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First point to consider in fires of steel-framed buildings (2/11)

 

The time

Tic, tac, tic, tac…The bell rings and the firefighters go to the fire but, for how long has been the fire running?

This is the most important question we have to ask ourselves when we go to fire in a steel-framed buildings.

We can estimate approximately when the fire has started but it depends if it occurs in the morning, in the afternoon, in the evening or at night. The most difficult task is estimate the fire time at night.

But how could we try to prevent an accident and save our lives in steel framed buildings?

Firstly, I’m going to analyse the steel composition in order to know how the material behaviour is in high temperatures.

Analyzing steel composition

Creep Strength

The high temperature strength of materials is generally expressed in terms of their «creep strength» – the ability of the material to resist distortion over long term exposure to a high temperature. In this regard the austenitic stainless steels are particularly good also stipulate allowable working stresses of each grade at a range of temperatures. The low carbon versions of the standard austenitic grades (Grades 304L and 316L) have reduced strength at high temperature so are not generally used for structural applications at elevated temperatures. «H» versions of each grade (eg 304H) have higher carbon contents for these applications, which results in significantly higher creep strengths. «H» grades are specified for some elevated temperature applications.

Although the duplex stainless steels have good oxidation resistance due to their high chromium contents, they suffer from embrittlement if exposed to temperatures above about 350°C, so they are restricted to applications below this.

Both martensitic and precipitation hardening families of stainless steels have high strengths achieved by thermal treatments; exposure of these grades at temperatures exceeding their heat treatment temperatures will result in permanent softening, so again these grades are seldom used at elevated temperatures.

Structural Stability

The problem of grain boundary carbide precipitation was discussed under intergranular corrosion. This same phenomenon occurs when some stainless steels are exposed in service to temperatures of 425 to 815°C, resulting in a reduction of corrosion resistance which may be significant. If this problem is to be avoided the use of stabilised grades such as Grade 321 or low carbon «L» grades should be considered.

A further problem that some stainless steels have in high temperature applications is the formation of sigma phase. The formation of sigma phase in austenitic steels is dependent on both time and temperature and is different for each type of steel. In general Grade 304 stainless steel is practically immune to sigma phase formation, but not so those grades with higher chromium contents (Grade 310) with molybdenum (Grades 316 and 317) or with higher silicon contents (Grade 314). These grades are all prone to sigma phase formation if exposed for long periods to a temperature of about 590 to 870°C. Sigma phase embrittlement refers to the formation of a precipitate in the steel microstructure over a long period of time within this particular temperature range. The effect of the formation of this phase is to make the steel extremely brittle and failure can occur because of brittle fracture. Once the steel has become embrittled with sigma it is possible to reclaim it by heating the steel to a temperature above the sigma formation temperature range, however this is not always practical. Because sigma phase embrittlement is a serious problem with the high silicon grade 314, this is now unpopular and largely replaced by high nickel alloys or by stainless steels resistant to sigma phase embrittlement, particularly 2111HTR (UNS S30815). Grade 310 is also fairly susceptible to sigma phase formation in the temperature range 590 to 870°C, so this «heat resistant» grade may not be suitable for exposure at this comparatively low temperature range and Grade 321 is often a better choice.

In the following video we can see how the structural stability is affected and finally the building collapse.

[youtube]8XMTALBYRNA[/youtube]

Environmental Factors

Other factors which can be important in the use of steels for high temperature applications are carburisation and sulphidation resistance. Sulphur bearing gases under reducing conditions greatly accelerate the attack on stainless alloys with high nickel contents. In some instances Grade 310 has given reasonable service, in others grade S30815, with a lower nickel content is better, but in others a totally nickel-free alloy is superior. If sulphur bearing gases are present under reducing conditions it is suggested that pilot test specimens be first run under similar conditions to determine the best alloy.

Thermal Expansion

A further property that can be relevant in high temperature applications is the thermal expansion of the particular material. The coefficient of thermal expansion is expressed in units of proportional change of length for each degree increase in temperature, usually x10-6/°C, μm/m/°C, or x10-6cm/cm/°C, all of which are identical units. The increase in length (or diameter, thickness, etc) can be readily calculated by multiplying the original dimension by the temperature change by the coefficient of thermal expansion. For example, if a three metre long Grade 304 bar (coefficient of expansion 17.2 μm/m/°C) is heated from 20°C to 200°C, the length increases by:

3.00 x 180 x 17.2 = 9288 μm = 9.3 mm

The coefficient of thermal expansion of the austenitic stainless steels is higher than for most other grades of steel.

