tests on fire resistant systems

87
Stainless steel in fire (SSIF) CONTRACT N° RFS-CR-04048 WP 1 Fire resistant structures and products Task 1.1: The applications of stainless steel in demanding constructions Task 1.2: Structural solutions for load-bearing structures meeting R30 or R60 requirements Task 1.3: Structural solutions for fire separating structures meeting EI30 or EI60 requirements Task 1.4 Experimental tests in fire situation

Upload: twinpixtwinpix

Post on 12-Jan-2016

17 views

Category:

Documents


1 download

DESCRIPTION

Tests on Fire Resistant Systems

TRANSCRIPT

Page 1: Tests on Fire Resistant Systems

Stainless steel in fire (SSIF)CONTRACT N° RFS­CR­04048

WP 1 Fire resistant structures and products

Task 1.1: The applications of stainless steel in demanding constructions

Task 1.2: Structural solutions for load­bearing structures meeting R30 orR60 requirements

Task 1.3: Structural solutions for fire separating structures meeting EI30or EI60 requirements

Task 1.4 Experimental tests in fire situation

Page 2: Tests on Fire Resistant Systems

2 (1)

EXECUTIVE SUMMARY

The main objective of the work package was to develop new stainless steel products withoutpassive  or  active  fire  protection  that  can  achieve  30  or  60  minutes  fire  resistance  in  astandard  fire or  in a natural  fire. The developed products should  include both  load­bearingstructures and fire separating members. The special cross­sections (tubes within each otherswith  fire protection and column exposed to fire  from one sides) have potential  in building.Also corrugated core sandwich panels may be used as load bearing and separating structures.For  that  kind  of  structures  it  is  very  important  that  the  insulation  work  is  performedcarefully.  On  the  basis  of  the  calculations  and  tests  carried  out,  the  structures  where  noinsulation is used have problems to meet the requirements 30 or 60 min standard fire.

Page 3: Tests on Fire Resistant Systems

3 (2)

CONTENTS

EXECUTIVE SUMMARY.................................................................................. 2

CONTENTS........................................................................................................ 3

1  INTRODUCTION ......................................................................................... 5

2  OBJECTIVES................................................................................................ 5

3  SELECTION OF TEST SPECIMENS ........................................................... 53.1  Structural solutions for load­bearing structures meeting R30 or R60 requirements

............................................................................................................. 53.2  Structural solutions for fire separating structures meeting EI30 or EI60

requirements ......................................................................................... 8

4  EXPERIMENTAL WORK ...........................................................................114.1.1  Load­bearing structures ...........................................................114.1.2  Fire separating structures:........................................................14

4.2  Results .................................................................................................184.2.1  Load­bearing structures ...........................................................184.2.2  Fire separating structures:........................................................21

5  NUMERICAL ANALYSIS...........................................................................32

6  DEVELOPMENT OF DESIGN GUIDANCE ...............................................32

7  CONCLUSIONS...........................................................................................32

8  RECOMMENDATIONS FOR FURTHER WORK.......................................33

Appendix 1: Thermal material properties at elevated temperatures and heat exposure

Appendix 2: The computed temperature distributions in cross­sections

Appendix 3: The computed temperature distributions in sandwich panels

Appendix 4: The nested tubes with fire protection

Appendix 5: The column in the corner

Appendix 6: RHS 200 x 100 x 6 columns inside the wall

Appendix 7: RHS 150 x100 x 6 and RHS 100 x 20 x 2 columns inside the wall

Appendix 8: The WALL structure, small scale test. The location of measuring points fortemperature

Appendix 9: The floor structure, small scale test. The location of measuring points fortemperature

Page 4: Tests on Fire Resistant Systems

4 (3)

Appendix 10: The floor structure, large scale test

Appendix 11: Measured temperatures of the column with nested tubes

Appendix 12: Measured temperatures of the column in the corner

Appendix 13: Measured temperatures of the column RHS 200 x 100 x 6 inside the wall

Appendix 14: Measured temperatures of the column RHS 150 x 100 x 6 & RHS 100 x 20 x 2inside the wall

Appendix 15: Measured temperatures of the wall structure, test date 18.8.2005

Appendix 16: Measured temperatures of the wall structure, test date 13.10.2005

Appendix 17: Measured temperatures of the floor structure, test date 7.9.2005

Page 5: Tests on Fire Resistant Systems

5 (4)

1 INTRODUCTION

The fire resistance of structures is dependent on the thermal behaviour of  the structure andthe strength properties of the material. The dimensions of the cross section and the thermalproperties of the material have an influence on the behaviour at elevated temperatures. Whenproducts meeting the requirement of 60 minutes fire resistance are developed, the challengeis not only obtaining better material properties, but also devising innovative solutions, whichlimit  the  temperature  rise  as  much  as  possible.  According  to  existing  knowledge,  it  isconsidered quite likely that austenitic stainless steels can be used  in  load­bearing structureswithout fire protection when the parametric or local fire is adopted or the fire resistance timeis 30 minutes or less according to the standard fire­temperature curve.

2 OBJECTIVES

The main objective was to generate structural solutions where  it  is possible to use stainlesssteel structural members in buildings without fire protection, both considering the ‘standard’fire  and  lower,  more  realistic  fire  loads. The new developed products  include  load­bearingstructures and fire separating members.

3 SELECTION OF TEST SPECIMENS

3.1 Structural solutions for load­bearing structures meeting R30 or R60requirements

The temperature development has been computed for the different test specimens (Table 1).The calculated temperatures are used when load­bearing capacity is estimated. The thermalaction follows the EN 1363­1: 1999 (ISO 834­1) standard fire curve. In Table 1 are shownthe calculated cross­sections.

The calculations present preliminary modelling results of  the test  setup. The modelling hasbeen  done  using  COMSOL  Multiphysics  3.2,  which  is  a  finite  element  based  numericalanalysis program.

The general modelling assumptions are shown in Appendix 1. The heat transfer from the fireto  the  exposed  surfaces,  and  from  the  back  surface  of  the  wall  element  to  the  ambient,  isassumed to happen through radiation and convection.

Table 1. The computed cross­sections.

Specimen Cross­sections Materials

1. Tubes within each otherswithout fire protection

RHS 300x300x1.5& RHS 200x200x8

EN 1.4301

Page 6: Tests on Fire Resistant Systems

6 (5)

2. Tubes within each others,space between profilesinsulated with mineral wool(space inside inner profileempty)

RHS 300x300x1.5& RHS 200x200x8

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

3. Tubes within each others,space between profiles filledwith concrete (space insideinner profile empty)

RHS 300x300x1.5& RHS 200x200x8

EN 1.4301 &concrete(moisture 3% )

4. Tubes within each others,all cavities filled withconcrete

RHS 300x300x1.5& RHS 200x200x8

EN 1.4301 &concrete(moisture 3% )

5. Column section in corner,concrete walls

RHS 200x200x8

Concrete wallthickness 100 mm

EN 1.4301 &concrete(moisture 3% )

6. Column section in corner,SIPOREX walls

RHS 300x300x10

SIPOREX wallthickness 150 mm

EN 1.4301 &SIPOREX

7. Column exposed to firefrom one sides

RHS 200x100x6  EN 1.4301 &SIPOREX

8. Column of two partsexposed to fire from onesides

RHS 150x100x6 &RHS 20x100x2

SIPOREX wallthickness 150 mm

EN 1.4301 &SIPOREX

Page 7: Tests on Fire Resistant Systems

7 (6)

9. Two profiles side by sidefilled with mineral wool

RHS 300x150x5  EN 1.4301

mineral wool30 kg/m3

10. Beam section in floor,surrounded by concrete

RHS 300x200x8

Concrete slab 100mm

EN 1.4301 &concrete(moisture 3% )

The temperature distributions of cross­sections (Table 1) are shown in Appendix 2.

On the basis of calculations the applications for fire tests were chosen. The final dimensionand the insulation material of four test specimen have been chosen. In the work concerningthe  selection  of  the  load  bearing  structures,  VTT  has  had  co­operation  with  Finnish  tubeproducer Stalatube. In Table 2 is shown the chosen cross­sections for the applications.

Table 2. Load bearing structures for fire tests.

Test Material  Date Furnace  Profiles

1. Tubes within each otherswith fire protection(injected mineral wool)

EN 1.4301 26.9.2005  Cubic­furnace

RHS 300x300x10 & RHS200x200x8

2. Column section incorner, SIPOREX walls

EN 1.4301 13.10.2005 Cubic­furnace

RHS 300x300x10

SIPOREX wall (thickness 150 mm)

3. Column exposed to firefrom one sides

EN 1.4301 8.8.2006  Cubic­furnace

RHS 200x100x6

4. Column of two partsexposed to fire from onesides

EN 1.4301 14.8.2006  Cubic­furnace

RHS 150x100x6 & RHS 20x100x2

The possibility to use the material LDX2101 (1.4162) has also been considered. On the basisof  further  studies  the  mechanical  properties  of  LDX2101  (1.4162)  decrease  at  elevatedtemperatures quite strongly and therefore LDX2101 (1.4162) has been excluded.

In  the  first  test program draft of  load­bearing structures a  full  scale  test was planned. Thestructure were planned  to be a  beam  fabricated of rectangular  hollow  sections. During  thedesign of the structure, a conclusion was drawn that it is not reasonably to carry out that kindof test. A structure which could have an application in practical was not found, because there

Page 8: Tests on Fire Resistant Systems

8 (7)

were  too many problems concerning the  fastenings to slabs. The conclusion was to replace(completely)  the  full  scale  test  with  unloaded  small­scale  tests.  These  tests,  althoughunloaded, will yield relevant information on suitable load­bearing solutions for stainless steelstructures.

3.2 Structural solutions for fire separating structures meeting EI30 or EI60requirements

The  low emissivity of stainless steel  is utilised in the development of separating structures.The  problems  due  heat  expansion  are  eliminated  by  structural  solutions.  Wall  structureswhich meet  load­bearing and separating requirements were also considered. The aim was  tomeet a fire resistance of 30 to 60 minutes in the case of standard fire exposure.

