Jeremy P Ingham  1 

Forensic engineering of fire­damaged concrete structures 

Jeremy P Ingham, Halcrow Group Limited, London, UK 

Abstract There has never been a greater need for concrete buildings, tunnels and other infrastructure to be  assessed  for  damage  following  fires.  Fortunately,  even  after  a  severe  fire,  concrete structures  are  often  capable  of  being  repaired  rather  than  demolished.  This  provides substantial  savings  in  capital  expenditure  and  also  savings  in  consequential  losses,  by permitting earlier reoccupation. 

An  assessment  of  fire  damage  by  competent  persons  is  required  before  any  repairs  can  be specified. This paper describes the role of structural and materials engineers in the successful fire damage assessment of concrete structures. Practical guidance is provided for conducting the assessment, design and repair of fire­damaged concrete structures in accordance with the recently  published  Concrete  Society  Technical  Report  No.  68.  Forensic  engineering procedures  described  include  on­site  inspection  and  testing  techniques,  laboratory  testing, structural  fire  analysis  and  concrete  repair  methods.  This  paper  draws  on  a  wide  range  of actual fire damage investigations undertaken by the author and a case study example has been included. 

Introduction The  current  cost of  building  fires  in  the United Kingdom  is  thought  to  exceed  two million pounds per day. This cost  is  likely  to  rise as  the number of  building  fires  has  increased by more  than  a  100%  over  the  last  50  years  (Office  of  the  Deputy  Prime  Minister,  2006). Consequently,  there  has  never  been  a  greater  need  for  structures  to  be  assessed  for  fire damage to ensure safety and enable appropriate repairs to be planned and executed. 

Concrete  buildings  most  likely  to  be  subjected  to  fire  include  private  and  public  buildings such as offices, warehouses, and schools. Other common scenarios involve vehicle fires in car parks or concrete lined tunnels. In recent years a number of notable fires have occurred during construction of concrete framed buildings, when formwork and falsework has caught fire (see case study). Fortunately, even after a severe fire, concrete structures are generally capable of being repaired rather than demolished. Tovey and Crook (1986a and 1986b) summarised the information gathered from over 100 concrete structures damaged by fire. They found that the structures almost always performed well in response to fire. They were usually repaired and returned  to  service  and  in  the  few  cases  that  they  were  demolished  and  replaced,  it  was generally for reasons other than the fire­damage.

Jeremy P Ingham  2 

In the aftermath of a fire the focus is on immediate measures for securing public safety. In the United Kingdom,  the  fire  brigade will usually  secure  the building and may call  in  the  local Building Control Officer to make an assessment of the stability of the structure. The Building Control  Officer  may  require  parts  of  the  structure  to  be  demolished  or  stabilised  before anyone  else  can  enter.  The  responsible  person,  as  defined  in  the  Regulatory  Reform  (Fire Safety) Order (Stationary Office, 2005), is required to assess whether the building is deemed safe. The Fire and Rescue Authority can request that compliance with the requirements of the fire  safety  order  is  demonstrated. The  authority  has  the  powers  to  take  enforcement  action where requirements of the order are breached or where a serious risk to life exists. Often the authority will also be notified by the police, who may investigate arson. 

Once the immediate concerns have been dealt with, the insurer or owner may commission an investigation of the damage. These parties will often have a major interest in finding the most cost  effective  solution  for  repairing  the  structure. Guidance  for  the  assessment,  design  and repair of  fire­damaged concrete structures  is provided  in Concrete Society Technical Report No. 68 (Concrete Society, 2008) and in the most concise terms this consists of the following stages: 

1)  Preliminary inspection 2)  Assessment of damage 3)  Testing and detailed assessment 4)  Design of repairs to structural elements 5)  Implementation of structural repairs 

The effect of fire on concrete structures Concrete  is  the  worlds  most  widely  used  construction  material,  commonly  being  made  by mixing  Portland  cement with  aggregate  and water.  Structural elements  are  frequently  built with reinforced or prestressed concrete. Reinforced concrete is a concrete usually containing steel bars, which is designed on the assumption that the two materials act together in resisting tensile  forces.  Prestressed  concrete  contains  steel  tendons  that  are  tensioned  to  introduce precompression, which counteracts tensile stresses during service to prevent cracking. When considering  the  effects  of  fire  on  structural  concrete  elements,  the  deleterious  reactions undergone  by  both  concrete  and  any  reinforcement  bars  (or  prestressing  tendons)  must  be considered. 

