Approximating the solution of a linear heat transfer problem for concrete subjected to one-sided heating under standard fire conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

To estimate the fire resistance limit of reinforced concrete structures, it is essential to understand the temperature distribution within the concrete cross-section under standard fire conditions. Existing approximate analytical methods rely on the classical solution of the heat transfer equation assuming a constant surface temperature. The authors developed a degree approximation of the standard fire temperature curve. This approximation enables an approximate analytical solution to the heat transfer problem with a varying surface temperature corresponding to standard fire conditions. The aim of this work was to derive a convenient formula for heat transfer engineering calculations applicable to concrete with arbitrary thermophysical properties. The derived formula accurately predicts the temperature at any point within the concrete at a given time. The authors’ solution was compared with the high-precision numerical simulations (ANSYS, MATLAB) for various concrete types. Because the proposed approximation does not involve special functions, its implementation does not require any specialized software. The accuracy, simplicity, and versatility of this formula make it suitable for use in fire resistance engineering calculations to determine the time-dependent temperature distribution within concrete under standard fire conditions.

About the authors

A. G. Tamrazyan

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

V. R. Meshkov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

V. S. Gerashchenko

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University); JSC "Atomenergoproekt"

A. S. Grishin

JSC "Atomenergoproekt"

References

  1. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. Москва: Стройиздат; 1988. 143 с. URL: https://dwg.ru/lib/3452.
  2. Федоров В. С., Левитский В. Е., Молчадский И. С., Александров А. В. Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций. Москва: АСВ; 2009. 408 с.
  3. LaMalva K., Hopkin D. (eds). International handbook of structural fire engineering. Switzerland: Springer; 2021. 529 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77123-2
  4. Buchanan A. H., Abu A. K. Structural design for fire safety. 2nd edition. UK: Wiley; 2017. 436 p.
  5. Wickström U. Temperature calculation in fire safety engineering. Switzerland: Springer; 2016. 256 p. URL: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-30172-3.
  6. Hertz K. Design of fire-resistant concrete structures. London: ICE; 2019. 256 p. http://dx.doi.org/10.1680/dofrcs.64447
  7. Мостовских Д. С., Беляева 3. В. Расчет огнестойкости нестандартных сечений элементов железобетонных конструкций с использованием ПК ANSYS. Russian Journal of Construction Science and Technology. 2022;8(1):5–19. http://dx.doi.org/10.15826/rjcst.2022.1.001
  8. Ширко А. В., Камлюк А. Н., Полевода И. И., Зайнудинова Н. В. Теплотехнический расчет огнестойкости элементов железобетонных конструкций с использованием ANSYS. Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. 2013;18(2):260–269. URL: https://vestnik.ucp.by/arhiv/pdf/ICE/v18/n2/260.pdf.
  9. Камлюк А. Н., Полевода И. И., Ширко А. В. Модели материалов арматуры и бетона для теплотехнических и прочностных расчетов на примере Российского стандарта. Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. 2013;17(1):104–116. URL: https://vestnik.ucp.by/arhiv/pdf/ICE/v17/n1/104.pdf.
  10. Tamrazyan A. G., Avetisyan L. A. Behavior of compressed reinforced concrete columns under thermodynamic influences taking into account increased concrete deformability. In: IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 21, Construction – The Formation of Living Environment. 2018;365:052034. https://doi.org/10.1088/1757899X/365/5/052034
  11. Tamrazyan A. G., Avetisyan L.A. Experimental and theoretical study of reinforced concrete elements under different characteristics of loading at high temperatures. In: XXV Polish – Russian – Slovak Seminar "Theoretical Foundation of Civil Engineering". Series "Procedia Engineering". 2016;153:721–725. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.232
  12. Тамразян А. Г. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий. Промышленное и гражданское строительство. 2015;(3):29–35. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=23217619.
  13. Kodur V. K. R., Baolin Yu., Dwaikat M. M. S. A simplified approach for predicting temperature in reinforced concrete members exposed to standard fire. Fire Safety Journal. 2013;56:39–51. https://doi.org/10.1016/j.firesaf.2012.12.004
  14. Wickström U. Application of the standard fire curve for expressing natural fires for design purposes. In: Fire safety: Science and engineering. ASTM International; 1985. P. 145–159. URL: https://www.diva-portal.org/smash/get/ diva2:961622/FULLTEXT01.pdf. https://doi.org/10.1520/STP35295S
  15. Карташов Э. М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. 3-е изд., перераб. и доп. Москва: Высшая школа; 2001. 550 с. URL: https://djvu.online/file/itro9ZmA4f0HX?ysclid=m70495kzc6791923455.
  16. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. Москва: Наука, 1964. 487 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).