Design of a new fire testing technique for in-situ assessment of the performance of intumescent coatings protecting steel structures

The goal of this thesis is to design a new fire testing method aimed to the in-situ assessment of the performance of intumescent coatings applied to steel structures. Differently from the standard testing procedure prescribed by the EN 13381-8 [4], which requires the protected steel profile specimens to be completely exposed to fire and tested inside a furnace, the proposed method is conceived to be a localized testing method. The region to be heated has been calibrated in order to reproduce with sufficient accuracy the temperature response of the steel resulting from the standard exposure condition for a suitable amount of time, enabling the evaluation of the coating performance. Since the idea is to let the test to be ran in-situ, the mechanical response has to be taken into account too. Once the appropriate procedure is found by studying the thermal behavior, the correspondent stress and strain fields have been analyzed. The target is to not damage the structural element. The calibration procedure has been performed by numerical analyses and then checked by experimental tests. In this work the focus is on a single representative case. The thesis is organized in the following way: • Chapter 1: the first is a background chapter. First of all are described the different stages characterizing the development of a fire, from ignition to decay. Then are presented the available design fire models for both the prescriptive and the performance based approach. Finally is shown how the fire-induced structural heating is currently addressed; • Chapter 2: the second chapter is related to the response of steel structures subjected to fire. At first are shown the thermal and mechanical properties of steel at high temperatures usually adopted. Following is described the implementation of the suggested simplified methods for the thermal analysis of both unprotected and protected steel. Finally is explained, with the aid of some examples, how heating and cooling rates influence the temperature response of steel members; • Chapter 3: the third chapter is entirely devoted to intumescent fire protective coatings. At the beginning is shown the usual composition of reactive coatings. Then there is a description of the reaction mechanism. Following are presented the possible modelling approaches, the current performance assessment procedure and the design practice. At last is faced up the long-term durability of coatings, which is a quite open issue; • Chapter 4: the fourth chapter is the core of this thesis. There are explained the reasons driving this work, the possible applications of the proposed testing method and the related limitations to be overcame. Moreover are listed and motivated the reference data adopted concerning the steel thermal and mechanical properties, the steel profile geometry, the properties of the fictitious intumescent coating, the fire curve and the dimensions of the intended testing zone. Finally are described the three heating conditions chosen in order to explore possible alternatives; • Chapter 5: in the fifth chapter are shown the results of all the numerical simulations performed in order to evaluate the feasibility of the proposed testing method. Firstly is addressed the calibration of a suitable numerical model and the explanation of the related assumptions. Then are presented the results of the thermal analyses for the three heating conditions selected. This step enabled to choose the cases reproducing the standard test condition with suitable accuracy. Following is studied the mechanical behavior considering the steel both elastic and plastic. The elastic analyses provide a first estimation of the stress field induced by heating, while the plastic analyses allow performing a deeper evaluation of the response. The chapter ends up with the selection of the case satisfying the acceptability criteria set; • Chapter 6: the last chapter deals with the experimental tests. In the first place are explained the main characteristics of the chosen intumescent paint and the steel samples adopted. Following there is an in depth description of the application procedure of the coating, starting from the substrate preparation to the measurement of the thickness of the protective layer. Finally is presented the home made furnace and how it is meant to work. As will be explained, hasn’t been possible to actually run the tests due to technical problem with the experimental equipment. No comparison between numerical and experimental results will be available. At the end a summary of the obtained results is presented and some possible further developments are suggested.

