Study of the behavior of reinforced concrete columns under fire conditions (considering spalling)

Abstract

This study examines the fire behavior of reinforced concrete (RC) columns, with a focus on spalling a critical phenomenon in which heated concrete detaches violently due to pore pressure, thermal stresses, and material degradation. Spalling significantly reduces the cross-sectional area and thermal insulation of structural elements, accelerating reinforcement heating and compromising structural integrity. The work reviews the underlying mechanisms of spalling, categorizing it into surface spalling, explosive spalling, and aggregate ejection. Key contributing factors such as high moisture content, rapid heating rates, and low permeability are discussed, along with the physical and chemical changes occurring in concrete during fire, including vaporization and thermal incompatibility. Preventive strategies and relevant design codes aimed at mitigating spalling are also reviewed. Numerical simulations were conducted using SAFIR software, employing coupled thermomechanical finite element analysis to model the progressive loss of concrete cover. The results demonstrate that spalling accelerates heat penetration, reduces fire resistance, and leads to earlier structural failure. Parametric studies further reveal the sensitivity of fire performance to factors such as cover thickness and column dimensions. This work underscores the importance of incorporating spalling effects into structural fire design to enhance the safety and resilience of RC structures under fire conditions ---------------------------------------------------------------------------------- (Spalling)، وهي ظاهرة حرجة يحدث فيها انفصال عنيف للخرسانة عند تسخينها نتيجة تراكم ضغط البخار، والإجهادات الحرارية، وتدهور المادة. يؤدي التقشر إلى تقليل مساحة المقطع العرضي الفعالة وعزل الخرسانة الحراري، مما يُسرّع من ارتفاع درجة حرارة التسليح ويُضعف السلامة الإنشائية للعنصر. تستعرض هذه الدراسة الآليات الأساسية التي تؤدي إلى التقشر، مع تصنيف أنواعه إلى: التقشر السطحي، التقشر الانفجاري، وقذف الركام. كما تم تحليل العوامل الرئيسية المساهمة في حدوث هذه الظاهرة مثل ارتفاع نسبة الرطوبة، وسرعة التسخين العالية، وضعف النفاذية، بالإضافة إلى التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث داخل الخرسانة أثناء الحريق، بما في ذلك تبخر المياه وعدم التوافق الحراري بين مكوناتها. كما تستعرض الدراسة استراتيجيات الوقاية من التقشر والمعايير التصميمية ذات الصلة، والتي تهدف إلى التقليل من مخاطره وتحسين أداء الخرسانة المسلحة تحت ظروف الحريق. تم إجراء محاكاة رقمية باستخدام برنامج SAFIR، حيث تم تطبيق تحليل العناصر المحدودة الحراري-الميكانيكي المزدوج لمحاكاة الفقدان التدريجي لغطاء الخرسانة. أظهرت النتائج أن التقشر يسرّع انتقال الحرارة، ويقلل من مقاومة الحريق، ويؤدي إلى انهيار مبكر للعنصر الإنشائي. كما أظهرت الدراسات البارامترية أن أداء الخرسانة المسلحة تحت تأثير الحريق حساس لعدة عوامل مثل سماكة الغطاء الخرساني وأبعاد العمود. وتؤكد هذه الدراسة في مجملها على أهمية أخذ تأثيرات التقشر في الاعتبار ضمن تصميم المنشآت لمقاومة الحريق، من أجل تحسين السلامة والموثوقية الإنشائية في ظل ظروف الحريق. --------------------------------------------------------------------------------- Cette étude examine le comportement au feu des colonnes en béton armé (RC), en mettant l'accent sur l'écaillage, un phénomène critique dans lequel le béton chauffé se détache violemment en raison de la pression interstitielle, des contraintes thermiques et de la dégradation du matériau. L'écaillage réduit considérablement la section transversale et l'isolation thermique des éléments structurels, accélérant le chauffage des armatures et compromettant l'intégrité structurelle. Les travaux examinent les mécanismes sous-jacents de l'écaillage, en les classant en écaillage de surface, en écaillage explosif et en éjection d'agrégats. Les principaux facteurs contributifs tels que la teneur élevée en humidité, les vitesses de chauffage rapides et la faible perméabilité sont discutés, ainsi que les changements physiques et chimiques qui se produisent dans le béton pendant le feu, y compris la vaporisation et l'incompatibilité thermique. Les stratégies préventives et les codes de conception pertinents visant à atténuer l'écaillage sont également examinés. Des simulations numériques ont été réalisées à l'aide du logiciel SAFIR, utilisant une analyse thermomécanique couplée par éléments finis pour modéliser la perte progressive de la couverture en béton. Les résultats démontrent que l'écaillage accélère la pénétration de la chaleur, réduit la résistance au feu et entraîne une défaillance structurelle plus précoce. Des études paramétriques révèlent en outre la sensibilité de la performance au feu à des facteurs tels que l'épaisseur de la couverture et les dimensions des colonnes. Ce travail souligne l'importance d'intégrer les effets d'écaillage dans la conception structurelle au feu pour améliorer la sécurité et la résilience des structures RC dans des conditions d'incendie