Assessment of fire exposure on the load bearing capacity of basement storey walls

Main Article Content

Viktor Nosenko
Oleg Fesenko
Taras Donets

Abstract

This paper presents the numerical modelling of the fire exposure on structural element and its static analysis taking account of the material properties reduction due to elevated temperature.


The reinforced concrete wall of basement storey was subjected to one side fire exposure.


Advanced calculation methods were used to assess the fire exposure on the structural element as most reliable and approximate to fire test results. Thermal analysis was performed with LIRA-CAD software by the simulating of three main heat-transfer ways: thermal conductivity, convection and radiation. As a result of the thermal analysis, temperature distribution in the concrete and reinforcement parts of the structural element cross-section was obtained. The thermal analysis of the wall structural element was performed for 120 minutes in standard fire exposure. Reduction factors for the strength of concrete and reinforcement steel were determined based on the temperature distribution in the wall structural element cross-section. The cross-section is divided into a number of parallel zones of equal thickness where the mean temperature and the corresponding mean compressive strength is assessed according to the Zone method procedure. The fire damaged zone of thickness az at the fire exposed sides and reduced cross-section were obtained.


Static analysis of the wall load-bearing capa-city was performed using the procedure applicable for normal temperature design. The Deformation method for normal temperature design taking to account concrete deformation was used. The Deformation method for normal design taken to account concrete deformation at every step of iteration was used. The reduced load-bearing capacity of the fire damaged wall taking into account residual concrete strength was calculated and relevant load-bearing capacity diagrams were determined.

Article Details

Section
Статті
Author Biographies

Viktor Nosenko, Kyiv National University of Construction and Architecture

Associate Professor of the Department of Geotechnics

Ph.D.

 

Oleg Fesenko, Kyiv National University of Construction and Architecture

Associate Professor of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures

Ph.D.

Taras Donets, Kyiv National University of Construction and Architecture

Master of the Department of Geotechnics

Student

References

Kodur V. Properties of concrete at elevated temperatures / Kodur V. // ISRN Civil Engi-neering 2014. 1- 15.

Gao W.Y. Finite element modeling of rein-forced concrete beams exposed to fire / W.Y. Gao, J.-G. Dai, J.G. Teng, G.M. Chen // Engineering Structures, - 2013, - 52, pp. 488-501.

Achenbach M. Identification of the thermal properties of concrete for the temperature calculation of concrete slabs and columns subjected to a standard fire – Methodology and proposal for simplified formulations / M.Achenbach, T. Lahmer, G. Morgenthal // Fire Safety Journal, - 2017, - 87, pp. 80-86

Shyamala G. Thermal behavior of Concrete subjected to elevated temperature: Case Studies / G. Shyamala, V. Mahesh, K. Rajesh Kumar, I. Rajasri Reddy // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - 2020. - 981 (3), art. no. 032068

Anupama Krishna D. Effect of elevated tem-peratures on the mechanical properties of

concrete / D. Anupama Krishna, R.S. Pri-yadarsini, S. Narayanan // Procedia Struc-tural Integrity, - 2019. - 14, pp. 384-394.

Lamont, S. Behavior of structures in fire and real design - A case study / S. Lamont, B. Lane, G. Flint, A. Usmani // Journal of Fire Protection Engineering. – 2006. – 16 (1), pp. 5-35.

Поклонський В. Розрахунок залізобетон-них конструкцій на вогнестійкість відпо-відно до Єврокоду 2 / В.Г. Поклонський, О.А. Фесенко, В.Г. Тарасюк, Ю.І. Немчи-нов, Х.З. Байтала // Практичний посібник. Київ: Інтертехнологія, 2016. - 83 с.

Колякова В. М. Розподіл температури в перерізі залізобетонної плити / В.М. Коля-кова, М.О. Божинський, О.А. Фесенко // Сучасні технології та методи розрахунків у будівництві. Луцьк: ЛНТУ. – 2016. №5. - С.232-239

Барашиков А.Я. Теплотехнічні властивос-ті бетону / А.Я. Барашиков, В.М. Коляко-ва, Н. Халік // Ресурсоекономні матеріа-ли, конструкції, будівлі та споруди. Зб. наук. праць. Рівне: НУВГП. – 2008. – С. 3-7.