The  temperature  development  calculations  have  been  carried  out. The  calculations presentpreliminary  modelling  results  of  the  test  setup.  The  modelling  has  been  done  usingCOMSOL  Multiphysics  3.2,  which  is  a  finite  element  based  numerical  analysis  program.The thermal action follows the EN 1363­1: 1999 (ISO 834­1) standard fire curve.

The  calculations  of  temperature  development  carried  out  for  separating  structures  (wallstructures and floor structures) are shown in Table 3.

The general modelling assumptions are shown in Appendix 1. The heat transfer from the fireto  the  exposed  surfaces,  and  from  the  back  surface  of  the  wall  element  to  the  ambient,  isassumed to happen through radiation and convection.

Table 3. Computed separating structures.

Specimen Cross­sections Materials

1. Corrugated coresandwich panel withoutfire protection (floorstructure)Case 1

Steel profiles:V­profile:h = 120 mm, t =1.5mm, Exposed sideplate:t = 1.5 mmUnexposed side plate:t =3.0 mm

EN 1.4301

2. Corrugated coresandwich panel with fireprotection (floor structure)Case 2

Steel profiles:V­profile:h = 120 mm, t =1.5mm, Exposed sideplate:t = 1.5 mmUnexposed side plate:t =3.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

Page 9: Tests on Fire Resistant Systems

9 (8)

3. Corrugated coresandwich panel with fireprotection (floor structure)Case 3

Steel profiles:V­profile:h = 120 mm, t =1.5mm,Exposed side plate:t = 1.5 mmUnexposed side plate:t =3.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool140 kg/m3

4. Sandwich panel wherea web consists of tworectangular hollowsections, fire protection(wall structure)Case 4

Steel profiles:2 x RHS 30x20x1.2Bottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool140 kg/m3

1 mm strip ofinsulationbetween RHS­profiles

5. Sandwich panel wherea web consists of onerectangular hollowsection, fire protection(wall structure)Case 5

Steel profile:RHS 120x20x1.5Exposed side plate: 2.0mmUnexposed side plate:2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool140 kg/m3

6. Sandwich panel wherea web consists of onerectangular hollowsection, fire protection(wall structure)Case 6

Steel profile:RHS 160x20x1.5Exposed side plate: 2.0mmUnexposed side plate:2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool140 kg/m3

7. Sandwich panel wherea web consists of onerectangular hollowsection, fire protection(wall structure)Case 7

Steel profile:RHS 60x20x1.5Bottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool140 kg/m3

8. Sandwich panel wherea web consists of onerectangular hollowsection, fire protection(wall structure)Case 8

Steel profile:RHS 60x20x1.5Bottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

Page 10: Tests on Fire Resistant Systems

10 (9)

9. Sandwich panel wherea web consists of one Z­profile, fire protection(wall structure)Case 9

Steel profile:Z 60x5x2 c/c 300 mmBottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

10. Sandwich panel wherea web consists of one Z­profile, fire protection(wall structure)Case 10

Steel profile:Z 60x5x1 c/c 300 mmBottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

11. Sandwich panel wherea web consists of one Z­profile, fire protection(wall structure)Case 11

Steel profile:Z 120x20x2 c/c 300mmBottom plate: 2.0 mmTop plate: 2.0 mm

EN 1.4301 &mineral wool30 kg/m3

The temperature distributions of structures (Table 3) are shown in Appendix 3.

For separating structures, the failure criteria are a temperature rise on the unexposed side of140°C average or 180°C (at any point).

On  the  basis  of  computed  temperatures  it  can  be  seen,  that  the  Case  1  do  not  fulfil  therequirement of 30 or 60 minute in standard fire. If density of mineral wool will be more than30 kg/m3,  the requirements of average temperature requirement and maximum temperaturewill be fulfilled at 60 minutes with a floor structure according to Case 2.

Even  if  the  thickness  of  wall  structure  will  be  164  mm,  the  maximum  temperaturerequirement  not  fulfilled  at  60  minutes  in  Cases  5  and  6.  The  conclusion  was  that  therequirement of 30 minute will be realistic for wall structure.

The  structures  which  have  been  chosen  as  floor  structure  are  corrugated  core  sandwichpanels. The construction  is designed together with Finnish company Kenno Tech Ltd, whowill fabricate the specimens. For wall structure the Case 9 was chosen, but the thickness ofZ­profile was 1.5 mm.

The fire separating specimens are grade 1.4301. In Table 4 is shown the test program of thefire separating structures. The dimensions of the third small scale test specimen and the full­scale specimen were decided after the first cubic furnace tests. The specimen in the full­scaletest was loaded during the fire test.

A  new  type  of  laser­welded  stainless  steel  sandwich  panel  has  been  developed  by  KennoTech  Ltd.  The  sandwich  panel  consists  of  two  stainless  steel  sheets  as  cover  plates  andV­profiles  comprising  the  web  of  the  section.  The  voids  are  filled  with  mineral  wool  toimprove the thermal behaviour

Page 11: Tests on Fire Resistant Systems

11 (10)

Table 4. Fire separating structures.

1.  Floor  structure,  corrugatedcore sandwich panel with fireprotection (mineral wool)

EN  1.4301  &mineral wool

7.9.2005 Cubic­furnace

The dimensions ofthe  specimenabout  1.25  m  x1.25 m

2.  Wall  structure,  Z­profiles,with  fire  protection  (mineralwool)

EN  1.4301  &mineral wool

18.8.2005 Cubic­furnace

The dimensions ofthe  specimenabout  1.25  m  x1.25 m

3.  Wall  structure,  Z­profiles,with  fire  protection  (mineralwool)

EN  1.4301  &mineral wool

13.10.2005  Cubic­furnace

The dimensions ofthe  specimenabout  1.25  m  x1.25 m

4.  Floor  structure,  corrugatedcore  sandwich  panels,  loadbearing structure

EN 1.4301 15.11.2005  Horizontal­furnace

The max.dimensions about5 x 3 meters

4 EXPERIMENTAL WORK

4.1.1 Load­bearing structures

Based on chapter 3,  load­bearing structures have been chosen  for  the test programme. Fireresistance  tests  have  been  performed  to  develop  and  verify  the  calculation  method  fordetermine the temperature development of the structures exposed to fire. Four different typesof structures have been tested.

4.1.1.1 Test set­up

The steel columns were heated in a model furnace specially built for testing loaded columnsand beams. The test furnace is designed to simulate conditions to which a member might beexposed during  a  fire,  i.e.  temperatures,  structural  loads,  and  heat  transfer.  It  comprises  afurnace chamber located within a steel framework. The specimens were unloaded in the firetests.

The internal dimensions of the furnace chamber are: width 1500 mm, height 1300 mm anddepth 1500 mm. The interior faces of the chamber are lined with fire resistant bricks. Insideare  four oil burners, arranged on the two walls of the furnace containing two burners each.The temperatures measured by furnace thermocouples were averaged automatically, and theaverage used for controlling the furnace temperature.

Temperature  readings  were  taken  at  each  thermocouple  at  intervals  of  10  s.  Observationswere made of  the general behaviour of  the column specimen during the course of  the testsand photographs and video film were taken.

Page 12: Tests on Fire Resistant Systems

12 (11)

4.1.1.2 Test specimens

Based on  chapter  3,  load­bearing  structures  had  been  chosen  for  the  test  programme.  Fireresistance  tests  have  been  performed  to  develop  and  verify  the  calculation  method  fordetermine the temperature development of the structures exposed to fire. Two different typesof  structures  have  been  tested  in  2005  and  the  rest  of  tests  have  been  carried  out  duringAugust 2006. The specimens were unloaded in the fire tests.

Table 1. The load­bearing tests.

Test Material  Date Furnace  Profiles

1. Tubes within each otherswith fire protection(injected mineral wool)

EN 1.4301 26.9.2005  Cubic­furnace

RHS 300x300x10 & RHS200x200x8

2. Column section incorner, SIPOREX walls

EN 1.4301 13.10.2005 Cubic­furnace

RHS 300x300x10

SIPOREX wall (thickness 150 mm)

3. Column exposed to firefrom one sides

EN 1.4301 8.8.2006  Cubic­furnace

RHS 200x100x6

4. Column of two partsexposed to fire from onesides

EN 1.4301 14.8.2006  Cubic­furnace

RHS 150x100x6 & RHS 20x100x2

Tubes within each others with fire protection

Mineral  wool  was  injected  between  tubes.  The  density  of  wool  was  75  kg/m3.  Thedimensions  as  well  location  and  numbering  of  thermocouples  of  a  specimen  is  shown  inAppendix 4. In Figure 1 is shown some photographs of test specimens.

Figure 1. Tubes within each others with fire protection.

Page 13: Tests on Fire Resistant Systems

13 (12)

Column section in corner

The  tube  was  installed  in  the  corner  of  siporex  walls.  The  location  and  numbering  ofthermocouples of a specimen is shown in Appendix 5. In Figure 2 is shown a photograph ofthe fire test.

Figure 2. The column in the corner.

Column exposed to fire from one sides

The tube was installed inside the siporex wall. The location and numbering of thermocouplesof a specimen is shown in Appendix 6. In Figure 3 is shown a photograph of the fire test.

Figure 3. RHS 200x100x6 column exposed to fire from one side.

Page 14: Tests on Fire Resistant Systems

14 (13)

Column of two parts exposed to fire from one sides

The tube was installed inside the siporex wall. The location and numbering of thermocouplesof a specimen is shown in Appendix 7. In Figure 4 is shown a photograph of the fire test.

Figure 4. Column of two parts exposed to fire from one sides

4.1.2 Fire separating structures:

The Finnish company Kenno Tech Ltd. has fabricated corrugated core sandwich panels withfire  protection  of  mineral  wool.  The  fire  separating  specimens  are  grade  1.4301.  Thespecimens in the cubic furnace tests were unloaded. The dimensions of the specimen for thethird cubic furnace test and for the full­scale specimen was decided after two cubic furnacetests. The specimen in the full­scale test was loaded during the fire test.

