The non-linear structural analysis of reinforced concrete beams in fire consists of three separate steps: (i) The estimation of the rise of surrounding air temperature due to fire; (ii) the determination of the distribution of the temperature within the beam during fire; (iii) the evaluation of the mechanical response due to simultaneous time-dependent thermal and mechanical loads. Steps (ii) and (iii) are dealt with in the present paper. We present a two-step computational procedure where a 2D transient thermal analysis over the cross-sections of beams are made first, followed by mechanical analysis of the structure. Fundamental to the accuracy of the mechanical analysis is a new planar beam finite element. The effects of plasticity in concrete, and plasticity and viscous creep in steel are taken into consideration. The properties of concrete and steel along with the values of their thermal and mechanical parameters are taken according to the European standard ENV 1992-1-2 (1995). The comparison of our numerical and full-scale experimental results shows that the proposed mechanical and 2D thermal computational procedure is capable to describe the actual response of reinforced concrete beam structures to fire.
Kim, Sung Bae;Kim, Sang Seup;Ryu, Deog Su;Choi, Seng Kwan
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.25
no.4
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pp.379-388
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2013
This paper aims to experimentally investigate the fire resistance of U-shaped hybrid composite beams protected by spay and paint insulations. Subjected to two and three hours of the Standard ISO fire, the flexural performance of 4.4m beams with/without imposed loadings was examined with respect to failure criteria such as deflection and deflection rate of the mid-span and temperatures measured in the steel section. The results demonstrated that the proposed configuration of the composite beam is able to achieve a very competitive 3-hour fire resistance rating in economical aspects.
Talebi, Elnaz;Tahir, Mahmood Md.;Zahmatkesh, Farshad;Kueh, Ahmad B.H.
Steel and Composite Structures
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v.19
no.3
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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 examines a methodology for computing the probability of structural failure of reinforced concrete beams subjected to fire. The significant load variables considered are dead load, sustained live load and fire temperature. Resistance is expressed in terms of moment capacity with random variables taken as yield strength of steel, concrete class (or grade of concrete), beam width and depth. The flexural capacity is determined based on the design equations recommended in Indian standard IS456:2000. Simplified method named $500^{\circ}C$ isotherm method detailed in Eurocode 2 is incorporated for fire design. A transient thermal analysis is conducted using finite element software ANSYS$^{(R)}$ Release15. Reliability is evaluated from the initial state to 4h of fire exposure based on the first order reliability method (FORM). A procedure is coded in MATLAB for finding the reliability index. This procedure is validated with available literature. The effect of various parameters like effective cover, yield strength of steel, grade of concrete, distribution of reinforcement bars and aggregate type on reliability indices are studied. Parameters like effective cover of concrete, yield strength of steel has a significant effect on reliability of beams. Different failure modes like limit state of flexure and limit state of shear are checked.
To evaluate the performance of concrete load bearing walls in a structure under horizontal loads after being exposed to real fire, two steps were followed. In the first step, an experimental study was performed on the thermo-mechanical properties of concrete after heating to temperatures of 200-1000℃ with the purpose of determining the residual mechanical properties after cooling. The temperature was increased in line with natural fire curve in an electric furnace. The peak temperature was maintained for a period of 1.5 hour and then allowed to cool gradually in air at room temperature. All specimens were made from calcareous aggregate to be used for determining the residual properties: compressive strength, static and dynamic elasticity modulus by means of UPV test, including the mass loss. The concrete residual compressive strength and elastic modulus values were compared with those calculated from Eurocode and other analytical models from other studies, and were found to be satisfactory. In the second step, experimental analysis results were then implemented into structural numerical analysis to predict the post-fire load-bearing capacity response of the walls under vertical and horizontal loads. The parameters considered in this analysis were the effective height, the thickness of the wall, various support conditions and the residual strength of concrete. The results indicate that fire damage does not significantly affect the lateral capacity and stiffness of reinforced walls for temperature fires up to 400℃.
This paper proposes a versatile formula which can be used to evaluate the fire resistant time of steel beams under various design conditions. Towards this end, the key parameters which affect the fire performance of steel beams were first determined through thermo-mechanical considerations, and classified into two groups: structural parameters and thermal parameters. Then the degree of influence of each parameter on the fire performance was investigated through a fully coupled thermo-mechanical analysis up to the occurrence of run-away deflection. The accuracy of the numerical model used was verified using an available full-scale fire test before conducting an extensive parametric analysis. Multiple linear regression analysis was performed to obtain the formula which can be used to predict the fire resistance time of steel beams under various design conditions. The statistical analysis showed that the proposed formula is very robust. The application of the formula in practical fire design under the current code was illustrated in detail. The economy and other advantages of the proposed formula were clearly shown.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.41
no.6
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pp.627-635
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2021
The fire damage and structural performance of a steel-concrete composite superstructure under a highway bridge exposed to fire loading was evaluated. To enhance the accuracy and efficiency of the numerical analysis, a proposed fluid-structure interaction fire analysis method was implemented in Ansys Fluent and Ansys Mechanical. The temperature distribution and performance evaluation of the steel-concrete composite superstructure according to the vertical distance from the fire source to the bottom flange were evaluated using the proposed analysis method. From the analysis, the temperature of the concrete slab and the bottom flange of the steel-concrete composite superstructure exceeded the critical temperature. Also, when the vertical distance from the fire source was 13 m or greater, the fire damage of the steel-concrete composite superstructure was found to within a safe limit.
Wooden cultural heritages have many factors of fires and structural characteristics vulnerable to the fire extinguishing. Also, they are surrounded with forests and so remote from fire stations, which make it difficult to handle it quickly when fires break out. Wooden cultural heritages made of wood materials belong to the general fire in a Class A. Taking characteristics such as a smoldering and a backfire from the that fire of wooden materials into consideration, extinguishing the fire by the cooling system is the most effective. If the fire can't be put out at the early stage, it is almost impossible to protect wooden cultural heritages from the fire, because wooden structures can be destroyed in a high temperature and in a short time and it takes around average 7 minutes to reach its peak of flames in the process of a fire. According to the geographical and environmental situation of the cultural heritages, currently, the fire-prevention facilities such as the auto fire detector for the prompt detection, the water mist fire suppression system for the 1st early and urgent fire suppression and the outdoor fire hydrant and the water curtain etc. for the 2nd full-scale suppression and the prevention of the fire gaining force are being installed for the wooden cultural heritages.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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