 

Analyzing the Cardington Test

In the slide 31, we can see that the highest temperature was achieved in 57 minutes, if I know exactly when the fire started I can find out approximately which the structure situation is. But if I don’t know this task and I have to go into the building to rescue a person, how could I do this with security? In that case we will need to be able to read the structure signals.

Thermo-cameras

Thermo-cameras are frequently used in firefighter services, we can use this great tool to analyse the structure situation.

The slide 32 show how can we notice the difference between heating and cooling, the squares of the structure are the last part of the structure in heating and the last in cooling, in fact we can estimate what phase occurs at the moment. Moreover, with the thermo-camera we can see which the beam temperature is and know how it is affected.

But it isn’t enough to determinate the security into the structure, there are other points we must be able to evaluate to guarantee the success in this kind of emergency, we will see the second point in the next post.  Please leave your comment, I would be grateful for your feedback.

Source: Atlas Steels Australia

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Primer punto a tener en cuenta en fuegos de edificaciones con estructuras de acero (2/11)

El tiempo

Tic, tac, tic, tac…La sirena suena y los bomberos se dirigen rápidamente hacia el incendio, pero…¿sabemos cuanto tiempo lleva el incendio en marcha?.

Esta es una cuestión muy importante que tenemos que tener en cuenta cuando actuemos en incendios de edificios con estructura de acero.

Nosotros podemos saber aproximadamente el inicio  del incendio, pero esto va a depender de si este ocurre por la mañana, por la tarde o por la noche. Sin lugar a dudas, nos va a resultar más difícil estimar el tiempo que un incendio lleva en marcha por la noche, ya que es más complicado de detectar debido que la gente duerme a esas horas y nos tendremos que fiar del correcto funcionamiento de los sistemas contraincendios y de la vigilancia externa.

Pero…¿cómo prevenir un accidente y salvar nuestra vida en construcciones con estructura de acero?, ¿de que va a depender?.

En primer lugar, voy a analizar la composición del acero para que podamos entender como se comporta este material en ambientes con elevadas temperaturas.

Análisis de la composición del acero

Resistencia a la deformación

La resistencia de los materiales a alta temperatura se expresa generalmente en términos de su «resistencia a la deformación» – la capacidad del material para resistir la deformación durante la exposición a largo plazo a una temperatura alta. En este sentido el acero inoxidable austenítico es particularmente bueno y permite su utilización en un rango de temperaturas bastante amplio. Las versiones bajas en carbón de los grados estándar de austenita (Grados 304L y 316L) tienen una fuerza reducida a altas temperaturas por lo que no son generalmente utilizados para estructuras que van a trabajar a altas temperaturas. Las versiones «H» de cada grado (ej 304H) tiene altas concentraciones de carbón para estas aplicaciones, lo cual incrementa considerablemente su resistencia a la deformación. Los grados «H» son específicos para ser utilizados en estructuras que van a soportar elevadas temperaturas.

Aunque los aceros inoxidables dúplex tienen una buena resistencia a la oxidación debido a su alto contenido de cromo, se comportan de manera más frágil si se expone a temperaturas superiores a 350 ° C, por lo que se limita a las aplicaciones por debajo de estas temperaturas.

Tanto la fase martensítica como las familias de aceros inoxidables templados tienen altas resistencias obtenidas mediante tratamientos térmicos, la exposición de estos grados a temperaturas superiores a sus temperaturas de tratamiento térmico dará lugar a una debilitación permanente, por lo que estos grados rara vez se utilizan a temperaturas elevadas.

Estabilidad estructural

El problema del límite de precipitación del grano de carburo aparece con la corrosión intergranular. Este fenómeno se produce cuando algunos aceros inoxidables están expuestos en el servicio a temperaturas de 425-815 ° C, lo que afecta en una reducción de la resistencia a la corrosión que puede ser significativa. Debe considerarse evitar el uso de grados estabilizados como grado 321 o grados bajos en carbono «L» cuando se vayan a dar estas condiciones.