4.1.2.1 Test set­up

Small scale tests

The wall and floor elements were tested in the VTT Fire Research testing laboratory’s cubicfurnace.  The  elements’  horizontal  dimensions  were  approximately  1250  mm  ×  1250  mm.The  total  thickness  of  the  wall  element  was  64  mm  and  the  total  thickness  of  the  floorelement was 124.5 mm. The elements were installed onto the top opening of the furnace sothat  their  bottom  surfaces  were  exposed  to  heating  and  the  top  surface  was  open  to  thetesting hall.

The temperatures measured by furnace thermocouples were averaged automatically, and theaverage  used  for  controlling  the  furnace  temperature.  Temperature  readings were  taken  ateach thermocouple at intervals of 10 s. Observations were made of the general behaviour of

Page 15: Tests on Fire Resistant Systems

15 (14)

the  column  specimen  during  the  course of  the  tests  and  photographs  and  video  film  weretaken. In Figure 5 is shown of test arrangements.

Figure 5. Photographs of fire test 13.10.2005.

Full scale test

An  insulated  floor  construction  was  same  as  the  floor  structure  in  a  small  scale  test.  Thewidth  of  the  full  panel  was  1504  mm,  length  5405  mm  and  thickness  125  mm.  The  totalwidth of the ceiling was 3015 mm. The test specimen was loaded under the test. The variableaction at normal temperature is 250 kg/m2 and in the fire situation 50% of that. The elementswere installed onto the top opening of the furnace so that their bottom surfaces were exposedto heating and the top surface was open to the testing hall.

The temperatures measured by furnace thermocouples were averaged automatically, and theaverage  used  for  controlling  the  furnace  temperature.  Temperature  readings were  taken  ateach thermocouple at intervals of 10 s. Observations were made of the general behaviour ofthe  column  specimen  during  the  course of  the  tests  and  photographs  and  video  film  weretaken. In Figure 5 is shown of test arrangements.

The  fabrication  of  a  panel  is  presented  in  Figure  6  and  in  Figure  7  is  shown  of  testarrangements of large scale fire test.

Page 16: Tests on Fire Resistant Systems

16 (15)

Figure 6. The fabrication of a panel at keno Tech Ltd.

Figure 7. Photographs of large scale fire test 15.11.2005.

4.1.2.2 Test specimens, small scale tests

Wall structures

The wall  element  consisted of  a  stainless  steel  Z  60×15×1.5­section  core  and  2  mm  thickstainless steel  top and bottom plates connected by welding to the flanges of Z­section. Thec/c­distance of the Z­profiles was approximately 300 mm. The spaces between the Z­profilesand  the  plates  were  filled  with  blowing  mineral  wool  with  an  approximate  density  of  75kg/m3. The dimensions as well  location and  numbering of  thermocouples of a  specimen  isshown in Appendix 8.

Due  to  problems  in  the preparation  of  one  test  specimen  (test  18.8.2005), only  one of  thethree interior Z­profiles was welded onto the top and bottom plates. The other two were onlywelded  onto  the  top  plate  (on  the  unexposed  side).  This  meant  that  there  was  probably  a

Page 17: Tests on Fire Resistant Systems

17 (16)

small air gap between the exposed side plate and the flanges of two of the interior Z­profiles,and  probably  between  the  plate  and  the  mineral  wool.  In  the  other  test  specimen,  the  topflange of the properly welded Z­profile (test 13.10.2005).

The cross­sections of  the wall and  floor  test  specimens  are  shown  in  Appendices 8 and 9,respectively.

Floor structures

The core of the floor element consisted of V­shaped steel profiles with wall thickness 2 mmand height 120 mm. A 1.5 mm thick stainless steel plate was welded onto the lower flangesof the V­profiles on the exposed side and a 3.0 mm thick stainless  steel plate onto the topflanges  on  the  unexposed  side.  The  spaces  between  the  core  elements  were  filled  withblowing mineral wool with an estimated density of 75 kg/m3. However, a calculation basedon the actual weight of the test specimen and the volume of the insulation material showedthat the actual density was approximately 115 kg/m3. The cross­section of the test specimenas  well  the  listing  of  thermocouples  used  in  the  test  and  their  locations  are  shown  inAppendix 9.

4.1.2.3 Test specimens, large scale tests

An  insulated  floor  construction  was  same  as  the  floor  structure  in  a  small  scale  test.  Thewidth  of  the  full  panel  was  1504  mm,  length  5405  mm  and  thickness  125  mm.  The  totalwidth  of  the  ceiling  was  3015  mm.  The  test  specimen  was  loaded  under  the  test.  Theelements  were  installed  onto  the  top  opening  of  the  furnace  so  that  their  bottom  surfaceswere exposed to heating and the top surface was open to the testing hall.

The chipboard on the top was 11mm thick and reached to the distance of 150 mm from theside edge of the test specimen. The hat profile under the joint between the two panels was 20mm deep, about 136 mm broad totally and 100 mm broad on the top and made of 1.0 mmthick stainless steel sheet.

The  joint  between  panels  was  covered  with  the  hat  profile  below  and  with  a  stripe  ofchipboard above in 11 November. The hat profile was fixed to the lower plate with screwsØ4.2mm*12.5  mm  c/c  100  mm.  The  chipboard  stripe  on  the  joint  was  fastened  by  astaggered space of about 500mm with countersunk self­drilling steel  screws Ø2,2mm*25,5mm by drilling first holes with a separate drill bit. Around the long edges of the specimen 50mm thick mineral wool Paroc Wired Mat 100 was bent 100 mm onto the top face and 100mm under the lower surface. The mat was pressed through two rows of 80 mm long Ø3 mmprotruding  steel  wires  which  were  welded  in  one  end  to  the  edge  steel  profile  of  thespecimen  c/c  about  300mm,  and  Ø39  mm  washers  were  stroked on  the other  end  of  steelwire down  to the mineral  wool  surface. The  specimen was  surrounded by  200  mm  broad,250 mm high and 600 mm long aerated concrete blocks. The gap between the blocks and theedges of  the specimen was tightened with one  layer of 50 mm thick Paroc FPS 14 mineralwool on the sides and two layers at the ends.

Measured weight of the chipboard was 7.7 kg/m2 and the density measured as an average of3 samples was 707 kg/m3.  In  Appendix  10  is  shown  the construction of  the  full  scale  testspecimen

Page 18: Tests on Fire Resistant Systems

18 (17)

4.2 Results

4.2.1 Load­bearing structures

The  measured  temperatures  are  shown  in  Appendices  11  ­  14.  In  Figure  8  is  studied  theeffect of the emissivity. Temperatures are calculated with the emissivity of 0,2 and 0,4 andcompared with test results of the column in the corner.

Corner column test 300x300x10Thicker lines: Stainless steel emissivity 0.4Thinner lines: Stainless steel emissivity 0.2

0100200300400500600700800900

1000

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Exposed side cornerExposed flange centreExposed corner near wallUnexposed flange centreUnexposed side cornerExposed side cornerExposed flange centreExposed corner near wallUnexposed flange centreUnexposed side corner

Figure 8. The effect of emissivity.

Below are compared calculated temperatures with measured ones. The values are calculatedwith  the  emissivity  of  0,2  and  0,4.  On  the  basis  of  calculations  it  can  bee  seen  that  thecorrelation of the calculated values and the measured values is good when emissivity 0,2 isused.

Exposed side corner

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Emissivity 0.4

Emissivity 0.2

Bottom TC_8

Mid­height TC_24

Top TC_16

Figure 9. Column exposed to fire from two sides. Test results compared with computedvalues, exposed side corner.

Page 19: Tests on Fire Resistant Systems

19 (18)

Exposed corner near wall

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

) Emissivity 0.4Emissivity 0.2Bottom TC_2Bottom TC_6Mid­height TC_18Mid­height TC_22Top TC_10Top TC_14

Figure 10. Column exposed to fire from two sides. Test results compared with computedvalues, exposed corner near wall.

Unexposed flange centre

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Emissivity 0.4Emissivity 0.2Bottom TC_3Bottom TC_5Mid­height TC_19Mid­height TC_21Top TC_11Top TC_13

Figure 11. Column exposed to fire from two sides. Test results compared with computedvalues, unexposed flange centre.

Unexposed side corner

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Emissivity 0.4Emissivity 0.2Bottom TC_4Mid­height TC_20Top TC_12

Figure 12. Column exposed to fire from two sides. Test results compared with computedvalues, unexposed side corner.

Page 20: Tests on Fire Resistant Systems

20 (19)

Exposed flange centre

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

) Emissivity 0.4Emissivity 0.2Bottom TC_1Bottom TC_7Mid­height TC_17Mid­height TC_23Top TC_9Top TC_15

Figure 13. Column exposed to fire from two sides. Test results compared with computedvalues, exposed flange centre.

4.2.1.1 Conclusions

Tubes within each others with fire protection

The  temperature  at  mid  height  of  furnace  was  973°C  (mean  value)  after  60  minutes  instandard fire. In the middle of the outer tube (RHS 300x300x10) the mean value of measuredtemperatures  was  925°C  and  in  the  middle  of  the  inner  tube  (RHS  200x200x8)  the  meanvalue of measured temperatures was 414 °C. This means that the inner tube has about 60%left of its capacity according to EN 1993­1­2.

Column section in the corner

The  temperature  differences  between  exposed  and  unexposed  sides  are  remarkable.  Themaximum temperature in the exposed corner (mid height of the column) is 878°C and in theunexposed corner (mid height of the column) 466°C after 60 minutes standard fire. To utilisethe low temperatures, the connection between the column and wall should be ensured.

Column exposed to fire from one side

The  temperature  differences  between  exposed  and  unexposed  sides  are  remarkable.  Themaximum temperature in the exposed side (mid height of the column) was 806°C and in theunexposed side (mid height of the column) 299°C after 60 minutes standard fire. This meansthat in calculations temperature distribution should be taken in to account.

