Assessment of RISFIM: A New Approach to Structural Fire Design

Abstract

Oppgaven undersøker RISFIMs temperaturball som en ny metode for modellering av utilsiktede brannlaster i tidligfase design av bærende stålkonstruksjoner. Målet er å forbedre effektiviteten i strukturdesign mot brann samtidig som at sikker strukturintegritet ivaretas. Dagens praksis er preget av overkonservative løsninger med typisk omfattende bruk av passiv brannbeskyttelse (PBB), noe som ofte medfører store kostnader og vedlikeholdsutfordringer.

RISFIMs temperaturball-metode vurderes gjennom en følsomhetsanalyse av metodens parametere og generell metodevalidering. Det gjennomføres deretter en strukturanalyse mot utilsiktede brannlaster, der en generisk prosessmodul sjekkes mot en ”verst tenkelige prosessbrann”. Til dette benyttes elementmetode-verktøyene FAHTS og USFOS for henholdsvis analyse av varmeoverføring og strukturell respons. Det gjennomføres en tilsvarende analyse som benytter brannsimulering med CFD-verktøyet KFX som fungerer som et sammenlikningsgrunnlag for analysen.

Funnene viser at temperaturballen påvirkes mest av modulvolum, segmentmasse og trykkavlastningstid, og metoden vises å være overordnet konsekvent. Strukturanalysens funn viser at RISFIM gir generelt mer konservativ strukturintegritet sammenliknet med metoden som benytter KFX. Dette gir behov for PBB i enkelte områder hvor metoden som benytter KFX ikke anbefaler det. Begge metodene identifiserer dekksbjelker med tunge utstyrsbeholdere som en kritisk strukturdel mot brann, mens metoden som benytter RISFIM også peker på søyler og skråavstivere i tilknytning dekket som kritiske strukturelementer som bør beskyttes eller redesignes. Dette kan være et resultat av RISFIMs styrke, ved at den vurderer brann på et stort antall lokasjoner.

Oppgaven konkluderer med at funnene kan støtte opp under at RISFIM er en enkel og troverdig metode for bruk i tidligfase screening av strukturell integritet under ulykkesscenario brann. Det er fordi resultatene oppfattes som fornuftige sammenliknet med resultatene i den alternative metoden, selv om metoden kan argumenteres for å være konservativ. Videre arbeid bør inkludere ytterligere undersøkelse av temperaturballmetoden for å vurdere dens skikkethet for˚a integreres i standarder for strukturell brannsikkerhet for hovedbærende stålstrukturer.

The thesis investigates RISFIM’s temperature ball as a new method for accidental fire load modeling in the early-phase design of load-bearing steel structures. The method aims to enhance efficiency in structural fire design while maintaining structural integrity. Current practices are characterized by overly conservative solutions, typically involving extensive use of passive fire protection (PFP), often leading to significant costs and maintenance challenges.

The RISFIM’s temperature ball method is assessed by conducting a sensitivity analysis of its parameters and a general validation of the method. Furthermore, a structural analysis is performed for a generic process module subjected to accidental fire loads, assessed for a worst credible process fire (WCPF) scenario. The finite element method tools FAHTS and USFOS are used for the analysis of heat transfer and structural response, respectively. An equivalent analysis is conducted using fire simulations with the well-recognized computational fluid dynamics (CFD) tool KFX, which serves as a reference for comparison.

The findings show that the temperature ball is dominantly affected by the module volume, segment mass, and depressurization time, and the method demonstrates overall consistency. The structural analysis indicates that the temperature ball method generally results in a more conservative assessment of structural integrity compared to the KFX-based method. This leads to PFP being required in certain areas where the KFX-based method does not recommend it. However, both methods identify the same critical structural components, particularly grated deck beams carrying equipment vessels, while the RISFIM-based method further highlights columns and diagonal bracing as critical structural elements in a fire scenario that should be protected or redesigned. This may be a result of the strength of RISFIM in considering fire scenarios across numerous locations.

The thesis concludes that the findings support RISFIM’s temperature ball method as a simple and reliable method to use in early-phase screening of structural integrity during accidental fire scenarios. This is because the structural results using the temperature ball appear reasonable compared to those using the alternative method, even though it can be considered conservative. Further work should include additional investigations of the method to assess its suitability for integration for structural fire safety in primary load-bearing steel structures.