH Zurich (Draft). 

[11] Zelinka, S.L.; Hasburgh, L.E.; Bourne, K.L.; Tucholski, D.R. Oullette, J.P. (2018). Compartment fire  testing  of  a  two‐storey  mass  timber  building.  General  Technical  Report  FPL‐GTR‐247. Madison, WI. U.S. Department of Agriculture, Forest Service, Forest Products Laboratory.  

[12] EN1991‐1‐2 (2002) Eurocode 1: Actions on structures ‐ Part 1‐2: General actions ‐ Actions on structures exposed to fire. CEN, Brussels.  

[13] Hadvig S (1981) Charring of wood in building fires. Technical University of Denmark. ISBN 87‐87 245‐83‐3.  

[14] EN 1995‐1‐2 (2004) Eurocode 5: Design of Timber Structures – Part 1‐2: General – Structural Fire Design. European Committee for Standardization. 

[15] Schmid J, Santomaso A, Brandon D, Wickström U, Frangi A (2017) Timber under real fire conditions ‐ the influence of oxygen content and gas velocity on the charring behavior. Journal of Structural Fire Engineering. DOI 10.1108/JSFE‐01‐2017‐0013. 

[16] Tiso M (2014) Charring behavior of cross‐laminated timber with respect to the fire protection; comparison of different methods in small, model and large scale with simulations. Master Thesis. University of Trieste, Italy. 

 [17] Brandon D., Dagenais C. (2018) Fire Safety Challenges of Tall Wood Buildings – Phase 2: Task 5 – Experimental Study of Delamination of Cross Laminated Timber (CLT) in Fire. National Fire Protection Association. NFPA report: FPRF‐2018‐05. 

[18] Janssens M (2017) Development of a fire performance assessment methodology for qualifying cross‐laminated timber adhesives. South West Research Institute. 

Page 18: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  18(20) 

 

   

Page 19: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  19(20) 

 

   

Page 20: N214-07-Performance based design for mass timber ...€¦ · N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx 5(20) 1 Introduction

 

N214‐07‐Performance based design for mass timber structures in fire Design ‐ Calculation Example.docx  20(20) 

 

www.cost.eu

 

Performance based design for mass timber structures in

fire Design - Calculation Example

COST Action FP 1404

“Fire Safe Use of Bio-Based Building Products”

Document N2xx-07

 

 

 

 

COST Action FP1404 

 

Chair of COST Action FP1404: Joachim Schmid

Vice Chair of the Action: Massimo Fragiacomo