Column of two parts exposed to fire from one side

The  temperature  differences  between  exposed  and  unexposed  sides  are  remarkable  .Themaximum temperature in the exposed side (mid height of the column) is 871°C, between twoparts (measured from RHS 100x150x6) 583°C and in the unexposed side (mid height of thecolumn) 95°C after 60 minutes standard fire. In calculations temperature distribution should

Page 21: Tests on Fire Resistant Systems

21 (20)

be taken  in to account. The structure  is quite demanding to construct when considering theconstruction process.

4.2.2 Fire separating structures:

The sandwich panel system has been tested in small and a large scale fire tests to investigatethe  thermal  and  load  bearing  behaviour  of  the  element  exposed  to  fire.  Furthermore,numerical models have been established and calibrated based on the fire tests.

The tests were carried out in the VTT Fire Research testing laboratory. Four fire separatingstructures have been tested; three of them were small scale tests and one a full scale test. Thesmall scale tests were unloaded and the aim of tests was to determine the temperature rise ina specimen.

4.2.2.1 Wall structures, small scale tests

The  measured  temperatures  of  tests  carried  out  18.8.2005  and  13.10.2005  are  shown  inAppendices 15 and 16, respectively. Before testing, preliminary modelling was carried out inorder to have a prediction of  the test  specimen behaviour. The results of these preliminarymodels are given in Figures 14 and 15.

The lower set of measured temperatures in Figure 14 corresponds to the top flanges of thoseZ­profiles that were not welded onto the bottom steel plate. The higher set of measurements(TC22­TC23) corresponds to the top flange of the properly welded Z­profile. It can be notedthat  the  differences  between  these  two  sets  of  measured  curves  are  considerable.  Themeasured curves at  the top flange of the properly welded Z­profile are  the ones that are ofinterest to us here.

Until  about  time  25  minutes,  the  measured  curves  (TC22­TC23)  are  between  the  twocalculated curves. However, after this, the measured temperatures continue to increase fasterthan the calculated temperatures.

Unexposed side: at top flange of steel profile

0

50

100

150

200

250

300

350

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10

Time (Hours: Minutes)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_6

TC_7

TC_8

TC_9

TC_22

TC_23

AVERAGE (TC6­9)

AVERAGE (TC22­23)

Unexp at web wool 30

Unexp at web wool140

Figure 14. Measured and calculated temperatures at the unexposed side flange of the Z­profile according to preliminary FE­models created before testing.

Page 22: Tests on Fire Resistant Systems

22 (21)

Figure 15 shows the temperatures at the unexposed side between the webs of the Z­profiles.It  can  be  seen  again  that  the  correlation  between  the  calculated  and  the  measuredtemperatures  is  not  very  good,  although  the  absolute  temperature  differences  at  these  lowtemperature levels are not so large.

Unexposed side: between steel profiles

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10

Time (Hours: MInutes)

Tem

pera

ture

 (oC

)TC_10

TC_11

TC_12

TC_13

Measured(average TC10­13)

Unexp btw webswool30

Unexp btw webswool140

Figure 15. Measured and calculated temperatures at the unexposed side midway betweenflanges of the Z­profile according to preliminary FE­models created before testing.

As a conclusion  from the above,  it can be said that the  initial FE­models could not predictthe temperatures on the unexposed side very well. The reasons for this were examined and itwas  found  that,  by  mistake,  the  heat  convection  coefficient  on  the  top  surface  of  theunexposed side plate had been taken as equal to h = 25 W/m2K, although the correct valueaccording to EN 1991­1­2: 2002 is 4 W/m2K, when radiation is accounted for separately, and9  W/m2K,  when  this  value  is  assumed  to  include  the  effects  of  radiation.  A  value  alsocommonly used in different studies is 10 W/m2K. The model was calculated again using h =4 W/m2K and h = 10 W/m2K, respectively, and the results are shown in Figures 16 and 17for wool30 and wool140.

It  can  be  seen  from  Figures  16  and  17  that  the  reduction  of  the  value of  the  heat  transfercoefficient has a relatively large influence on the temperatures. Less heat is transferred awayfrom  unexposed  side  when  the  coefficient  is  smaller,  so  the  temperatures  are  increased.  Itappears from Figures 16 and 17 that the value h = 10 W/m2K already gives temperatures thatare on the safe side compared to the test results. Using h = 4 W/m2K and ρwool = 30 kg/m3

leads  to strongly overestimated temperatures, when radiation heat  transfer  is also modelledon the unexposed face, as it is in these models.

The  best correlation at  the  top  flange of  the  Z­profile  is obtained using h = 4  W/m2K andρwool = 140 kg/m3. Between the webs,  the best correlation  is obtained using h = 10 W/m2Kand ρwool = 140 kg/m3, which  leads  to a slight underestimation of  temperatures at  the web.On  the  other  hand,  at  the  webs,  the  test  curves  run  smoothly  between  the  curvescorresponding to h = 10 W/m2K (for both insulation wool thicknesses). Between the webs,all curves run higher than the test measurements.

Page 23: Tests on Fire Resistant Systems

23 (22)

Unexposed side temperatures in wall test (at webs)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_6

TC_7

TC_8

TC_9

TC_22

TC_23

AVERAGE (TC6­9)

AVERAGE (TC22­23)

Unexp at web wool30h=4Unexp at web wool140h = 4Unexp at web wool30h = 10Unexp at web wool140h = 10

Figure 16. Measured and calculated temperatures at the unexposed side flange of the Z­profile with convection heat transfer coefficient on unexposed side equal to 4 W/m2K and 10W/m2K.

Unexposed side temperatures in wall test (between webs)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_10

TC_11

TC_12

TC_13

AVERAGE

Unexp btw webswool30 h=4Unexp btw webswool140 h = 4Unexp btw webswool30 h = 10Unexp btw webswool140 h = 10

Figure 17 Measured and calculated temperatures at the unexposed side midway betweenflanges of the Z profile with convection heat transfer coefficient on unexposed side equal to 4W/m2K and 10 W/m2K.

In order to improve the model further, an idea to calculate the effective thermal conductivityof the insulation material using backward calculation from the test results came up. This wasdone, but  the thermal conductivity was only obtained up to temperature 550°C, which wasthe  highest  average  temperature  of  the  insulation  in  the  test.  If  there  had  been  measuringpoints within the insulation (along the insulation thickness), a more accurate estimate of theeffective  thermal  conductivity  could  have  been  obtained.  In  any  case,  this  scheme did notprovide a solution to the modelling problem.

Therefore a different scheme was adopted. A 1 mm thick air gap was modelled between thebottom (exposed side) steel plate and the insulation material. As described above, due to thelack of welds at the flanges, this type of a small air gap was probably present  in the actualtested structure. In fact, there  is always a very small air  layer between structural  layers, but

Page 24: Tests on Fire Resistant Systems

24 (23)

usually  this air  layer  need not be  taken  into account  in  the  modelling  because of  its  smallthickness.

The  model  was  calculated  twice,  using  30  kg/m3  and  140  kg/m3  mineral  wool  insulationmaterial  models,  respectively,  so  that  upper  and  lower  bounds  could  be  obtained  for  thetemperatures  (see  chapter  2.2).  Figures 18  and 19  show  the  temperature  curves  at  the  topflange of the Z­profile and midway between the Z­profiles, respectively, for models with andwithout air gaps.

The  differences  between  the  corresponding  curves with  or  without  an  air  gap  are  small  atfirst but get larger towards the end of the test, so that the absolute temperature difference at t= 60 min is approximately 20­30°C. The measured unexposed side temperatures at the webfit  nicely  between  the  upper  and  lower  bounds  provided  by  the  calculations  for  differentwool types, whether an air gap is present or not. Between the webs, the presence of the airgap brings  the calculated  temperatures  slightly closer  to the  measured curves, but  they arestill overestimated by the calculations.

Unexposed side temperatures in wall test (at webs)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_6TC_7TC_8TC_9TC_22TC_23AVERAGE (TC6­9)AVERAGE (TC22­23)Unexp at web wool30Unexp at web wool30 airgapUnexp at web wool140Unexp at web wool140 airgap

Figure 18.  Measured and calculated temperatures at the unexposed side flange of the Z­profile with h = 10 W/m2K at the unexposed surface for all models, wool30 and wool140,and with or without air gap.

Page 25: Tests on Fire Resistant Systems

25 (24)

Unexposed side temperatures in wall test (between webs)

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_10

TC_11

TC_12

TC_13

AVERAGE

Unexp btw webs wool30

Unexp btw webs wool30airgapUnexp btw webs wool140

Unexp btw webs wool140airgap

Figure 19 Measured and calculated temperatures midway between the Z­profiles withh = 10 W/m2K at the unexposed surface for all models, wool30 and wool140, and with orwithout air gap.

As  a  conclusion  from  the  numerical  thermal  analyses  on  the  wall  structure,  it  can  beconcluded that a very good estimate of the maximum temperatures on the unexposed side ofthe  wall  structure  can  be  reached  using  the  modelling  procedure  described  above.  Thetemperatures midway between the profiles are overestimated by the current procedure. Thisis assumed to be caused by the inaccuracy of the available mineral wool material data whenapplied  to  the  blowing  mineral  wool  used  in  the  test.  Also  the  fact  that  in  the  numericalmodel,  the  internal  surface  connections  are  ideal  and  provide  full  continuity  betweensurfaces,  allows  the  heat  to be transferred  more quickly  through the stainless steel parts  inthe structure, i.e. the heat flows along the Z­profile to the unexposed side and then continuesalong  the  cover  plate  to  the  measuring  point,  instead  of  being  transferred  only  directlythrough the insulation material.

4.2.2.2 Floor element, small scale test

The core of  the  floor element consisted of  V­shaped steel profiles with wall  thickness 1,5mm  and  height 120  mm.  A  1.5  mm  thick  stainless  steel  plate  was  welded  onto  the  lowerflanges of the V­profiles on the exposed side and a 3.0 mm thick stainless steel plate onto thetop  flanges on  the unexposed side. The spaces between  the core elements were  filled withblowing mineral wool.

