Post-fire properties of bolt steel, quenched and tempered in the production process

• Autorzy: Król Paweł A.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2025.154130

Warianty tytułu

PL

Po-pożarowe właściwości mechaniczne stali śrubowej, ulepszanej termicznie przez hartowanie i odpuszczanie w procesie produkcyjnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents results of a static tensile test of standardized machined test pieces of round cross-section made of 32CrB3 alloy steel, quenched and tempered in the production process, subjected to environmental actions simulating an extraordinary fire situation. The tests were aimed at assessing the impact of simulated fire conditions on the residual mechanical properties of the analysed steel used to produce grade 8.8 steel construction bolts. The tests involved variants of the maximum temperature applied in the soaking process, exposure time to specific thermal conditions, and the cooling method. The specimens were soaked at temperatures of 600˚C, 650˚C, 700˚C, 750˚C, 800˚C, 900˚C, and 1000˚C for periods of 30', 60', 120' and 240', respectively, and varied cooling methods were applied during the tests. The first batch of specimens, after soaking, was cooled naturally, left to cool down freely at ambient temperature. In the case of the second batch, the specimens were rapidly cooled by immersion in water until they cooled completely, thus simulating the effect of an intensive firefighting operation. The analysis relates to variability of values of the following post-fire parameters obtained in the static tensile test: ultimate tensile strength – fu,θ,post, yield point – fy,θ,post, modulus of elasticity – Ea,θ,post, ultimate strain at maximum force – εu,θ,post, strain at fracture – εf,θ,post, percentage elongation after fracture – A5,θ,post, and percentage reduction of area – Zθ,post, depending on the temperature and soaking time, as well as the cooling method applied. The results were compared with those reported in the literature. The values of retention factors and recovery factors were determined.

PL

W artykule zaprezentowano wyniki statycznej próby rozciągania próbek znormalizowanych wykonanych ze stali stopowej o symbolu 32CrB3, ulepszonej termicznie w procesie produkcyjnym, poddanych oddziaływaniom środowiskowym symulującym nadzwyczajną sytuację pożaru. Celem badań było dokonanie oceny wpływu symulowanych warunków pożarowych na rezydualne właściwości mechaniczne analizowanej stali, stosowanej do wytwarzania śrub budowlanych klasy 8.8. W badaniach wariantowano wartości maksymalnej temperatury w procesie wygrzewania, czas ekspozycji na dane warunki termiczne i zastosowany sposób chłodzenia. Próbki wygrzewano w temperaturze 600˚C, 650˚C, 700˚C, 750˚C, 800˚C, 900˚C i 1000˚C przez okres odpowiednio 30’, 60’, 120’ i 240’, w badaniach dodatkowo uwzględniono zróżnicowany sposób chłodzenia. Pierwszą partię próbek, po wygrzaniu, studzono w sposób naturalny, pozwalając im ostygnąć swobodnie w warunkach temperatury otoczenia. W przypadku drugiej partii, śruby wystudzono w sposób gwałtowny, przez zanurzenie w wodzie aż do całkowitego wystudzenia, symulując tym samym efekt intensywnie prowadzonej akcji ratunkowo-gaśniczej. Analizie poddano zmienność wartości typowych parametrów po-pożarowych, możliwych do uzyskania w statycznej próbie rozciągania: nośności na rozciąganie – fu,θ,post, granicy plastyczności – fy,θ,post, modułu sprężystości podłużnej Younga – Ea,θ,post, odkształcenia granicznego przy maksymalnej sile – εu,θ,post, odkształcenia w chwili zerwania – εf,θ,post, wydłużenia względnego po zerwaniu – A5,θ,post oraz przewężenia względnego - Zθ,post, w zależności od temperatury i czasu wygrzewania oraz zastosowanej metody chłodzenia. W każdej z serii przebadano po 3 próbki, celem weryfikacji poprawności i powtarzalności uzyskanych wyników. Uzyskane wyniki porównano z wynikami raportowanymi w literaturze. Wyznaczono wartości współczynników retencji oraz współczynników odzysku.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 71, nr 2
• Strony: 429--450
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Król Paweł A.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-2586-5492

