The field of structural fire engineering has evolved within the construction industry, driven largely by the acceptance of performance-based or goal-based design. This evolution has brought two disciplines very close together - that of structural engineering and fire engineering. This paper presents an overview of structural systems that are frequently adopted in tall building design; typical beams and columns, concrete filled steel tube columns and long span beams with web openings. It is shown that these structural members require a structural analysis in relation to their temperature evolution and failure modes to determine adequate thermal protection for a given fire resistance period. When this is accounted for, a more explicit understanding of the behaviour of the structure and significant cost savings can be achieved. This paper demonstrates the importance of structural fire assessments in the context of tall building design. It is shown that structural engineers are more than capable of assessing structural capacity in the event of fire using published methodologies. Rather than assumed performance, this approach can result in a safe and quantified design in the event of a fire.
In Our Country, the fire safety design is done by the standard furnace fire test. This is haphazard procedure, as the standard furnace fire endurance of structural elements has little relation to the structural element endurance in an actual Compartment fire. The standard furnace fire test results, though obtained at great cost, do not contribute to the understanding of the behavior of structural elements in an elevated temperature environment and can not be applied rationally in fire safety design. The response of a steel and reinforced concrete structure in fire is a very complex problem. Therefore, in this paper is explained about tendency of study for fire safety design in advanced nations.
A fundamental limitation of steel structures is the decrease in their load-bearing capacity at high temperatures in fire situations such that structural members may require some additional treatment for fire resistance. In this regard, this paper evaluates the structural stability of fire-resistant steel, introduced in the late 1999s, through tensile coupon tests and proposes some experimental equations for the yield stress, the elastic modulus, and specific heat. The surface temperature, deflection, and maximum stress of fire-resistant steel H-section columns were calculated using their own mechanical and thermal properties. According to a comparison of mechanical properties between fire-resistant steel and Eurocode 3, the former outperformed the latter, and based on a comparison of structural performance between fire-resistant steel and ordinary structural steel of equivalent mechanical properties at room temperature, the former had greater structural stability than the latter through $900^{\circ}C$.
The risk of progressive collapse in steel framed buildings under fire conditions is gradually rising due to the increasing use of combustible materials. The fire resistance of such steel framed buildings is evaluated by fire tests. Recently, the application of performance based fire engineering makes it easier to evaluate the fire resistance owing to various engineering techniques and fire science. The fire resistance of steel structural members can be evaluated by the comparison of the limiting temperatures and maximum temperatures of structural steel members. The limiting temperature is derived at the moment that the failure of structural member results from the rise in temperature and the maximum temperature is calculated by using a heat transfer analysis. To obtain the limiting temperatures for structural steel of grades SS400 and SM490 in Korea, tensile strength tests of coupons at high temperature were conducted. The limiting temperatures obtained by the tensile coupon tests were compared with the limiting temperatures reported in the literature and the results of column fire tests under four types of loading with different load ratios. Simple limiting temperature formulas for SS400 and SM490 steel based on the fire tests of the tensile coupons are proposed. The limiting temperature predictions using the proposed formulas were proven to be conservative in comparison with those obtained from H-section and hollow section column fire tests.
The objective of design for a post flash-over fire is contain the fire and prevent structural collapse, as necessary to meet the performance requirements. In the post flash-over phase of a fire all of the combustible objects in the compartment are burning and the heat release rate is limited either by the fuel surface area or the available air supply. So for the PBD situations, the process of evaluation method for fire phenomena is very important. It is the aim of this study to investigate and analyze the evaluation method of structural fire resistance in Japan.
