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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:BICfB/oai:ETDULg:ULgetd-08232010-110547 |
| Date | 06 July 2010 |
| Creators | Hanus, Fraçois |
| Contributors | Vassart, Olivier, Zhao , Bin, Jaspart, Jean-Pierre, Plumier, André, Simoes Da Silva, Luis, Dotreppe, Jean-Claude, Franssen, Jean-Marc |
| Publisher | Universite de Liege |
| Source Sets | Bibliothèque interuniversitaire de la Communauté française de Belgique |
| Detected Language | French |
| Type | text |
| Format | application/pdf |
| Source | http://bictel.ulg.ac.be/ETD-db/collection/available/ULgetd-08232010-110547/ |
| Rights | unrestricted, Le contrat BICTEL/e complété et signé a été remis au gestionnaire facultaire. |
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