The  temperature rise was  in a  small  scale  test under  the acceptance  limit corresponding  toone hour in the case of standard fire exposure. The same profile was chosen to a large scaletest  and  preliminary  calculations  were  made  to  ensure  the  mechanical  behaviour  of  thestructure in the case of fire.

As for the wall element, some preliminary modelling was carried out before testing in orderto have a prediction of the test specimen behaviour. The results of these preliminary modelsare given in Figures 20 and 21.

Page 26: Tests on Fire Resistant Systems

26 (25)

Unexposed side: top flange of steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

Time (Hours: Minutes)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_6

TC_7

TC_8

TC_9

TC_26

TC_27

TC_28

TC_29

AVERAGE

Calculated (stone wool 140kg/m3)Calculated (stone wool 30kg/m3)Calculated (stone wool 140kg/m3, emissivity 0.4)Calculated (stone wool 30kg/m3, emissivity 0.4)

Figure 20 . Measured and calculated temperatures at the unexposed side flange of the V­profile according to preliminary FE­models created before testing.

Unexposed side: between steel profiles

0

50

100

150

200

250

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

Time (Hours: Minutes)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_10

TC_11

TC_12

TC_13

AVERAGE

Calculated (stone wool 140kg/m3)

Calculated (stone wool 30kg/m3)

Calculated (stone wool 140kg/m3, emissivity 0.4)

Calculated (stone wool 30kg/m3, emissivity 0.4)

Figure 21 Measured and calculated temperatures at the unexposed side midway betweenflanges of the V­profile according to preliminary FE­models created before testing.

It  can  be  seen  that  the  measured  temperatures  increase  higher  than  the  calculatedtemperatures. However, as was the case for the wall model described in Chapter 5.2.2.1, bymistake the convection heat transfer coefficient was taken as equal to h = 25 W/m2K on theunexposed  side  in  these  preliminary  models.  Therefore  the  tests  were  calculated  again  byapplying h = 4 W/m2K and h = 10 W/m2K on the unexposed surface, as was done  for  thewall model. The emissivity on the unexposed side was equal to 0.4 in all these calculations.

The results of the calculations with h = 4 W/m2K and h = 10 W/m2K on the unexposed sideare  shown  in  Figures 20 and  21.  The  temperatures  at  the  unexposed  side  flange  of  the  V­profile are reproduced very well by the models with ρwool = 140 kg/m3, especially when h = 4W/m2K.  The  models  with ρwool = 30 kg/m3  overestimate  the  temperatures.  However,  at  the

Page 27: Tests on Fire Resistant Systems

27 (26)

measuring  point  midway  between  the  V­profiles,  the  models  with ρwool  =  140  kg/m3  givelower temperatures than those measured in the test, while the models with ρwool = 30 kg/m3

give  results  that  are  on  the  safe  side.  However,  it  can  again  be  noted  that  when h  =  10W/m2K,  the  test  results  run  between  the  two  curves  with  insulation  densities ρwool  =  140kg/m3 and ρwool = 30 kg/m3, respectively.

It can be concluded that upper and lower bounds for the unexposed side temperatures can beobtained by calculating the structure using both insulation mineral wool densities and h = 10W/m2K on the unexposed side. The more precise modelling of  the actual  test temperatureswould probably require more accurate information on the thermal properties of the blowingmineral wool material.

Unexposed side at web

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_6TC_7TC_8TC_9TC_26TC_27TC_28TC_29AVERAGEUnexp fl wool30 h = 4Unexp fl wool30 h = 10Unexp fl wool140 h = 4Unexp fl wool140 h = 10

Figure 22 Measured and calculated temperatures at the unexposed side flange of the V­profile with convection heat transfer coefficient on unexposed side equal to 4 W/m2K and 10W/m2K.

Unexposed side btw webs

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_10

TC_11

TC_12

TC_13

AVERAGE

Unexp btw webs wool30h = 4Unexp btw webs wool30h = 10Unexp btw webswool140 h = 4Unexp btw webswool140 h = 10

Figure 23 Measured and calculated temperatures at the unexposed side midway betweenflanges of the V­profile with convection heat transfer coefficient on unexposed side equal to4 W/m2K and 10 W/m2K.

Page 28: Tests on Fire Resistant Systems

28 (27)

4.2.2.3 Parametric modelling of wall element

In EN 1363­1: 1999, the following insulation criteria are given for separating walls:

• the average temperature on the unexposed surface of a separating element of a buildingconstruction must not exceed the initial average temperature by more than 140°C

• the  temperature  on  the  unexposed  surface  must  not  at  any  point  exceed  the  initialaverage temperature by more than 180°C.

As can be seen by looking at the test results of the wall element test (e.g. Figures 14 and 15),these  limits were breached  in this  test for  fire  resistance time t = 60 min. Therefore  it wasdecided to carry out some additional calculations for which the depth of the wall element isvaried in order to meet the insulation criteria at fire resistance time t = 60 min.

The same wall structure setup was kept ­ only the height of the Z­profile and the thickness ofthe  insulation d  were  increased  from  60  mm  to  80  mm,  100  mm  and  then  to  120  mm  inconsecutive models. The results of  the calculations  for  the unexposed side  flange of  the Z­section are shown in Figure 24 and for the location midway between flanges in Figure 25.

Unexposed side temperatures in wall test (at webs)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

60 mm Unexp at webwool30 h = 1060 mm Unexp at webwool140 h = 1080 mm Unexp at webwool3080 mm Unexp at webwool140100 mm Unexp atweb wool30100 mm Unexp atweb wool140120 mm Unexp atweb wool30120 mm Unexp atweb wool140

Figure 24 Calculated temperatures at the unexposed side flange of the Z­profile withheights. 60 mm (black), 80 mm (green), 100 mm (red) and 120 mm (blue) and differentinsulation densities.

Page 29: Tests on Fire Resistant Systems

29 (28)

Unexposed side temperatures in wall test (between webs)

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

60 mm Unexp btwwebs wool30 h = 1060 mm Unexp btwwebs wool140 h = 1080 mm Unexp btwwebs wool3080 mm Unexp btwwebs wool140100 mm Unexp btwwebs wool30100 mm Unexp btwwebs wool140120 mm Unexp btwwebs wool30120 mm Unexp btwwebs wool140

Figure 25 Calculated temperatures at the unexposed side midway between the Z­profileswith heights 60 mm (black), 80 mm (green), 100 mm (red) and 120 mm (blue) and differentinsulation densities.

It  can  be  seen  from  Figures 24  and  25  how  the  calculated  temperatures  on  the  unexposedside  of  the  wall  structure  decrease  when  the  wall  thickness  is  increased.  As  discussed  inChapters  3  and  4,  the  two  curves  corresponding  to  different  insulation  densities  givecalculated upper and lower bounds for the temperatures reached at the unexposed side flangeof  the  V­profile.  This  is  the  location  where  the  maximum  temperatures  on  the  unexposedside are reached.

For  the  different  wall  thicknesses,  the  calculated  upper  and  lower  bound  temperaturesincreases at time t = 60 minutes are given in Table 1. It should be noted that in Figures 24and 25, the initial temperature is 20°C, which has been subtracted from the values in Table 5.

Table  5.  Calculated  upper  and  lower  bound  temperature  increases  for  different  wallthicknesses at time t = 60 minutes.

Z­profile height Upper bound (wool30) Lower bound (wool140) Average

60 mm 339°C 283°C 311°C

80 mm 265°C 209°C 237°C

100 mm 229°C 161°C 195°C

120 mm 203°C 117°C 160°C

The actual maximum temperature increase reached in the test on the wall with 60 mm coreZ­profiles was  about  308°C,  which  is  approximately  the  average  value  between  the upperand lower bounds. If this “rule of thumb” is applied to the other cases, the actual temperatureincrease reached in a similar test for an 80 mm wall would be about 237°C and for a 100 mmwall  about  195°C.  Both  of  these  values  are  higher  than  the  limit  of  180°C  given  in  the

Page 30: Tests on Fire Resistant Systems

30 (29)

requirements.  For  the  120  mm  wall,  the  average  temperature  increase  according  to  thecalculations would be about 160°C, which is less than the limit value of 180°C.

It  can  be  concluded  that  it  is  quite  likely  that  the  temperature  increase  for  a  wall  withthickness  120  mm  will  stay  below  the  prescribed  limits.  For  wall  thickness  100 mm,  itappears that the requirement may well be satisfied, but obviously this is less likely than forthe  120  mm  thick  wall.  The  80  mm  thick  wall  does  not  appear  to  fulfil  the  requirementsaccording to the present calculations.

4.2.2.4 Conclusions

Finite  element  analyses  have  been  carried  out  using  FEMLAB©  and  COMSOLMultiphysics©  in  order  to  model  the  preliminary  tests  on  a  wall  element  (core  element  Z­profile height 60 mm) and on a floor element (core element V­profile height 120 mm) in theframe of the project “Structures in Fire” at VTT. The modelling was handicapped by the lackof  accurate  data  on  the  thermal  properties  of  the  blowing  mineral  wool  material  used  asinsulation in the specimens.

The estimated density  of  the  blowing  mineral  wool  material  was  75  kg/m3,  but  the  actualdensity calculated on the basis of the floor test specimen was about 115 kg/m3. Material datafor  mineral  wool  slabs  with  densities  30  kg/m3  and  140  kg/m3  were  available,  so  it  wasassumed  that  by  modelling  the  structures  twice  by  using  each  of  these  mineral  wool  slabmaterials, upper and lower bounds for the unexposed side temperatures could be obtained.

This  proved  to  be  a  correct  assumption  on  the  basis  of  the  modelling  reported  herein.Furthermore,  it  was  noted  that  on  the  unexposed  side,  the  heat  should  be  assumed  to  betransferred  by  convection  and  radiation.  A  suitable  value  for  the  convection  heat  transfercoefficient was found to be 10 W/m2K in this case and the emissivity of stainless steel wastaken as equal to 0.4 on all stainless steel surfaces subject to radiation. The convection heattransfer coefficient on the exposed side was taken as equal to 25 W/m2K.

