Smoke Containment and Control Part -1

Smoke kills. No one can argue with this fact and in many ways the smoke generated from a fire is more of a problem to safety of life than the flames themselves. It is in fact the effects of the inhalation of elevated temperature smoke and its toxicity that are responsible for most of the fatalities that we read about in post fire incident reports. Not too many people get burnt to death. Surprisingly however, our Building Codes and Standards, well at least when compared to those for other methods of the overall approaches to fire protection, are relatively under-developed or in some cases non existent.

This is the first part of a proposed two part article which will feature over two separate issues of this publication and has been prepared to provide an introduction to smoke containment and smoke control methodologies. It looks at these systems and the various components that make them up and discusses the relevant local Australian test methods, where they exist, and where they do not, it discusses some relevant overseas test methods. It also includes some examples of some proprietary systems as appropriate.

This part (Part 1) deals in detail with smoke containment barriers systems and products, whilst Part 2 will deal with smoke control systems and products.

It is thought that article will be useful for Fire Safety Engineers, Fire Protection and Mechanical Services Consultants, Building Surveyors as well as other practitioners who have an interest in understanding this subject matter.

Building Code of Australia –

It is probably a good place to start, before addressing the different approaches and test methods for smoke containment  and control, to look at the Building Code of Australia (BCA) and its relevant Performance criteria, which need to be complied with.

Compliance with the BCA is provided by way of an acceptable Building Solution which can be achieved by way of utilising the deemed-to-satisfy or prescriptive methods usually contained in BCA Specifications and/or relevant Australian Standards, or by utilising an Alternative Solution by way of Fire Safety Engineering principles.

For the smoke containment and control areas, one needs to look in BCA Section C (Fire Resistance – Compartmentation and Separation & Protection of Openings) and Section E2 (Services and Equipment – Smoke Hazard Management)

The relevant performance requirements for BCA Section C are CP2, CP3 and CP4.

These have been included below to assist the many readers who do not have the BCA open whilst reading this article.

CP2

(a) A building must have elements which will, to the degree necessary, avoid the

spread of fire —

  CP2 deals only spread of fire and only CP3

includes the requirement for both spread

  • to exits; and
    • to sole-occupancy units and public corridors; and
    • between buildings; and
    • in a building
  • Avoidance of the spread of fire referred to in (a) must be appropriate to—
    • the function or use of the building; and
    • the fire load; and
    • the potential fire intensity; and
    • the fire hazard; and
    • the number of storeys in the building; and
    • its proximity to other property; and
    • any active fire safety systems installed in the building; and
    • the size of any fire compartment; and
    • fire brigade intervention; and
    • other elements they support; and
    • the evacuation time.

CP3

A building must be protected from the spread of fire and smoke to allow sufficient time for the orderly evacuation of the building in an emergency.

CP4

A material and an assembly must, to the degree necessary, resist the spread of fire to limit the generation of smoke and heat, and any toxic gases likely to be produced, appropriate to—

  • the evacuation time; and
  • the number, mobility and other characteristics of occupants; and
  • the function or use of the building; and

any active fire safety systems installed in the building.

Interestingly, if we compare and contrast CP2 and CP3 and specifically look for the requirements relating to smoke spread,  and without looking closely at the definitions such as fire hazard for example,

CP2 deals only spread of fire and only CP3

includes the requirement for both spread fire and smoke.

Note – CP3 is only applied in the context of the BCA to patient care areas of health care buildings and aged care buildings.

The author has in fact debated with the ABCB (the authors of the BCA) in the past whether this is an oversight and whether smoke spread should also have been included in CP2 for high rise residential

apartments. The jury is still out on this debate.

On some high rise residential apartment projects known to the author, the literal interpretation has been applied and spread of fire has been deemed to mean only the spread of the flames from the fire, and the spread of smoke has been conveniently ignored. It is with this interpretation that some unprotected openings in fire  resistant walls have been justified.

The accompanying deemed to satisfy provisions that obviously relate to CP3 for health and aged care buildings require the use of smoke walls and smoke doors and dampers for openings in these walls.

These requirements will be discussed in more detail later in this article.

Another deemed to satisfy area that is specific to large isolated buildings requires in some instances the use of automatic smoke and heat venting systems.

The relevant performance requirements for BCA Section E2 are also included below.

