Fire behaviour of blind-bolted connections to concrete filled tubular columns under tension

Abstract

[EN] Concrete filled steel tubular columns have many advantages in terms of bearing capacity, aesthetics, execution and fire resistance, thanks to the collaborative work of both materials steel and concrete. The effort made in the last decades to rise a high understanding of their behaviour subjected to different loads and assuming multiple variations has resulted in the wide spread of its use between the designers. Nonetheless, how to solve the connection with I-beams is still a handicap and requires a specific study. One of the most common and popular solution to connect open section steel beams (I-beams) to open section steel columns are endplate connections. In the cases of columns with hollow section, special fastenings are needed, which are able to be tightened from one external side and are denominated blind-bolts. Nowadays, there are several fastener systems that allow these types of connections. The characterization of their response and their capacity to support different loads is the objective of several investigations, where the geometrical definition and the material properties are crucial parameters. Despite the promising results of these connections at room temperature regarding their capability to resist bending moments, their performance is un-known at high temperatures. Therefore, the aim of this thesis is the study of the tensile behaviour of blind-bolts in endplate connections to concrete filled tubular columns at elevated temperatures and subjected to bending moment. Primarily, the research comprises the understanding of the pure thermal transfer problem. The temperature distribution through the connection section is obtained experimental and numerically. The thermal parameters that characterize the connections response are determined through the calibration of the numerical models with the experiments. Secondly, the blind-bolt capacity under pull out and at high temperatures is under analysis. During the fire the temperature increases while connection transmits loads from the beam to the column, the objective of this dissertation is to know how the mechanical response of the pulled blind-bolts changes under these conditions. Thus, the study of the material properties dependent on the temperature and their effect on the connection response is covered by the investigation. Furthermore, the influence of the concrete and the type of fastener is a highlighted aspect through the thermal and the fire analysis. Finally, the reliability of these connections to comply with requirements of 30 minutes fire exposure before the collapse is evaluated. As a result, valuable Finite Element models able to simulate the thermal and thermo-mechanical behaviour of the connection are developed, providing useful behavioural patterns of the blind-bolts. Among the main conclusions, it is noted the temperature reduction due to concrete core in concrete filled columns compared to hollow sections, in the exposed bolt surface means 100ºC less. Conversely, a longer bolt shank of the fastener system embedded in concrete has a negligible effect on the temperature of the resistant part of the bolt. Regarding the fire capacity, the concrete core in the steel tube columns presents significant benefits in terms of fire resistance time and connection stiffness. Besides, the bolt anchorage enhances the stiffness at elevated temperatures, however, the failure of the shank next to the bolt head causes that the anchorage does not mean an improvement on the fire time resistance.

[ES] Las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón presentan múltiples ventajas en términos de capacidad de carga, estética, ejecución y resistencia al fuego, gracias a la acción combinada de acero y hormigón. El esfuerzo realizado en las últimas décadas por conocer su comportamiento frente a diferentes cargas y bajo distintos parámetros ha dado lugar a una amplia difusión de su uso entre los diseñadores. No obstante, la forma de resolver la conexión con vigas de sección en I sigue siendo un hándicap y requiere un estudio específico. Una de las soluciones más comunes y populares para conectar las vigas de acero de sección abierta (vigas I) a columnas de acero de sección abierta es la conexión con chapa de testa, que en el caso de sección hueca requiere de tornillos especiales denominados tornillos ciegos, puesto que reciben el par de apriete desde una cara de la sección. En la actualidad existen diversos sistemas de fijación que permiten este tipo de conexiones y cuya respuesta y caracterización es objeto de numerosas investigaciones. En este sentido, la definición geométrica de la unión y las propiedades de los materiales son parámetros cruciales en el rendimiento de la conexión. La presente tesis analiza el comportamiento de los tornillos ciegos en el área traccionada de conexiones de placa de testa a columnas tubulares de acero rellenas de hormigón sometidas a momentos de flexión y a elevadas temperaturas. Las prestaciones de esta solución constructiva para la unión viga-columna tubular, junto con la ausencia de datos relacionados con su comportamiento en situación de incendio la convirtió en el objetivo del trabajo. En primer lugar, la investigación aborda el problema de transferencia de calor, analizando experimental y numéricamente la distribución de temperaturas en la sección de la conexión. En esta parte del estudio se obtienen los parámetros térmicos que caracterizan la respuesta térmica de la conexión a través de la calibración de los modelos numéricos con los datos experimentales. En segundo lugar, se realiza el estudio de la capacidad de los tornillos ciegos para soportar cargas de tracción en situación de incendio, es decir, se analiza cómo cambia el comportamiento de la conexión con sus características alteradas debido a las altas temperaturas. El estudio de las propiedades del material en función de la temperatura y su efecto sobre la respuesta de la conexión constituyen una parte importante de la investigación. Además, se evalúa la influencia del hormigón y el tipo de elemento de sujeción tanto en el comportamiento mecánico como termo-mecánico de la conexión. Por último, se estudia la capacidad de las uniones para cumplir con requerimientos de exposición al fuego de 30 minutos previamente al colapso. Como resultado de este trabajo se obtuvieron modelos de elementos finitos capaces de simular la conexión térmica y termo-mecánicamente, proporcionando patrones de comportamiento de gran utilidad en el diseño de las mismas. Entre las principales conclusiones, se observó la reducción de la temperatura en los tornillos gracias al núcleo de hormigón en columnas de hormigón lleno en comparación con secciones huecas, que ya en la superficie expuesta del tornillo se cuantificaba en 100ºC menos. Por el contrario, los elementos de fijación que presentaban mayor longitud de vástago de tornillo embebida en el hormigón, no generaban un efecto significativo sobre la temperatura de la parte resistente del perno. En cuanto a la capacidad resistente frente a fuego, el núcleo de hormigón supuso una mejora en términos de rigidez y de tiempo de resistencia al fuego. Sin embargo, el fallo de los pernos en una sección próxima a la superficie expuesta redujo el efecto esperado del anclaje del tornillo, que si bien implicaba una mayor rigidez de la conexión, no parecía mejorar el tiempo de resistencia a fuego. Finalmente se planteó la necesidad de