Колякова В.М. Розрахунково-теоретичні дослідження розподілу темпе-ратури в перерізі залізобетонної констру-кції східчастих складок. / В.М. Колякова, М.О. Божинський // Будівельні конструк-ції. Теорія і практика. - Вип. № 1 (2017). - С. 149-157.

Поклонський В.Г. Розрахункові мето-ди оцінки вогнестійкості будівельних кон-струкцій за Єврокодами / В.Г. Поклонсь-кий, О.А. Фесенко, Х.З. Байтала, П.В. Круковський, С.В. Новак // Будівельні кон-струкції. К.,ДП НДІБК. - 2016. - Вип.83 (2). - с. 380-389.

Бакін П.І. Визначення вогнестійкості будівельних конструкцій розрахунковими методами відповідно до стандартів, що впроваджують Єврокоди / П.І. Бакін, Ю.І. Немчинов, В.Г. Поклонський, Р.В. Расюк, В.Г. Тарасюк, О.А. Фесенко // Світ геоте-хніки. Вип. 1. 2011. – С. 12-15.

Дмитренко Є.А. Оцінка вогнестійкості залізобетонних колон уточненими розра-хунковими методами / Є.А. Дмитренко, Т.П. Донець, К.О. Одноліток, О.А. Фесен-ко // Будівельні конструкції. Теорія і практика. – К.: КНУБА. - 2021. - № 8. - с. 82-96.

Байтала Х.З. Практична реалізація уточнених методів розрахунку будівель-них конструкцій на вогнестійкість / Х.З. Байтала, П.І. Бакін, Т.П. Донець, О.А. Фе-сенко // Збірник тез доповідей ІІ Міжна-родної науково-практичної конференції «Агроінженерія: сучасні проблеми та пе-рспективи розвитку», присвячена 90-й рі-чниці з дня заснування механіко-технологічного факультету НУБіП Укра-їни. - К., НУБіП України. - 2019. -с.238-240.

Єврокод 2. Проектування залізобе-тонних конструкцій. Частина 1-2. Загальні положення. Розрахунок конструкцій на вогнестійкість (EN 1992-1-2:2004, ІDТ): ДСТУ-Н Б EN 1992-1-2:2012 – [Чинні 2013-07-01]. – К.: Мінрегіон України, 2012. – 87с. – (Національний стандарт України).

Kodur V. (2014). Properties of concrete at elevated temperatures. ISRN Civil Engineer-ing. doi: 10.1155/2014/468510 (in English).

Gao, W.Y., Dai, J.-G., Teng, J.G., Chen, G.M. (2013). Finite element modeling of re-inforced concrete beams exposed to fire.

Engineering Structures, 52. 488-501.

doi: 10.1016/j.engstruct.2013.03.017 (in English).

Achenbach, M., Lahmer, T., Morgenthal, G. (2017). Identification of the thermal proper-ties of concrete for the temperature calcula-tion of concrete slabs and columns subjected to a standard fire – Methodology and pro-posal for simplified formulations. Fire Safety Journal, 87, pp. 80-86. doi: 10.1016/j.firesaf.2016.12.003 (in English)

Shyamala, G., Mahesh, V., Rajesh Kumar, K., Rajasri Reddy, I. (2020). Thermal behav-ior of Concrete subjected to elevated tem-perature: Case Studies. IOP Conference Se-ries: Materials Science and Engineering, 981 (3), art. no. 032068.

doi: 10.1088/1757-899X/981/3/032068(in English)

Anupama Krishna, D., Priyadarsini, R.S., Narayanan, S. (2019). Effect of elevated temperatures on the mechanical properties of concrete. Procedia Structural Integrity, 14, pp. 384-394. doi: 10.1016/j.prostr.2019.05.047

Lamont, S., Lane, B., Flint, G., Usmani, A. (2006). Behavior of structures in fire and re-al design - A case study. Journal of Fire Pro-tection Engineering, 16 (1), pp. 5-35. (in English)

Poklonskyi V.H., Fesenko O.A., Tarasiuk V.H., Nemchynov Yu.I., Baitala Kh.Z. i in. (2016). Rozrakhunok zalizobetonnykh kon-struktsii na vohnestiikist vidpovidno do Yevrokodu 2 [Calculation of reinforced concrete structures for fire resistance in ac-cordance with Eurocode 2]. Praktychnyi posibnyk. Kyiv: Intertekhnolohiia. 83. (in Ukrainian).