Heating of concrete in a fire causes a progressive series of mineralogical and strength changes that are  summarised  in Table 1. The strength of  concrete after  cooling  varies depending on temperature  attained,  the  heating  duration,  mix  proportions,  aggregates  present  and  the applied  loading  during  heating.  For  temperatures  up  to  300°C,  the  residual  compressive strength  of  structural­quality  concrete  is  not  significantly  reduced,  while  for  temperatures greater than 500°C the residual strength may be reduced to only a small fraction of its original value. 300ºC is normally taken to be the critical temperature above which, concrete is deemed to have been significantly damaged. 

Spalling  of  the  surface  layers  is  a  common  effect of  fires  and may  be grouped  into  two or more types. Explosive spalling is erratic and generally occurs in the first thirty minutes of the fire. A slower spalling (referred to as 'sloughing off') occurs as cracks form parallel to the fire­ affected  surfaces  leading  to  a  gradual  separation  of  concrete  layers  and  detachment  of  a section of concrete along some plane of weakness, such as a layer of reinforcement. Also, the

Jeremy P Ingham  3 

thermal incompatibility of aggregates and cement paste causes stresses which frequently lead to cracks, particularly in the form of surface crazing. Thermal shock caused by rapid cooling from fire­fighting water may also cause cracking.  In addition, concrete structures may deform during fire by expansion and bowing. Such deflections can have an important impact on the future serviceability of the structure. 

The  colour  of  concrete  can  change  as  a  result  of  heating,  which  is  apparent  upon  visual inspection. In many cases a pink/red discolouration occurs above 300°C, which is  important since it coincides approximately with the onset of significant  loss of strength due to heating. Any  pink/red  discoloured  concrete  should  be  regarded  as  being  suspect  and  potentially weakened (Ingham and Tarada, 2007). 

Table  1  – Summary  of mineralogical  and  strength  changes  to  concrete  caused  by heating (modified from Concrete Society TR68, 2008). 

Changes caused by heating Heating temperature  Mineralogical changes  Strength changes 70–80°C  Dissociation of ettringite 105°C  Loss of physically bound water in aggregate and cement 

matrix commences, increasing capillary porosity 120–163°C  Decomposition of gypsum 

Minor loss of strength possible 

(<10%) 250–350°C  Oxidation of iron compounds causing pink/red 

discolouration of aggregate.  Loss of bound water in cement matrix and associated degradation becomes 

more prominent 450–500°C  Dehydroxylation of portlandite. Aggregate calcines and 

will eventually change colour to white/grey 

Significant loss of strength 

commences at 300ºC 

573°C  5% increase in volume of quartz (α­to β­quartz transition) causing radial cracking around the quartz 

grains in the aggregate 600–800°C  Release of carbon dioxide from carbonates may cause a 

considerable contraction of the concrete (with severe microcracking of the cement matrix) 

800–1200°C  Dissociation and extreme thermal stress cause complete disintegration of calcareous constituents, resulting in whitish­grey concrete colour and severe microcracking 

Concrete not structurally useful after heating in temperatures in excess of 500– 

600ºC 

1200°C  Concrete starts to melt 1300–1400°C  Concrete melted 

Significant  loss  of  strength  of  reinforcing  steel  may  occur  while  the  steel  is  at  high temperature. This  is  usually  responsible  for  any  excessive  residual  deflections  of  structural elements.  However,  recovery  of  yield  strength  after  cooling  is  generally  complete  for temperatures up to 450°C for cold worked steel and 600°C for hot rolled steel. Above these temperatures, there will be a loss in yield strength after cooling. 

The effect of high temperature is more critical on prestressing steel than on reinforcing steel. At  temperatures of 200­400ºC, steel prestressing  tendons show considerable  loss of  strength (>50% loss at about 400°C). In terms of re­use, a more important factor is the effect of heat upon the tension of the steel. Loss of tension may be contributed to by loss of elastic modulus in the concrete, increased relaxation due to creep and non­recoverable extension of tendons.

Jeremy P Ingham  4 

Assessment of fire­damaged concrete structures The aim of an assessment of a fire­damaged concrete structure is to propose appropriate repair methods  or  to  decide  whether  demolition  of  elements  or  the  whole  structure  is  more appropriate  (Concrete  Society,  2008).  The  assessment  process  should  determine  the following:

•  Depth of damage (spalling) or loss in strength of the concrete. •  Loss in strength of steel reinforcement or embedded structural steel elements. •  Damage or distress to the structure from movement, settlement or imposed loads. 

