Experimental testing and numerical modelling of a large-scale modular cellular structural steel and composite sandwich decking flooring system in fire
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The Southern African Institute of Steel Construction (SAISC) has determined that the current office building
market segment within the South African construction industry does not satisfy the performance requirements
of the public, developers, and tenants. Through consultation with industry leaders, the SAISC were able to
establish the specific performance criteria required for the design, construction, and operation of future office
buildings. With the established performance requirements in mind, the SAISC have developed a cellular beam
modular access floor office building system (CBS system) which is able to satisfy all criteria. The system
consists of two interdependent components: (1) the building system's structural components, which include
horizontal cellular beam sections and vertical columns; and (2) the profiled steel sandwiched decking flooring
system (SD system), which is attached to the bottoms of the horizontal structural members. The system involves
no wet work, with the intention of having a building system that could be assembled in modules off-site,
transported on a truck, and erected quickly and safely on-site in a multitude of possible configurations to allow
for architectural freedom while standardizing the modules. However, the lightweight nature of the system and
flooring system implemented in the CBS design has put the fire resistance of the system in question.
This dissertation forms part of a larger study conducted to experimentally and numerically quantify the fire
rating for the CBS system. An extensive experimental programme was carried out as part of this work, ranging
from small-scale materials tests to medium-scale four point bending tests of the flooring system and large-scale
standard fire tests. The main experimental test performed was a large-scale standard fire test of an experimental
frame (spanning 5.66 m and 3.64 m wide) built according to the design aspects of the CBS system. The results
from the test were positive as the structure was able to maintain load bearing capacity throughout the entire
duration of the test, with no major structural failure occurring. Furthermore, the horizontal structural elements
deflections were well within the specified limits for fire design, and the flooring system nearly achieving the
required 1 hour fire rating with regards to the insulation fire limit state criteria.
Using the data obtained from the experimental programme, and through the use of the Finite Element Method,
numerous experimental models were developed to analyse the thermomechanical response of the CBS system,
and the flexural and thermal performance of the flooring system to be implemented in the CBS design. The
numerical models were able to successfully predict the thermal behaviour of the flooring system and the
thermal-stress performance of the horizontal structural elements of the experimental frame tested in the large-
scale standard fire test.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suid-Afrikaanse Instituut vir Staalkonstruksie (SAISC) het vasgestel dat die huidige marksegment binne die Suid-Afrikaanse konstruksiebedryf nie aan die prestasievereistes van die publiek, ontwikkelaars en huurders voldoen nie, veral wat kantoorstrukture betref. Deur oorlegpleging met bedryfsleiers kon die SAISC die spesifieke prestasiekriteria bepaal wat vir die ontwerp, konstruksie en bedryf van toekomstige kantoorgeboue vereis word. Met die gevestigde prestasievereistes in gedagte, het die SAISC 'n sellulêre balk modulêre toegangsvloer-kantoorgeboustelsel (CBS-stelsel) ontwikkel wat aan alle kriteria kan voldoen. Die stelsel bestaan uit twee dele wat in sinergie werk: (1) die strukturele komponente van die boustelsel, wat bestaan uit horisontale sellulêre balkgedeeltes en vertikale kolomme (2) die geprofileerde staaldekvloerstelsel (SD-stelsel) wat aan geheg is die onderkant van die horisontale strukturele lede. Die stelsel behels geen nat werk nie, met die bedoeling om 'n boustelsel te hê wat in modules buite die perseel saamgestel kan word, op 'n vragmotor vervoer kan word en vinnig en veilig op die perseel opgerig kan word in 'n menigte moontlike konfigurasies om argitektoniese vryheid toe te laat, terwyl standaardisering van die modules. Die liggewig aard en vloerstelsel wat in die CBS-ontwerp geïmplementeer is, het egter die brandweerstand van die betrokke stelsel geplaas. Hierdie proefskrif vorm deel van 'n menigte studies wat uitgevoer is om die brandgradering vir die CBS-stelsel eksperimenteel en numeries te kwantifiseer. 