EP2.2

  • In the event of a fire in a building the conditions in any evacuation route must be maintained for the period of time occupants take to evacuate the part of the building so that—
    • the temperature will not endanger human life; and
    • the level of visibility will enable the evacuation route to be determined; and
    • the level of toxicity will not endanger human life.
  • The period of time occupants take to evacuate referred to in (a) must be appropriate to—
    • the number, mobility and other characteristics of the occupants; and
    • the function or use of the building; and
    • the travel distance and other characteristics of the building; and
    • the fire load; and
    • the potential fire intensity; and
    • the fire hazard; and
    • any active fire safety systems installed in the building; and
    • fire brigade intervention.

EP2.2 is specific to the evacuation routes only and in terms of smoke containment and control, effectively calls up some parts of AS/NZS1668.1

Smoke Containment and Smoke Control systems and components –

In the context of this article, the following broad definitions apply to Smoke Containment Barrier systems

Smoke Containment Barriers systems

Smoke Containment systems, for the purposes of this article, are defined as physical barriers that contain smoke from flowing from one compartment area to another.

They include:

∆ Fixed Smoke walls

∆ Automatic smoke containment screens (moveable smoke walls

∆ Smoke doors

∆ Smoke dampers

∆ Smoke stopping of penetration seals and control joints

Smoke Control systems

Smoke Control systems, for the purposes of this article, are defined as systems which use physical movement of air or smoke to control the amounts of smoke which is present at specific location within a building.

These systems include:

∆ Smoke exhaust or purging systems

  • Mechanical
    • Buoyancy / natural

∆ Pressurisation systems

  • Lift shaft
    • Stairwell
    • Zone or sandwich

∆ Opposed flow systems

The relevant systems components include:

∆ Smoke exhaust / smoke spill fans

∆ Supply fans for pressurisation systems

∆ Smoke and heat vents

∆ Smoke reservoirs (automatic smoke curtains and fixed smoke baffles)

∆ Smoke spill (motorised) dampers

∆ Smoke exhaust ducting

The rest of this article will focus on smoke containment barrier systems and products, whilst Part 2 of this article will deal specifically with smoke control system and products

Smoke Containment Barriers systems –––––

Firstly, it is worth qualifying a common misunderstanding, and that is the concept of smoke proof barriers. This is a poor choice of terms and we do see it used in our own BCA. In practical terms, nothing is totally smoke tight or smoke proof.

Smoke containment barriers systems are typically physical barriers that limit the leakage rate of smoke through them under given pressure and temperature differentials. Their performance should be qualified by appropriate air (smoke) leakage test methodologies.

BCA requirements

The following smoke containment systems are identified in the BCA:

∆ Smoke walls

∆ Openings in smoke walls

∆ Smoke doors

∆ Smoke lobbies

It is worth looking at each in turn and having a look at what the BCA requirements.

Smoke walls

The BCA only requires the use of smoke walls:

∆ in corridors over 40 metres in length for Class 2 and 3 buildings to minimise the risk of long corridors becoming smoke logged, and

∆ as smoke containment divisions in both Class 9a health care buildings (hospitals) and in Class 9c aged care buildings (nursing homes).

Where required by the BCA, smoke walls must comply with Specification C2.5.

Some abstracts of Specification C2.5 pertaining to the smoke walls in Class 9a buildings are provided below.

Note – Similar requirements apply to smoke walls in Class 9c Buildings.

This specification does not provide any performance criteria in terms of  acceptable leakage rates per square metre of wall, nor does it provide a prescribed test method for substantiating these leakage rates.

To provide a benchmark for performance- based approaches, there is no mention of pressure differentials, temperatures or durations for which the smoke wall must withstand smoke generated from a fire scenario.

In the opinion of the author, there is some serious scope to improve this specification.

It is not unreasonable to apply the basic principles of AS/NZS1530 Part 7 and conducting air (smoke) leakage testing of walls, and ask suppliers to test their systems and provide performance data with and without openings, akin to what happens now for fire resistant walls and FRL ratings.

SPECIFICATION C2.5

SMOKE-PROOF WALLS IN HEALTH-CARE AND AGED CARE BUILDINGS

Class 9a health-care buildings Smoke-proof walls required by C2.5 in Class 9a health-care buildings must comply with the

following:

  • Be non-combustible and extend to the underside of—
    • the floor above; or
    • a non-combustible roof covering; or
    • a ceiling having a resistance to the incipient spread of fire to the space above itself of not less than 60 minutes.
  • Not incorporate any glazed areas unless the glass is safety glass as defined in AS 1288.

Only have doorways which are fitted with smoke doors complying with Specification C3.4.

  • Have all openings around penetrations and the junctions of the smoke-proof wall and the remainder of the building stopped with non-combustible material to prevent the free passage of smoke.
  • Incorporate smoke dampers where air- handling ducts penetrate the wall unless the duct forms part of a smoke hazard management system required to continue air movement through the duct during a fire.

