Steel and composite building frames: sway response under conventional loading and developmet of membrane effects in beams further to an exceptional action

The present thesis is dedicated to the study of the behaviour of steel and composite steel-concrete building frames with a particular attention paid to the beam-to-column joint behaviour. Two main topics are investigated herein: the behaviour of sway building frames subjected to “conventional” loadings and the development of the membrane forces in structural beams further to the loss of a column. Regarding the first topic, the main objective is to propose a simplified analytical method to predict the ultimate load factor of composite sway building frames, a case not yet covered by the actual codes and standards. To achieve this goal, the behaviour of composite joints subjected to bending moments is first studied through experimental and analytical investigations; indeed, the joints are key elements influencing the response of sway frames. Through these investigations, a new collapse mode is identified for single-sided composite joints subjected to hogging moments and an analytical method is proposed and validated to introduce this new collapse mode in the joint design. In addition, an analytical method is also proposed and validated to predict the response of composite joints subjected to sagging moment, a situation which can occur in composite sway frames subjected to horizontal loads but not yet covered by the actual codes. Afterwards, the numerical tool used to predict the response of composite sway frames is validated through a benchmark study and through comparisons with experimental test results coming from two tests performed in European laboratories. With the so-validated software, the behaviour of actual sway building frames (i.e. frames extracted from existing buildings) is investigated, highlighting their particularities. The applicability to composite sway frames of two simplified analytical method initially developed for steel sway frames (an elastic one called the “amplified sway moment method” and a plastic one called the “Merchant-Rankine approach”) is then studied. From these investigations, it is demonstrated that the elastic method can be applied with good confidence to composite sway frames while the plastic one illustrates the same problems of accuracy already observed in previous studies on steel sway frames; in particular, the plastic method may prove to be very unsafe if the collapse mode associated to the ultimate limit state is a panel plastic mechanism. Finally, according to these results, a simplified analytical method is developed for the prediction of the ultimate load factor of steel and composite sway frames. The proposed method is founded on the Ayrton-Perry formulation and is validated through comparison to results obtained with full non-linear numerical analyses performed on more than 300 steel and composite frames. The so-validated method is easy to apply and permits to predict with a very good accuracy the ultimate load factor of a sway frame and the collapse mode appearing at the ultimate limit state. Founded on the knowledge gained from the previous topic on the structural behaviour of steel and composite structures, the behaviour of such structures subjected to an exceptional event is investigated within the second topic. The main objective is to propose a simplified analytical procedure to predict the development of the membrane forces within a structure further to the loss of a column and their effects on the structural response. In a first step, a general procedure allowing the prediction of the response of a structure further to the loss of a column is first defined, with a particular attention paid to the influence of the development of the catenary action on this response. Then, an experimental test performed at Liège University and simulating the loss of a column in a composite frame is described. The objective of this test is to observe the development of the catenary action within the tested structure and its effect on the joint behaviour. The described test constitutes a European first in this domain. Also, as for the previous topic, the behaviour of joints is investigated in details. Here, the particularity is the fact that the joints are subjected to combined bending moments and axial loads when the membrane effects developed in the structure. In a previous PhD thesis presented at Liège University, an analytical procedure founded on the component method was developed to predict the response of steel joints subjected to such loading. Within the present thesis, this method is extended to composite joints and validated through comparisons to experimental tests. Afterwards, the numerical tool used for the numerical investigations is validated through a benchmark study and through comparisons with the results of the experimental test performed at Liège University. In particular, the difficulty of simulating the actual behaviour of beam-to-column joints subjected to combined bending moments and axial loads is illustrated. With the so-validated software, a simplified substructure modelling, on which the developed analytical method is founded, is then validated. In addition, parametric numerical studies are performed on the substructure modelling in order to identify the parameters to be considered within the developed method. Finally, the developed simplified analytical method is described and validated through comparisons between the experimental results and the analytical prediction. With this “easy-to-apply” method, a very good accuracy is achieved; in particular, it is possible to predict the requested deformation capacity in the structural elements where plastic hinges are developed and the membrane forces which have to be supported by the structureLa présente thèse est dédiée à l’étude du comportement des portiques de bâtiments en acier et mixte acier-béton avec une attention particulière portée sur le comportement des assemblages