The  assessment  can  follow  the  two  methodologies  described  below  (these  can  be  used separately or combined depending on the nature of the fire and of the structure): 

1.  Test  the  fire­damaged  concrete  to  directly  assess  the  concrete  quality.  Typically involving:

•  Visual inspection and hammer soundings. •  Non­destructive testing. •  Coring, sampling and subsequent laboratory testing. 

2.  Estimate the fire severity so as to deduce temperature profiles and hence to calculate the residual strength of the concrete and the reinforcement. Typically involving:

•  Evaluation  of  fire  severity  –  This  can  be  performed  based  on  debris  examination  or applying numerical evaluation methods, such as computational fluid dynamics.

•  Determination of  temperature­profiles – This may be performed by applying  numerical methods or simpler calculation techniques.

•  Assessment of residual strength of the concrete. 

With both methodologies, the result will be a damage classification, which may be used in the selection  of  appropriate  repair  techniques.  Ideally  this  should  be  provided  on  drawings showing the actual condition of the fire­damaged structure. The assessment needs to provide sufficient  information to finally prepare detailed drawings with instructions on how to repair the structure. 

On­site investigation techniques Prior  to undertaking on­site  inspection the  investigator must be satisfied that the structure is safe to enter. Temporary falsework (props) may be required to secure individual members and stabilise  the  structure  as  a whole.  The primary  on­site  investigation  technique  is  the  visual inspection, which  records  such  features  as  collapse,  deflections,  spalling,  cracking,  surface crazing and smoke damage. Importantly, certain colour changes of the concrete aggregate can often  be used  to  identify  the  presence  and  extent  of  damaged material.  A  small  hammer  is commonly  used  to  conduct  a  tapping  survey  that will  detect  hollow  sounding  delaminated material. 

A site specific classification scheme for the damage would normally be devised. An example of  such  a  fire  damage  classification  is  provided  in  Concrete  Society  TR  68,  and  this  is

Jeremy P Ingham  5 

summarised  in Table 2. This classification uses visual  indications of damage  to assign each structural member a class of damage  from 0  to 4. Each damage classification number has a corresponding category of repair, ranging from decoration to major repair. 

Table 2: Simplified visual concrete fire damage classification (modified from Concrete Society TR 68, 2008). 

Features observed Class of damage  Finishes  Colour  Crazing  Spalling  Reinforcement 

bars Cracks/ Deflection 

0 (Decoration required) 

Unaffected  Normal  None  None  None exposed  None 

1 (Superficial repair required) 

Some peeling 

Normal  Slight  Minor  None exposed  None 

2 (General repair required) 

Substantial loss 

Pink/red i)  Moderate  Localised  Up to 25% exposed 

None 

3 (Principal repair required) 

Total loss  Pink/red i) Whitish grey ii) 

Extensive  Considerable  Up to 50% exposed 

Minor/ None 

4 (Major repair required) 

Destroyed  Whitish grey ii) 

Surface lost 

Almost total  Up to 50% exposed 

Major/ Distorted 

i)  Pink/red discolouration  is due  to oxidation of  ferric  salts in aggregates and  is not always present and seldom in calcareous aggregate. 

ii)  White­grey discolouration due  to  calcination of  calcareous  components of cement matrix and  (where present) calcareous or flint aggregate. 

A  number  of  complimentary  non­destructive  techniques  can  be  used  to  assess  material strength  in­situ. These  include Schmidt  (rebound) hammer, ultrasonic pulse velocity (UPV), penetration resistance test (Windsor probe) and drilling resistance tests. Samples of damaged material (and undamaged references) may be removed for  laboratory investigation. Concrete samples are typically obtained by diamond drilling of cores or by careful extraction of  lump samples, while samples of steel reinforcement are cut out using an angle grinder. 

Laboratory based investigation techniques A number of laboratory tests are available to aid the investigator in determining concrete and reinforcement  condition.  Of  the  concrete  tests  the  two  most  useful  are  petrographic examination  and compressive strength. Petrographic examination  is  the definitive  technique for determining the depth of  fire damage  in concrete (Ingham, 2007). It  is performed  in the laboratory  by  experienced  concrete  petrographers,  using  optical  microscopes  in  accordance with ASTM C856 (ASTM International, 2004). The technique involves visual and low­power optical  microscopical  examination  of  the  as­received  sample,  followed  by  a  more  detailed high­power optical microscopical examination of prepared thin­section specimens.

Jeremy P Ingham  6 

It  is  advisable  to  assess  the  strength  of  the  unaffected  concrete  to  confirm  the  design assumptions. The most direct method of estimating the compressive strength of concrete is by testing core samples cut  from the structure. The test procedure is given  in Part 3 of BS EN 12390 (British Standards Institution, 2002). The main value of core testing is to determine the original strength of the concrete and hence should be carried out in areas that have not been affected by the fire. 

