Post-fire behavior and residual capacity of high-strength grade 8.8 steel bolts

• Autorzy: Król Paweł A.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.150972

Warianty tytułu

PL

Po-pożarowa nośność i sposób zachowania się pod obciążeniem śrub budowlanych o podwyższonej wytrzymałości klasy 8.8

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of experimental research involving assessment of the impact of temperature, fire exposure time, and the applied cooling method on the residual load-bearing capacity of high-strength construction steel bolts quenched and tempered (QT) in the production process, and their behavior under loading. The tests consisted in subjecting the bolts to simulated thermal impacts reflecting the environmental conditions of a real fire. During the experiment, a series of static tensile and shear tests were carried out on M20-8.8 construction bolts, exposed to the temperature of 100°C, 150°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C and 1000°C for the periods of 30', 60', 120', and 240' respectively. Moreover, the research took into account different cooling methods and analyzed their impact. After heating, the first batch of bolts was cooled in air, by allowing them to cool freely in ambient temperature conditions. In the case of the second batch, the bolts were cooled down rapidly by immersion in water, thus simulating the effect of a rescue and firefighting operation. In each series – for statistical reasons – 3 samples were tested in order to verify correctness and repeatability of the results obtained. Residual values of the post-fire tensile strength and the post-fire shear strength were determined. Values of reduction coefficients of the residual post-fire load-bearing capacity were determined as the ratio of the current load-bearing capacity of the bolt subjected to the conditions corresponding to a relevant fire situation to its reference load-bearing capacity in the initial condition. In addition, the article discusses changes in the plasticity and behavior of bolts subjected to the described environmental impacts and points out to the observed failure mechanisms. Attention was drawn to causes of the observed phenomena, the sources of which should be sought in microstructural changes of the bolt material that occur in the process of heating and cooling, depending on the temperature reached during the simulated fire exposure.

PL

W artykule zaprezentowano wyniki badań polegających na ocenie wpływu temperatury, czasu ekspozycji pożarowej i metody chłodzenia na rezydualną nośność łączników wykonanych ze stali śrubowej, uprzednio ulepszanej termicznie w procesie produkcyjnym, oraz sposób ich zachowania pod obciążeniem. W ramach przeprowadzonych badań śruby poddano symulowanym wpływom termicznym, mającym odzwierciedlać warunki środowiskowe realnego pożaru. W trakcie eksperymentu przeprowadzono serię prób statycznego rozciągania i ścinania śrub jakościowych M20-8.8, wygrzewanych w temperaturze 100°C, 150°C, 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, 600°C, 700°C, 800°C, 900°C i 1000°C przez okres odpowiednio 30', 60', 120' i 240'. W badaniach uwzględniono zróżnicowany sposób chłodzenia i przeanalizowano jego wpływ. Pierwszą partię śrub, po wygrzaniu, chłodzono w sposób naturalny, pozwalając im ostygnąć swobodnie w warunkach temperatury otoczenia.W przypadku drugiej partii, śruby wystudzono w sposób gwałtowny, przez zanurzenie w wodzie, symulując tym samym efekt akcji ratunkowo-gaśniczej. W każdej z serii przebadano po 3 próbki, celem weryfikacji poprawności i powtarzalności uzyskanych wyników. Określono wartości rezydualne po-pożarowej nośności na zrywanie oraz po-pożarowej nośności na ścinanie. Wyznaczono wartości współczynników redukcyjnych rezydualnej nośności po-pożarowej, będące stosunkiem aktualnej nośności śruby poddanej warunkom danej sytuacji pożarowej do jej nośności w stanie wyjściowym. Omówiono zmiany w zakresie sposobu zachowania śrub poddanych zadanym oddziaływaniom środowiskowym, jak również wskazano na obserwowane mechanizmy zniszczenia. Zwrócono uwagę na przyczyny obserwowanych zjawisk, których źródeł należy upatrywać w zmianach mikrostrukturalnych materiału śrub, zachodzących w procesie wygrzewania i chłodzenia, w zależności od wysokości temperatury osiągniętej w trakcie ekspozycji pożarowej.