Koliakova V.M., Bozhynskyi M.O., Fesenko O.A. (2016). Rozpodil temperatury v pererizi zalizobetonnoi plyty [Temperature distribu-tion in the cross-section of a reinforced con-crete slab]. Suchasni tekhnolohii ta metody rozrakhunkiv u budivnytstvi. Lutsk: LNTU. №5.- 232-239 (in Ukrainian).

Barashykov A.Ia., Koliakova V.M., Khalik N. (2008). Teplotekhnichni vlastyvosti beto-nu [Thermotechnical properties of concrete]. Zb. nauk. prats. Resursoekonomni materialy, konstruktsii, budivli ta sporudy. Rivne: NUVHP. 3-7. (in Ukrainian).

Koliakova V.M., Bozhynskyi M.O. (2017). Rozrakhunkovo-teoretychni doslidzhennia rozpodilu temperatury v pererizi zalizobetonnoi konstruktsii skhid-chastykh skladok [Computational and theo-retical studies of temperature distribution in the cross-section of a reinforced concrete structure with stepped folds]. Budivelni konstruktsii. Teoriia i praktyka. Vyp. № 1 (2017). 149-157 (in Ukrainian).

Poklonskyi V.H., Fesenko O.A., Baitala Kh.Z., Krukovskyi P.V., Novak S.V. (2016). Rozrakhunkovi metody otsinky voh-nestiikosti budivelnykh konstruktsii za Yevrokodamy [Calculation methods for as-sessing the fire resistance of building struc-tures according to Eurocodes]. Budivelni konstruktsii. K., DP NDIBK. Vyp.83 (2). 380-389 (in Ukrainian).

Bakin P.I., Nemchynov Yu.I., Poklonskyi V.H., Rasiuk R.V., Tarasiuk V.H., Fesenko O.A. (2011). Vyznachennia vohnestiikosti budivelnykh konstruktsii rozrakhunkovymy metodamy vidpovidno do standartiv, shcho vprovadzhuiut Yevrokody [Determination of fire resistance of building structures by cal-culation methods in accordance with the standards implementing Eurocodes]. Svit he-otekhniky. Vyp. 1. 12-15 (in Ukrainian).

Dmytrenko Ye. A., Donets T. P., Od-nolitok K.O., Fesenko O.A. (2021). Otsinka vohnestiikosti zalizobetonnykh kolon utochnenymy rozrakhunkovymy metodamy [Evaluation of fire resistance of reinforced concrete columns by refined calculation methods]. Budivelni konstruktsii. Teoriia i praktyka. – K.: KNUBA. 8. 82-96. doi: 10.32347/2522-4182.8.2021.82-96 (in Ukrainian).

Baitala Kh.Z., Bakin P.I., Donets TP, Fesenko O.A. (2019). Praktychna realizatsiia utochnenykh metodiv rozrakhunku budivel-nykh konstruktsii na vohnestiikist [Practical implementation of refined methods of calcu-lating building structures for fire resistance]. Zbirnyk tez dopovidei II Mizhnarodnoi nau-kovo-praktychnoi konferentsii «Ahroin-zheneriia: suchasni problemy ta perspektyvy rozvytku», prysviachena 90-y richnytsi z dnia zasnuvannia mekhaniko-tekhnolohichnoho fakultetu NUBiP Ukrainy. K. NUBiP Ukrainy. 238-240 (in Ukrainian).

Eurocode 2. Proektuvannia zalizobet-onnykh konstruktsii. Chastyna 1-2. Zahalni polozhennia. Rozrakhunok konstruktsii na vohnestiikist [Design of reinforced concrete structures. Part 1-2. Terms. Calculation of structures for fire resistance]. (EN 1992-1-2:2004, IDT): DSTU-N B EN 1992-1-2:2012 – [Chynni 2013-07-01]. – K.: Minrehion Ukrainy, 2012. 87. (Natsionalnyi standart Ukrainy). (in Ukrainian).

Most read articles by the same author(s)