Once  the  finite  element  models  were  validated  as  best  as  possible  on  the  basis  of  theavailable  test  data,  three  additional  parametric  wall  models  were  created,  for  which  thethickness  of  the  wall  was  varied.  This  was  done  in  order  to  obtain  an  estimate  of  theminimum  wall  thickness  necessary  for  the  fulfilment  of  insulation  requirements  at  fireresistance time t = 60 min. On the basis of the calculations, it was found that it is likely that awall with a core element Z­profile of height (and insulation thickness) 120 mm is sufficientfor this purpose. A core element Z­profile height (and insulation thickness) equal to 100 mmmay also be sufficient, but this is difficult to ascertain on the basis of the present analyses.

4.2.2.5 Floor element, large scale test

In the large scale test besides the temperature rise, the mechanical properties (deformations)were  measured.  On  the  basis  of  calculations  maximum  deformation  in  the  middle  ofspecimen  after  one  hour  standard  fire  is  276  mm.  Unfortunately  there  were  some  fails  inblowing of mineral wool and as consequence of the fact there were some cavities. Due that,the  temperature  rise  in  certain  parts  of  the  structure  was  so  high  that  the  test  had  to  beinterrupted after 47 minutes standard fire (Figure 26).The test report of the large scale fire test will be completed in March 2006.

Page 31: Tests on Fire Resistant Systems

31 (30)

Figure 26. Photographs of large scale fire test.

In figure 27 is shown the deformation in the middle of the floor element.

Large scale test

­200

­150

­100

­50

0

50

0 10 20 30 40 50

Time (min)

Def

orm

atio

n (m

m) Left end

MiddleSide 1Right endSide 2

Figure 27. the deformation in the middle of the floor element in large scale test.

On  the  basis  of  the  tests  and  the  calculations  carried  out,  it  may  be  supposed  that  thestructure can meet the requirements in one hour standard fire in the case where the insulationin the voids is perfect.

Page 32: Tests on Fire Resistant Systems

32 (31)

The fabrication corrugated core sandwich panel has taken more time than planned because ofthe thermocouple instrumentation. Due to problems  in the preparation of one test specimen(test 18.8.2005), only one of the three interior Z­profiles was welded onto the top and bottomplates.  The  other  two  were  only  welded  onto  the  top  plate  (on  the  unexposed  side).  Thismeant that there was probably a small air gap between the exposed side plate and the flangesof two of the interior Z­profiles, and probably between the plate and the mineral wool. In theother test specimen, the top flange of the properly welded Z­profile (test 13.10.2005).

In  the  large  scale  floor  test  there  were  some  fails  in  blowing  of  mineral  wool  and  asconsequence of  the  fact  there were  some cavities. Due that, the  temperature  rise  in certainparts of the structure was so high that the test had to be interrupted after 47 minutes standardfire.

5 NUMERICAL ANALYSIS

Numerical analysis has been carried out by University of Hannover.

6 DEVELOPMENT OF DESIGN GUIDANCE

On the basis of WP1 the design guidance will not be developed.

7 CONCLUSIONS

The main objective of the work package was to develop new stainless steel products withoutpassive  or  active  fire  protection  that  can  achieve  30  or  60  minutes  fire  resistance  in  astandard  fire or  in a natural  fire. The developed products should  include both  load­bearingstructures and fire separating members.

Finite  element  analyses  have  been  carried  out  using  FEMLAB©  and  COMSOLMultiphysics©  in order  to model  fire  tests. On  the basis of calculations  the  tested columnsand sandwich panels were chosen.

Four different kinds of columns have been tested: tubes within each others, column sectionin  the corner and  columns exposed  to  fire  from one side  from one or  two parts. For tubeswithin  each  others,  the  inner  tube  (RHS  200x200x8)  the  mean  value  of  measuredtemperatures was 414 °C. This means that the inner tube has about 60% left of  its capacityaccording to EN 1993­1­2. For other columns the temperature differences between exposedand  unexposed  sides  were  remarkable.  This  means  that  in  calculations  temperaturedistribution should be taken in to account. The structure from two parts is quite demandingto construct when considering the construction process.

The sandwich panel system has been tested in small and a large scale fire tests to investigatethe thermal and load bearing behaviour of the element exposed to fire. It can be concludedthat it is quite likely that the temperature increase for a wall with thickness 120 mm will staybelow the prescribed limits. For wall thickness 100 mm, it appears that the requirement maywell be satisfied, but obviously this is less likely than for the 120 mm thick wall. The 80 mmthick wall does not appear to fulfil the requirements according to the present calculations.

Page 33: Tests on Fire Resistant Systems

33 (32)

It may  be supposed  that  the tested  large  scale  floor structure can  meet  the  requirements  inone  hour  standard  fire  for  corrugated  core  sandwich  panel  with  fire  protection  of  mineralwool in the case where the insulation in the voids is perfect (h=120 mm).  Sandwich panels(Z­profiles, with fire protection of mineral wool, the thickness of 60 mm) will not meet therequirements  in 30  min standard  fire  (the maximum temperature  is above 180  °C). On  thebasis of the calculations and tests carried out, the structures where no insulation is used haveproblems to meet the requirements 30 or 60 min standard fire.

The special cross­sections (tubes within each others with fire protection and column exposedto fire from one sides) have potential in building. Also corrugated core sandwich panels maybe  used  as  load  bearing  and  separating  structures.  For  that  kind  of  structures  it  is  veryimportant that the insulation work is performed carefully.

8 RECOMMENDATIONS FOR FURTHER WORK

More full scale test should be carried out and the cots­effective of special structures shouldbe evaluated.

Page 34: Tests on Fire Resistant Systems

34 (33)

REFERENCES

EN  1363­1:  1999 Fire  resistance  tests  ­  Part  1:  General  requirements,  CEN  EuropeanCommittee for Standardization, Brussels, Belgium, 1999.

EN 1991­1­2: 2002 Eurocode 1 Actions on structures ­ Part 1­2: General actions ­ Actionson  structures  exposed  to  fire,  CEN  European  Committee  for  Standardization,  Brussels,Belgium, 2002.

EN 1992­1­2:2003(E) Eurocode 2: Design of concrete structures ­ Part 1­2: General rules ­Structural fire design. CEN 2003.

EN  1993­1­2:  2005 Eurocode  3:  Design  of  steel  structures  ­  Part  1.2:  General  rules,Structural  fire  design,  CEN  European  Committee  for  Standardization,  Brussels,  Belgium,2005.

COMSOL Multiphysics© Version 3.2, User’s Guide, COMSOL AB, 2005

Incropera & DeWitt (2002), Fundamentals of Heat and Mass Transfer, Fifth Edition, JohnWiley & Sons, U.S.A. 2002.

Kaitila, O., Numerical  thermal analyses of Kenno Tech wall and floor structures, StainlessSteel  in  Fire,  Contract  N°  RFS­CR­04048,  WP1  Fire  resistant  structures  and  products,29.9.2005.

Page 35: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 1: THERMAL MATERIAL PROPERTIES AT ELEVATEDTEMPERATURES AND HEAT EXPOSURE

STAINLESS STEEL

The thermal properties of  stainless  steel will  be  taken according  to EN 1993­1­2: 2005.  Insome calculations the emissivity is assumed to be 0.2.

BLOWING MINERAL WOOL

The thermal properties for the blowing mineral wool used in the structure were not directlyavailable.  However,  it  was  known  that  the  estimated  density  of  the  mineral  wool  was  75kg/m3.  Thermal  properties  were  available  for  mineral  wool  slabs  with  densities  30  kg/m3

(wool30)  and  140 kg/m3 (wool140),  so  these  were  used  for  the  calculations  with  theexpectation that they would provide at  least upper and  lower bound temperature curves  fordifferent points of  interest  in the structure. The specific heat capacities of the 30 kg/m3 and140  kg/m3  mineral  wool  slabs  were  taken  as  900 J/kgK  and  800  J/kgK,  respectively.  Thethermal  conductivities λ  (W/mK) were  modelled  according  to Eq.  (1)  for mineral wool 30and Eq. (2) for mineral wool 140.

261009.100016.0034.0 TT −⋅+−=λ (1)

2)100/(0034.0)100/(0095.00341.0 TT +−=λ (2)

where T is the insulation temperature (°C)

Furthermore  air  gaps  were  included  in  some  models  in  order  to  obtain  a  more  realisticmodel. Air properties were taken according to Incropera & DeWitt (2002). They correspondto generally available air thermal properties. The thermal conductivities of mineral wool andair are shown in Figure 1.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 200 400 600 800 1000 1200Temperature (oC)

Ther

mal

 con

duct

ivity

 (W/m

K) Air, Incropera

& DeWitt(2002)

Rock Wool30 kg/m3

Rock Wool140 kg/m3

Figure 1. Thermal conductivities of mineral wool and air as functions of temperature.

Page 36: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

SIPOREX

The thermal properties of SIPOREX were taken as temperature­independent values:

• Thermal conductivity k = 0.12 W/mK• Specific heat capacity cp = 1000 J/kgK• Emissivity = 0.7• Density ρ = 500 kg/m3

CONCRETE

The thermal properties of concrete will be taken according to EN 1992­1­2: 2003.

HEAT EXPOSURE

The thermal action  in the  furnace  followed the EN 1363­1: 1999 (ISO 834­1) standard firecurve, as given in Eq. (3).

)18(log34520 10 ++= tT (3)

where T is the gas temperature (°C)

t is the time (min)

The heat  transfer  from  the  fire  to  the bottom surface of  the  test element,  and  from  the  topsurface  of  the  test  element  to  the  ambient,  is  assumed  to  happen  through  radiation  andconvection. The emissivity of stainless steel was  taken as equal  to 0.4 on all  stainless steelsurfaces subjected to radiation and the coefficient of convection heat transfer was taken as 25W/m2K on the fire exposed side and 9 W/m2K on the unexposed side wall surfaces.