USA – ICBO requirement for smoke walls

To compare and contrast with our own BCA, it is interesting to look at the USA requirements for smoke barriers as defined in their relatively new International Building Code (ICBO – 2000).

Some abstracts are included below:

Fire rating

A 1-hour fire resistance rating is required for all smoke barriers.

Continuity

Smoke barriers shall form an effective membrane from outside wall to outside wall and from floor slab to floor or roof deck above, including continuity through concealed spaces such as those found above suspended ceilings, and including interstitial structural and mechanical spaces.

Openings

Openings shall be protected and shall have a minimum fire-prtection rating of 20 minutes.

Types of smoke walls

It is prudent to discuss briefly the type of smoke walls. Essentially there are fixed and moveable or automatic smoke walls.

Fixed smoke walls

A fixed smoke wall is a standard wall or partition which is constructed so as to resist the temperatures and pressure differentials of the smoke in question and sealed at its extremities and where openings and service penetrations occur, to resist smoke leakage to acceptable levels.

Automatic smoke containment walls

Another approach to smoke walls is to use large automatic and moveable smoke containment screens. These can be supplied to cover large openings approaching 30 to 50 metres wide, and  are coiled up in the open position under non fire mode, and upon activation of a smoke detector, deploy to cover the opening in question, providing an effective smoke containment barrier.

These systems are widely used in Europe and have only recently been introduced in the Australian markets. In many ways, smoke containment screens are similar to an automatic or motorised roller shutter, incorporating a motor, barrel arrangement and side guides, but in place of metallic shutter, they incorporate a flexible high temperature resilient fabric or screen. They utilise mechanical and in some cases pneumatic means to seal their perimeter.

Openings in smoke walls

The same BCA specification, C2.5 discussed above, includes the  requirements for any openings in smoke walls. These are covered for example by Specification C2.5 b, c, d and e, dealing with glazing (windows), doors, penetrations & control joints and dampers in ducting respectively.

Apart from smoke doors, where there is a specific Specification, there is no detail provided to describe exactly what is required for smoke windows, smoke sealing of openings & control joints and smoke dampers.

Smoke doors

BCA Specification C3.4 provides some requirements for smoke doors.

The general requirements in Clause 3.1 reflect the point made earlier about incorrect specifications for smoke proof

barriers.  Smoke containment barriers are not impervious to smoke leakage, but under specific conditions, limit the smoke leakage to acceptable levels for visibility and tenability of occupants for example. Smoke doors will not stop all smoke from passing from one side to another, nor do they need to.

The Construction requirements by way of the deemed-to-satisfy provisions that follow in Clause 3.2 provide some guidance in performance terms as to a tangible criteria but this is far from complete, and unfortunately does not provide a test method, nor any pressure differentials or acceptable leakage criteria.

Clause 3.2 requires the use of so called solid core doors, which is a term that is not defined and has been the basis of previous Fire Australia articles by the author.  It defines a smoke temperature of 200°C  and duration of 30 minutes for the door leaf, but does not as discussed above provide a pressure differential or acceptable leakage rate.

The clause does require the use of smoke seals, which again are not defined nor is it clear if the performance criteria that are provided for the door leaf above in fact need to apply to these smoke seals.

The clause does not provide A Performance test method either.

SPECIFICATION C3.4

FIRE DOORS, SMOKE DOORS, FIRE WINDOWS AND SHUTTERS

  • SMOKE DOORS
    • General requirements

Smoke doors must be constructed so that smoke will not pass from one side of the doorway to the other and, if they are glazed, there is minimal danger of a person being injured by accidentally walking into them.

  • Construction deemed-to-satisfy

A smoke door of one or two leaves satisfies Clause 3.1 if it is constructed as follows:

  • The leaves are side-hung to swing—
    • in the direction of egress; or
    • in both directions. (b)
  • The leaves are capable of resisting smoke at 200°C for 30 minutes.
  • Solid-core leaves at least 35 mm thick satisfy (i).

The leaves are fitted with smoke seals.

  • The leaves are normally in the closed position; or

(A) The leaves are closed automatically with the automatic closing operation initiated by smoke detectors, installed in accordance with the relevant provisions of AS 1670.1—1995 AS 1670.1, located on each side of the doorway not more than 1.5 m horizontal distance from the opening; and

B) in the event of power failure to the door, the leaves fail-safe in the closed position.

  • The leaves return to the fully closed position after each manual opening.
  • Any glazing incorporated in the door complies with AS 1288.
    • If a glazed panel is capable of being mistaken for an unobstructed exit, the presence of the glass must be identified by opaque construction.
    • An opaque mid-height band, mid-rail or crash bar satisfies (i).

