Structural behaviour and plastic design of carbon and stainless steel frames in fire
Authors:   , Segura Valdivieso Guillermo 
Published: March 2024

(English) This thesis investigates the response of carbon and stainless steel frames in fire, and proposes new and more efficient approaches for their design. The investigation is mainly focused on one bay frames comprised by rectangular hollow sections (RHS) classified as Class 1 (i.e., plastic sections) and full-strength welded joints. In order to evaluate the behaviour of carbon and stainless steel frames under fire situation, advanced finite element models are developed aiming to reproduce both the global and local scale behaviour of these structures at elevated temperatures, besides being capable of modelling explicitly the welded joints in the frame discretization.
Based on these numerical models, a preliminary parametric study is presented, in which the performance of carbon and stainless steel frames at elevated temperatures is assessed, and the main factors conditioning the frames’ response are identified. From these preliminary results, a set of knowledge gaps are identified, which are subsequently addressed throughout the different chapters of this thesis.
First, an exhaustive parametric study on welded joints is carried out on both carbon and stainless steel tubular members under bending moment forces, which allows assessing the accuracy of the formulation prescribed in current European standards, and from which a new formulation for estimating the bending moment resistance of welded joints between RHS members is presented. The obtained results show a clear improvement compared to current design specifications, especially for stainless steel joints, as the new formulation accounts for strain hardening effects.
Subsequently, an extensive parametric study on carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength welded joints considering different techniques for modelling the connections is carried out, from which the influence of welded joints on the frame response is analysed, both at room temperature and under fire situation. The results demonstrate that frames modelled with explicit joints and with simplified rigid joints exhibited similar responses for the two design scenarios, confirming that joints classified as full-strength can be modelled as perfectly rigid joints for numerical purposes under fire situation too.
Based on the previous findings, the redistribution capacity of carbon and stainless steel frames under room temperature and fire conditions is studied numerically. The results obtained from the extensive finite element parametric study confirm the internal force redistribution capacity of carbon and stainless steel frames with plastic cross-sections and full-strength joints at room temperature, and demonstrate that these structures exhibit sufficient redistribution capacity to fail through the formation of plastic collapse mechanisms in fire situation too.
Finally, two new methods for determining the time fire resistance of carbon and stainless steel frames are presented: fire design based on advanced numerical models and new analytical plastic approach. For the first design approach based on FE analysis, a set of failure criteria are presented; the collapse is defined in an objective manner by limiting the displacement and displacement rates described by the frames. The second proposed method is a new analytical design approach based on global plastic analysis; this methodology is capable of taking into account the redistribution capacity of carbon and stainless steel structures in fire, as well as the second order effects derived from the horizontal drift of the frames and the overstrength provided by strain hardening for stainless steel structures. The two proposed methods are shown to improve significantly the accuracy of the estimated time fire resistances, demonstrating that a new and more effective way of designing steel structures is possible.

(Català) Aquesta tesi investiga la resposta de pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a foc, i proposa nous enfocaments més eficients per al seu disseny. L'estudi es centra principalment en pòrtics simples, conformats per seccions rectangulars buides classificades com a Classe 1 (és a dir, seccions plàstiques) i unions soldades de resistència completa. Amb l'objectiu d'avaluar el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable en situació d'incendi s'han desenvolupat models numèrics avançats basats en els elements finits amb l'objectiu de reproduir tant el comportament a escala global com local d'aquestes estructures a elevades temperatures, a més de ser capaces de discretitzar de manera explicita unions soldades.
A partir d'aquests models numèrics, es presenta un estudi paramètric preliminar, en el qual s'avalua el comportament dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a elevades temperatures, i s'identifiquen els principals factors que condicionen la resposta dels pòrtics. A partir d'aquests resultats preliminars, s'identifiquen un conjunt de mancances de coneixement, que posteriorment s'aborden al llarg dels diferents capítols d'aquesta tesi.
En primer lloc, es realitza un exhaustiu estudi paramètric centrat en unions soldades d'elements tubulars en acer al carboni i en acer inoxidable sotmeses a moment flector, que permet avaluar la precisió de la formulació prescrita en la normativa europea vigent, i a partir del qual es presenta una nova formulació per a estimar la resistència a moment flector d'unions soldades entre elements rectangulars buits.
Posteriorment, es duu a terme un extens estudi paramètric centrat en pòrtics d'acer al carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions soldades de resistència completa considerant diferents tècniques per a modelitzar les unions. A partir del qual s'analitza la influència de les unions soldades en la resposta del pòrtic, tant a temperatura ambient com en situació d'incendi.
Basant-se en els resultats anteriors, es duu a terme un estudi numèric per a analitzar la capacitat de redistribució dels pòrtics d'acer al carboni i inoxidable a temperatura ambient i en condicions d'incendi. Els resultats obtinguts a partir de l'extens estudi paramètric basat en els elements finits confirmen la capacitat de redistribució d'esforços dels pòrtics de carboni i inoxidable amb seccions plàstiques i unions de resistència completa a temperatura ambient, i demostren que aquestes estructures presenten una capacitat de redistribució suficient per a fallar mitjançant el desenvolupament de mecanismes de col·lapse plàstic també en situació d'incendi.
Finalment, es presenten dos nous mètodes per a determinar el temps de resistència al foc de les estructures d'acer al carboni i inoxidable: per a quan es dissenya basat en models numèrics avançats i un nou enfocament plàstic analític. Per al primer mètode de disseny basat en anàlisi d'elements finits, es presenta un conjunt de criteris de fallada; el col·lapse es defineix de manera objectiva limitant el desplaçament i la velocitat de desplaçament descrites pels pòrtics. El segon mètode proposat és un nou enfocament de disseny analític basat en l'anàlisi global plàstic; aquesta metodologia és capaç de tenir en compte la capacitat de redistribució de les estructures d'acer al carboni i inoxidable en cas d'incendi, així com els efectes de segon ordre derivats de desplaçament horitzontal dels pòrtics i la sobreresistencia proporcionada per l'enduriment per deformació en les estructures d'acer inoxidable. A més, s'ha demostrat que els dos mètodes proposats milloren significativament la precisió de les resistències al foc estimades en el temps, la qual cosa demostra que és possible una forma nova i més eficaç de dissenyar estructures d'acer.

