Zmiany strukturalne w stali konstrukcyjnej wywołane epizodami jej nagrzewania i stygnięcia podczas pożaru

• Autorzy: Maślak M. , Żwirski G.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.48.4.2017.2

Warianty tytułu

EN

Changes in Structural Steel Microstructures Following Heating and Cooling Episodes in Fires

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Cel: Celem artykułu jest krótkie omówienie podstawowych zagrożeń wynikających z epizodów nagrzewania i stygnięcia stali konstrukcyjnej podczas pożaru, które mogą warunkować ewentualne dalsze użytkowanie elementów nośnych z niej wykonanych. Zagrożenia te wiążą się na ogół z termicznie indukowanymi i trwałymi zmianami obserwowanymi w mikrostrukturze stali wystudzonej po zakończeniu ekspozycji na ogień, z reguły niedostrzeganymi wizualnie podczas klasycznej inwentaryzacji przeprowadzanej po pożarze, której celem jest ocena stanu technicznego obiektu. Metody: Struktura artykułu pozwala prześledzić kolejne, potencjalne formy zmian mikrostruktury stali konstrukcyjnej, najpierw inicjowane monotonicznym wzrostem temperatury tego materiału, a następnie mniej lub bardziej gwałtownym jego stygnięciem. W pierwszej kolejności omówiono skutki rozrostu ziaren ferrytu, w drugiej kolejności – efekty częściowej przemiany perlitu w austenit, a w końcu – zagrożenia determinowane zainicjowaniem w fazie chłodzenia przemiany bainitycznej i/lub martenzytycznej. Na tym tle podjęto dyskusję na temat konsekwencji ewentualnego powierzchniowego odwęglenia, a także możliwego wystąpienia zjawisk grafityzacji i/lub sferoidyzacji ziaren cementytu. Wyniki: Wykazano, że zmieniające się w czasie, a przy tym niekontrolowane oddziaływanie wysokiej temperatury pożaru na stal konstrukcyjną z dużym prawdopodobieństwem prowadzi do wystąpienia w tym materiale niekorzystnych przemian strukturalnych, które z reguły skutkują drastycznym zmniejszeniem się jego efektywnej ciągliwości skojarzonym z wyraźnym zwiększeniem się jego twardości. Taki zestaw cech stali w przypadku dalszego jej użytkowania po pożarze nieuchronnie implikuje dużą jej podatność na kruche pękanie, a co za tym idzie – znaczne ryzyko nagłego i niespodziewanego zniszczenia wykonanych z niej elementów. Wnioski: Klasyczna inwentaryzacja przeprowadzana po pożarze w celu oceny deformacji stalowego ustroju nośnego, uzupełniona jedynie o eksperymentalną weryfikację parametrów wytrzymałościowych charakteryzujących taką stal, nie wystarcza, by dostatecznie wiarygodnie wnioskować o przydatności tych elementów do ich dalszego użytkowania pod obciążeniem. Taka ocena musi być bowiem bezwzględnie poszerzona co najmniej o aposterioryczne badania mikrostruktury rozpatrywanego materiału oraz o próby pozwalające na sprawdzenie jego popożarowej twardości i udarności.

EN

Aim: The aim of this article is to provide a brief review of the basic hazards which might affect the potential re-use of bearing members made of structural steel following exposure to heating and cooling episodes in a fire. These hazards generally involve thermally induced and permanent changes observed in the microstructure of the steel after the fire is extinguished, usually not seen during a standard post-fire inventory aimed at assessing the technical condition of the building. Methods: The article’s structure guides the reader through the successive potential forms of changes in the microstructure of structural steel, initiated by a monotonic increase in the temperature of the material, and followed by its more or less rapid cooling. The article first discusses the effects of ferrite-grain growth, then proceeds to a description of the effects of a partial pearlite-to-austenite transformation, and finally addresses the threats created by the initiation of a bainitic and/or martensitic transformation during the cooling phase. In this context, it discusses the consequences of potential surface decarburisation and the results of the possible occurrences of graphitisation and/or spheroidisation of cementite grains. Results: It has been shown that the time-varying and uncontrolled impact on structural steel of a high fire temperature is likely to lead to the occurrence of unfavourable structural changes in this material, which usually result in a dramatic decrease in the effective ductility, coupled with a marked increase in hardness. In structural members re-used after a fire, such a set of features inevitably implies the high vulnerability of this type of steel to brittle fracture, and, consequently, carries a significant risk of the sudden and unexpected destruction of the components made of it. Conclusions: The standard post-fire inventory of member deformations in the steel-bearing structure, supplemented only by the experimental verification of such steel-strength parameters, is not sufficient to reasonably conclude that these members are suitable for re-use under load. Such an assessment must be extended at least by a detailed study of the microstructure of the material under consideration, made a posteriori, and also by tests which allow the verification of its post-fire hardness and impact strength.

Słowa kluczowe

PL

stal konstrukcyjna; pożar; mikrostruktura; przemiana fazowa; ferryt; perlit; bainit; martenzyt; grafityzacja; sferoidyzacja

EN

structural steel; fire; microstructure; phase transition; ferrite; pearlite; bainite; martensite; graphitisation; spheroidisation

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 48, iss. 4
• Strony: 34--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., tab.

Twórcy

autor

Maślak M.

• Politechnika Krakowska

autor

Żwirski G.

