FIRE RESPONSE ANALYSIS OF CIRCULAR CONCRETE FILLED TUBULAR COLUMNS AND THE EFFECTS OF AXIAL AND ROTATIONAL RESTRAINTS

Abstract

[EN] The combination of different materials to form a single structural member to take profit of their individual good characteristics is a successfully established practice in building industry. In concrete filled tubular columns (CFT) the combined action of steel and concrete results in many positive attributes at ambient temperature: high load-bearing capacity with smaller cross-section size, aesthetics, high stiffness and ductility and reduced construction cost. In the last decades, the use of CFT columns in building industry, especially in high-rise buildings, has increased not only because of their positive characteristics at room temperature, but also for their inherent high fire resistance. Besides, CFT sections are greatly versatile given that they admit different types of concrete infill such as plain concrete, bar-reinforced concrete or fiber reinforced concrete; and also a wide variety of shapes. Although the more commonly used shapes are circular, and rectangular, new configurations and shapes are continuously appearing together with innovative materials. The ambient temperature behavior of CFT columns has been deeply studied and, in turn, the investigations dealing with their fire behavior have increased. For its structural analysis, the column can be considered as an isolated member or as a column integrated in a structure interacting with other structural members. The review of the state of the art in the area of CFT columns in fire carried out in the framework of this thesis has pointed out that most works cover the fire response of isolated members and that the existing studies on columns within frames differ in their proposals and conclusions. In this thesis, the fire response of CFT columns is analyzed by means of a fiber beam element model. First, a realistic cross-sectional thermal model is implemented to be integrated in the thermo-mechanical model developed whose accuracy is validated against experimental results after its calibration. Parametric studies are carried out with the aim of investigating the main factors affecting the problem and developing a simple calculation method based on Eurocode 4 and using the concept of equivalent concrete core cross-section. Finally, given the reduced computational cost of the fiber model, the effects of axial and rotational restraint in the fire response of CFT columns are investigated by integrating the heated CFT column within a frame. A parametric analysis is performed in order to draw conclusions about this interaction and contrast the current code provisions. The scope of this thesis is limited to circular CFT columns subjected to concentric axial loads.

[ES] Combinar diferentes materiales en un único elemento estructural para aprovechar las fortalezas individuales de cada uno es una práctica consolidada con éxito en el sector de la construcción. En los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón (CFT) la acción conjunta del acero y el hormigón presenta muy buenas cualidades a temperatura ambiente: alta capacidad de carga con secciones pequeñas, buena apariencia, alta rigidez y ductilidad y bajo coste de puesta en obra. En las últimas décadas, el uso de pilares CFT en el sector de la construcción, especialmente en edificios de gran altura, ha aumentado no solo debido a sus buenas características a temperatura ambiente sino también por su inherente alta resistencia al fuego. Además, las secciones de pilares CFT son muy versátiles ya que admiten diferentes tipos de relleno, como hormigón en masa, con armaduras o reforzado con fibras; y también una amplia variedad de formas. Aunque los perfiles tubulares más usados son los circulares y rectangulares, nuevas configuraciones están continuamente en desarrollo junto con nuevos materiales. El comportamiento de los pilares CFT a temperatura ambiente ha sido ampliamente estudiado y, a su vez, las investigaciones sobre su comportamiento a fuego han aumentado. Para su análisis estructural, el pilar puede ser considerado como un elemento aislado o como un elemento integrado en una estructura que interactúa con otros elementos estructurales. La revisión del estado del arte en el área de los pilares CFT sometidos a fuego llevado a cabo en el marco de esta tesis ha puesto de manifiesto que la mayoría de los trabajos cubren la respuesta a fuego de elementos aislados y que los estudios existentes sobre pilares en estructuras difieren en sus propuestas y conclusiones. En esta tesis, la respuesta a fuego de pilares CFT se analiza por medio de un modelo de elementos viga con integración por fibras. En primer lugar, se implementa un modelo térmico realista para ser integrado en el modelo termo-mecánico desarrollado cuya precisión se valida con resultados experimentales después de ser calibrado. Un estudio paramétrico se lleva a cabo con el objeto de estudiar los principales factores que afectan al problema y desarrollar un modelo simplificado de cálculo basado en el Eurocódigo 4 Parte 1-1 y que emplea el concepto de sección equivalente del núcleo de hormigón. Finalmente, dado el reducido coste computacional del modelo de fibras, se investigan los efectos de la restricción axial y rotacional en la respuesta frente al fuego de los pilares CFT integrando la columna expuesta a fuego dentro de una subestructura. Se ejecuta un estudio paramétrico para extraer conclusiones sobre esta interacción y contrastar las prescripciones de la normativa actual. El alcance de esta tesis queda limitado a pilares CFT sin protección externa, de sección circular y sometidos a carga axial centrada.

[CA] Combinar distints materials en un únic membre estructural per a aprofitar les fortaleses individuals de cada u és una pràctica consolidada amb èxit en el sector de la construcció. En els pilars tubulars d'acer omplerts de formigó (CFT) l'acció conjunta de l'acer i el formigó presenta molt bones qualitats a temperatura ambient: alta capacitat de càrrega amb seccions xicotetes, bona aparença, alta rigidesa i ductilitat i baix cost de posada en obra. En les últimes dècades, l'ús de pilars CFT en el sector de la construcció, especialment en edificis de gran altura, ha augmentat no sols degut a les seues bones característiques a temperatura ambient, sinó també per la seua inherent alta resistència al foc. A més, les seccions de pilars CFT són molt versàtils, doncs admeten distints tipus de farcit, com formigó en massa, amb armadures o reforçat amb fibres; i també una àmplia varietat de formes. Encara que els perfils tubulars més usats són els circulars i rectangulars, noves configuracions estan contínuament en desenvolupament junt amb nous materials. El comportament dels pilars CFT a temperatura ambient ha sigut àmpliament estudiat i, al mateix temps, les investigacions sobre el seu comportament a foc han augmentat. Per a la seua anàlisi estructural, el pilar pot ser considerat com un element aïllat o com un element integrat en una estructura que interactua amb altres elements estructurals. La revisió de l'estat de l'art en l'àrea dels pilars CFT sotmesos a foc, duta a terme en el marc d'aquesta tesi, ha posat de manifest que la majoria dels treballs cobreixen la resposta a foc d'elements aïllats, i que els estudis existents sobre pilars en estructures difereixen en les seues propostes i conclusions. En aquesta tesi, la resposta a foc de pilars CFT s'analitza mitjançant un model d'elements biga amb integració per fibres. En primer lloc, s'implementa un model tèrmic realista per a ser integrat en el model termo-mecànic desenvolupat, i la seua precisió es valida amb resultats experimentals desprès de ser calibrat. Un estudi paramètric es du a terme amb l'objectiu d'estudiar els principals factors que afecten al problema i desenvolupar un model simplificat de càlcul basat en l'Eurocodi 4, Part 1-1 i que empra el concepte de secció equivalent del nucli de formigó. Finalment, tenint en compte el reduït cost computacional del model de fibres, s'investiguen els efectes de les restriccions axial i rotacional en la resposta a foc dels pilars CFT integrant la columna exposada a foc dins d'una subestructura. Un estudi paramètric s'executa per a obtenir conclusions sobre aquesta interacció i contrastar les prescripcions de la normativa actual. L'abast d'aquesta tesi queda limitat a pilars CFT sense protecció externa, de secció circular i sotmesos a càrrega axial centrada.