The spalling mechanism of fire exposed concrete

Bas Lottman

Research output: ThesisDissertation (TU Delft)

532 Downloads (Pure)

Abstract

The spalling damage observed to concrete structures after severe fire exposure has been the topic of scientific research for the past decades. This phenomenon is commonly characterised by the sudden and in some cases violent breaking off of concrete pieces from the cross-section. In this thesis the derivation and the numerical results of a finite element based model are presented, using a coupled pore pressure and fracture mechanics approach. The crack patterns obtained are found to be sufficient to reduce the pore pressure to a level representing only a minor contribution. The fracture behaviour during severe fire exposure also revealed that the continued compression of the heated surface layer promotes the formation of thermal instabilities. Based on simulated results, observations from full-scale tests and a conceptual model, a philosophy is argued proposing thermal buckling as the spalling mechanism of fire exposed concrete. --- NEDERLANDSE VERSIE --- De na een ernstige brand waargenomen spatschade aan betonnen constructies is het onderwerp van wetenschappelijk onderzoek in de afgelopen decennia geweest. Dit fenomeen kenmerkt zich algemeen door het plotseling en in sommige gevallen heftige afbreken van betonnen stukken van de doorsnede. In dit proefschrift worden de afleiding en de numerieke resultaten van een op de eindige elementen gebaseerd model gepresenteerd dat gebruik maakt van een gekoppelde benadering tussen de poriëndruk en de breukmechanica. De verkregen scheurpatronen blijken voldoende te zijn om de gasdruk te reduceren tot een niveau hetgeen alleen een geringe toevoeging vertegenwoordigd. Het scheurgedrag gedurende brandbelasting onthulde ook dat de zich continuerende samendrukking van de verhitte oppervlaktelaag de vorming van thermische instabiliteiten bevordert. Gebaseerd op simulatieresultaten, waarnemingen tijdens grootschalige testen en een conceptueel model wordt een filosofie verdedigd die thermische knik voorstelt als het spatmechanisme van aan brand blootgesteld beton.
Original languageEnglish
Awarding Institution
  • Delft University of Technology
Supervisors/Advisors
  • Walraven, J.C., Supervisor
  • Koenders, Eddie, Supervisor
Award date1 May 2017
Print ISBNs978-94-028-0623-6
DOIs
Publication statusPublished - 2017

Keywords

  • concrete
  • fire
  • (explosive) spalling
  • pore pressure
  • fracture mechanics
  • finite element method
  • thermal buckling mechanism

Fingerprint

Dive into the research topics of 'The spalling mechanism of fire exposed concrete'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this