Shear connectors are required to build composite (concrete and steel) beams. They are placed at the interface of concrete and steel to transfer shear and normal forces between two structural components. Such composite beams are sensitive to provide structural integrity when exposed to fire as they loss strength, stiffness, and ductility at elevated temperature. The present study is designed to investigate the shear resistance and the failure modes of the headed stud shear connectors at fire exposure and post-fire exposure. The study includes ordinary concrete and concrete with carbon nanotubes (CNTs) to build composite (concrete-steel) beams with structural steel. Experimental push tests were conducted on composite beams at ambient and elevated temperatures, such as 200, 400 & 600℃. Moreover, push tests were performed on the composite beams after being exposed to 200, 400 & 600℃. Push test results illustrated the reduction of ultimate shear capacity and stiffness of headed stud shear connectors as the temperature increased. Although similar values of ultimate shear were obtained for the headed stud connectors in both ordinary and CNT concrete, the CNT modified concrete reduced the concrete spalling and cracking compared to ordinary concrete and was observed to be effective at temperatures greater than 400℃. All specimens showed a lower shear resistance at fire exposures compared to the corresponding post-fire exposures. Moreover, numerical simulation by Finite Element (FE) analyses were carried out at ambient temperature and at fire conditions. The FE analysis results show a good agreement with the experimental results. In the experimental studies, failure of all specimens occurred due to shear failure of headed stud, which was later validated by FE analyses using ABAQUS.
Doo Chan Choi;Min Hyeok Yang;Su Min Oh;So Jin Yang
Journal of the Society of Disaster Information
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v.19
no.4
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pp.958-967
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2023
Purpose: This study aims to analyze the fire resistance performance applied to plant facilities with high fire risk in Korea, secure suitable fire resistance performance, and ensure the fire safety of plant facilities. Method: Using the finite element analysis program Ansys, thermal transfer analysis and structural analysis were performed with fire load and fireproof coating as variables, and the fire resistance performance of plant facilities was analyzed based on the analysis results. Result: The fireproof coating applied to domestic plant facilities failed to secure fire resistance performance when the fire load of hydrocarbon fire presented in UL 1709 was applied, and it was confirmed that the deformation of steel after the fire was also significant. Conclusion: The current fire resistance performance applied to plant facilities in Korea cannot secure fire resistance performance in sudden fire growth and large fire loads like petrochemical plants, and it is necessary to secure fire safety by evaluating suitable fire resistance performance through performance evaluation of plant facilities.
Kim, Hyung-Jun;Lee, Jae-Sung;Kim, Heung-Youl;Cho, Bong-Ho;Xi, Yunping;Kwon, Ki-Hyuck
Steel and Composite Structures
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v.15
no.1
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pp.103-130
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2013
Fire performance and fire safety of high-rise buildings have become major concerns after the disasters of World Trade Center in the U.S. in 2001 and Windsor tower in Spain in 2005. Performance based design (PBD) approaches have been considered as a better method for fire resistance design of structures because it is capable of incorporating test results of most recent fire resistance technologies. However, there is a difficulty to evaluate fireproof performance of large structures, which have multiple structural members such as columns, slabs, and walls. The difficulty is mainly due to the limitation in the testing equipment, such as size of furnace that can be used to carry out fire tests with existing criteria like ISO 834, BS 476, and KS F 2257. In the present research, a large scale calorie meter (10 MW) was used to conduct three full scale fire tests on medical modular blocks. Average fire load of 13.99 $kg/m^2$ was used in the first test. In the second test, the weighting coefficient of 3.5 (the fire load of 50 $kg/m^2$) was used to simulate the worst fire scenario. The flashover of the medical modular block occurred at 62 minutes in the first test and 12 minutes in the second test. The heat resistance capacity of the external wall, the temperatures and deformations of the structural members satisfied the requirements of fire resistance performance of 90 minutes burning period. The total heat loads and the heat values for each test are calculated by theoretical equations. The duration of burning was predicted. The predicted results were compared with the test results, and they agree quite well.
Observations from experiments and real fire indicate that restrained steel beams have better fire-resistant capability than isolated beams. Due to the effects of restraints, a steel beam in fire condition can undergo very large deflections and the run away damage may be avoided. However disgusting damages may occur in the beam-to-column connections, which is considered to be mainly caused by the enormous axial tensile forces in steel beams resulted from temperature decreasing after fire dies out. Over the past ten years, the behaviour of restrained steel beams subjected to fire during heating has been experimentally and theoretically investigated in detail, and some simplified analytical approaches have been proposed. While the performance of restrained steel beams during cooling has not been so deeply studied. For the safety evaluation and repair of steel structures against fire, more detailed investigation on the behaviour of restrained steel beams subjected to fire during cooling is necessary. When the temperature decreases, the elastic modulus and yield strength of steel recover, and the contraction force in restrained steel beams will be produced. In this paper, an incremental method is proposed for analyzing the behaviour of restrained steel beams subjected to cooling. In each temperature decrement, the development of deformation and internal forces of a restrained beam is divided into four steps, in order to consider the effect of the recovery of the elastic modulus and strength of steel and the contraction force generated by temperature decrease in the beam respectively. At last, the proposed approach is validated by FE method.