Słowa kluczowe

EN

elevated temperature; exposure time; high strength bolt; steel bolt; load-bearing capacity; residual properties; mechanical properties; post-fire

PL

czas ekspozycji; metoda chłodzenia; nośność; podwyższona temperatura; właściwości rezydualne; właściwości mechaniczne; recyklat; śruba o podwyższonej wytrzymałości; pożar

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 3
• Strony: 85--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 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] “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, 1225, 2022 (in Polish).
• [2] “Construction Law Act of 7 July 1994”, Journal of Laws of the Republic of Poland, 682, 2023 (in Polish).
• [3] “Regulation (EU) No 305/2011 on the European Parliament and of the Council of 9 March 2011 Laying Down Harmonized Conditions for the Marketing of Construction Products and Repealing Council Directive 89/106/EEC (Text with EEA Relevance)”, Official Journal of the European Union L 88/5. [Online]. Available: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2011/305/oj. [Accessed: 13 Jun. 2023].
• [4] EN 1993-1-2 Eurocode 3: Design of Steel Structures – Part 1-2: General Rules – Structural Fire Design. Brussels, Belgium: European Committee for Standardization, 2005.
• [5] EN 1994-1-2 Eurocode 4: Design of Composite Steel and Concrete Structures – Part 1-2: General Rules – Structural Fire Design. Brussels, Belgium: European Committee for Standardization, 2005.
• [6] C.I. Smith, B.R. Kirby, D.G. Lapwood, K.J. Kole, A.P. Cunningham, and R.R. Preston, “The reinstatement of fire damaged steel framed structures”, Fire Safety Journal, vol. 4, no. 1, pp. 21-62, 1981, doi: 10.1016/0379-7112(81)90004-7.
• [7] 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.
• [8] B.R. Kirby, “The behavior of high-strength grade 8.8 bolts in fire”, in Technical Raport SL/HED/R/S1792/1/92/D, British Steel Technical Swinden Laboratories, UK, 1992.
• [9] B.R. Kirby, “The behaviour of high-strength 8.8 grade bolts in fire”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 33, no. 1-2, pp. 3-38, 1995, doi: 10.1016/0143-974X(94)00013-8.
• [10] J. Lange and F. González, “Behavior of high-strength grade 10.9 bolts under fire conditions”, Structural Engineering International, vol. 22, no. 4, pp. 470-475, 2012, doi: 10.2749/101686612X13363929517451.
• [11] 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.
• [12] A. Rezaeian, M. Shafiei, and M. Eskandari, “Effect of temperature on mechanical properties of steel bolts”, Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE), vol. 32, no. 9, art. no. 04020239, 2020, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003314.
• [13] S.S. Kand, “Effect of temperature on thermal and mechanical properties of high strength steel A325 and A490 Bolts”, MSc thesis, Michigan State University, USA, 2011.
• [14] 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.
• [15] 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.
• [16] M. Yanyai, V. Kodur, and A. Rezaeian, “Residual mechanical properties of high-strength steel bolts after exposure to elevated temperature”, Journal of Materials in Civil Engineering (ASCE), vol. 30, no. 10, art. no. 04018240, 2018, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002416.
• [17] 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, art. no. 04019221, 2019, doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002865.
• [18] 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, pp. 373-383, 2012, doi: 10.1680/stbu.11.00015.
• [19] S. Gao, J. Li, L. Guo. Q. Bai, and F. Li, “Mechanical properties and low-temperature impact toughness of high-strength bolts after elevated temperatures”, Journal of Building Engineering, vol. 57, art. no. 104851, 2022, doi: 10.1016/j.jobe.2022.104851.
• [20] 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.
• [21] Y. Hu, S.-L. Tang, A. K. George, Z. Tao, X-Q. Wang, and H.-T. Thai, “Behaviour of stainless steel bolts after exposure to elevated temperatures”, Journal of Constructional Steel Research, vol. 157, pp. 371-385, 2019, doi: 10.1016/j.csr.2019.02.021.
• [22] H.K.D.K. Bhadeshia and R.W.K. Honeycombe, Steels: Microstructure and Properties, 4th ed. Cambridge, MA, USA: Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2017.
• [23] 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.