The increasing use of performance-based approaches in structural fire engineering design of multi-storey composite buildings has prompted the development of various tools to help quantify the influence of tensile membrane action in composite slabs at elevated temperatures. One simplified method which has emerged is the Bailey-BRE membrane action method. This method predicts slab capacities in fire by analysing rectangular slab panels supported on edges which resist vertical deflection. The task of providing the necessary vertical support, in practice, requires protecting a panel's perimeter beams to achieve temperatures of no more than $620^{\circ}C$ at the required fire resistance time. Hence, the integrity of this support becomes critical as the slab and the attached beams deflect, and large deflections of the perimeter beams may lead to a catastrophic failure of the structure. This paper presents a finite element investigation into the effects of vertical support along slab panel boundaries on the slab behaviour in fire. It examines the development of the membrane mechanism for various degrees of edge-beam protection, and makes comparisons with predictions of the membrane action design method and various acceptance criteria.
Talebi, Elnaz;Tahir, Mahmood Md.;Zahmatkesh, Farshad;Kueh, Ahmad B.H.
Steel and Composite Structures
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제19권3호
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pp.661-678
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2015
Buckling Restrained Braces (BRB) have been widely used in the construction industry as they utilize the most desirable properties of both constituent materials, i.e., steel and concrete. They present excellent structural qualities such as high load bearing capacity, ductility, energy-absorption capability and good structural fire behaviour. The effects of size and type of filler material in the existed gap at the steel core-concrete interface as well as the element's cross sectional shape, on BRB's fire resistance capacity was investigated in this paper. A nonlinear sequentially-coupled thermal-stress three-dimensional model was presented and validated by experimental results. Variation of the samples was described by three groups containing, the steel cores with the same cross section areas and equal yield strength but different materials (metal and concrete) and sizes for the gap. Responses in terms of temperature distribution, critical temperature, heating elapsed time and contraction level of BRB element were examined. The study showed that the superior fire performance of BRB was obtained by altering the filler material in the gap from metal to concrete as well as by increasing the size of the gap. Also, cylindrical BRB performed better under fire conditions compared to the rectangular cross section.
This paper presents an investigation of the thermal performance of composite floor slabs with profiled steel decking exposed to fire effects from floor. A detailed finite-element model has been developed by representing the concrete slab with steel decking under of it and steel beam both steel parts protected by intumescent coating. Although this type of floor systems offers a better fire resistance, passive fire protection materials should be applied when a higher fire resistance is desired. Moreover, fire exposed side is so crucial for composite slab systems as the total fire behaviour of the floor system changes dramatically. When the fire attack from steel parts, the temperature rises rapidly resulting in a sudden decrease on the strength of the beam and decking. Herein this paper, the fire attack side is assumed from the face of the concrete floor (top of the concrete assembly). Therefore, the heat is transferred through concrete to the steel decking and reaching finally to the steel beam both protected by intumescent coating. In this work, the numerical model has been established to predict the heat transfer performance including material properties such as thermal conductivity, specific heat and dry film thickness of intumescent coating. The developed numerical model has been divided into different layers to understand the sensitivity of steel temperature to the number of layers of intumescent coating. Results show that the protected composite floors offer a higher fire resistance as the temperature of the steel section remains below 60℃ even after 60-minute Standard (ISO) fire and Fast fire exposure. Obtaining lower temperatures in steel due to the great fire performance of the concrete itself results in lesser reductions of strength and stiffness hence, lesser deflections.
본 연구는 질석계 내화피복재를 뿜칠한 단순지지 TSC 합성보에 대해 하중 재하의 영향과 합성보의 형상, 웨브에 설치한 메탈라스의 영향 등을 변수로 내화성능 평가를 하였다. 내화피복재는 3시간 내화성능의 요구치가 40mm 이나 25mm만 뿜칠 후 내화실험을 실시하였다. 또한 강재 표면이 부착강도에 미치는 영향도 확인하였다. 실험결과 TSC 합성보에 25mm의 내화피복재를 뿜칠한 경우 재하와 비재하시험 모두 3시간의 내화성능을 확보하는 것으로 나타났다. 재하와 비재하에 대한 내화성능 기준으로 온도를 비교하면, 평균온도는 $250^{\circ}C$ 이하, 최고온도는 $310^{\circ}C$ 이하가 되었다. 또한 보의 형상 및 메탈라스의 부착 유소(昭)' 등에 의한 온도의 영향은 없었다.
Du, Yong;Zhou, Huikai;Jiang, Jian;Liew, J.Y. Richard
Steel and Composite Structures
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제38권2호
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pp.121-139
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2021
Ultra-high strength concrete (UHSC) encased steel columns are receiving growing interest in high-rise buildings owing to their economic and architectural advantages. However, UHSC encased steel columns are not covered by the modern fire safety design code. A total of 14 fire tests are conducted on UHSC (120 MPa) encased steel columns under constant axial loads and exposed to ISO-834 standard fire. The effect of load ratio, slenderness, stirrup spacing, cross-section size and concrete cover to core steel on the fire resistance and failure mode of the specimens are investigated. The applicability of the tabulated method in EC4 (EN 1994-1-2-2005) and regression formula in Chinese code (DBJ/T 15-81-2011) to fire resistance of UHSC encased steel columns are checked. Generally, the test results reveal that the vertical displacement-heating time curves can be divided into two phases, i.e. thermal expansion and shortening to failure. It is found that the fire resistance of column specimens increases with the increase of the cross-section size and concrete cover to core steel, but decreases with the increase of the load ratio and slenderness. The EC4 method overestimates the fire resistance up to 186% (220 min), while the Chinese code underestimates it down to 49%. The Chinese code has a better agreement than EC4 with the test results since the former considers the effect of the load ratio, slenderness, cross section size directly in its empirical formula. To estimate the fire resistance precisely can improve the economy of structural fire design of ultra-high strength concrete encased steel columns.