(Español) Esta tesis investiga la respuesta de pórticos de acero al carbono e inoxidable a fuego, y propone nuevos enfoques más eficientes para su diseño. El estudio centra principalmente en pórticos de un vano, conformados por secciones huecas rectangulares clasificadas como Clase 1 (es decir, secciones plásticas) y uniones soldadas de resistencia completa. Con el objetivo de evaluar el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable en situación de incendio, se han desarrollado modelos numéricos avanzados basados en los elementos finitos con el objetivo de reproducir tanto el comportamiento a escala global como local de estas estructuras a elevadas temperaturas, además de ser capaces de discretizar de manera explicita uniones soldadas.
A partir de estos modelos numéricos, se presenta un estudio paramétrico preliminar, en el que se evalúa el comportamiento de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a elevadas temperaturas, y se identifican los principales factores que condicionan la respuesta de los pórticos. A partir de estos resultados preliminares, se identifican un conjunto de carencias de conocimiento, que posteriormente se abordan a lo largo de los diferentes capítulos de esta tesis.
En primer lugar, se realiza un exhaustivo estudio paramétrico centrado en uniones soldadas de elementos tubulares en acero al carbono y en acero inoxidable sometidas a momento flector, que permite evaluar la precisión de la formulación prescrita en la normativa europea vigente, y a partir del cual se presenta una nueva formulación para estimar la resistencia a momento flector de uniones soldadas entre elementos rectangulares huecos.
Posteriormente, se lleva a cabo un extenso estudio paramétrico centrado en pórticos de acero al carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones soldadas de resistencia completa considerando diferentes técnicas para modelizar las uniones. A partir del cual se analiza la influencia de las uniones soldadas en la respuesta del pórtico, tanto a temperatura ambiente como en situación de incendio.
Basándose en los resultados anteriores, se lleva a cabo un estudio numérico para analizar la capacidad de redistribución de los pórticos de acero al carbono e inoxidable a temperatura ambiente y en condiciones de incendio. Los resultados obtenidos a partir del extenso estudio paramétrico basado en los elementos finitos confirman la capacidad de redistribución de esfuerzos de los pórticos de carbono e inoxidable con secciones plásticas y uniones de resistencia completa a temperatura ambiente, y demuestran que estas estructuras presentan una capacidad de redistribución suficiente para fallar mediante el desarrollo de mecanismos de colapso plástico también en situación de incendio.
Por último, se presentan dos nuevos métodos para determinar el tiempo de resistencia al fuego de las estructuras de acero al carbono e inoxidable: para cuando se diseña basado en modelos numéricos avanzados y un nuevo enfoque plástico analítico. Para el primer método de diseño basado en análisis de elementos finitos, se presenta un conjunto de criterios de fallo; el colapso se define de forma objetiva limitando el desplazamiento y la velocidad de desplazamiento descritas por los pórticos. El segundo método propuesto es un nuevo enfoque de diseño analítico basado en el análisis global plástico; esta metodología es capaz de tener en cuenta la capacidad de redistribución de las estructuras de acero al carbono e inoxidable en caso de incendio, así como los efectos de segundo orden derivados del desplome horizontal de los pórticos y la sobreresistencia proporcionada por el endurecimiento por deformación en las estructuras de acero inoxidable. Además, se ha demostrado que los dos métodos propuestos mejoran significativamente la precisión de las resistencias al fuego estimadas en el tiempo, lo que demuestra que es posible una forma nueva y más eficaz de diseñar estructuras de acero.