A  number  of  other  laboratory  tests  have  been  used  to  investigate  fire­damaged  concrete. These  include  thermoluminescence,  scanning electron microscopy  (SEM) and mineralogical analysis  by  X­ray  diffraction  (XRD).  Thermal  analytical  methods  used  include  differential thermal  analysis  (DTA),  thermal  gravimetric  analysis  (TGA)  and  derivative thermogravimetric  analysis.  To  date,  these  methods  have  been  used  mainly  for  academic research and are not routinely used to investigate fire­damaged structures commercially. 

Samples  of  steel  reinforcement  can  be  laboratory  tested  for  yield,  elongation  and  tensile strength.  The  results  should  be  compared with  the  relevant  standard  for  the  grade  of  steel concerned. 

Modelling of fire­damaged concrete As an alternative or addition to inspection and testing, predictive fire engineering tools, such as empirical equations or computer modelling used  in design, can be used to assess the  fire severity  in  the  structure.  These  predictions  are  based  on  the  fire  load  in  the  building, ventilation conditions, compartment size and shape and properties of wall linings. An estimate of  the  fire  time:temperature  curve  can  be  based  on  the  heat­release,  the  characteristic temperatures at flashover, the expected gas temperatures during a fully developed phase of the fire and the area of window openings providing ventilation to the fire. An assessment with a finite  element  Computer  Fluid  Dynamics  program  might  then  allow  hot  spots  to  be determined. Once a credible  time:temperature distribution within  the compartment  has been determined, an assessment of the temperatures within the concrete is possible without relying solely on site inspections and laboratory testing. As a result of heat transfer analysis it may be possible to reduce the amount of testing. 

Design and implementation of repairs Repairs  to  a  fire­damaged  concrete  structure  should  provide  the  strength,  fire  resistance, durability  and  appearance  appropriate  to  the  proposed  use  and  projected  design  life  of  the building  (Concrete Society, 2008). The  intended use  for  the structure and  the objectives  for the  repair  should  be  agreed with  the  building  owner  before  commencing  the  design  of  the repair  work.  In  addition,  the  local  authority  should  be  consulted  regarding  the  need  for approval under the Building Regulations for the proposed reinstatement and repair works. In general the design of the repaired sections of the building should comply with current codes of practice. However, the damaged structure may have been designed to out of date codes of practice. Consequently, it may be necessary to formulate a strategy for the structural design of the repaired section of the building which is compatible with the original design. In addition, limitations may be imposed on the restoration of listed buildings. The designer should prepare key  plans  of  each  area  showing  the  location  of  the  repair  work.  In  addition  to  the  design drawings  and  details,  the  designer  should  prepare  detailed  material  and  workmanship specifications  for  the  repair  work.  These  should  include  full  information  on  the  repair materials and the means for ensuring quality control.

Jeremy P Ingham  7 

Regarding  repair,  at  best  members  may  need  no  structural  repair  as  they  have  sufficient residual  strength,  and  at  worst  demolition  will  be  required.  Concrete  element  repair  will usually  include  three main processes,  the  first being  removal of damaged concrete by using either power breakers or water  jetting. After a severe  fire  it  is  likely that the second process will comprise removal of weakened reinforcement and connection of new reinforcement. The final  part  of  the  repair  stage  will  comprise  reinstatement  of  concrete  to  provide  adequate structural capacity, the necessary durability and fire resistance, and an acceptable appearance. An  alternative  to  providing  additional  steel  reinforcement  is  the  use  of  fibre  composite materials (FRPs), bonded to the surface using an epoxy adhesive. 

Case study of a fire­damaged concrete structure An investigation was commisioned to determine the extent of damage caused by a large fire to the  reinforced  concrete  frame  of  a  ten­storey  building  (Figure  1).  The  fire  started  during construction and swept through three whole storeys, burning the wooden formwork that was still in­situ after placement of the upper three concrete floor slabs. 