Page 37: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 2: THE COMPUTED TEMPERATURE DISTRIBUTIONS INCROSS­SECTIONS

Figure 1. Case 1: All cavities empty (air). Temperature distribution (°C) at t = 60 min.Temperatures at exposed surface (blue), mid­depth of insulation (green), inner steel profile(red) and centre­point of structure (turquoise). Data points shown with red dots in contourplot.

Exposed surface

Mid­depthbetweenprofiles

Centre­point

Inner steelprofile

Page 38: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Figure 2. Case 2: Space between profiles insulated with stone wool 30 kg/m3, space insideinner profile empty. Temperature distribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposedsurface (blue), mid­depth of insulation (green), inner steel profile (red) and centre­point ofstructure (turquoise). Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed

Mid­depth ofinsulation

Centre­point

Inner steelprofile

Page 39: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Figure 3. Case 3: Space between profiles filled with concrete (moisture 3 %), space insideinner profile empty (air). Temperature distribution (°C) at t = 60 min. Temperatures atexposed surface (blue), mid­depth of insulation (green), inner steel profile (red) and centre­point of structure (turquoise). Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed surface

Mid­depth betweenprofiles

Centre­point

Inner steelprofile

Page 40: Tests on Fire Resistant Systems

4 (4)

Figure 4. Case 4: Space between profiles and space inside inner profile filled with concrete(moisture 3 %). Temperature distribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposedsurface (blue), mid­depth of insulation (green), inner steel profile (red) and centre­point ofstructure (turquoise). Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed surface

Mid­depth betweenprofiles

Centre­point

Inner steelprofile

Page 41: Tests on Fire Resistant Systems

5 (5)

Figure 5. Case 5. Space inside profile empty (air), concrete walls. Temperature distribution(°C) at t = 60 min.

RHSexposedcorner

RHS centre

Concrete,depth 50mm

RHSunexposedside

RHS exposed side

RHSunexposedcorner

Page 42: Tests on Fire Resistant Systems

6 (6)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Exposed side cornerExposed flange centreExposed corner near wallUnexposed flange centreUnexposed side corner

Figure 6. Case 6: Space inside profile empty (air), SIPOREX walls of thickness 100 mm.Temperature distribution (°C) at t = 60 min.

Page 43: Tests on Fire Resistant Systems

7 (7)

RHS200x100x6_siporex_wall.mph

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 15 30 45 60 75 90

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Exposed sideWeb mid­depthUnexposed side

Figure 7. Case 7:  RHS 200x100x6 and siporex wall of thickness 200 mm. Space insideprofile empty (air)Temperature distribution (°C) at t = 60 min.

Page 44: Tests on Fire Resistant Systems

8 (8)

RHS150x100x6_100x20x2_siporex_wall.mph

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 15 30 45 60 75 90

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

RHS 20x100x2 exposed side

RHS20x100x2 web centre

RHS 150x100x6 exposedside flangeRHS 150x100x6 web centre

RHS 150x100x6 unexposedside flange

Figure 8. Case 8: : RHS 150x100x6 & RHS 20x100x2 and siporex wall with thickness 150mm. Space inside profile empty (air). Temperature distribution (°C) at t = 60 min.

Page 45: Tests on Fire Resistant Systems

9 (9)

RHS300x150x5_x2_engulfed

0

200

400

600

800

1000

1200

0 15 30 45 60 75 90

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

) w30_outer cornerw30_centre cornerw30_centrew140_outer cornerw140_centre cornerw140_centre

Figure 9. Case 9: Two RHS 300x150x5 profiles side by side. Space inside profile filled withmineral wool 30 kg/m3. Temperature distribution (°C) at t = 60 min.

Page 46: Tests on Fire Resistant Systems

10 (10)

Figure 10. Case 10: RHS 300x200x? beam section in floor, surrounded by concrete(moisture 3%). Bottom flange subjected to ISO 834 fire, other sides inside structure.Temperature distribution (°C) at t = 60 min.

RHS exposedside corner

RHS webmid­height

RHS unexposedside corner

RHSunexposedside centre

RHS exposed sidecentre

Page 47: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 3: THE COMPUTED TEMPERATURE DISTRIBUTIONS INSANDWICH PANELS

Figure 1. Case 1: All cavities empty (air). Temperature distribution (°C) at t = 60 min.Temperatures at exposed side surface (blue), mid­depth of insulation (green) and unexposedsurface (red). Temperatures at unexposed surface at the profile flange location in turquoise.Data points shown with red dots in contour plot.

Unexposed side

Page 48: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Figure 2. Case 2: Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed surface (blue), mid­depth ofinsulation (green), inner steel profile (red) and at the profile flange location in turquoise.Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed side

Unexposed side

Page 49: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Figure 3: Case 3. Space inside profile filled with mineral wool 140 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed surface (blue), mid­depth ofinsulation (green), inner steel profile (red) and at the profile flange location in turquoise.Data points shown with red dots in contour plot.

Unexposed side

Page 50: Tests on Fire Resistant Systems

4 (4)

Figure 4: Case 4. Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at Point 1: exposed side surface (blue), Point2: mid­depth of insulation between RHS­profiles (green) and Point 3: unexposed surface(red). Temperatures at Point 4: unexposed surface between the RHS­profiles in turquoise.Data points shown with red dots in contour plot above.

Page 51: Tests on Fire Resistant Systems

5 (5)

Figure 5: Case 5. Space inside profile filled with mineral wool 140 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofRHS (green) and unexposed surface (red). Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed side

Unexposed side

Page 52: Tests on Fire Resistant Systems

6 (6)

Figure 6: Case 6. Space inside profile filled with mineral wool 140 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofRHS (green) and unexposed surface (red) along axis of RHS. Lowest curve (turquoise) atunexposed surface between RHS­columns.. Data points shown with red dots in contour plot.

Exposed side

Unexposed side

Page 53: Tests on Fire Resistant Systems

7 (7)

Figure 7: Case 7. Space inside profile filled with mineral wool 140 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofRHS (green) and unexposed surface (red). Data points shown with red dots in contour plot.

Page 54: Tests on Fire Resistant Systems

8 (8)

Figure 8: Case 8. Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofRHS (green) and unexposed surface (red). Data points shown with red dots in contour plot.

Page 55: Tests on Fire Resistant Systems

9 (9)

Figure 9: Case 9. Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofZ­profile 60x20x2 (green) and unexposed surface (red). Temperatures at unexposed surfacebetween the Z­profiles in turquoise. Data points shown with red dots in contour plot.

Plate onexposed

Z mid­depth

Unexposed sidebetween

Unexposed side

Exposed side

Unexposed side

Page 56: Tests on Fire Resistant Systems

10 (10)

Kenno Tech Z­wall 60x5x1 wool30: Temperature distribution at t = 60 min.

Figure 10: Case 10. Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofZ­profile 60x20x1 (green) and unexposed surface (red). Temperatures at unexposed surfacebetween the Z­profiles in turquoise. Data points shown with red dots in contour plot.

Plate onexposedside

Z mid­depth

Unexposed sidebetween

Unexposed side at

Exposed side

Unexposed side

Page 57: Tests on Fire Resistant Systems

11 (11)

Figure 11: Case 11. Space inside profile filled with mineral wool 30 kg/m3 . Temperaturedistribution (°C) at t = 60 min. Temperatures at exposed side surface (blue), centre point ofZ­profile 120x20x1 (green) and unexposed surface (red). Temperatures at unexposed surfacebetween the Z­profiles in turquoise. Data points shown with red dots in contour plot.

Plateon

Z mid­depth

Unexposedside

Unexposed

Exposed side

Unexposed side

Page 58: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 4: THE NESTED TUBES WITH FIRE PROTECTION

4

1

3

900

860

3010

225

225

225

400

37A

B38

C39

4    1040  46

5    11

41  47

6    12

42  48

43

44

45

A

B

C39

38

37

3040

4641

4742

48

4

1

107

52

118

63

129

43

44

45

A ­ A

B ­ B

C ­ C

A ­ AB ­ BC ­ C1:100

Koepilari 300 & 200/PolttokoeValmistetaan 1 kpl

koekappaleen termoelementit 1 ­ 24Termoelementtejä 1 ­ 24 vartenporataan 2,5 mm reijät, joiden syvyys 2,5 mmuunin termoelementit 39 ­ 48Ulomman ja sisemmän putken väli täytetäänpuhallusvillalla

Lc

Putkenhitsi tälläsivulla

2020

20

2020

20

2

Osa  Nimike  Laatu  Kpl1  RHS 300 x 300 x 10  EN 1.4301  12  RHS 200 x 200 x 10  EN 1.4301  13  Levy 400 x 400 x 30  EN 1.4301  14  Levy 400 x 400 x 10  EN 1.4301  1

13 16

1922

14 17

2023

15 18

2124

Page 59: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 5: THE COLUMN IN THE CORNER

Page 60: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Page 61: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 6: RHS 200x100x6 COLUMN INSIDE THE WALL

Page 62: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 7: RHS 150x100x6 AND RHS 100x20x2 COLUMN INSIDETHE WALL

Page 63: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 8: THE WALL STRUCTURE, SMALL SCALE TEST. THE LOCATION OF MEASURING POINTS FORTEMPERATURE

18.8.2005

Locations of thermocouples on the specimen:1 ­ 5  on the unexposed surface of the specimen used for the average temperature rise6 ­ 9  on the welded seams on the unexposed surface10 ­ 13  between welded seams on the unexposed surface14 ­ 15  at the flange of the profile16 ­ 17  at the middle height of the web profile18 ­ 19  at the flange of the profile20 ­ 21  at the middle height of the web profile22 ­ 23  on the welded seam on the unexposed surface24 ­ 29  on the welded seam on the exposed surface