The Eurocode system provides limited information regarding the structural fire design of external steel structures. Eurocode 1 provides thermal action for external member but only in steady-state conditions. On the other hand, Eurocode 3 provides a methodology to determine heat transfer to external steelwork, but there is no distinction in cross section shapes and, in addition, the calculated temperature distribution is assumed to be uniform in the cross section. This paper presents the results of a research carried out to develop a new transient heat transfer model for external steel elements to improve the current approach of the Eurocodes. This research was carried out as part of the project EXFIRE "Development of design rules for the fire behaviour of external steel structures", funded by the European Research Programme of the Research Fund for Coal and Steel (RFCS).
Shear connector is the element which resist in the horizontal shear force between steel and concrete of composite members and the stud bolt is often used because of its constructional convenience and serviceability. Although the push-out test is the most common method to evaluate shear slip behaviour, it is suitable for only room temperature conditions. In this study, we investigated about shear force, temperature distribution and slip displacement of shear connector in high temperature through the modified push-out test with electronic furnace invented for steel part heating.
Structures submitted to Fire-After-Earthquake loading situations, are first experiencing inelastic deformations due to the seismic action and are then submitted to the thermal loading. This means that in the case of steel framed structures, at the starting point of the fire, plastic hinges have already been formed at the ends of the beams. The basic objective of this paper is the evaluation of the rotational capacity of steel I-section beams damaged due to prior earthquake loading, at increased temperatures. The study is conducted numerically and three-dimensional models are used in order to capture accurately the nonlinear behaviour of the steel beams. Different levels of earthquake-induced damage are examined in order to study the effect of the initial state of damage to the temperature-evolution of the rotational capacity. The study starts with the reference case where the beam is undamaged and in the sequel cyclic loading patterns are taken into account, which represent earthquakes loads of increasing magnitude. Additionally, the study extends to the evaluation of the ultimate plastic rotation of the steel beams which corresponds to the point where the rotational capacity of the beam is exhausted. The aforementioned value of rotation can be used as a criterion for the determination of the fire-resistance time of the structure in case of Fire-After-Earthquake situations.
Tobbala, Dina E.;Rashed, Ahmed S.;Tayeh, Bassam A.
Structural Engineering and Mechanics
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제82권2호
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pp.163-172
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2022
Zinc-rich epoxy (ZRE) is used to overcome corrosion problems in reinforced concrete (RC) beams and coat steel rebars to protect them from humidity and chlorides. An extra coating layer of Sikadur-31 epoxy (SDE) is utilised to increase bond strength because the use of ZRE reduces the bond strength between concrete and steel rebars. However, the low melting point of SDE indicates that concrete specimens are vulnerable to fire. An experimental investigation on flexural performance of RC beams incorporating ZRE-SDE coating of steel rebars that were destroyed by fire is performed in this study. Twenty beams of five concrete mixes with different cementitious contents were tested to compare fire exposure for coated and uncoated rebars of the same beams at room temperature and determine the optimal cementitious content. Scanning electron microscopy (SEM) was also applied to investigate characteristics of fired mixture samples. Results showed that the use of SDE-ZRE at room temperature improves flexural strengths of the five mixes compared with uncoated rebars with percentages ranging from 8.5% to 12.3%. All beams with SDE-ZRE lost approximately 50% of their flexural strength due to firing. Moreover, the mix incorporating SF (silica fume) of 15% and cement content of 400 kg/m3 introduces optimum behaviour compared with other mixes. All results were supported and verified by the SEM analysis and compressive strength of cubic specimens of the same mixes.
An, Eung-Mo;Cho, Young-Hoon;Chon, Chul-Min;Lee, Dong-Gyu;Lee, Sujeong
한국세라믹학회지
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제52권4호
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pp.253-263
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2015
Ordinary Portland cement is a widely favored construction material because of its good strength and durability and its reasonable price; however, spalling behaviour during fire exposure can be a serious risk that can lead to strength degradation or collapse of a building. Geopolymers, which can be synthesized by mixing aluminosilicate source materials such as metakaolin and fly ash, and alkali activators, are resistant to fire. Because the chemical composition of geopolymers controls the properties of the geopolyers, geopolymers with various Si:Al ratios were synthesized and evaluated as fire resistant construction materials. Rejected fly ash generated from a power plant was quantitatively analyzed and mixed with alkali activators to produce geopolymers having Si:Al ratios of 1.5, 2.0, and 3.5. Compressive strength of the geopolymers was measured at 28 days before and after heating at $900^{\circ}C$. Geopolymers having an Si:Al ratio of 1.5 presented the best fire resistance, with a 44% increase of strength from 29 MPa to 41 MPa after heating. This material also showed the least expansion-shrinkage characteristics. Geopolymer mortar developed no spalling and presented more than a 2 h fire resistance rating at $1,050^{\circ}C$ during the fire testing, with a cold side temperature of $74^{\circ}C$. Geopolymers have high potential as a fire resistant construction material in terms of their increased strength after exposure to fire.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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