'n Uitgebreide eksperimentele program is as deel van hierdie werk uitgevoer, wat wissel van kleinskaalse materiaaltoetse tot mediumskaalse vierpuntbuigtoetse van die vloerstelsel en grootskaalse standaardbrandtoetse. Die hoof eksperimentele toets wat uitgevoer is, was 'n grootskaalse standaardbrandtoets van 'n eksperimentele raam (wat strek oor 5,66 m en 3,64 m breed) wat volgens die ontwerpaspekte van die CBS-stelsel gebou is. Die resultate van die toets was positief aangesien die struktuur in staat was om lasdravermoë deur die hele duur van die toets te handhaaf, met geen groot strukturele mislukking wat plaasgevind het nie. Verder was die horisontale strukturele elemente defleksies goed binne die gespesifiseerde perke vir brandontwerp, en die vloerstelsel het amper die vereiste brandgradering behaal met betrekking tot die isolasiebrandgrenstoestandkriteria Met behulp van die data verkry uit die eksperimentele program, en deur die gebruik van die Eindige Element Metode, is talle eksperimentele modelle ontwikkel om die termomeganiese reaksie van die CBS-stelsel, en die buig- en termiese werkverrigting van die vloerstelsel wat in die CBS geïmplementeer moet word, te ondersoek ontwerp. Die numeriese modelle was in staat om die termiese gedrag van die vloerstelsel en die termiese spanning prestasie van die horisontale strukturele elemente van die eksperimentele raam wat in die grootskaalse standaard brandtoets getoets is, suksesvol te voorspel.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suid-Afrikaanse Instituut vir Staalkonstruksie (SAISC) het vasgestel dat die huidige marksegment binne die Suid-Afrikaanse konstruksiebedryf nie aan die prestasievereistes van die publiek, ontwikkelaars en huurders voldoen nie, veral wat kantoorstrukture betref. Deur oorlegpleging met bedryfsleiers kon die SAISC die spesifieke prestasiekriteria bepaal wat vir die ontwerp, konstruksie en bedryf van toekomstige kantoorgeboue vereis word. Met die gevestigde prestasievereistes in gedagte, het die SAISC 'n sellulêre balk modulêre toegangsvloer-kantoorgeboustelsel (CBS-stelsel) ontwikkel wat aan alle kriteria kan voldoen. Die stelsel bestaan uit twee dele wat in sinergie werk: (1) die strukturele komponente van die boustelsel, wat bestaan uit horisontale sellulêre balkgedeeltes en vertikale kolomme (2) die geprofileerde staaldekvloerstelsel (SD-stelsel) wat aan geheg is die onderkant van die horisontale strukturele lede. Die stelsel behels geen nat werk nie, met die bedoeling om 'n boustelsel te hê wat in modules buite die perseel saamgestel kan word, op 'n vragmotor vervoer kan word en vinnig en veilig op die perseel opgerig kan word in 'n menigte moontlike konfigurasies om argitektoniese vryheid toe te laat, terwyl standaardisering van die modules. Die liggewig aard en vloerstelsel wat in die CBS-ontwerp geïmplementeer is, het egter die brandweerstand van die betrokke stelsel geplaas. Hierdie proefskrif vorm deel van 'n menigte studies wat uitgevoer is om die brandgradering vir die CBS-stelsel eksperimenteel en numeries te kwantifiseer. 'n Uitgebreide eksperimentele program is as deel van hierdie werk uitgevoer, wat wissel van kleinskaalse materiaaltoetse tot mediumskaalse vierpuntbuigtoetse van die vloerstelsel en grootskaalse standaardbrandtoetse. Die hoof eksperimentele toets wat uitgevoer is, was 'n grootskaalse standaardbrandtoets van 'n eksperimentele raam (wat strek oor 5,66 m en 3,64 m breed) wat volgens die ontwerpaspekte van die CBS-stelsel gebou is. Die resultate van die toets was positief aangesien die struktuur in staat was om lasdravermoë deur die hele duur van die toets te handhaaf, met geen groot strukturele mislukking wat plaasgevind het nie. Verder was die horisontale strukturele elemente defleksies goed binne die gespesifiseerde perke vir brandontwerp, en die vloerstelsel het amper die vereiste brandgradering behaal met betrekking tot die isolasiebrandgrenstoestandkriteria Met behulp van die data verkry uit die eksperimentele program, en deur die gebruik van die Eindige Element Metode, is talle eksperimentele modelle ontwikkel om die termomeganiese reaksie van die CBS-stelsel, en die buig- en termiese werkverrigting van die vloerstelsel wat in die CBS geïmplementeer moet word, te ondersoek ontwerp. Die numeriese modelle was in staat om die termiese gedrag van die vloerstelsel en die termiese spanning prestasie van die horisontale strukturele elemente van die eksperimentele raam wat in die grootskaalse standaard brandtoets getoets is, suksesvol te voorspel.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Large-scale experimental testing, UCTD, Fire resistant materials industry, Cellular beams, Modular construction industry, Structural steel, Decking materials