ix

Contents

Revision History ..............................................................v

Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

Figures and Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Executive Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxiii

Acknowledgments ........................................................ xxvii

1 Introduction ...............................................................1

1.1 History ............................................................2

1.2 Concerns Raised .....................................................3

1.3 Organizing the Research Project .........................................4

1.3.1 Evaluate the Performance of Current Smoke Alarm Technology ........4

1.3.2 Test Conditions Representative of Current Fatal Residential Fires .......5

1.3.3 Evaluate the Efficacy of Current Requirements for Number and Location of

Smoke Alarms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3.4 Develop Standard Nuisance Alarm Sources to Be Included in the Test

Program. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.5 Examine Other Fire Detection Technologies in Combination with Smoke

Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.6 Obtain Data on the Potential for Improvements in Performance by New

Technologies ...............................................8

1.3.7 Include Fuel Items That Incorporate Materials and Constructions

Representative of Current Residential Furnishings . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.8 Fully Characterize Test Detectors and Alarms in a Consistent Manner to

Facilitate Comparisons .......................................8

1.3.9 Utilize Fire Models to Extend the Applicability of the Test Arrangements

and Maximize the Test Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.10 Make All of the Data Collected as Widely Accessible as Possible ......8

1.3.11 Provide Opportunities to Enhance Public Fire Safety Education .......9

1.4 Project Oversight ....................................................9

2 Residential Fire Alarms, Sensor Response and Calibration in the FE/DE . . . . . . . . . . . 11

2.1 Residential Alarms Included in the Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
x

2.2 The fire emulator/detector evaluator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3 Smoke Aerosols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4 Calibration of Smoke and CO alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 Alarm Identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 Evaluation of Unmodified Alarm Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.7 Effect of Sensor Board Location on Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.8 Thresholds for Modified Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 Fire Source Test Scenarios and Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.1 Scenario Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.2 Material Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2.1 Upholstered Furniture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.2.2 Mattress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.2.3 Cooking Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.3 Ignition Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3.1 Flaming Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.3.2 Smoldering Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.3.3 Cooking Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.4 Test Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.4.1 Manufactured Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.4.2 Two-story Home . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 Fire Source Testing Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.1 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.2 Sample Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.3 Primary Gases – CO, CO2, and O2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.4 FTIR Gas Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5 Optical Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.6 Smoke Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.7 Smoke and CO Alarm Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.8 Sprinkler Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.9 Mechanical Heat Alarm Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5 Fire Source Test Results and Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.1 Tests Conducted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.2 Test Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

5.3 Calculation of Alarm Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.4 Calculation of Time to Untenable Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.4.1 Tenability Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.4.2 Tenability Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

5.5 Assessment of Overall Alarm Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.6 Aerosol Concentration and Size Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
xi

5.6.1 Mass and Number Concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.6.2 Particle Size Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.7 Measurement Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

6 Residential Smoke Alarm Nuisance Source Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

6.1 Nuisance Scenario Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.2 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.2.1 Aerosol Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

6.2.2 Temperature and Humidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.2.3 Flow Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

6.2.4 Analog Output Photoelectric, Ionization and Sensors . . . . . . . . . . . . . . . 154

6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.3.1 Toasting Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

6.3.2 Frying Bacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

6.3.3 Frying Butter and Margarine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

6.3.4 Frying Hamburgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

6.3.5 Deep-frying Tortillas and French-fried Potatoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

6.3.6 Broiled and Baked/Broiled Pizza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

6.3.7 Broiling Hamburgers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

6.3.8 Boiling Spaghetti Pasta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

6.3.9 Candle Burning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

6.3.10 Cigarette Smoking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

6.4 Controlled Incipient Fire Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

6.4.1 Cotton Smolder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

6.4.2 Wood Smolder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

6.4.3 Polyurethane Foam Smolder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

6.5 FE/DE Emulation of Nuisance Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.5.1 Cotton Wick Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

6.5.2 Cotton Smolder Smoke Fire Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

6.5.3 Wood Smolder Smoke Fire Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

6.5.4 Candle Flame Nuisance Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

6.5.5 Heated Margarine or Butter Nuisance Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

6.5.6 Toasting Bread Nuisance Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

7 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

7.1 Smoke Alarm Activation Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

7.2 Tenability Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

7.3 Time Needed for Escape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

7.3.1 Movement Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

7.3.2 Premovement Activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

7.3.3 Escape Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

7.4 Smoke Alarm Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
xii

7.5 Other Alarm Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

7.5.1 Carbon Monoxide Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

7.5.2 Heat Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

7.5.3 Tell-tale Sprinklers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

7.6 Comparison with Earlier Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

7.7 Nuisance Alarms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259

10 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

Appendix A: Alarm Activation and Time to Untenable Conditions During Tests of Residential

Smoke Alarms Included in the Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-1

Appendix B: FTIR Gas Measurement in Home Smoke Alarm Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . B-1