Un problema adicional que algunos aceros inoxidables tienen en aplicaciones de alta temperatura es la formación de la fase sigma. La formación de la fase sigma en los aceros austeníticos depende del tiempo de exposición y la temperatura alcanzada y es diferente para cada tipo de acero. En general, el acero inoxidable de grado 304 es prácticamente inmune a la formación de la fase sigma, pero no es lo mismo en grados con altos contenidos de cromo (Grado 310), molibdeno (Grados 316 y 317) o con un mayor contenido de silicio (grado 314). Estos grados son todos propensos a la formación de fase sigma si se expone durante largos períodos a una temperatura de aproximadamente entre 590 a 870 ° C.La fragilización de la fase sigma se produce con la formación de un precipitado en la microestructura del acero durante un largo período de tiempo dentro de este rango de temperatura en particular. El efecto de la formación de esta fase es hacer que el acero sea extremadamente frágil y  el fallo de este puede ocurrir debido a la rotura frágil. Una vez que el acero se ha convertido en fase sigma fragilizada es posible recuperarlo mediante el calentamiento del acero a una temperatura por encima del rango de temperatura de formación de sigma, sin embargo, esto no siempre es práctico. Debido a que la fragilización de la fase sigma es un serio problema con el alto grado de silicio 314, ahora es impopular y en gran parte sustituido por aleaciones ricas en níquel o por aceros inoxidables resistentes a la fragilización de la fase sigma, en particular 2111HTR (UNS S30815). El Grado 310 es también bastante sensible a la formación de fase sigma en el rango de temperaturas de 590-870 ° C, por lo que este grado puede no ser adecuado para la exposición a este intervalo de temperaturas siendo el Grado 321 una mejor opción a valorar.

En el siguiente vídeo podemos ver como la estabilidad estructural es afectada a causa de las altas temperaturas colapsando finalmente.

[youtube]8XMTALBYRNA[/youtube]

Factores ambientales

Otros factores que pueden ser importantes en el uso de los aceros para aplicaciones de alta temperatura y resistencia son la carburación y la sulfuración. Los gases producidos por el azufre bajo condiciones reductoras pueden acelerar en gran medida el ataque a las aleaciones de acero inoxidable con alto contenido de níquel. En algunos casos, el Grado 310 ha dado un servicio razonable, en otros grados como el S30815, un contenido de níquel inferior es mejor, pero en otros, una aleación de níquel-totalmente libre es superior. Si los gases que llevan azufre están presentes en condiciones reductoras, se sugiere que los especímenes de prueba piloto se estudien primero bajo condiciones similares para determinar la mejor aleación.

Expansión térmica

Una propiedad adicional que puede ser relevante en aplicaciones de alta temperatura es la expansión térmica del material en particular. El coeficiente de expansión térmica se expresa en unidades de cambio proporcional de la longitud para cada grado de incremento en la temperatura, por lo general x10-6 / º C, m / m / ° C, o x10-6cm/cm / ° C, n estas son unidades equivalentes. El aumento de la longitud (o el diámetro, espesor, etc) se puede calcular fácilmente multiplicando la dimensión original por el cambio de temperatura por el coeficiente de expansión térmica. Por ejemplo, si una barra de 3 metros de largo de El grado 304 (coeficiente de expansión 17.2 micras / m / ° C) se calienta desde 20 ° C a 200 ° C, la longitud aumenta por:

3.00 x 180 x 17.2 = 9288 μm = 9.3 mm

Como dato interesante decir que el coeficiente de expansión térmica de los aceros inoxidables austeníticos es más alto que para la mayoría de otros tipos de acero.

 

Análisis del test de Cardington

En la diapositiva 31, podemos ver que la temperatura máxima es alcanzada en 57 minutos, si conozco exactamente cuando ha empezado el fuego, puedo saber aproximadamente cual es la situación en la que puedo encontrar la estructura a la llegada al lugar del incendio. Pero si no conozco este dato y tengo que entrar en el interior de la construcción a rescatar a alguien, ¿cómo puedo hacer esto con seguridad?, tendré que aprender a leer las señales que me proporciona la estructura.

Thermo-cameras

Las cámaras térmicas son herramientas comúnmente utilizadas en los servicios de bomberos y podemos hacer uso de esta magnífica ayuda para analizar en que situación se encuentra la estructura.

