Fire Resistance Increase of Structural Steel through the Modification of its Chemical Composition

AbstractIn the article the possibility for increasing the fire resistance of structural steel used in building load-bearing structures is presented and discussed in detail. The recommended approach is based on a suitable modification of its chemical composition, in particular by adding the carefully selected alloying elements. With such a change, not only a high-temperature strength of this material may be significantly increased in relation to that which would be achieved for the typical structural steel with an unmodified composition but also its sufficient weldability should be ensured by the entire duration of its exposure to a fire. The steel modified in this way would be undoubtedly more expensive to manufacture but due to the fact that it will not require any special protection against fire it seems that it can provide an interesting alternative to the solutions currently used in engineering practice

The risk of fire occurring in building compartment – what are the consequences if it is assumed to be time-independent

The acceptance in advanced fire safety analysis of the formal model according to which the probability of fire occurrence is assumed as time-independent leads to the conclusion that random fire episodes in considered building compartment can be described by the formalism of a Poisson process. In the presented paper some consequences of such adoption are presented and widely discussed as well as the foundations are determined of the equivalence between this probability and a conditional failure rate, which is interpreted as a process intensity parameter

Relacja moment – obrót w warunkach pożaru dla stalowego węzła rygiel – słup o znanej podatności

Simplified methodology helpful in a reliable specification of moment - rotation dependences characterizing the steel beam-to-column joint flexibility under fully developed fire conditions is presented and discussed in detail. The shape of identified dependences changes with the temperature increase of the members connected in the considered joint. The analogous relation, known a priori and determined for examined joint being under persistent design situation, is adopted as the reference dependence specified on the basis of the classical component approach. In the presented paper the alternative calculation technique, recommended by the authors in this field, deals with the replacement of such reference relation by another one resulted from the use of Richard – Abbott formal model. Furthermore, the additional approach, taken from the standard PN-EN 1993-1-8, is examined for comparative purposes. To transform such input dependence, related to the room member temperature, into the case of fully developed fire scenario it is firstly approximated by suitable segmental curve and afterwards the relative reduction ratios referring to the steel elasticity modulus as well as to the steel yield point, the joint is made of, are taken into consideration. As a result, a number of the requested relations is obtained, differentiated dependently on the assumed member temperature.Zaprezentowano uproszczony sposób tworzenia krzywych moment – obrót charakteryzujących podatność stalowego węzła rygiel – słup w pożarze rozwiniętym. Kształt poszukiwanej krzywej zmienia się z narastaniem temperatury elementów tworzących węzeł. Krzywą odniesienia jest analogiczna relacja określona w podstawowej sytuacji projektowej, przy pomocy klasycznej metody składnikowej. W pracy proponuje się zastąpienie tej relacji alternatywnymi formułami wynikającymi z zastosowania modelu Richarda – Abbotta lub z wykorzystania podejścia rekomendowanego w PN-EN 1993-1-8. W celu transformacji do warunków pożaru formułę początkową aproksymuje się łamaną, którą następnie przekształca się do postaci wynikowej, zależnej od założonej temperatury elementów stalowych. Dokonuje się tego stosując współczynniki  i  będące miarą względnej redukcji odpowiednio granicy plastyczności i modułu sprężystości podłużnej stali. W efekcie otrzymuje się pęk charakterystyk opisujących podatność badanego węzła, z których każda odpowiada innej założonej temperaturze materiału

A semi-graphic approach to the fire resistance assessment of a gable steel frame

An alternative design approach, helpful in the critical temperature evaluation for a gable steel frame exposed to fire, is proposed and discussed in this article. This approach is based on the specification of a system of equilibrium formulae, generalized to the case of fire. All these equations result from the graphical identification of the redundant bending moment distribution in the frame members relating to the particular collapse mechanisms being kinematically admissible. Only such a mechanism which corresponds to the activation of a suitable sequence of the appropriate number of plastic hinges while maintaining the requirements of the classical bending moment redistribution is recognized as conclusive for the considered frame structure

Expert analysis of different-sourced risks interrelations in context of sustainable building requirements

Multicriterial evaluation methodology, adequate for identification and for arrangement of different-sourced risks interrelations being specified in the building process has been presented and discussed in detail in context of sustainable building requirements. The design algorithm, proposed by the authors, is based on the generalisation of the expert-decision--approach, recommended in classical DEMATEL procedure

Influence of geometrical imperfection on critical temperature evaluation for steel corrugated arch sheets exposed to fire

