Fire risk analysis framework at the wildland-urban interface

Abstract

(English) Wildfires that reach the border between the wildland and urban areas, defined as the Wildland-Urban Interface (WUI), have rapidly expanded in frequency and severity over the past few decades, and the number of structures lost each year has increased significantly. As WUI fires pose great management challenged in terms of civil protection and fire mitigation, self- protection has become a growing necessity and focus must be placed in creating fire-adapted communities that can safely co-exist with wildfires. At the WUI microscale (i.e., homeowner level), susceptibility of a home to wildfire depends on the management of its surroundings and the hardening of the structure itself. The goal of this thesis is to develop a risk analysis framework based on the analysis of the fire hazard posed by the fuels located in the surroundings of a building and on the identification of building vulnerabilities for Mediterranean WUI scenarios. To meet this goal, an analysis of the different types of fuels present on a property and of the vulnerable elements of a building is performed and three scenarios are selected for further analysis with performance-based strategies. Performance criteria are identified for each of the selected scenarios and an analysis of the available information on the fire characteristics of the different types of fuels located at the microscale is presented, which highlights a lack of quantitative knowledge on WUI fire hazards. Real-scale tests of four fuel packs that contain artificial fuels that could be present in WUI environments have therefore been performed, and the obtained results can be used for the analysis of WUI fire scenarios. A methodology for the quantitative analysis of the vulnerability of building and property sub-systems based on a Performance- Based Design (PBD) approach is presented and applied to the three selected WUI scenarios. The methodology includes the modelling of the scenarios with the Computational Fluid Dynamics tool FDS (Fire Dynamics Simulator). Results obtained from this modelling can be compared to the previously set performance criteria. When it comes to building vulnerability, a Vulnerability Assessment Tool (VAT) for Mediterranean WUI structures is developed, based on the results obtained from the sub-system scenario analysis and an extensive literature review. The tool is presented in form of a checklist and is intended to be used by homeowners, with the goal of identifying home vulnerability in a quantitative way by highlighting the main issues of a property by analysing the building and its surroundings. The application of the VAT is presented for three different case studies located in Mediterranean landscapes. Finally, a WUI specific PBD guideline is presented for the quantitative risk analysis of WUI scenarios. Within the guideline, performance criteria are presented for both life safety and property protection and suggestions on the choice of design fire scenarios for WUI environments are given, together with the different variables that should be included, such as fire, environmental and property characteristics. The methodology presented in the guideline is applied to a case study, which is modelled in FDS, based on the strategies identified for the analysis of the sub-system scenarios. The application of the methodology to the case study shows how fire safety at the WUI can be quantified and gives an example of strategies that can be implemented to reach the desired fire safety level.

(Català) Els incendis forestals que arriben a la frontera entre les zones amb vegetació i les àrees urbanes, definides com la Interfície Urbana-Forestal (IUF), s'han expandit ràpidament en freqüència i severitat durant les últimes dècades, i el nombre d'estructures perdudes cada any ha augmentat significativament. Com que els incendis IUF suposen grans desafiaments a nivell de gestió en termes de protecció civil i mitigació d'incendis, l'autoprotecció s'ha convertit en una necessitat creixent i cal centrar l'atenció en la creació de comunitats adaptades al foc que puguin coexistir amb els incendis forestals de manera segura. A nivell micro-escala de la IUF (és a dir, al nivell del propietari de l’habitatge), la susceptibilitat d'una casa als incendis forestals depèn de la gestió dels seus voltants i de la resistència de l'estructura en si mateixa. L'objectiu d'aquesta tesi és desenvolupar un marc d'anàlisi de riscos basat en l'anàlisi del perill d'incendi que presenten els combustibles situats als voltants d'un edifici i en la identificació de les vulnerabilitats pròpies dels edificis per als escenaris de la IUF mediterrània. Per complir aquest objectiu, s'analitzen els diferents tipus de combustibles presents en una propietat i els elements vulnerables dels edificis, i es seleccionen tres escenaris per a una anàlisi més detallada amb estratègies basades en prestacions. Es defineixen criteris de prestacions per a cada un dels escenaris seleccionats i es presenta una anàlisi de la informació disponible sobre les característiques d'incendi dels diferents tipus de combustibles situats al micro-escala, la qual mostra que hi ha una manca de coneixement quantitatiu sobre els perills dels incendis a la IUF. Per tant, s'han realitzat proves a escala real de quatre conjunts d’elements que contenen combustibles artificials i que solen estar presents en entorns de la IUF. Els resultats obtinguts es facilitaran l'anàlisi d'escenaris d'incendi de la IUF. Es presenta i s'aplica una metodologia per a l'anàlisi quantitativa de la vulnerabilitat dels sub-sistemes d'edificis i propietats basada en l'abordatge del disseny basat en prestacions (PBD) als tres escenaris IUF seleccionats. La metodologia inclou la modelització de l'escenari amb l’eina de dinàmica de fluids computacional FDS (Fire Dynamics Simulator). Els resultats obtinguts d'aquesta modelització són comparables amb els criteris de prestacions establerts anteriorment. Pel que fa a la vulnerabilitat dels edificis, s'ha desenvolupat una Eina d'Avaluació de la Vulnerabilitat (Vulnerability Assessment Tool - VAT) per a les estructures IUF mediterrànies, basada en els resultats obtinguts de l'anàlisi dels escenaris de sub-sistemes i en una extensa revisió bibliogràfica. L'eina es presenta en forma de llista de verificació i està destinada a ser utilitzada pels propietaris de les cases, amb l'objectiu d'identificar la vulnerabilitat dels habitatges de manera quantitativa, analitzant l'edifici i el seu entorn, el que permet identificar els principals problemes de la propietat. L'aplicació de la VAT es presenta per a tres casos pràctics diferents situats en zones mediterrànies . Finalment, es presenta una guia específica per a IUF-PBD per a l'anàlisi de riscos quantitatius en escenaris IUF. Dins de la guia, es presenten criteris de prestacions per a la seguretat dels ocupants i la protecció dels béns, i s'ofereixen suggeriments sobre selecció dels escenaris d’incendi de disseny per als entorns IUF. La metodologia presentada a la guia s'aplica a un exemple pràctic, que es modela en FDS, basat en les estratègies identificades per a l'anàlisi dels escenaris de sub-sistemes. L'aplicació de la metodologia a l’exemple pràctic mostra com es pot quantificar la seguretat contra incendis a la IUF i mostra les estratègies que es poden implementar per a aconseguir el nivell desitjat de seguretat contra incendis.