Numerical and experimental research on the fire resistance of composite columns with steel sections embedded in concrete and high strength materials

Abstract

[ES] Los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón (CFST) son un tipo de elementos estructurales mixtos que han ganado popularidad recientemente debido a su excelente comportamiento estructural y al uso racional de los materiales en su fabricación. Con la introducción de un perfil de acero dentro de una sección CFST, surge un nuevo tipo de sección mixta: los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón con perfil de acero interior (SR-CFST), en los cuáles se centra esta tesis. Esta tipología incrementa la capacidad portante a temperatura ambiente de los pilares CFST y mejora su comportamiento a fuego, ya que el perfil interior está protegido térmicamente por el hormigón que lo rodea.

Las investigaciones disponibles en la bibliografía sobre pilares SR-CFST aún son escasas, pese a sus significativas capacidades mecánicas tanto a temperatura ambiente como a elevada. En esta tesis se revisa el estado del arte sobre pilares SR-CFST, llegando a la conclusión de que son necesarias más investigaciones para comprender el comportamiento de estas secciones a temperatura elevada.

La presente tesis analizará el comportamiento frente al fuego de pilares SR-CFST mediante ensayos experimentales y simulaciones numéricas. Inicialmente, se lleva a cabo una campaña experimental para analizar el comportamiento de los pilares bajo dos escenarios: una primera fase que estudia el comportamiento de los pilares tras su exposición al fuego, y una segunda en la que se analizará el comportamiento termo-mecánico de pilares cortos SR-CFST bajo carga constante e incremento progresivo de la temperatura.

Tras ello, se desarrolla un modelo de elementos finitos para extender los resultados obtenidos experimentalmente y estudiar en profundidad el comportamiento de los pilares SR-CFST en fuego. El modelo numérico se valida con los ensayos termo-mecánicos realizados anteriormente, así como comparando sus predicciones con los resultados experimentales extraídos de la bibliografía. Con el modelo desarrollado se realizan una serie de estudios paramétricos para examinar la influencia de los parámetros geométricos más relevantes, así como para analizar el efecto del uso de materiales de alta resistencia en el comportamiento a fuego de los pilares. En base a los resultados obtenidos de los estudios paramétricos, se lleva a cabo una propuesta para determinar de forma sencilla la distribución de temperaturas seccional en un tiempo de exposición al fuego dado. Empleando las temperaturas equivalentes obtenidas y en línea con las directrices del Eurocódigo 4 Parte 1.2, se propone una nueva expresión para evaluar la resistencia plástica seccional de los pilares SR-CFST bajo la acción del fuego. Esta propuesta cubre un campo de aplicación que actualmente no está contemplado en la normativa europea.

[CA] Els pilars tubulars d'acer plens de formigó (CFST) són un tipus de membres estructurals mixtes que han guanyat popularitat recentment degut al seu excel·lent comportament estructural y a l'ús moderat de materials en la seua construcció. Amb la introducció d'un perfil d'acer dins d'una secció CFST, s'obté un nou tipus de secció mixta: els pilars tubulars d'acer plens de formigó amb perfil d'acer interior (SR-CFST), al voltant dels quals se centra esta tesi. Esta tipologia incrementa la capacitat a temperatura ambient dels pilars CFST i millora el seu comportament a foc, ja que el perfil interior està protegit tèrmicament pel formigó que l'envolta.

Les investigacions disponibles a la bibliografia sobre pilars SR-CFST encara són escasses, malgrat les seues significatives capacitats mecàniques tant a temperatura ambient com a elevada. En esta tesi es revisa l'estat de l'art sobre pilars SR-CFST, concloent que són necessàries més investigacions per tal de comprendre el comportament d'estes seccions a alta temperatura.

En la present tesi s'analitzarà el comportament a foc dels pilars SR-CFST per mitjà d'assajos experimentals i simulacions numèriques. Inicialment es desenvolupa una campanya experimental per tal d'analitzar el comportament dels pilars en dos situacions: una primesa fase estudia el comportament dels pilars després de la seua exposició al foc i una segona en què s'analitza el comportament termo-mecànic de pilars curts SR-CFST subjectes a una càrrega constant i a un increment progressiu de la temperatura.

Seguidament es desenvolupa un model d'elements finits realista per tal d'estendre els resultats obtinguts experimentalment i estudiar en profunditat el comportament dels pilars SR-CFST en foc. El model numèric es valida amb els assajos termo-mecànics realitzats anteriorment, així com comparant les seues prediccions amb els resultats disponibles a la bibliografia. Amb ajuda del model desenvolupat es realitzen una sèrie d'estudis paramètrics per tal d'examinar la influència dels paràmetres geomètrics més rellevants així com l'efecte de l'ús de materials d'alta resistència en el comportament a foc dels pilars. Basat en els resultats obtinguts dels estudis paramètrics, es desenvolupa una proposta per determinar, de forma senzilla, la distribució de temperatures seccional en un temps d'exposició al foc concret. Amb les temperatures equivalents obtingudes i en línia en les indicacions de l'Eurocódi 4 Part 1.2, es proposa un nou mètode per avaluar la resistència plàstica seccional de pilars SR-CFST baix l'acció del foc. Esta proposta cobreix un camp d'aplicació que actualment no està contemplat en la normativa europea.

[EN] Concrete-filled steel tubular (CFST) columns are a type of composite structural members that have gained popularity in recent years owing to their excellent structural performance and rational use of the materials. By embedding a steel profile inside a CFST section, a new and innovative type of composite section is generated: the so-called steel-reinforced concrete-filled steel tubular (SR-CFST) column, which is the focus of this thesis. This typology improves the room temperature capacity of CFST columns, while enhancing their fire performance, as the inner steel profile is thermally protected by the surrounding concrete.

Despite their remarkable load-bearing capacity at both room and elevated temperature, investigations on SR-CFST columns under fire are still scarce. The state of the art on the fire behaviour of SR-CFST columns is reviewed in this thesis, proving that further research is needed to completely understand the performance of this type of columns under elevated temperature.

The fire performance of SR-CFST columns is analysed in this thesis by means of experimental tests and numerical simulations. First, an experimental investigation is conducted to study the behaviour of these composite columns under two scenarios: the first phase of the experimental campaign is focused on the post-fire performance, while the second phase is conducted to determine the thermo-mechanical performance of SR-CFST stub columns under constant load and increasing temperature.

Subsequently, a realistic finite element model is developed to extend the experimental results and analyse in depth the behaviour of SR-CFST columns in fire. The numerical model is validated against the previously performed thermo-mechanical tests, as well as by comparing its predictions with the available experimental results from the literature. A series of parametric studies are conducted to analyse the influence of the relevant geometrical parameters and to study the effect of the use of high-strength materials on the fire performance of the columns. Based on the results of the parametric studies, a simplified proposal is developed to easily determine the cross-sectional temperature distribution at a given fire exposure time. Using the obtained equivalent temperatures and in line with the current provisions in Eurocode 4 Part 1.2, a new design equation is proposed to evaluate the cross-sectional plastic resistance of SR-CFST columns under fire conditions, filling an existing gap in the European design code.