[CA] Els pilars tubulars d'acer omplerts de formigó (CFT) presenten molts avantatges en termes de capacitat de carrega, estètica, execució i resistència al foc, gràcies a l'acció combinada de l'acer i el formigó. L'esforç realitzat en les darreres dècades per conèixer el seu comportament enfront a diferents càrregues i sota distints paràmetres ha donat lloc a una amplia difusió del seu ús entre el dissenyadors. No obstant això, la manera de resoldre la connexió amb bigues de secció en I, continua sent un handicap i requereix d'un estudi específic. Una de les solucions més comuns i populars per a connectar les bigues d'acer de secció oberta (bigues I) a columnes d'acer de secció oberta és la connexió amb 'chapa de testa', que en el cas de la secció buida requereix de perns especials denominats perns cecs perquè es rosquen des d'una cara de la secció. En l'actualitat existeixen diversos sistemes de fixació que permeten aquest tipus de connexions, la resposta i caracterització dels quals es l'objectiu de nombroses recerques. En aquest sentit, la definició geomètrica de la unió i les propietats dels materials son paràmetres crucials en el rendiment de la connexió. Aquesta tesi analitza el comportament dels perns cecs en l'àrea traccionada de connexions de 'chapa de testa', a pilars tubulars d'acer omplerts de formigó, sotmeses a moments de flexió i a elevades temperatures. Les prestacions d'aquesta solució constructiva per a la unió biga-pilar tubular junt amb l'absència de dades relacionades amb el comportament en situació d'incendi, la van convertir en l'objectiu d'aquest treball. En primer lloc, la recerca aborda el problema de transferència de calor, analitzant tant experimental com numèricament la distribució de temperatures en la secció de la connexió. En aquesta part de l'estudi, s'obtenen el paràmetres tèrmics que caracteritzen la resposta tèrmica de la connexió mitjançant el calibratge del models numèrics amb les dades experimentals. En segon lloc, es realitza l'estudi de la capacitat dels perns cecs per a suportar càrregues de tracció en situació d'incendi, es a dir, s'analitza com canvia el comportament de la connexió amb les seues característiques alterades degut a les altes temperatures. L'estudi de les propietats del material en funció de la temperatura i el seu efecte en la resposta de la connexió formen també part de la recerca. Un contingut important d'aquest treball consisteix en determinar l'influencia del formigó i el tipus d'element de fixació tant en el comportament mecànic com termo-mecànic de la connexió. Per últim, s'estudia la capacitat de les unions per a complir amb els requeriments d'exposició al foc de 30 minuts prèviament al col·lapse. Com a resultat d'aquest treball s'obtingueren models d'elements finits amb capacitat per a simular el comportament tèrmic i termo-mecànic de la connexió, proporcionant patrons de comportament de gran utilitat en el disseny. Entre les principals conclusions, es va observar la reducció de la temperatura en els perns gràcies al nucli de formigó en pilars omplerts de formigó en comparació amb el pilars buits, on ja en la superfície esposada del cargol es quantificava en 100 ºC menys. Pel contrari, els elements de fixació que presentaven major longitud de embeguda en el formigó, no generaven un efecte significatiu en la temperatura de la part resistent del pern. En quant a la capacitat resistent davant del foc, el nucli de formigó va suposar una millora en termes de rigidesa i de temps de resistència al foc. Tanmateix, la fallada dels perns en una secció pròxima a la superfície esposada va reduir l'efecte esperat de la fixació del pern, que si be implicava una major rigidesa de la connexió, no semblava millorar el temps de resistència al foc. Finalment, es va plantejar la necessitat de aprofundir en l'anàlisi incorporant un major rang de paràmetres.