It is fine to be critical of the BCA

Specifications for smoke doors, but how do we suggest the ABCB do to improve the Specification?

It is really not too difficult and in fact some of the tools have already been developed to facilitate some necessary changes, but alas, the ABCB have not chosen to incorporate these to date.

AS/NZS 1530 Part 7 was developed and first published in 1998. This standard is an air (smoke) leakage test method that was developed using the principles of a similar ISO test method, and it allows leakage testing to be conducted both at ambient and at medium temperature, which is defined in the Standard as 200°C, which lines up perfectly with the specification C3.4 requirements for a door leaf.

Quantified leakage rates are measured at different pressure differentials and for different door orientations (in-swing and out-swing).

All the ABCB would need to do is call up this test method and nominate acceptable deemed-to-satisfy leakage rates at one nominated set of exposure conditions (temperature, duration and pressure differential).

For example, a total leakage of 16 m3/hr at a 25 Pa pressure differential and at a temperature of 200°C after 30 minutes exposure at this temperature.

Conventional hinged smoke doors

Some local suppliers of smoke sealing technology, such as Lorient Australia for example, have not waited for the ABCB to make these necessary changes to the BCA, and have developed and tested innovative smoke sealing configurations, and can provide smoke sealing systems to meet even the tightest of performance requirements.

In many ways, these quantified leakage rates, have resulted in the concept of “life safety doors”, which was a term the author coined for doors with known smoke (ands in some cases combined fire & smoke) performance attributes, which are finding their way into specifications in many alternative solutions.

Alternative smoke containment of doorways

Another means of achieving smoke containment across a doorway or opening is to use an automatic smoke containment screen. These products are smaller  versions of the automatic smoke containment walls discussed earlier and depending on the exact application and design incorporate patented features, such specially designed side guides, pneumatic inflatable seals and magnetic gasket technology. They are finding use covering glazed openings and the fact that they  can be supplied as both fire and smoke performance criteria make them an ideal product for many difficult design objectives where access and egress for the disabled are important

Smoke dampers and air transfer grilles

It is no point labouring over the same point regarding Specification 2.5 and the lack of performance related requirements.

The basic principles of smoke (air) leakage testing provided in AS/NZS 1530 Part 7 can easily be applied and have been applied to other smoke containment rated openings, such as smoke dampers, penetration seals and control joints.

Again local suppliers such as Holyoake Industries and Lorient Australia for  example, offer smoke containment dampers and have conducted smoke leakage testing on their different ranges of dampers or ait transfer grilles. These products can be used for smoke containment for air transfer related openings in smoke walls and in specific cases smoke doors.

The Author has been involved on Standards Australia Committee ME62/3 that worked hard over more than 2 years to develop a DRAFT standard for Dampers, encompassing fire, smoke containment, smoke spill and air dampers, which recently was circulated for Public Comment and which is proposed to replace the existing AS1682 series of fire damper standards.

Openings for penetration seals and control joints

Although the author is not aware of any local suppliers having conducted any testing for air (smoke) leakage for penetration or control joints, the basic principles of AS/NZS 1530 Part 7 can be easily applied to penetration seals and control joints, the same way as they have been applied to smoke dampers discussed above.

The author has seen some specifications for the likes of Telstra and other larger corporation which do in fact call up limiting smoke leakage rates for penetration seals for example, to acceptable and measured limits.

In the USA there are UL and ASTM test method that include air (smoke) leakage rates for curtain wall perimeter systems and head of wall perimeter or control joint systems, with acceptable leakage rates nominated at given pressure differentials, and after cyclic testing of the joint systems.

Smoke lobbies

The BCA requires the use of smoke lobbies under the Section D dealing with Access and Egress. The requirement for smoke lobbies results when multiple access doors open onto a required egress or exit route. The smoke lobby requirements are detailed in D1.7 and the construction requirements are provide in D2.6.

D1.7 Travel via fire-isolated exits

  • If more than 2 access doorways, not from a sanitary compartment or the like, open to a required fire-isolated exit in the same storey—
    • a smoke lobby in accordance with D2.6 must be provided; or

the exit must be pressurised in accordance with AS/NZS 1668.1.