poutre-colonne. Deux sujets principaux sont abordés : l’étude du comportement des portiques à nœuds transversalement déplaçables soumis à un chargement “classique” et l’étude du développement des efforts membranaires dans les poutres d’un portique suite à la perte d’une colonne. Concernant le premier sujet, l’objectif principal est de proposer une méthode analytique simplifiée permettant de prédire le multiplicateur de charge ultime de portiques mixtes à nœuds transversalement déplaçables, cas non encore couvert par les codes actuels. Pour atteindre cet objectif, le comportement des assemblages mixtes soumis à des moments de flexion est étudié dans un premier temps aux travers d’études expérimentales et analytiques, les assemblages étant des éléments clés dans l’étude du comportement des portiques à nœuds transversalement déplaçables. Via ces études, un nouveau mode de ruine est mis en évidence pour les assemblages mixtes externes et une méthode analytique est proposée et validée pour la prise en compte de ce nouveau mode de ruine dans le dimensionnement de ces assemblages. De plus, une méthode analytique est également proposée et validée pour prédire la réponse des assemblages mixtes soumis à moment positif, situation pouvant apparaître dans les portiques mixtes à nœuds transversalement déplaçables soumis à un chargement horizontal mais non encore couverte par les codes actuels. Ensuite, l’outil numérique utilisé pour prédire la réponse des portiques est validé par une étude comparative réalisée avec différents logiciels et par une comparaison à des résultats expérimentaux provenant de deux essais réalisés dans des laboratoires européens. Avec cet outil ainsi validé, le comportement de portiques mixtes réels (c’est-à-dire extraits de bâtiments existants) est étudié en mettant en évidence leurs particularités. L’applicabilité à des structures mixtes de deux méthodes simplifiées initialement développées pour des portiques en acier à nœuds transversalement déplaçables (une élastique intitulée “amplified sway moment method” et une plastique intitulée “approche de Merchant-Rankine”) est alors étudiée. Suite à cette étude, il est démontré que la méthode élastique peut être assurément appliquée aux portiques mixtes tandis que la méthode plastique démontre les mêmes problèmes de précision que ceux déjà observés dans des études précédentes réalisées sur des portiques en acier ; en particulier, la méthode peut se révéler être très insécuritaire si le mécanisme de ruine associé à l’état limite ultime est un mécanisme plastique de panneau. Finalement, suite à cette dernière observation, une méthode analytique simplifiée est développée pour la prédiction du multiplicateur de charge ultime de portiques mixtes et en acier à nœuds transversalement déplaçables. La méthode proposée est fondée sur la formulation d’Ayrton-Perry et est validée par des comparaisons à des résultats obtenus via des analyses non-linéaires réalisées sur plus de 300 portiques en acier et mixtes. La méthode ainsi validée est facile à utiliser et permet d’obtenir le multiplicateur de ruine d’un portique avec une très bonne précision ainsi que le mode de ruine apparaissant à l’état limite ultime. Suite à l’expérience acquise sur le comportement des structures en acier et mixtes soumises à un chargement « classique », le comportement de celles-ci soumises à une action exceptionnelle a alors été étudié. L’objectif principal est la proposition d’une méthode analytique simplifiée permettant de prédire le développement des forces membranaires dans une structure suite à la perte d’une colonne et leurs effets sur la réponse structurale. Dans un premier temps, une procédure générale permettant de prédire la réponse d’une structure lors de la perte d’une colonne est définie, mettant en évidence l’influence du développement des efforts membranaire sur cette réponse. Un essai expérimental réalisé à l’Université de Liège et simulant la perte d’une colonne dans un portique mixte est ensuite présenté. L’objectif de cet essai est d’observer le développement des efforts membranaires dans la structure testée et leurs effets sur le comportement des assemblages. L’essai présenté constitue une première européenne dans ce domaine. Comme pour le sujet précédent, le comportement des assemblages est aussi étudié en détail. Ici, la particularité est le fait que les assemblages sont soumis à la fois à des moments de flexion et à des efforts axiaux lorsque les effets membranaires se développent dans la structure. Dans une thèse de doctorat précédente présentée à l’Université de Liège, une procédure analytique fondée sur la méthode des composantes a été développée pour prédire la réponse d’assemblages en acier soumis à un tel chargement. Dans la présente thèse, cette méthode est étendue au cas des assemblages mixtes et validées via des comparaisons à des résultats expérimentaux. Ensuite, l’outil numérique utilisé est validé par une étude comparative réalisée avec différents logiciels et par des comparaisons aux résultats de l’essai réalisé à l’Université de Liège. En particulier, la difficulté de simuler le comportement réel d’assemblages soumis à une action combinée d’efforts de flexion et d’efforts axiaux est illustrée. Avec le logiciel ainsi validé, un modèle simplifié de sous-structure permettant de développer la méthode analytique simplifiée est défini et validé via des études numériques. De plus, des études paramétriques sont réalisées sur ce modèle afin d’identifier les paramètres à prendre en compte dans la méthode développée. Finalement, la méthode simplifiée développée est décrite et validée via des comparaisons entre les résultats expérimentaux et les prédictions analytiques. Avec cette méthode facile à utiliser, une très bonne précision est obtenue ; en particulier, il est possible de prédire la demande en terme de capacité de déformation au niveau des éléments structuraux où se forment des rotules plastiques et de déterminer les efforts membranaires devant être supportés par la structure