The critical temperature for an arched corrugated steel sheet exposed to fully developed fire is determined in this paper. The analysis is performed on 3D numerical model developed within the ANSYS computational environment with parameters calibrated experimentally on an experiment performed for persistent design scenario. During the simulations performed the self-supporting steel sheet with an assumed initial shape imperfection is at first loaded with static load, up to a predetermined level of material effort, and subsequently evenly heated until the capability to safely resist the applied load is completely exhausted. Because of the nonlinearity of the analysis having several sources, the location of the limit point on the equilibrium path determined during calculations represents the temperature sought. Three imperfection patterns, denoted as A, B and C are considered. In the case A the imperfection has the shape and magnitude measured in situ, selected as representative for a set of 10 steel sheets of the same type. In the case B the imperfection is a substitute one with size analogous to that assumed in the case A, but with a different shape, corresponding to the first antisymmetric buckling mode identified in conventional Local Buckling Analysis (LBA). In the case C the shape of imperfection B has been kept, but the positive and negative deviation from the perfect circular shape have been increased twofold

KSZTAŁTOWANIE ELEMENTÓW W MODERNIZOWANYCH STALOWYCH ZBIORNIKACH PALIWOWYCH WYNIKAJĄCE ZE ZMIAN UŻYTKOWYCH ORAZ WZRASTAJĄCYCH WYMAGAŃ ŚRODOWISKOWYCH

Omówiono zmiany konstrukcyjne niezbędne do wykonania w użytkowanych stalowych zbiornikach paliwowych jeśli planuje się ich dalsze wykorzystywanie przy zmienionych warunkach eksploatacji. W szczególności rozważa się sposób modernizacji typowego naziemnego zbiornika cylindrycznego z dachem pływającym, taki aby przystosować go do magazynowania paliwa lotniczego typu JET. Zalecanym rozwiązaniem jest w tym przypadku nadbudowa lekkiej kopuły aluminiowej. Drugą kwestią jest doszczelnienie dotychczas stosowanej konstrukcji dna zbiornika, wymagane przez aktualnie obowiązujące przepisy środowiskowe. Można tego dokonać albo kształtując dodatkowe drugie dno, stalowe lub kompozytowe, z przestrzenią monitorującą, albo poprzez podniesienie zbiornika i zainstalowanie pod jego dnem nieprzepuszczalnej dla produktów naftowych geomembrany z systemem monitorowania nieszczelności

Wpływ siły podłużnej na podatność zginanych węzłów stalowej konstrukcji nośnej w pożarze rozwiniętym

The axial force qualitative influence as well as its quantitative evaluation on the behaviour of the flexible steel beam-to-beam and column-to-column knee joints subject to bending under fire conditions are assessed and discussed in detail. The proposed calculation algorithm is based on the generalization of classical component method. The essential effect of such axial force is not only the correction of internal forces applied to particular joint components, but also the significant modification of their strain conditions.W pracy podjęto próbę jakościowego i ilościowego oszacowania wpływu jaki na zachowanie się w pożarze rozwiniętym zginanych stalowych węzłów podatnych typu rygiel – rygiel albo słup – słup ma równoczesne oddziaływanie siły osiowej. Analiza opiera się na uogólnieniu klasycznego algorytmu metody składnikowej. Obecna w węźle siła podłużna koryguje nie tylko warunki obciążenia poszczególnych elementów, efektywnych w ocenie nośności, ale również wpływa w sposób znaczący na ich odkształcenie, co w konsekwencji przekłada się na zmianę sztywności. Zaobserwowany efekt jest tym bardziej istotny im większy jest udział siły podłużnej w globalnym bilansie oddziaływań

Selected Ancient Stone Bridges with Corbelled False-Arch Structure

The oldest man-made false-arch stone bridges are presented and briefly described. It is shown that this construction technique was based on the experiences of the first builders, formed at the junction of ancient Egyptian, Mycenaean as well as Assyrian and Babylonian cultures. Arches in such bridges have not yet been constructed in a classical manner, i.e. one that was later prevalent by the Romans, but these were only the primitive arch-like structures, with a false needle vault, that were shaped mainly by corbelling. This type of the structure, if it was used in bridges, turned out to be much more stable than the well-known at that time and commonly used in gateway passages oval “true-arch” built from sun-dried mud bricks

Symulowana numerycznie reakcja na pożar rozwinięty stalowej ramy nośnej z węzłami o różnej sztywności