D2.6 Smoke lobbies

A smoke lobby required by D1.7 Must

  • have a floor are not less than 6m2; and
  • be separated from the occupied areas in the story by walls which are impervious to smoke, and
    • have an FRL of not less than 60/60(which may be fire protective grade, plasterboard, gypsum block with set plaster, face brickwork, glass blocks or glazing); and
  • extend from slab to slab, or to the underside of a ceiling with a resistance to the incipient spread of fire of 60 minutes which covers the lobby; and
  • any construction joints between the top of the walls and the floor slab, roof or ceiling must be smoke sealed with intumescent putty or other suitable material; and
  • at any opening from the occupied areas, have smoke doors complying with Clause 3 of Specification C3.4 except that the smoke sensing device need only be located on the approach side of the opening; and
  • be pressurised as part of the exit if the exit is required to be pressurised under E2.2.

Again, akin to smoke walls, doors and dampers, the requirements could be improved.

Another area where smoke lobbies do occur is when the designer utilises them as an alternative design concept to lift pressurisation to contain vertical smoke migration through the fire rated lift landing doors. This practice is typically employed  in multiple storey hospitals and some aged care nursing facilities.

Smoke Guard International, represented locally by Smoke Control Pty Ltd, provide a patented, automatic screen incorporating  a magnetic gasket sealing technology that can be used in place of a lift lobby.

These automatic screens, allow everyday access and egress due to the fact they are coiled up out of harms way in the false ceiling or in a decorative pelmet, but upon activation of a dedicated smoke detector, automatically deploy to provide a smoke containment barrier.

Smoke Curtains

These are typically automatic smoke baffles or reservoirs made out of flexible “curtain” like fabric materials which deploy on activation of a smoke detector to form smoke reservoirs in the roof spaces to  allow horizontal smoke movement to be controlled, allowing mechanical smoke and heat vents to exhaust the smoke allowing buildings remain tenable for longer and to allow fire service personnel to easily find the seat of the fire for fire fighting requirements. These will be discussed in more detail in Part 2 of this article, but are included here to compare and contrast them to smoke containment screens.

Smoke containment screens, as discussed above have side guides and incorporate some form of smoke sealing system at the head, perimeter and bottom of the screen assembly and are tested to AS/NZS1530 Part 7 or equivalent and have known leakage rates across their opening for given temperature and pressure differentials. This is ideal data for Fire Safety Engineers to calculate accurately time to untenable conditions in escape corridors and the like.

Smoke curtains are designed to resist hot smoke and to form a barrier to work in conjunction with the smoke and heat vents and do not typically have elaborate perimeter sealing technology and do not have accurate or quantified smoke leakage data.

There is no Australian test methods for these products and most of those used here in Australia are imported and are supported by BS testing where their ability to withstand 600 degrees Celsius is the main design objective. They typically incorporate a bottom bar to stop excessive deflection. The author has spoken to many Fire Safety Engineers who are trying to use these products as smoke containment barriers and model the smoke leakage characteristics using assumed gaps and deflections. This is not an advisable approach especially in light of the fact that products are available that have  been designed and tested specifically for smoke containment barrier applications  as discussed above.

Conclusions –––––

Where there is fire, there is smoke and we need to look seriously at our designs to ensure that adequate smoke containment and/or smoke control measures are employed in our buildings.

Unlike fire resistance, the codification for smoke containment in our local Building Code of Australia could use some improvements and look to call up AS/NZS1530 Part air (smoke) leakage test method and provide acceptance criteria based on leakage rates at given pressure and temperature requirements.

There are many different types of smoke containment systems available and it is hoped that this article has provide the readers with some insight into the different types as well as providing some graphics and pictures to help the reader picture what these system do and look like respectively.

Effective smoke containment can be achieved and those companies who are developing and testing their products are seeing increased sales especially through Alternative Solutions by way of Fire Safety Engineering.

It would be good if we could see smoke containment codification reviewed with some more vigour in future revisions of the Building Code of Australia as smoke does pose a serious concern to the safety of occupants in our buildings.

References –––––

Building Codes

Building Code of Australia (BCA) – Australian Building Codes Board

International Building Code – ICBO 2000

Standards

AS/NZS 1530 Part 7 – Methods for fire tests on building materials, components and structures, Part 7 – Smoke control door and shutter assemblies – Ambient and medium temperature leakage test procedure

AS1682 suite – Fire dampers, Part – Specification & Part 2 – Installation

AS/NZS1668 Part 1 – The use of ventilation and air conditioning in buildings

– Fire and smoke control in multi- compartment buildings

BS 7346 Part 3 – Components for Smoke and Heat Control Systems, Part 3 – Specification for Smoke Curtains

Other articles

Smoke doors and smoke gasketing for doors – Rakic, J; Fire Australia, February 2002

So called “tight fitting” solid doors. Are they an appropriate design solution for fire safety engineered solutions in high rise residential buildings? – Rakic, J; Fire Australia, May 2002