In this article, the role of spans number and length in fire-resistance ratings (FRRs) of fireproofed steel frames are investigated. First, over a span-lengthening scenario, two one- and three-bay frames under the ISO834 fire are examined. It is shown that the FRRs of the frames rely highly on the changes made on their span length. Second, a building designed for three spans number of three, four, and five under natural fire is investigated. The beams are designed for two load-capacity-ratios (LCRs) of optimum and ultimate. The fire curves are determined through a probabilistic-based approach. It is shown that the structural vulnerability vastly increases while the number of spans decreases. The results show that for an optimum LCR, while the five-span frame can meet the required FRR in 87% of the fire scenarios, the four- and three-span frames can meet the required FRR in only 56%, and 50% of the fire scenarios, respectively. For an ultimate LCR, the five-, four- and three-span frames can meet the required FRR in 81%, 50%, and 37.5% of the fire scenarios, respectively. Functional solutions are then proposed to resolve the insufficiencies in the results and to rectify the application of the standard-based FRRs in the cases studied. The study here highlights how employing current standard-based FRRs can endanger structural safety if they are not connected to structural characteristics; a crucial hint specifically for the structural engineering community who may be not well familiar with the fundamentals of performance-based approaches.
This work introduces to the international scientific community the Chinese Code on fire safety design of steel building structures. The aim of the Code is to prevent the structure of a steel building subjected to fire from collapsing, ensure safe evacuation of building occupants, and reduce the cost for repairing the damages of the structure caused by fire. The main contents of the Code is presented in this paper, including the fire duration requirements of structural components, fundamental requirements on fire safety design of steel components, temperature increasing of atmosphere and components in fire, loading effect and capacity of various components in fire, and procedure for fire-resistant design of steel components. The analytical approach is employed in the Code and the effectiveness of the Code is validated through experiments.
건축물의 지상층 주요구조부인 기둥, 보 및 바닥에 대한 내화성능의 연구는 활발하게 진행되고 있으나, 모든 구조적 하중을 지반으로 전달하는 지하층의 기둥을 비롯한 주요 구조부의 내화성능에 관한 자료 및 연구는 거의 없는 실정이다. 개구부율이 낮은 지하층에서의 화재크기는 지상층 화재보다 열에너지량이 크므로 구조적 붕괴의 위험성은 높다. 따라서 본 논문에서는 지하에 위치된 구조부재에 대한 내화성능의 적정성 평가를 위한 기본 자료 제공을 목적으로 국내외 지하 구조물의 내화법규정을 조사하고, 국내의 기시공된 건축물의 지하층의 구조형식, 구조재료 및 내화피복 현황을 분석하였다.
이 논문은 정적 재하상태에 있는 무피복 강합성보와 내화피복을 적용한 강합성보를 대상으로 화재 시 내부 온도 및 수직처짐에 대한 내화피복의 영향을 평가한 결과를 제시한다. 열응력해석을 위한 화재하중으로는 American Society for Testing and Materials E119의 표준화재곡선을 사용했으며, 강재거더 표면에 부착하는 내화재료의 방화효과를 구현하기 위해 외기에서 강합성보로 전달되는 열의 전달계수를 감소시켰다. 실규모 무피복 강합성보에 대한 구조화재실험에서 내부 온도분포와 수직처짐을 측정하였고 실험 결과와의 비교를 통해 비선형 구조화재해석 결과의 타당성을 검증하였다. 내화피복이 적용된 강합성보의 구조화재해석 결과로부터 강재거더 표면에 내화재를 적용할 경우 동일 화재 조건에서 무피복 강합성보에 비해 내부 온도와 수직처짐이 감소함을 알 수 있었다. 또한 열전달계수의 변화에 따른 열응력 응답으로부터 화재 시 강합성보의 온도 및 구조거동에 대한 내화피복의 영향을 제시하였다.
화재 발생 시 강구조 건축물은 재료의 급격한 강도저하에 따른 처짐과 내력저하로 구조물의 붕괴가 발생될 수 있다. 따라서 구조용 강재의 고온 시 강도저하의 최소화 및 강판 두께 차이에 따른 설계기준강도 차이의 해결과 용접성을 향상하기 위한 필요성이 제기되었으며, 이 결과 TMC 건축용 내화강재가 개발되었다. 본 연구에서는 TMC 건축용 내화강재의 고온 시 구조내력을 평가하기 위하여 일정 길이의 보부재를 대상으로 단순지지 및 고정단 보 조건으로 처짐과 최대내력 변화를 해석적으로 도출하였으며, 건축용 내화강재와 그 성능을 비교분석하였다. 그 결과, TMC 건축용 내화강재를 적용한 보부재가 내화강재 적용 보부재보다 고온 시 구조적 성능이 다소 열위임을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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