Análisis del comportamiento a flexión a temperatura ambiente y en situación de incendio de vigas mixtas acero-hormigón con conectores desmontables

Abstract

[ES] En el presente Trabajo Fin de Máster se estudia mediante simulaciones numéricas y cálculos analíticos el comportamiento a flexión de vigas mixtas acero-hormigón con conectores de rasante desmontables, para cuyo fin se toman como referencia los estudios experimentales realizados a temperatura ambiente y elevada en el marco del proyecto de investigación FIREDUCE en la Universitat Politècnica de València, así como otros resultados experimentales previos disponibles en la bibliografía revisada.

Para su comportamiento como elementos mixtos, las vigas acero-hormigón requieren de elementos de conexión denominados conectores de rasante, siendo típicamente utilizados los pernos soldados al ala superior de la viga, garantizando un alto grado de conexión a rasante. Esto resulta favorable en términos de eficiencia estructural, sin embargo, dificulta la posibilidad de separar la losa de hormigón del perfil de acero cuando la estructura haya cumplido su vida útil o en caso de demolición. Una buena solución a este problema es un nuevo sistema de conectores desmontables recientemente introducido en el mercado y que se ha venido estudiando en los últimos años, consiguiendo buenos resultados. Este nuevo tipo de conectores atornillados, contribuyen al concepto de economía circular gracias a la reducción de emisiones de carbono por el reciclaje y/o posible reutilización de sus componentes.

Actualmente se cuenta con varios estudios sobre el comportamiento de vigas mixta acero-hormigón con conectores a rasante desmontables a temperatura ambiente, no obstante, se desconoce su comportamiento en condiciones de incendio. El acero pierde rápidamente sus propiedades mecánicas ante la acción del fuego, convirtiendo en importante el estudio a temperatura elevada de esta tipología de vigas mixtas, siendo necesario generalizar los resultados a diferentes grados de acero, resistencias del hormigón, dimensiones seccionales, diversas estrategias de protección, etc. Dado el elevado coste de los ensayos experimentales, resulta conveniente obtener estos resultados a través de simulaciones numéricas, capaces de proporcionar información detallada y precisa.

Para el desarrollo del modelo numérico objeto del presente trabajo, se emplea el programa comercial de análisis no lineal Abaqus, el cual emplea el método de los elementos finitos, permitiendo introducir el comportamiento mecánico de los materiales a diferentes temperaturas, así como los diferentes mecanismos de transmisión de calor, el modelado de los conectores de rasante a diferentes temperaturas, entre otros aspectos.

Tras la validación del modelo numérico por comparación con los ensayos experimentales de referencia, se comprueba la aplicabilidad de las ecuaciones de diseño descritas en la normativa europea y la bibliografía revisada, y se propone una extensión de las mismas para el cálculo a temperatura elevada de las vigas mixtas acero-hormigón con conectores desmontables, transferible a la industria de la construcción.

[EN] In this Master's Thesis, the flexural behavior of steel-concrete composite beams with demountable shear connectors is studied through numerical simulations. The reference for this study is based on experimental research conducted at room and elevated temperature as part of the FIREDUCE research project at the Universitat Politècnica de València, along with other previous experimental investigations available in the literature.

For their composite behavior, steel-concrete beams require a connecting element known as shear connector, which is typically materialized by means of bolts welded to the upper flange of the beam,ensuring a high degree of shear connection. This proves advantageous in terms of structural efficiency; however, it difficult the separation of the concrete slab from the steel beam when the structure reaches the end of its service life or in the case of demolition. A viable solution to this problem is a recently introduced system of demountable shear connectors that has been under study in recent years, yielding positive results. This novel type of bolted connector contributes to the concept of circular economy through the reduction of carbon emissions via recycling and/or the potential reuse of its components.

Currently, there are several studies on the behavior of steel-concrete composite beams with demountable shear connectors at room temperature. However, their performance under fire conditions is unknown. Steel rapidly loses its mechanical properties when exposed to fire, making it crucial to study this type of composite beams at elevated temperatures, being much needed to generalize the results to different steel grades, concrete strengths, sectional dimensions, various protection strategies, etc. Due to the high cost of experimental tests, obtaining these results through numerical simulations is advisable, as they can provide detailed and precise information.

For the development of the numerical model aimed in this study, the commercial nonlinear analysis program Abaqus is employed. This program is makes use of the finite element method, allowing for the modeling of material constitutive behavior at different temperatures, various heat transfer mechanisms, and the behavior of shear connectors at different temperatures, among other aspects.

After validating the numerical model by comparison with the reference experimental tests, the applicability of the design equations described in the European standards and the revised literature is verified, and an extension is proposed for the elevated temperature design of steel-concrete composite beams with demountable shear connectors, which can be transferred to the construction industry.