The damage assessment was divided  into two phases. The  first phase consisted of a  limited trial  of  on­site  visual  inspection  and  petrographic  examination  of  twenty  concrete  core samples in the laboratory. On­site inspection revealed that the fire was unusual as the seat of fire was  very extensive. The worst damage comprised spalling  associated with combustible plastic spacers for the reinforcement bars that were cast into the flat soffits of the floor slabs (Figure 2). The damage to floor slab soffits was typically classified as Class 2 in accordance with Table 2. It was noted that certain  fine aggregate particles  in the  fire­damaged concrete exhibited red discolouration. Laboratory testing (by petrographic examination) confirmed that the fine aggregate of the concrete contained a proportion of flint particles that exhibited well defined  colour  changes  (reddening)  as  a  result  of  heating.  The  results  of  the  phase  1 investigation  indicated  that  the  structure  could  be  repaired  and  that  colour  changes  in  the concrete aggregate could be to used determine the position of  the 300ºC contour throughout each  structural  element.  An  economic  study  determined  that  the  repair  option  offered significant cost savings over demolition of the affected floors, by reducing capital expenditure and enabling earlier hand over of the building. A large scale programme of visual  inspection and concrete and reinforcement bar testing was then undertaken to determine the depth of fire damage to every structural element (phase 2 assessment). 

Overall,  although  the  fire damage was widespread  it was generally confined  to the outer 5­ 30mm of the slab soffits and some columns. Strength testing of steel reinforcement samples indicated that the steel had not been significantly affected by heating. It was concluded that despite the fire being widespread the damage was eminently repairable. This had been aided by the presence of formwork that had afforded the slab soffits a degree of protection and the relatively short duration of fire due to a lack of combustible material. The combined findings of the phase 1 and 2 assessments were then used to draw up a repair specification. 

The repairs comprised cutting away the damaged cover concrete on the floor slab soffits and columns, either  by water  jetting or manual  breaker  (usually a  large  hammer action drill).  It was  found  that  removing  concrete manually  using  a  breaker was more  accurate  than water jetting as the water jet left variations in relief of up to 30mm on the concrete surface (Figure 3).  This  high  relief  did  have  the  advantage  of  providing  an  excellent  key  for  the  sprayed concrete to adhere  to the original  concrete. The original depth of cover was  then  reinstated with sprayed concrete (Figure 4).

Jeremy P Ingham  8 

Figure 1: View of the exterior of the fire­damaged reinforced concrete frame. 

Figure 2: View of the interior of the fire­damaged reinforced concrete structure showing a spalled floor slab soffit and burnt formwork debris.

Jeremy P Ingham  9 

Figure 3: Comparison of two different methods of removing damaged concrete. Water jetting (left) with much greater relief than manual removal by breaker (right). 

Figure 4: Application of sprayed concrete to repair a floor slab soffit following removal of the fire­damaged concrete.

Jeremy P Ingham  10 

Conclusions The relatively high fire resistance of concrete means that fire­damaged concrete structures are often  capable  of  being  repaired  rather  than  replaced.  Specialist  structural  and  materials engineers can assess fire­damaged structures using a range of forensic engineering techniques and specify well­informed repair  solutions. As an alternative  to demolition  this can provide substantial  savings  in  capital  expenditure  and  also  savings  in  consequential  losses,  by permitting  earlier  reoccupation.  Current  guidance  for  undertaking  assessment,  design  and repair of fire­damaged concrete structures is available in Concrete Society TR 68. 

References ASTM  International.  2004.  Standard  practice  for  the  petrographic  examination  of  hardened concrete. ASTM C856­04. Philadelphia, USA. 

British  Standards  Institution,  2002.    BS  EN  12504.  Testing  hardened  concrete,  Part  3: Compressive strength of test specimens, BSI, London. 

The  Concrete  Society.  2008.  Assessment,  design  and  repair  of  fire­damaged  concrete structures. Technical Report 68. The Concrete Society, Camberley. 

Ingham,  J.  P.  2007.  Assessment  of  fire­damaged  concrete  and  masonry  structures:  the application of petrography. Proceedings of  the 11th Euroseminar on Microscopy Applied to Building Materials, Porto, 5­9 June 2007. 

Ingham, J. P. and Tarada, F. 2007. Turning up the heat  ­ full service  fire safety engineering for concrete structures. Concrete, October, 27­30. 

Office  of  the Deputy  Prime Minister.  2006.  Fire  statistics, United Kingdom,  2004.  ODPM Publications. 

The  Stationary  Office.  2005.  The  Regulatory  Reform  (Fire  Safety)  Order,  Statutory Instrument 2005 No. 1541, Stationery Office, London. 

Tovey, A. K. and Crook, R. N. 1986a. Experience of  fires  in concrete structures, Concrete, Vol. 20, No. 8, August, 19–22. 

Tovey, A. K. and Crook, R. N. 1986b. Experience of fires  in concrete structures, Evaluation and  repair  of  the  damage  to  concrete,  Special  Publication  SP  92,  American  Concrete Institute, Detroit, 1–14.