Bibliografia

• [1] M. Maślak and G. Żwirski, “Zmiany strukturalne w stali konstrukcyjnej wywołane epizodami jej nagrzewania i stygnięcia podczas pożaru” (“Changes in Structural Steel Microstructures Following Heating and Cooling Episodes in Fires”), Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza, vol. 48, no. 4, 2017, pp. 34-52, doi: 10.12845/bitp.48.4.2017.2.
• [2] P.A. Król and M. Wachowski, “Effect of Fire Temperature and Exposure Time on High-Strength Steel Bolts Microstructure and Residual Mechanical Properties”, Materials, vol. 14, no. 11, art. no. 3116, 2021, doi: 10.3390/ma14113116.
• [3] PN-EN 1993-1-1: 2006-06 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków (Design of steel structures – Part 1–1: General rules and rules for buildings). Warszawa: PKN, 2006.
• [4] PN-EN 1993-1-12: 2008-12 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-12: Reguły dodatkowe rozszerzające zakres stosowania EN 1993 o gatunki stali wysokiej wytrzymałości do S 700 włącznie (Design of steel structures – Part 1-12: Additional rules for the extension of EN 1993 up to steel grades S 700). PKN, 2008.
• [5] T. Molkens, K.A. Cashell, and B. Rossi, “Post-fire mechanical properties of carbon steel; and safety factors for the reinstatement of steel structures”, Engineering Structures, vol. 234, art. no. 111975, 2021, doi: 10.1016/j.engstruct.2021.111975.
• [6] V.Kodur, S. Kand, and W. Khaliq, “Effect of temperature on thermal and mechanical properties of steel bolts”, Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE), vol. 24, no. 6, pp. 765-774, 2012, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000445.
• [7] V. Kodur, M. Yahyai, A. Rezaeian, M. Eslami, and A. Poormohamadi, “Residual mechanical properties of high strength steel bolts subjected to heating-cooling cycle”, Journal of Constructional Steel Research (ASCE), vol. 131, pp. 122-131, 2017, doi: 10.1016/j.jcsr.2017.01.007.
• [8] A.S. Daryan, and H. Ketabdari, “Mechanical properties of steel bolts with different diameters after exposure to high temperatures”, Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE), vol. 31, no. 10, 2019, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002865.
• [9] G.-B. Lou, S. Yu, R. Wang, and G.-Q. Li, “Experimental study on mechanical properties of high-strength bolts after fire”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Structures and Buildings, vol. 165, no. 7, 2012, pp. 373-383, doi: 10.1680/stbu.11.00015.
• [10] F. Hanus, G. Zilli, and J.-M. Franssen, “Behaviour of grade 8.8 bolts under natural fire conditions – Test and model”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 67, no. 8, pp. 1292-1298, 2011, doi: 10.1016/j.jcsr.2011.03.012.
• [11] S.K. Mushahary, K.D. Singh, and S.A. Jayachandran, “Tensile and shear strength of 10.9 grade bolts in heating and cooling fire”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 197, art. no. 107503, 2022, doi: 10.1016/j.jcsr.2022.107503.
• [12] C. Maraveas and Z. Fasoulakis, “Post-fire mechanical properties of structural steel”, presented 8th National Steel Structures Conference, Tripoli, Greece, 2014.
• [13] C. Maraveas, Z. Fasoulakis, and K.D. Tsavdaridis, “Mechanical properties of High and Very High Strength Steel at elevated temperatures and after cooling down”, Fire Science Reviews, vol. 6, no. 3, 2017, doi: 10.1186/s40038-017-0017-6.
• [14] C. Maraveas, Z. Fasoulakis, and K.D. Tsavdaridis, “Post-Fire Assessment and Reinstatement of Steel Structures”, Journal of Structural Fire Engineering, vol. 8, no. 2, pp. 181-201, 2017, doi: 10.1108/JSFE-03-2017-0028.
• [15] X-Q. Wang, Z. Tao, and Md K. Hassan, "Post-fire behavior of high-strength quenched and tempered steel under various heating conditions", Journal of Constructional Steel Research, vol. 164, art. no. 105785, 2020, doi: 10.1016/j.jcsr.2019.105785.
• [16] Z. Tao, X.Q.Wang, and B. Uy, “Stress-strain curves of structural and reinforcing steels after exposure to elevated temperatures”, Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE), vol. 25, no. 9, pp. 1306-1316, 2013, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000676.
• [17] Z. Chen, J. Lu, H. Liu, and X. Liao, “Experimental study on the post-fire mechanical properties of high-strength steel tie rods”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 121, pp. 311-329, 2016, doi: 10.1016/j.jcsr.2016.03.004.
• [18] H. Katebdari, A.S. Daryan, and N. Hassani, “Predicting post-fire mechanical properties of grade 8.8 and 10.9”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 162, no. 105735, 2019, doi: 10.1016/j.jcsr.2019.105735.
• [19] PN-EN ISO 6892-1:2020-05 Metale – Próba rozciągania – Część 1: Metoda badania w temperaturze pokojowej (Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at room temperature). PKN, 2022.
• [20] “Regulation of the Minister of Infrastructure of 12 April 2002 on the technical conditions which should be met by buildings and their location”, Journal of Laws of the Republic of Poland, 2022, item 1225 (in Polish).
• [21] PN-EN ISO 898-1:2013-06 Własności mechaniczne części złącznych wykonanych ze stali węglowej oraz stopowej – Część 1: Śruby i śruby dwustronne o określonych klasach własności – Gwint zwykły i drobnozwojny (Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel – Part 1: Bolts, screws and studs with specified property class – Coarse thread and fine pitch thread). PKN, 2013.
• [22] P.A. Król, “Post-fire behavior and residual capacity of high-strength grade 8.8 steel bolts”, Archives of Civil Engineering, vol. 70, no. 3, pp. 85-100, 2024, doi: 10.24425/ace.2024.150972.
• [23] K. Maciejewski, Y. Sun, O. Gregory, and H. Ghonem, “Time-dependent deformation of low carbon steel at elevated temperatures”, Materials Science and Engineering: A, vol. 534, pp. 147-156, 2012, doi: 10.1016/j.msea.2011.11.053.
• [24] M. Maślak, K. Pancikiewicz, M. Pazdanowski, M. Stankiewicz, P. Woźniczka, and P. Zajdel, „Quantification of the Post-Fire Strength Retention Factors for Selected Standard Duplex and Lean Duplex Stainless Steel Grades”, Materials, vol. 17, no. 2, 2024, doi: 10.3390/ma17020371.
• [25] P-C. Peng, J-H. Chi, and J-W. Cheng, “A study on behavior of steel structures subjected to ire using non-destructive testing”, Construction and Building Materials, vol. 128, pp. 170-175, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.07.056.
• [26] S. Rudnik, Metaloznawstwo, wyd. 4. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1998.
• [27] PN-EN 1993-1-2 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-2: Reguły ogólne – Obliczanie konstrukcji z uwagi na warunki pożarowe (Design of Steel Structures – Part 1–2: General Rules – Structural Fire Design). PKN, 2007.
• [28] PN-EN 1993-1-8 Eurokod 3 Projektowanie konstrukcji stalowych – Część 1-8: Projektowanie węzłów (Design of Steel Structures – Part 1-2: Design of joints). PKN, 2006.