Aim: This paper examines the responses of load-bearing steel frames to direct fire exposure and the associated impact of the monotonically increasing temperature of its components. For comparative purposes, the authors analysed in detail specific frames with beam-to-column joints differing in rigidity. Depending on whether there are stiffening ribs present and, if so, on where they are located, the fire resistance of the considered structural component is determined by the actual damage patterns. These can be manifested as local instability in the column web or as damage to the column flange or beam flange. The design of the joint is also one of the factors determining the redistribution of internal forces generated in the frame components when subjected to fire conditions. Methods: The authors identified, discussed and compared the dependencies determining the relationships between the temperature of the frame components, and the bending moments and axial forces induced in these components during a fire. These relationships were identified through a detailed analysis of a numerical example, in which the fire behaviour of three similar steel frames, differing in terms of their beam-to-column joint rigidity, was examined. In the first analysed case, a joint without any ribbing was examined, in the second case, a joint with horizontal ribs, and in the third case, a joint with horizontal and diagonal ribs. The relationships listed above are accompanied by corresponding the relationships specifying the dependencies between steel temperature and frame beam deflection. In addition, the analysis considers flexible supports with different rigidity to model the resistance of the columns to horizontal joint displacement. Results: It has been shown that the analysed types of the examined frame exhibit substantial differences in their predicted structural responses if the joints used in them and exposed to fire differ in rigidity. The identification of these differences and their qualitative and quantitative description constitute the main objective of this work. Conclusions: Frame behaviour under fire conditions is determined not only by frame geometry and the size of its structural members, designed to be able to fully bear their respective loads, but also, to the same extent, by the susceptibility to deformation of the bearing structure itself and the joints connecting the component structural members.Cel: W artykule autorzy analizowali sposób reakcji stalowej ramy nośnej na bezpośrednią ekspozycję ogniową oraz towarzyszący jej monotoniczny wzrost temperatury elementów badanej ramy. W celach porównawczych rozpatrzono ramy z węzłami typu rygiel – słup o różnym stopniu podatności. W zależności od tego, czy węzeł jest użebrowany i jak ewentualne żebra są rozmieszczone, o odporności ogniowej badanego ustroju nośnego decyduje inny sposób zniszczenia. Może to być zarówno lokalna utrata stateczności środnika słupa, jak i zniszczenie pasa rygla lub pasa słupa. Sposób konstrukcji węzła determinuje również schemat redystrybucji sił wewnętrznych generowanych w warunkach pożaru w elementach ramy. Metody: W pracy zidentyfikowano i porównano odpowiednie zależności specyfikujące relacje pomiędzy temperaturą elementów ramy a indukowanymi w tych elementach momentem zginającym i siłami osiowymi. Zależności te uzyskano po szczegółowej analizie przykładu numerycznego, w którym badano zachowanie w warunkach pożaru trzech odpowiadających sobie ram stalowych, przy czym w każdej z tych ram zastosowano węzły o innej sztywności. W pierwszym przypadku były to węzły z nieużebrowanym środnikiem, w drugim – ze środnikiem użebrowanym jedynie przez wykorzystanie żeber poziomych, w trzecim natomiast – węzły z żebrami poziomymi i żebrem ukośnym. W analizie dodatkowo zróżnicowano sztywność podparcia sprężystego modelującego podatność słupów ramy na poziome przemieszczenie węzłów. Wyniki: Uzyskane wyniki potwierdziły oczekiwany wniosek: w początkowej fazie pożaru w ryglach ramy dominuje ściskanie, co przekłada się na rozpychanie węzłów. Ze wzrostem temperatury elementów coraz większego znaczenia nabiera jednak wpływ narastającego ugięcia rygla, co w efekcie generuje postępujący zanik osiowej siły ściskającej. To z kolei powoduje ściąganie węzłów ramy do jej wnętrza. Tego typu ogólny schemat zachowania się ramy w pożarze ma jednak zasadniczo różny przebieg, jeśli tylko węzły ramy wykazują różną sztywność. Specyfikacja tych różnic oraz ich jakościowy i ilościowy opis są podstawowym celem prezentowanej pracy. Wnioski: Zachowanie się w pożarze rozwiniętym stalowej ramy nośnej warunkowane jest przez jej geometrię oraz rozmiary kształtujących ją elementów konstrukcyjnych o przekrojach zaprojektowanych tak, aby elementy te były zdolne do przenoszenia przyłożonych do nich obciążeń. W równym stopniu istotna jest podatność na deformacje zarówno samego ustroju nośnego, jak i poszczególnych węzłów scalających ten ustrój