Fire behavior of steel members with damaged fire protective coatings

Abstract

Sprayed Fire-Resistive Materials (SFRM) is a material family used for the passive fire protection of steel structural members. These materials can sustain damage when the underlying steel member is subjected to mechanical deformations, which can compromise their fire protection capability, and consequently affect the fire resistance of the structural member. The aim of the doctoral dissertation is the numerical assessment of the reduction in the fire resistance of steel elements with SFRM coatings that have sustained damage as a result of structural loading, and the quantification of the correlation of the reduction in the fire resistance with the imposed structural load and the corresponding damage in the coating.The damage of the SFRM coatings is studied numerically through mechanical analyses and heat transfer analyses in IPE and HEB SFRM protected beams. The first objective is the effective numerical simulation of the structural behavior and the induced damage in SFRM coatings. To this end, a numerical method is proposed, combining the smeared crack model with the discrete crack concept in a mesh splitting scheme, within the Finite Element Method, which can introduce geometric discontinuities (cracks) in the finite element mesh and create separate material sections that can independently detach from the steel member. The proposed method is validated against test data of corresponding tests of SFRM protected steel plate specimens and a steel column. The implementation of the proposed method in a series of parametric mechanical analyses, considering the section type, the SFRM thickness, the type and magnitude of the applied load and the presence of initial geometric imperfections, indicated that the damage pattern in the coating is a result of the combination of material cracking and interface failure between the two materials, and can be categorized in two damage states, depending on the level of the applied load.After the damage pattern in SFRM coating is established the IPE and HEB profiles under study are subjected to standard ISO-834 thermal loading, with and without the damage in the SFRM coating. Through numerical F.E.M. 3-D heat transfer transient analysis, the temperature distribution in the steel cross-section is obtained.Taking into account the non-uniform temperature distribution across the cross-section, the evolution of the bending moment resistance of the structural element is calculated for the duration of the applied thermal load. The reduced bending moment capacity is compared with the capacity of the beams with the intact coating, so that the reduction in the Fire Resistance of the member can be quantified. The reduction of the bending capacity is described through the calculation of appropriate reduction factors. The reduction of the fire resistance is also computed in the time domain.

Τα εκτοξευόμενα πυροπροστατευτικά υλικά (Sprayed Fire-Resistive Materials (SFRM)) είναι μια κατηγορία υλικών που χρησιμοποιούνται για την παθητική πυροπροστασία μεταλλικών δομικών μελών. Τα υλικά αυτά μπορεί να εμφανίσουν βλάβη όταν το δομικό μέλος υποβληθεί σε μηχανικές παραμορφώσεις, με αποτέλεσμα να επηρεαστεί η αποτελεσματικότητα της πυροπροστασίας και, κατά συνέπεια, η πυραντίσταση του μέλους. Σκοπός της διατριβής είναι η συσχέτιση του βαθμού φόρτισης ενός δομικού μέλους με τον βαθμό βλάβης της πυροπροστατευτικής επίστρωσης που φέρει και στη συνέχεια με τον βαθμό μείωσης της τελικής πυραντίστασής του.Το πρόβλημα της βλάβης της πυροπροστατευτικής επίστρωσης που αποτελείται από εκτοξευόμενα πυροπροστατευτικά υλικά, μελετάται αριθμητικά, μέσω μηχανικών αναλύσεων και αναλύσεων μεταφοράς θερμότητας, σε δοκούς μορφής IPE και HEB, που φέρουν επίστρωση τύπου SFRM.Για την προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς και της βλάβης της επίστρωσης προτείνεται μία αριθμητική μέθοδος, στο πλαίσιο της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, που συνδυάζει το μοντέλο διανεμημένης ρωγμής και το μοντέλο διακριτής ρωγμής, σε ένα αριθμητικό σχήμα, το οποίο μπορεί να εισάγει γεωμετρικές ασυνέχειες (ρωγμές) στον κάναβο των πεπερασμένων στοιχείων και να δημιουργεί διακριτά τμήματα του υλικού, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να αποκολληθούν ανεξάρτητα από το μεταλλικό μέλος. Η ορθότητα της προτεινόμενης μεθόδου επαληθεύεται μέσω της σύγκρισης αριθμητικών αποτελεσμάτων και των αντίστοιχων πειραματικών παρατηρήσεων σε δοκίμια πλακιδίων αλλά και σε δοκιμή φόρτισης μεταλλικού υποστυλώματος, στα οποία είχε εφαρμοσθεί ανάλογη πυροπροστατευτική επίστρωση. Από την διενέργεια παραμετρικών μηχανικών αναλύσεων, όπου εξετάζεται ο τύπος της διατομής, το πάχος της πυροπροστασίας, ο τύπος και το επίπεδο της φόρτισης και η παρουσία αρχικών γεωμετρικών ατελειών στις δοκούς, προκύπτει πως η μορφή της βλάβης της επίστρωσης οφείλεται στο συνδυασμό ρηγμάτωσης του υλικού και αστοχίας της διεπιφάνειας χάλυβα – SFRM, και μπορεί να κατηγοριοποιηθεί σε δύο τύπους βλάβης, που εξαρτώνται από το επίπεδο της μηχανικής φόρτισης. Στη συνέχεια, οι υπό εξέταση δοκοί, με και χωρίς την βλάβη στην πυροπροστατευτική επίστρωση, υποβάλλονται σε θερμική φόρτιση ISO-834 και μέσω αριθμητικής ανάλυσης μεταφοράς θερμότητας προσδιορίζεται το θερμοκρασιακό πεδίο των μεταλλικών δομικών μελών και στη συνέχεια βάσει του θερμοκρασιακού πεδίου προσδιορίζεται η καμπτική αντοχή και η τελική πυραντίσταση των μελών. Τελικώς, εξάγονται μειωτικοί συντελεστές που περιγράφουν την μείωση της καμπτικής αντοχής των δοκών, σε σχέση με τις αντίστοιχες δοκούς αναφοράς χωρίς βλάβη στην πυροπροστασία. Επίσης, προσδιορίζεται η μείωση της πυραντίστασης των δομικών μελών στο πεδίο του χρόνου.