1 10 6

16

14 1172

20

18

13 517

15

128

21

19

4 9 3

1251.4

B

A A

B

1251

.4

22

23

28

29

26

27

24

25

1, 4 10, 13 11, 12

16, 17

6, 922, 23 5

14, 15

2, 3 7, 8

18, 19

20, 2165.4

305.36

1221.52

Unexposed side

Exposed side28, 29

24, 2526, 27

15

1.5

60

22

B ­ B

65.460 2

0.7

20

A ­ A

1, 4 10, 13 11, 12

16, 17

6, 922, 23 5

14, 15

2, 3 7, 8

18, 19

20, 2165.4

305.36

1221.52

Unexposed side

Exposed side28, 29

24, 2526, 27

1 10 6

16

14 1172

20

18

13 517

15

128

21

19

4 9 3

1251.4

B

A A

B

1251

.4

22

23

28

29

26

27

24

25

Page 64: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

1, 4

22, 23 28, 29

12, 13 14, 15

18, 1916, 17

8, 96, 7 5

24, 25 30, 31

2, 310, 11

26, 27

20, 21

15

1.5

602

2

65.4

305.36

1221.52

Unexposed side

Exposed side

A ­ A

A

6

1622

1 12

28

8

1824

14

30

10 2

2026

17

723

13

29

5

19

2515

31

11

21

27

4 9 3

1251.4

B

A

B

1251

.4

B ­ B

65.460 2

0.7

20

Location of thermocouples on the specimen:1 ­ 5  on the unexposed surface of the specimen used for the average temperature rise6 ­ 11  on the welded seams on the unexposed surface12 ­ 15  between welded seams on the unexposed surface16 ­ 21  at the middle height of the web profile22 ­ 27  on the welded seam on the exposed surface28 ­ 31  between welded seams on the exposed surface

1, 4

22, 23 28, 29

12, 13 14, 15

18, 1916, 17

8, 96, 7 5

24, 25 30, 31

2, 310, 11

26, 27

20, 21

6

1622

1 12

28

8

1824

14

30

10 2

2026

17

723

13

29

5

19

2515

31

11

21

27

4 9 3

65.4

305.36

1221.52

Unexposed side

Exposed side

1251.4

B

A A

B

1251

.4

13.10.2005

Page 65: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 9: THE FLOOR STRUCTURE, SMALL SCALE TEST. THELOCATION OF MEASURING POINTS FOR TEMPERATURE

1 2

34

5

26

27

28

29

6 10

11

7

89

22 23

25 24

16 17

19 18

20

21

14

15

12

13

33

37

30

34

31

35

32

36

1250

1250 A A

B

B

B ­ B

125,9

0,7

20

19820

1,50,7

60°

20

31,

512

0

A ­ A

26, 27 6, 9 7, 8 28, 29

16, 19 17, 1822, 25 23,24

14, 15

12, 13

20, 21

1, 4 2, 35, 10, 11

3034

3135

3236

3337

350,7

Page 66: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

1 2

34

5

26

27

28

29

6 10

11

7

89

22 23

25 24

16 17

19 18

20

21

14

15

12

13

33

37

30

34

31

35

32

36

1250

1250 A A

B

B

Termoelementit:1 ­ 5  standardin mukaiset pintapisteet (yläpinta)6 ­ 9  hitsisauman kohdalla yläpinnassa10 ­ 11  leveän aukon keskellä yläpinnassa12 ­ 13  kapean aukon keskellä yläpinnassa14 ­ 15  V­profiilin "pohjalla"16 ­ 19  V­profiilin uumassa20 ­ 21  V­profiilin "pohjalla"22 ­ 29  hitsisauman kohdalla yläpinnassa

Termoelementit 14 ­ 25 asennetaan ennen pintalevyn asennusta

Lisäksi pohjasta mittaus 8 pisteestä 30 ­ 37

350,7

1, 426, 27 6, 9

5, 10, 11 2, 37, 812, 13 28, 29

16, 1917, 18

22, 25 23,24

14, 15 20, 213034

3135

3236

3337

Thermocouples:

1 ­ 5 standard top surface thermocouples6 ­ 9 top surface at weld10 ­ 11 top surface midway between webs (wide gap)12 ­ 13 top surface midway between webs (narrow gap)14 ­ 15 bottom flange of V­profile16 ­ 19 web of V­profile20 ­ 21 bottom flange of V­profile22 ­ 29 top surface at welds30 ­ 37 bottom surface

Page 67: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 10: THE FLOOR STRUCTURE, LARGE SCALE TEST

Page 68: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 11: MEASURED TEMPERATURES OF THE COLUMN WITHNESTED TUBES

RHS 300x300x10 upper level

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_1TC_10TC_7TC_4

RHS 300x300x10 middle

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_2TC_11TC_8TC_5

Page 69: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

RHS 300x300x10 lower level

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_3TC_12TC_9TC_6

RHS 200x200x8 upper level

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_13TC_22TC_19TC_16

Page 70: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

RHS 200x200x8 middle

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

tem

pera

ture

 (oC

)

TC_14TC_23TC_20TC_17

RHS 200x200x8 lower level(TC15 not correct)

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_24TC_21TC_18

Page 71: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 12: MEASURED TEMPERATURES OF THE COLUMN INTHE CORNER

Exposed side corner

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Bottom TC_8Mid­height TC_24Top TC_16

Exposed flange centre

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Bottom TC_1Bottom TC_7Mid­height TC_17Mid­height TC_23Top TC_9Top TC_15

Page 72: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Exposed corner near wall

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Bottom TC_2Bottom TC_6Mid­height TC_18Mid­height TC_22Top TC_10Top TC_14

Unexposed flange centre

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

) Bottom TC_3Bottom TC_5Mid­height TC_19Mid­height TC_21Top TC_11Top TC_13

Page 73: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Unexposed side corner

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

Bottom TC_4

Mid­height TC_20

Top TC_12

Horizontal wall

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_29TC_30TC_31TC_32TC_33TC_34TC_35TC_36

Page 74: Tests on Fire Resistant Systems

4 (4)

Vertical wall

0

100

200

300

400

500

600

0 20 40 60 80 100

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_37TC_38TC_39TC_40TC_41TC_42TC_43TC_44

Page 75: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 13: MEASURED TEMPERATURES OF THE COLUMN RHS200X100X6 INSIDE THE WALL

RHS 200x100x6 temperatures at lower level

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_1TC_2TC_3TC_4TC_5TC_6TC_7TC_8

RHS 200x100x6 temperatures in the middle

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_9TC_10TC_11TC_12TC_13TC_14TC_15TC_16TC_17TC_18TC_19TC_20

Page 76: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

RHS 200x100x6 temperatures at upper level

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_21TC_24TC_28TC_22TC_25TC_27TC_26TC_23

Page 77: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 14 : MEASURED TEMPERATURES OF THE COLUMN RHS150x100x6 & RHS 100x20x2 INSIDE THE WALL

RHS 100x20x2 & RHS 100x20x2temperatures at the lower level

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_1TC_2TC_3TC_4TC_5TC_6TC_7TC_8TC_9TC_10TC_11TC_12

RHS 100x20x2 & RHS 100x20x2temperatures in the middle

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)

TC_13TC_14TC_15TC_16TC_17TC_18TC_19TC_20TC_21TC_22TC_23TC_24TC_25TC_26TC_27TC_28

Page 78: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

RHS 100x20x2 & RHS 100x20x2temperatures at the upper level

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 20 40 60 80 100 120 140

Time (min)

Tem

pera

ture

 (oC

)TC_29TC_30TC_31TC_32TC_33TC_34TC_35TC_36TC_37TC_38TC_39TC_40

Page 79: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 15: MEASURED TEMPERATURES OF THE WALLSTRUCTURE, TEST DATE 18.8.2005

Unexposed side: between steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_12TC_13TC_14TC_15AVERAGE

Unexposed side: upper flange of steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_6TC_7TC_8TC_9TC_10TC_11AVERAGE

Page 80: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Exposed side

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_28TC_29TC_28TC_31AVERAGE

Unexposed side: Standard measuring points

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_1TC_2TC_3TC_4TC_5AVERAGE

Page 81: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Mid­height: at web of the steel profile

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_16TC_17TC_18TC_19TC_20TC_21AVERAGE

Exposed side: bottom of steel profile

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_22TC_23TC_24TC_25TC_26TC_27AVERAGE

Page 82: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 16: MEASURED TEMPERATURES OF THE WALLSTRUCTURE, TEST DATE 13.10.2005

Unexposed side: between steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_12TC_13TC_14TC_15AVERAGE

Unexposed side: upper flange of steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_6TC_7TC_8TC_9TC_10TC_11AVERAGE

Page 83: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Exposed side

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_28TC_29TC_28TC_31AVERAGE

Unexposed side: Standard measuring points

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_1TC_2TC_3TC_4TC_5AVERAGE

Page 84: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Mid­height: at web of the steel profile

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_16TC_17TC_18TC_19TC_20TC_21AVERAGE

Exposed side: bottom of steel profile

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 10 20 30 40 50 60 70

TC_22TC_23TC_24TC_25TC_26TC_27AVERAGE

Page 85: Tests on Fire Resistant Systems

3.7.2007 1 (1)

APPENDIX 17: MEASURED TEMPERATURES OF THE FLOORSTRUCTURE, TEST DATE 7.9.2005

Unexposed side: at top flange of steel profiles

0

50

100

150

200

250

300

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_6TC_7TC_8TC_9AVERAGETC_26TC_27TC_28TC_29

Exposed side

0

200

400

600

800

1000

1200

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_30TC_31TC_32TC_33TC_34TC_35TC_36TC_37AVERAGE

Page 86: Tests on Fire Resistant Systems

2 (2)

Exposed side: bottom of steel profiles

0

200

400

600

800

1000

1200

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_14TC_15TC_21AVERAGE

Unexposed side: standard measuring points

0

50

100

150

200

250

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_1

TC_2

TC_3

TC_4

TC_5

AVERAGE

Page 87: Tests on Fire Resistant Systems

3 (3)

Unexposed side: between steel profiles

0

50

100

150

200

250

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_10TC_11AVERAGETC_12TC_13

Mid­depth: web of steel profiles

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0:00 0:10 0:20 0:30 0:40 0:50 1:00 1:10 1:20 1:30 1:40

TC_16TC_17TC_18TC_19TC_22TC_23TC_24TC_25AVERAGE