Fire Testing and Behavior of Unprotected Solid and Cellular Steel-Concrete Composite I-Beams

Öz

Cellular beams provide architects and engineers with lightweight structural solutions for spanning large areas. However, web cut-outs may lead to a significant decrease in mechanical properties at elevated temperatures.. An experimental model and near full-scale fire testing have been conducted for the first time in Turkey to better estimate fire performances of steel-concrete composite floor beams with and without circular web openings. Within the context of this experimental work, two composite beams made of IPE 140 rolled sections with solid and open webbed configurations and under assumed service loading are tested to failure following the ISO 834 fire conditions. Additionally, variations in mechanical properties of the materials used are determined after testing. As a result, unprotected solid webbed DK-R specimen  provided a longer fire resistance than the unprotected cellular beam GBK-YS as expected. This reveals that web openings in composite beams have a pronounced impact on fire resistance of such beams, leading to premature failures. Therefore, such beams may not reach the predetermined fire strengths without implementing an appropriate protection against fire. 

Gövdesi Dolu ve Dairesel Boşluklu Yalıtımsız Kompozit Döşeme Kirişlerinin Yangın Davranışının Deneysel İncelenmesi

Öz

Büyük açıklıklar geçebilen ve mimari davranış olarak diğer boşluklu kirişlere göre daha avantajlı olan dairesel gövde boşluklu kirişlerin üstün yapısal özelliklerine karşın yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerinde önemli ölçüde azalmalar olduğu bilinmektedir. Türkiye’de ilk kez dairesel gövde boşluklu kompozit kirişlerin yangın performanslarının tahminine yönelik bir deney modeli geliştirilmiş ve tam ölçeğe yakın deneyler gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında, biri dolu ve diğeri gövdesi dairesel boşluklu IPE 140 profilinden üretilmiş kompozit kirişlerin varsayılan servis yükleri ve ISO 834 standart yangın eğrisi altındaki göçme davranışları incelenmiştir. Yangın sonrası çelik malzemenin mekanik özelliklerinde meydana gelen değişiklikler ayrıca kaydedilmiştir. Sonuç olarak, yalıtımsız ve dolu gövdeli DK-R numunesi beklenildiği üzere yalıtımsız gövde boşluklu GBK-YS numunesine göre daha uzun süreli yangın dayanımı sağlamıştır. Böylece, gövde boşluklarının erken göçmelere neden olarak yangın dayanımı önemli düzeyde azalttığı, koruma olmaksızın yönetmeliklerde öngörülen dayanımlara ulaşılamayacağı anlaşılmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Dolu gövdeli kiriş,Dairesel gövde boşluklu kiriş,Kompozit,Yangın deneyleri

Kaynakça

1. 1. Najdai, A., Vassart, O., Ali, F., Talamona, D., Allam, A., Hames, M., 2007. Performance of Cellular Composite Floor Beams at Elevated Temperatures, Fire Safety Journal, 42, 489- 497.
2. 2. Najdai, A., Petrou, K., Han, S., Ali, F., 2016. Performance of Unprotected and Protected Cellular Beams in Fire, Journal of Construction and Building Materials, 105, 579-588.
3. 3. Bailey, C.G., 2004. Indicative Fire Tests to Investigate the Behaviour of Cellular Beams Protected with Intumescent Coatings, Fire Safety Journal, 39, 689-709.
4. 4. Bihina, G., Zhao, B., Bouchair, A., 2012. Experimental and Numerical Investigation on the Behaviour of a Composite Floor Made of Cellular Beams in a Fire Situation, 7th International Conference on Structures in Fire, (295-304). Zurich Switzerland: ETH Zurich, June 6-8.
5. 5. Bihina G., Zhao, B., Bouchair, A., 2013. Behaviour of Composite Steel–Concrete Cellular Beams in Fire, Journal of Engineering Structures, 56, 2217–2228.
6. 6. Selamet, S., Yolaçan, T.F., 2017. ÇelikBetonarme Kompozit Kat Döşemesi Yangın Dayanım Deneyi, İMO Teknik Dergi, Temmuz, 8007-8022.
7. 7. Nyugen, T.T., Tan, K.H., 2012. Testing of Composite Slab-Beam Systems at Elevated Temperatures, Proceedings on the 7th International Conference on Structures in Fire, Zurich, Switzerland, 6-8 June, 247- 256.
8. 8. Vassart, O., Bailey, C.G., Bihina, G., Hawes, M., Nadjai, A., Peigneux, C., Simms, W.I., Franssen, J.M., 2010. Parametrical Study on The Behaviour of Steel and Composite Cellular Beams Under Fire Conditions. Proceedings of the 6th International Conference on Structures in Fire (SIF’10), USA: Michigan State University.

9. 9. TS EN 1363-1. 2013. Yangına Dayanıklılık Deneyleri- Bölüm 1- Genel Kurallar, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
10. 10. TS EN ISO 6892-1. 2011. Metalik Malzemeler- Çekme Deneyi- Bölüm 1: Oda Sıcaklığında Deney Metodu, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
11. 11. EN 1363-1. 2012. Fire Resistance Tests-Part 1: General Requirements. CEN.
12. 12. Li, Q.G., Guo, S.X., 2008. Experiment on Restrained Steel Beams Subjected to Heating and Cooling, Journal of Constructional Steel Research, 64, 268-274.
13. 13. Kallerova, P., Wald, F., 2009. Fire Test on Experimental Building in Mokrsko, CTU in Prague.
14. 14. Lawson, R.M., Hicks, S.J., 2011. Design of Composite Beams with Large Web Openings: In Accordance with Eurocodes and the U.K. National Annexes Technical Report (SCI P3559), Steel Construction Institute.
15. 15. Sanghoon, H., Petrou, K., Naili, E.L., Nadjai, A., Ali, F., 2012. Behaviour of Protected Cellular Beams Having Different Opening Shapes in Fire Conditions, In M. Fontana, A. Frangi and M. Knobloch (Ed.), 7th International Conference on Structures in Fire, (75-83) Switzerland: ETH Zurich, June 6-8.
16. 16. Wang, Y., Jia, L., Li, X., 2018. Investigation on Behavior of Castellated Composite Beams Under Fire, International Forum on Construction, Aviation and Environmental Engineering-Internet of Things, Guangzhou, China.
17. 17. ISO 834-1. 2009. Fire-resistance Tests- Elements of Building Construction Part 1: General Requirements, International Organization for Standardization. Retrieved from https://www.sis.se/api/document/preview /615580/
18. 18. TS 498. 1997. Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
19. 19. TS EN 1365-3. 2003.Yangına Dayanıklılık Deneyleri-Yük Taşıyıcı Elemanlar-Bölüm 3: Kirişler, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
20. 20. EN 1365-3. 1999. Fire Resistance Tests for Loadbearing Elements-Part 3: Beams, CEN.