La diapositiva 32 muestra cómo podemos identificar cuando una estructura está en proceso de calentamiento o de enfriamiento. En la estructura, las uniones van a ser los puntos que más tarden en calentarse y los últimos en enfriarse, por lo tanto al llegar al lugar del incendio podemos determinar en que fase nos encontramos. Además, con la ayuda de la cámara térmica podemos obtener la temperatura de los pilares y vigas y determinar con estos datos, como puede verse afectada la estructura.

Pero esto no va a ser suficiente para determinar  la seguridad en el interior de la estructura, hay otros factores que tendremos que ser capaces de evaluar para garantizar el éxito en esta clase de emergencias, que analizaremos en las próximas entradas.

Si te ha gustado la entrada deja tu comentario para hacer un feedback.

 

Source: Atlas Steels Australia

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Tácticas de #ventilación vertical en viviendas unifamiliares

Hoy navegando en Internet, he encontrado este curso online gratuito que explica la técnica de la ventilación vertical y tácticas de supresión para hacer frente a fuegos en viviendas unifamiliares. Puedes seleccionar el modelo de curso que quieres recibir, completo (2 horas), abreviado (1 hora) e instructor (2+ horas).

El curso está estructurado en 5 modulos y es indispensable tener un buen conocimiento de Inglés para poder realizarlo.

Module 1: Introduction
Module 2: Modern residential fire challenges
Module 3: House experiments
Module 4: Tactical considerations
Module 5: Conclusion & resources

Muchas de las técnicas utilizadas en el curso, se podrán utilizar dependiendo del tipo de construcción empleado, pero no está demás conocerlas para poder aplicarlas si alguna vez se da el caso.

Haz clic sobre la imagen para acceder al curso.

 


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10 points to consider in fires of steel-framed buildings (1/11)

The Cardington Fire Tests were a series of large-scale fire tests conducted in real steel-framed structures at the village of Cardington, Bedfordshire, England.

Funded by the Secretary of State for the Environment, Transport and the Regions Partners in Technology, the BRE Centre for Fire Safety Engineering (previously the Structures in Fire Group) at the University of Edinburgh conducted the experimental series in 2000. After the test, the group conducted extensive computational and analytical studies of the behaviour of steel-framed composite structures in fire conditions. This work was undertaken in collaboration with the Corus Group and Imperial College London.

In the following video you can see a sequence of the test in 2003.

[youtube]iFhjTUuD5Vc[/youtube]

 

the next slides show a resume of this work and which are the hot points of this research.

 

This research is very important for firefighters as they can know approximately how long they will be able to stay into the structure before it collapses. But… Which are the most important points you should consider to make ready this attack? Leave your comment.

 

Links: Cardington test reports The Cardington and Broadgate Fires.

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10 puntos a tener en cuenta en fuegos de edificaciones con estructuras de acero. (1/11)

 

The Cardington Fire Tests fueron una serie de test a gran escala realizados en estructuras reales de acero en el pueblo de Cardington, Bedfordshire, England.

Fundado por el secretario de estado para el medio ambiente, transporte y las regiones asociadas en tecnología, El  BRE, centro de ingeniería para la seguridad del fuego (anteriormente grupo de fuego en estructuras) en la universidad de Edinburgo, llevo a cabo esta serie experimental en el año 200. Despues del test, el grupo llevó a cabo extensos estudios computacionales y analíticos del comportamiento de estructuras de materiales compuestos de armazón de acero en caso de incendio. Este trabajo fue realizado en colaboración con el Grupo Corus y el Imperial College de Londres.

En el siguiente video se puede ver una secuencia de la prueba en 2003.

[youtube]iFhjTUuD5Vc[/youtube]

 

La siguiente presentación muestra un resumen del trabajo realizado y cuáles son los puntos a tener en cuenta en esta investigación. A pesar de que la presentación está realizada en inglés, no contiene mucho texto y este no supone un obstáculo para la comprensión del tema.

 

Esta investigación es muy importante para los servicios de bomberos, ya que podrían calcular aproximadamente el tiempo que pueden permanecer en su interior antes de que esta colapse, en caso de que fuera necesario. Pero ,¿cuáles son los puntos principales que se deben analizar antes de abordar este tipo de intervención?. Deja tu comentario.

 

Links: Cardington test reports The Cardington and Broadgate Fires.