Until recently, investigations on the fire resistance of steel joints have been neglected by structural engineers under the arguments that the design resistance of connections at room temperature is usually higher than the resistance of the connected members and that the temperature increases more slowly in the joint zone (high concentration of mass, low exposure to radiative fluxes) than in the adjacent beams and columns. However, brittle failures of connection components have been observed especially during the cooling phase of real fires for two main reasons: the high sensitive and nonreversible character of the resistance of bolts and welds at elevated temperatures and the development of high tensile thrusts. The present thesis is a contribution to the understanding of the thermomechanical behaviour of simple connections in steel beam-to-column joints subjected to natural fire conditions, with a special attention to the behaviour of these connections during the cooling phase. The distribution of temperature in joints has been analysed by use of numerical models built in SAFIR software. The simplified methods presently mentioned in the Eurocodes are discussed and new methods, calibrated on the results of numerical simulations, are proposed in the present work to predict the temperature profile in steel beams and joints covered by a flat concrete slab under fire. An existing method aimed at evaluating the distribution of internal forces in restrained steel beams (and by extension, in joints) under natural fire has been analysed in detail. Several modifications have been added in order to improve his method and to extend its field of application. The final version of this analytical method has been implemented and validated against numerical results. An experimental programme aimed at characterising the mechanical behaviour of bolts and welds under heating and subsequent cooling is described in the present thesis. The properties of the tested specimens, the thermal loading applied to these specimens, the test set-ups and the results of the tests are reported in detail. Mechanical models for bolts loaded in tension or in shear have been calibrated on the experimental results. The loss of resistance of bolts and welds due to their non-reversible behaviour under heating and subsequent cooling has been quantified. Finally, a large part of the thesis is dedicated to the development of component-based models representing the action of common simple connections under natural fire conditions and to the analysis of the behaviour of these connections as a part of a sub-structure or large-scale structure. These simple models can be used for parametric analyses because it conciliate a reasonable time of definition of the data, an acceptable time of simulation and a good degree of accuracy of the results. Recommendations for the design of connections have been defined. The ductility of connections has a major influence on the occurrence of connection failures and classes of ductility for connections, dependant of the fire loading, have been defined in this work. / Jusque très récemment, la recherche sur la résistance au feu des assemblages métalliques a été délaissée par les ingénieurs sous le prétexte que la résistance de calcul des assemblages à froid est habituellement supérieure à celle des éléments connectés et que léchauffement est plus lent dans la zone dassemblage que dans les poutres et colonnes adjacentes (grande concentration de matière, exposition réduite aux flux radiatifs). Toutefois, les ruptures fragiles de composants dassemblages sont observées, notamment durant la phase de refroidissement pour deux raisons principales : caractère sensible et non-réversible des boulons et des soudures aux élévations de température et apparition defforts de traction importants. La présente thèse sinscrit comme une contribution à la compréhension des phénomènes gouvernant le comportement des assemblages simples poutre-poteau sous conditions de feu naturel. Une attention spéciale est portée au comportement de ces assemblages durant la phase de refroidissement. La distribution de température dans les assemblages a été analysée grâce à des modèles numériques mis au point dans le programme SAFIR. Les méthodes simplifiées actuellement mentionées dans les Eurocodes actuels sont discutées et de nouvelles méthodes, calibrées sur les résultats numériques, sont proposées dans ce travail pour prédire le profil de température dans les poutres et assemblages métalliques couverts dune dalle en béton sous feu. Une méthode existante destinée à évaluer la distribution des efforts internes dans les poutres en acier restraintes (et par extension, dans les assemblages) sous feu naturel a été analysée en détail. Plusieurs modifications ont été proposées pour améliorer cette méthode et étendre son champ dapplication. La version finale de cette méthode analytique a été implémentée et validée avec des résultats numériques. Une série de tests expérimentaux destinée à caractériser le comportement mécanique des boulons et des soudures sous échauffement et refroidissement est décrite dans cette présente thèse. Les propriétés des spécimens testés, le traitement thermique qui leur est appliqué, le montage des essais et les résultats obtenus sont rapportés en détail. Des modèles mécaniques pour les boulons soumis à traction ou cisaillement sont calibrés sur les mesures expérimentales. La perte de résistance des boulons et des soudures causée par leur comportement non-réversible sous échauffement et refroidissement a été quantifiée. Finalement, une large part de la thèse a été dédiée au développement de modèles basés sur la méthode des Composantes pour représenter laction des assemblages simples courants sous feu naturel et lanalyse de leur comportement dans une sous-structure ou une structure complète. Ces modèles simples permettent de concilier un temps de définition des données raisonnable, un temps de calcul acceptable et un bon niveau de précision des résultats. Des recommandations pour le dimensionnement des assemblages ont été énoncées. Il est démontré que la ductilité des connections a une influence majeure sur lapparition de ruptures dans les assemblages et des classes de ductilité, dépendant du chargement au feu, ont été définies dans ce travail.

