Analysis of fire resistance in welded structures

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaO trabalho realizado no âmbito desta dissertação teve como objetivo analisar o comportamento mecânico de soldaduras feitas em aço estrutural S355 J2 em situação de fogo e pós-fogo. Para fabricar as soldaduras, utilizou-se um processo de soldadura muito comum na indústria de construção metálica, ou seja, o processo de soldadura MAG utilizando fios sólidos e fios fluxados como material de adição.A caraterização das soldaduras compreendeu a realização de testes de análise metalográfica, ensaios de dureza e ensaios de tração. Os ensaios de tração foram efetuados à temperatura ambiente e a temperaturas elevadas (300ºC; 600ºC e 900ºC). Foi ainda testada a resistência das soldaduras em condições pós-fogo, testando provetes pré-aquecidos e arrefecidos a ar. As curvas de tensão-deformação à temperatura ambiente demonstraram que o input de calor utilizado no processo de soldadura condicionou a tensão máxima das amostras soldadas. Os ensaios de tração a temperaturas elevadas revelaram um aumento de resistência a 300ºC, ocorrendo a sua degradação após o aumento da temperatura, ou seja, para 600ºC e 900ºC. Este comportamento também foi verificado nas amostras testadas em situação pós-fogo. Os ensaios de dureza permitiram verificar que a dureza das soldaduras começava a degradar-se a partir dos 600ºC, não ocorrendo nenhuma alteração até 300ºC. A análise metalográfica revelou que a 300ºC ocorria o aumento de carbonetos precipitados, o que contribuía para a redução do tamanho de grão e, posteriormente, ao aumento da resistência mecânica. Por outro lado, a partir de 300ºC, verificou-se que ocorria uma diminuição dos carbonetos precipitados e um aumento do tamanho de grão, sendo máximo para 900ºC. Os fatores de redução obtidos através das curvas dos ensaios de tração a temperaturas elevadas e em situação pós-fogo foram comparados com os disponibilizados pelo Eurocódigo 3, tendo sido observado que, de um modo geral, é seguro a utilização da norma no projeto de estruturas metálicas.The work carried out within the scope of this dissertation had the objective of analyzing the mechanical behavior of welded joints made of structural steel S355 J2 in a fire and post-fire situation. For this, the two most common welding processes in industry, solid wire (GMAW) and fluxed wire (FCAW) welding were used.The welding characterisation process comprised metallographic analysis tests, hardness tests and tensile tests at room temperature, at high temperatures (300ºC, 600ºC and 900ºC) and post-fire with air cooling, because it is the most unfavorable method of cooling. The tensile tests were performed using a strain rate of 0.01 mm/s. Samples tested at high temperatures and in a post-fire condition were heated with a heating rate of 5 ºC/min. The stress-strain curves at room temperature showed that the heat input used in the process of welding conditioned the maximum stress of the welded samples. Subsequently, tensile tests at high temperatures showed an increase of resistance at 300ºC and the degradation of the mechanical properties after the increase of the temperature up to 600ºC and 900ºC. This behavior was also verified in the samples tested in a post-fire situation. The hardness tests allowed to verify that the hardness of the welded joints began to degrade from 600ºC, with no change occurring up to 300ºC. The metallographic analysis revealed that at 300ºC the increase of segregated carbides occurred, which contributed to the reduction of the grain size and, later, to the increase of the mechanical resistance. On the other hand, from 300ºC, it was verified that a decrease of the segregated carbides occurred and an increase of the grain size, being maximum at 900ºC. The reduction factors obtained through the tensile test curves at high temperatures and in the post-fire situation were compared with those provided by Eurocode 3, and it was observed that, in a general mode, it is safe to use the standard in the projection of metallic structures