• Politechnika Krakowska

Bibliografia

• [1] Maślak M., Badania stali konstrukcyjnej po pożarze w kontekście oceny możliwości jej dalszego użytkowania w ustrojach nośnych elementów budowlanych, „Przegląd Budowlany” 2012, 6, 48–51.
• [2] Digges T.G., Rosenberg S.J., Geil G.W., Heat treatment and properties of iron and steel, National Bureau of Standards Monograph 88, United States Department of Commerce, Washington D.C. 1966.
• [3] Verhoeven J.D., Steel metallurgy for the non-metallurgist, ASM International: Materials Park, Ohio, 2007.
• [4] PN-EN 10025-1:2007: Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych. Część 1: Ogólne warunki techniczne dostawy.
• [5] Kosiorek M., Ocena konstrukcji stalowych po pożarze, materiały XV Ogólnopolskiej Konferencji Warsztat pracy projektanta konstrukcji, Ustroń, 23–26 lutego 2000, 51–53.
• [6] Gewain R.G., Iwankiw N.R., Alfawakhiri F., Facts for steel buildings – fire, American Institute of Steel Construction (AISC), Chicago 2003.
• [7] Maciejewski K., Sun Y., Gregory O., Ghonem H., Time-dependent deformation of low carbon steel at elevated temperatures, „Materials Science and Engineering: A”, 2012, 534, 147–156.
• [8] ASTM A572/A572M-04 Standard specification for high-strength low-alloy columbium-vanadium structural steel, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania, 2004.
• [9] Günther H.P. (ed.), Use and application of high-performance steels for steel structures, Structural Engineering Documents 8, International Association for Bridge and Structural Engineering, Zürich, 2005.
• [10] Trilleros J.A., Mato S., Huertas I., Development of a pilot furnace for testing structural steels under standard fire model, w: Chan S.L., Shu G.P. (eds.) proceedings of 7thInternational Conference Advances in Steel Structures, Nanjing, April 14–16, 2012, vol. II, 821–830.
• [11] Bangi J.O., Maranga S.M., Ng’ang’a S.P., Mutuli S.M., Effect of heat on mechanical properties and microstructure of reinforcing steel bars made from local scrap, Proceedings of International Conference on Sustainable Research and Innovation, Nairobi, May 7-9, 2014, Vol. 5, 291–295.
• [12] Peg-Chi Peng, Jen-Hao Chi, Jyin-Wen Cheng, A study on behavior of steel structures subjected to fire using non-destructive testing, „Construction and Building Materials” 2016, 128, 170–175.
• [13] JIS G3136 Rolled steels for building structures, Japanese Industrial Standard, Japanese Standard Association 2012.
• [14] Panigrahi B.K., Microstructures and properties of low-alloy fire resistant steel, „Bulletin of Materials Science” 2006, Vol. 29, No 1, 59–66.
• [15] Bednarek Z., Kamocka R., The heating rate impact on parameters characteristic of steel behaviour under fire conditions, „Journal of Civil Engineering and Management” 2006, Vol. XII, No. 4, 269–275.
• [16] Kosiorek M., Charakterystyki mechaniczne stali budowlanych w podwyższonych temperaturach, materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej Konstrukcje metalowe, Katowice, 30 maja–2 czerwca1979, 281–289.
• [17] Skowroński W., O właściwościach stali w podwyższonej temperaturze, „Konstrukcje Stalowe” 2000, 4(41), 50-52.
• [18] Nikolaou J., Papadimitriou G.D., Microstructures and mechanical properties after heating of reinforcing 500 MPa class weldable steels produced by various processes (tempcore, microalloyed with vanadium and work-hardened), „Construction and Building Materials” 2004, 18, 243–254.
• [19] PrEN 10080-1:1999: Steel for the reinforcement of concrete – weldable reinforcing steel. Part 1: General requirements.
• [20] Hager I., Kańka S., Maślak M., Wpływ działania wysokiej temperatury i warunków schładzania na właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej BSt500S, materiały VII Międzynarodowej Konferencji Bezpieczeństwo pożarowe obiektów budowlanych, Warszawa, 6-8 listopada 2012, 23–30.
• [21] Foularis G., Baker A.J., Papadimitriou G.D., A microscopic investigation of the precipitation phenomena observed during the pearlite reaction in vanadium alloyed carbon steel, „Acta Metallurgica et Materialia” 1995, 43 (10), 3733–3742.
• [22] Jahazi M., Eghbali B., The influence of hot forging conditions on the microstructure and mechanical properties of two microalloyed steels, „Journal of Materials Processing Technology” 2001, 113 (1–3), 594–598.
• [23] Simon P., Economopoulos M., Nilles P., Tempcore: a new process for the production of high quality reinforcing bars, „Iron and Steel Engineer” 1984, 61 (3), 53–57.
• [24] Setién J., González J.J., Alvarez J.A., Polanco J.A., Evolution on mechanical behaviour in a structural steel subjected to high temperatures, „Engineering Failure Analysis” 2002, 9, 191-200.
• [25] Vecchio R.S., Steel, w: Ratay R.T., Structural condition assessment, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2005.
• [26] Canale L.C.F., Mesquita R.A., Totten G.E., Failure analysis of heat treated steel components, ASM International: Materials Park, Ohio, 2008.
• [27] Bailey C.G., Burgess I.W., Plank R.J., Analyses of the effects of cooling and fire spread on steel-framed buildings, „Fire Safety Journal” 1996, 26, 273–293.
• [28] El-Rimawi J.A., Burgess I.W., Plank R.J., The treatment of strain reversal in structural members during the cooling phase of a fire, „Journal of Constructional Steel Research” 1996, Vol. 37, No. 2, 115–135.
• [29] Banovic S.W., Foecke T., Damage and failure modes of structural steelcomponents, Federal building and fire safety investigation of the World Trade Center disaster, National Institute of Standards and Technology (NIST NCSTAR 1-3C), US Department of Commerce, 2005.
• [30] Biederman R.R., Microstructural analysis of steel from the World Trade Center buildings 7, & 1 or 2, Higgins Armory/WPI MCSI Symposium, Worcester, Massachusetts, June 8, 2005.