Tesis por compendio / [ES] El fuego es uno de los principales riesgos que pueden afectar a las estructuras de acero. El impacto del fuego en estas estructuras es muy adverso y complejo de simular, principalmente en escenarios de fuego realistas, donde el calentamiento en los miembros de acero no es uniforme y en miembros de acero esbeltos porque fallan prematuramente por la aparición de abolladuras locales. Para predecir con exactitud la respuesta de las estructuras de acero al fuego, se han desarrollado modelos avanzados y complejos de EF con elementos de cáscara y sólidos. Sin embargo, estos modelos son costosos desde el punto de vista computacional, lo que complica la realización de análisis más complejos que requieren muchas simulaciones en poco tiempo y con bajos costes computacionales. Por lo tanto, es necesario desarrollar modelos computacionales sencillos, precisos y de bajo coste, tan fiables como los modelos de cáscara, que abran el camino más fácilmente hacia la modelización de problemas estructurales de acero más complejos en situación de incendio. En esta tesis se presentan propuestas sencillas y de bajo coste computacional para simular la respuesta mecánica de estructuras de acero en condición de incendio utilizando un elemento finito de viga de Timoshenko de Ansys. Una de las propuestas consiste en una nueva metodología para el análisis en 3D de estructuras de acero sometidas a temperaturas no uniformes por el fuego. Las otras consisten en dos estrategias de modelización para analizar el pandeo lateral torsional en miembros de acero de clase 4 a temperaturas elevadas. Las propuestas simplifican significativamente la modelización estructural y se validan satisfactoriamente con resultados numéricos y experimentales. Esto significa que problemas complejos de ingeniería de incendio, como los análisis probabilísticos y de optimización, pueden tratarse con mucha más facilidad, lo que representa un paso importante hacia la aplicación generalizada de enfoques basados en el desempeño para tratar los efectos del fuego en las estructuras de acero. / [CA] El foc és un dels principals riscos que poden afectar les estructures d'acer. L'impacte del foc en estes estructures és molt advers i complex de simular, principalment en escenaris de foc realistes, on el calfament en els membres d'acer no és uniforme i en membres d'acer esvelts perquè fallen prematurament per l'aparició d'abonyegadures locals. Per a predir amb exactitud la resposta de les estructures d'acer al foc, s'han desenvolupat models avançats i complexos d'elements finits de corfa i sòlids. No obstant això, estos models són computacionalment costosos, la qual cosa complica la realització d'anàlisi més complexos que requerixen moltes simulacions en poc de temps i amb baixos costos computacionals. Per tant, és necessari desenvolupar models computacionals senzills, precisos i de baix cost, tan fiables com els models de corfa, que òbriguen el camí més fàcilment cap a la modelització de problemes estructurals d'acer més complexos en situació d'incendi. En esta tesi es presenten propostes senzilles i de baix cost per a simular la resposta mecànica d'estructures d'acer en condició d'incendi utilitzant un element finit de biga de Timoshenko d'Ansys. Una de les propostes consistix en una nova metodologia per a l'anàlisi en 3D d'estructures d'acer sotmeses a temperatures no uniformes pel foc. Les altres consistixen en dos estratègies de modelització per a analitzar el bombament lateral torsional en membres d'acer de classe 4 a temperatures elevades. Les propostes simplifiquen significativament la modelització estructural i es validen satisfactòriament amb resultats numèrics i experimentals. Açò significa que problemes complexos d'enginyeria d'incendi, com les anàlisis probabilístiques i d'optimització, poden tractar-se amb molta més facilitat, la qual cosa representa un pas important cap a l'aplicació generalitzada d'enfocaments basats en l'exercici per a tractar els efectes del foc en les estructures d'acer. / [EN] Fire is one of the main hazards that can affect steel structures. The impact of fire on these structures is highly adverse and complex to simulate, mainly in realistic fire scenarios, where heating in steel members is non-uniform and in slender steel members because they fail prematurely by local buckling. In order to accurately predict the response of steel structures to fire, advanced and complex FE models with shell and solid elements have been developed. However, these shell models are computationally expensive, complicating the carrying out of more complex analyses that require many simulations in a short time and at low computational costs. Therefore, there is a need to develop simple, accurate, and low-cost computational models as reliable as shell-type models that open the path more easily towards modeling more complex steel structural problems in fire conditions. This thesis presents simple and low-cost proposals to simulate the mechanical response of steel structures under fire using Timoshenko's beam-type finite element available in Ansys. One of the proposals consists of a new methodology for the 3D-analysis of steel frames subjected to non-uniform temperatures by fire. The others consist of two modeling strategies for analyzing the lateral-torsional buckling in class-4 steel structural members at elevated temperatures. The proposals significantly simplify the structural modeling and satisfactorily validate numerical and experimental results. That means that complex fire engineering problems, such as probabilistic and optimization analyses, can be handled much more easily, representing a significant step toward the generalized application of performance-based approaches to deal with fire effects on steel structures. / Pallares Muñoz, MR. (2022). New Proposals for Modeling the Thermo-Mechanical Response of Steel Structures Under Fire Using Beam-Type Finite Elements [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182768 / TESIS / Compendio