L'obiettivo di questa tesi è di progettare un nuovo metodo di prova al fuoco finalizzato alla valutazione sul campo delle prestazioni dei rivestimenti intumescenti applicati alle strutture in acciaio. A differenza della procedura di prova standard prescritta dalla EN 13381-8 [4], la quale richiede che i campioni di profili in acciaio protetti siano completamente esposti al fuoco e testati all'interno di un forno, il metodo proposto è concepito come un metodo di prova localizzato. La regione da riscaldare è stata calibrata per riprodurre con sufficiente precisione la risposta in termini di temperatura dell'acciaio risultante dalla condizione di esposizione standard per un periodo di tempo adeguato, consentendo la valutazione delle prestazioni del rivestimento. Poiché l'idea è quella di consentire l'esecuzione del test sul campo, anche la risposta meccanica deve essere presa in considerazione. Una volta trovata la procedura appropriata studiando il comportamento termico, sono stati analizzati i corrispondenti campi di sollecitazione e deformazione. L'obiettivo è non danneggiare l'elemento strutturale. La procedura di calibrazione è stata eseguita mediante analisi numeriche e quindi verificata tramite prove sperimentali. In questo lavoro l'attenzione è focalizzata su un singolo caso rappresentativo. La tesi è organizzata nel modo seguente: • Capitolo 1: il primo è un capitolo introduttivo. Innanzitutto vengono descritte le diverse fasi che caratterizzano lo sviluppo di un incendio, dall'accensione al decadimento. Sono quindi presentati i modelli d’incendio di progetto disponibili sia per l'approccio prescrittivo che per quello prestazionale. Viene infine mostrato come è affrontato il problema del riscaldamento delle strutture indotto dal fuoco; • Capitolo 2: il secondo capitolo è legato alla risposta delle strutture in acciaio soggette all’incendio. Inizialmente sono mostrate le proprietà termiche e meccaniche dell'acciaio ad alte temperature normalmente adottate. Di seguito viene descritta l'implementazione dei metodi semplificati suggeriti per l'analisi termica di strutture in acciaio non protette e protette. Infine è spiegato, con l'aiuto di alcuni esempi, come le velocità di riscaldamento e raffreddamento influenzano la risposta in termini di temperatura degli elementi in acciaio; • Capitolo 3: il terzo capitolo è interamente dedicato ai rivestimenti intumescenti antincendio. All'inizio è mostrata la usuale composizione di rivestimenti reattivi, seguita da una descrizione del meccanismo di reazione. Di seguito vengono presentati i possibili approcci di modellizzazione, l'attuale procedura di valutazione delle prestazioni e la pratica di progettazione. Alla fine si affrontata la durabilità a lungo termine dei rivestimenti, che è una questione abbastanza aperta; • Capitolo 4: il quarto capitolo è il fulcro di questa tesi. Vengono spiegati i motivi alla base di questo lavoro, le possibili applicazioni del metodo di prova proposto e le relative limitazioni da superare. Inoltre sono elencati e motivati i dati di riferimento adottati riguardanti le proprietà termiche e meccaniche dell'acciaio, la geometria del profilo in acciaio, le proprietà del rivestimento intumescente fittizio, la curva d’incendio e le dimensioni della zona di prova prevista. Infine vengono descritte le tre condizioni di riscaldamento scelte al fine di esplorare possibili alternative; • Capitolo 5: nel quinto capitolo sono mostrati i risultati di tutte le simulazioni numeriche eseguite al fine di valutare la fattibilità del metodo di prova proposto. In primo luogo è affrontata la calibrazione di un modello numerico adatto e la spiegazione delle relative ipotesi. Quindi vengono presentati i risultati delle analisi termiche per le tre condizioni di riscaldamento selezionate. Questo passaggio ha permesso di scegliere i casi che riproducono le condizioni di prova standard con adeguata precisione. Di seguito viene studiato il comportamento meccanico considerando l'acciaio sia elastico che plastico. Le analisi elastiche forniscono una prima stima del campo di sforzi indotto dal riscaldamento, mentre le analisi plastiche consentono di eseguire una valutazione più approfondita del comportamento. Il capitolo termina con la selezione del caso che soddisfa i criteri di accettabilità stabiliti; • Capitolo 6: l'ultimo capitolo riguarda le prove sperimentali. In primo luogo vengono spiegate le caratteristiche principali della vernice intumescente scelta e dei campioni di acciaio utilizzati. Segue una descrizione approfondita della procedura di applicazione del rivestimento, a partire dalla preparazione del supporto fino alla misurazione dello spessore dello strato protettivo. Alla fine è presentato il forno fatto in casa e come dovrebbe funzionare. Come verrà spiegato, non è stato possibile eseguire effettivamente le prove a causa di problemi tecnici con le apparecchiature sperimentali. Non sarà disponibile alcun confronto tra risultati numerici e sperimentali. Alla fine viene presentato un riepilogo dei risultati ottenuti e sono suggeriti alcuni possibili ulteriori sviluppi.