Kodur, V.K.R.;Ghani, B.A.;Sultan, M.A.;Lie, T.T.;El-Shayeb, M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.12
no.5
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pp.559-572
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2001
A numerical model, in the form of a computer program, for evaluating the fire resistance of insulated wide-flange steel columns is presented. The three stages associated with the thermal and structural analysis in the calculation of fire resistance of columns is explained. The use of the computer program for tracing the response of an insulated steel column from the initial pre-loading stage to collapse, due to fire, is demonstrated. The validity of the numerical model used in the program is established by comparing the predictions from the computer program with results from full-scale fire tests. Details of fire tests carried out on wide-flange steel columns protected with ceramic fibre insulation, together with results, are presented. The computer program can be used to evaluate the fire resistance of protected wide-flange steel columns for any value of the significant parameters, such as load, section dimensions, column length, type of insulation, and thickness of insulation without the necessity of testing.
With the increasing use of concrete-filled steel tubes (CFST) as structural members, there is a growing need to provide suitable measures for possible strengthening or repair of these kinds of structural elements. Fibre reinforced polymer (FRP) jacketing is a recent method and is particularly attractive in which it does not significantly increase the section size, and is relatively easy to install. Thus, it can be used to enhance strength and/or ductility of CFST members. Very little information is available on the performance of FRP-strengthened CFST members under fire conditions. This paper is an attempt to study the fire performance of CFST columns strengthened by FRP. The results of fire endurance tests on FRP-strengthened circular CFST columns are presented. Failure modes of the specimens after exposure to fire, temperatures in the cross section, axial deformation and fire resistance of the composite columns are analysed. It is demonstrated that the required fire endurance can be achieved if the strengthened composite columns are appropriately designed.
This paper deals with the development of an approach for evaluating the squash load and rigidity of unprotected concrete filled steel columns at elevated temperatures. The current approach of evaluating these properties is reviewed. It is shown that with a non-uniform temperature distribution, over the composite cross-section, the calculations for the squash load and rigidity are tedious in the current method. A simplified approach is proposed to evaluate the temperature distribution, squash load, and rigidity of composite columns. This approach is based on the model in Eurocode 4 and can conveniently be used to calculate the resistance to axial compression of a concrete filled steel column for any fire resistance time. The accuracy of the proposed approach is assessed by comparing the predicted strengths against the results of fire tests on concrete filled circular and square steel columns. The applicability of the proposed approach to a design situation is illustrated through a numerical example.
Predicting the fire resistance of structures has been significantly advanced by full scale fire tests in conjunction with improved understanding of compartmental fire. Despite the progress, application of insulation is still required to parts of structural steelwork to achieve over 60 minutes of fire rating. It is now recognised that uncertainties on insulation properties hinder adaptation of performance based designs for different types of structures. Intumescent coating has recently appeared to be one of most popular insulation types for steel structures, but its design method remains to be confirmed by empirical data, as technical difficulties on the determination of the material properties at elevated temperatures exist. These need to take into account of further physiochemical transitions such as moving boundary and endothermic reaction. The impetus for this research is to investigate the applicability of the conventional differential equation solution which examines the temperature rise on coated steel members by an inorganic intumescent coating, provided that the temperature-dependent thermal/mechanical insulation properties are experimentally defined in lab scale tests.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.19
no.3
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pp.77-83
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2019
AU(A plus U-shaped) composite beam was developed for reducing the story height in the residential buildings, and saving the cosrtuction cost of floor structures. Structural performance and economic feasibility of the composite beam have been sufficiently approved through the structural experiments and the analytical studies. Fire safety for the practical application of the composite beam has also been verified through the fire resistance tests and the heat transfer analyses. In this study 2-points bending tests were performed on the four specimens already tested for fire resistance to evaluate the residual bending strength of AU composite beam after fire accident. The same bending test was performed on the one fresh specimen having the same section and span of the specimens for practically comparative study.
Garcia, Harkaitz;Cuadrado, Jesus;Biezma, Maria V.;Calderon, Inigo
Structural Engineering and Mechanics
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v.78
no.1
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pp.67-75
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2021
This work studies the behaviour of a steel portal frame selection under fire exposure, considering both span lengths and fire exposure times as variables. Such structures combine carbon steel (S275), fireproof micro-alloyed steel (FR), and coatings of intumescent paint with variable thicknesses, improving thereby the flame retardant behaviour of the steel structure. Thus, the main contribution of this study is the optimization of the portal frames by combining both steels, analysing the resulting costs influence on the final dimensions. Besides, the topological optimization of each steel component within the structure is also defined, in accordance with the following variables: weather conditions, span, paint thickness, and cost of steel. The results mainly confirmed that using both FR and S275 grades with intumescent painting is the Pareto optimum when considering performance, feasibility and costs of such portal frames widely used for industrial facilities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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