Estudio numérico de la capacidad portante de columnas mixtas con doble tubo rellenas de hormigón

Resumen

[EN] Concrete-filled steel tubular columns composed of double-tube sections are a recent development. This type of sections are the result of applying a technique used in the construction of immersed tunnels, by forming a sandwich composite section made up of steel-concrete-steel. Apart from the own advantages of concrete-filled steel tubular (CFST) columns, double-tube columns present other additional advantages which make them of great interest for designers and engineers, such as: reduced weight, higher ductility, improved energy absorption and, above all, an enhanced fire resistance. In turn, the improvements in the manufacturing technique of high strength concrete makes their use in double-tube columns create the suitable synergy for the design of slender structural members. Nevertheless, the fast evolution and development of composite construction has led to a situation where the current design guidance cannot provide updated analytical expressions and recommendations. Give this situation, and due to the innovative nature of this configuration, as well as the complexity of experimental testing, few experimental and analytical works can be found on this typology of columns. This makes the numerical investigation of concrete-filled double-tube columns interesting from the scientific point of view. The mechanical behaviour of concrete-filled double-tube columns is studied in this thesis through a realistic three-dimensional finite element model. The values adopted for the variables of the model are the result of a comprehensive sensitivity analysis. The accuracy of the numerical model is verified against experimental tests and, once the numerical model is validated, an extensive parametric study is developed, with the aim of studying the influence of the main factors which affect the mechanical response of this columns and being able to provide design recommendations. With this information, a comparative study is carried out with the results of the application of the current calculation method for composite columns in Eurocode 4-Part 1.1, in order to evaluate the validity of the method for double-tube columns subjected to axial compression and combined compression and uniaxial bending, infilled with ultra-high strength concrete. The scope of this thesis is limited to slender circular double-tube columns filled with normal and ultra-high strength concrete subjected to monotonic concentric or eccentric axial load of uniform bending moment. [ES] Las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón compuestas de una sección de doble tubo son de reciente creación. Son el resultado de aplicar la técnica utilizada en la construcción de túneles sumergidos, de construir una sección compuesta tipo sándwich, a base de acero-hormigón-acero. Además de las ventajas propias de las columnas tubulares de acero rellenas de hormigón (CFST), las columnas de doble tubo poseen otras ventajas adicionales que las hace muy interesantes para proyectistas e ingenieros como son, por ejemplo: menor peso, mayor ductilidad, mayor absorción de energía, y sobretodo, mejor resistencia a fuego. Por otra parte, la mejora de la técnica de fabricación de hormigones de altas resistencias hace que su utilización en columnas de doble tubo produzca una sinergia idónea para diseñar elementos estructurales esbeltos. Sin embargo, la rápida evolución y desarrollo de la construcción mixta hace que las normas actuales no tengan las expresiones analíticas ni las recomendaciones de diseño actualizadas. Debido a ello y por la relativa solución innovadora de esta configuración, así como la complejidad de realizar ensayos experimentales, existen pocos trabajos experimentales y estudios analíticos acerca de esta tipología de columnas. Es por esto que el estudio numérico de columnas de doble tubo rellenas de hormigón sea, desde el punto de vista científico, interesante. El comportamiento mecánico de columnas de doble tubo rellenas de hormigón se estudia en esta tesis a través de un modelo realista tridimensional de elementos finitos. Los valores adoptados de las variables del modelo son el resultado de un amplio análisis de sensibilidad. La precisión del modelo numérico se verifica con ensayos experimentales y, una vez se dispone de un modelo validado, se desarrolla un extenso estudio paramétrico con el fin de evaluar la influencia de los principales factores que afectan la respuesta mecánica de las mismas y poder establecer recomendaciones de diseño. Con esa información, se realiza una comparativa con los resultados de aplicar el método de cálculo de columnas mixtas del Eurocódigo 4 - Parte 1.1, con el propósito de evaluar la validez del método en columnas de doble tubo comprimidas y flexo-comprimidas rellenas de hormigón de ultra alta resistencia. El alcance de esta tesis queda limitado a columnas circulares esbeltas de doble tubo rellenas de hormigón de resistencia normal y ultra alta resistencia sometidas a carga monotónica centrada y excéntrica de momento uniforme. [CAT] Les columnes tubulars d'acer emplenades de formigó compostes d'una secció de doble tub són de recent creació. Són el resultat d'aplicar la tècnica utilitzada en la construcció de túnels submergits, de construir una secció composta tipus sandvitx, a base d'acer-formigó-acer. A més dels avantatges propis de les columnes tubulars d'acer emplenades de formigó (CFST), les columnes de doble tub posseeixen altres avantatges addicionals que les fa molt interessants per a enginyers com són, per exemple: menor pes, major ductilitat, major absorció d'energia, i sobretot, millor resistència a foc. D'altra banda, la millora de la tècnica de fabricació de formigons d'altes resistències fa que la seva utilització en columnes de doble tub produïsca una sinergia idònia per dissenyar elements estructurals verticals esvelts. No obstant això, la ràpida evolució i desenvolupament de la construcció mixta fa que les normes actuals no tinguin les expressions analítiques ni les recomanacions de disseny actualitzades. Per aquest motiu i per la relativa solució innovadora d'aquesta configuració, així com la complexitat de realitzar assajos experimentals, existeixen pocs treballs experimentals i estudis analítics sobre aquesta tipologia de columnes. És per això que l'estudi numèric de columnes de doble tub farcides de formigó siga, des del punt de vista científic, interessant. El comportament mecànic de columnes de doble tub emplenades de formigó s'estudia en aquesta tesi mitjançant un model realista tridimensional d'elements finits. Els valors adoptats per a les variables del model són el resultat d'una extensa anàlisi de sensibilitat. La precisió del model numèric es verifica amb assajos experimentals i, una vegada es disposa d'un model validat, es desenvolupa un extens estudi paramètric amb la finalitat d'avaluar la influència dels principals factors que afecten la resposta mecànica de les columnes i poder establir recomanacions de disseny. Amb aquesta informació, es realitza una comparativa amb els resultats d'aplicar el mètode de càlcul de columnes mixtes del Eurocódigo 4-Part 1.1, amb el propòsit d'avaluar la validesa del mètode en columnes de doble tub comprimides i flexo-comprimides emplenades de formigó d'ultra alta resistència. L'abast d'aquesta tesi queda limitat a columnes circulars esveltes de doble tub emplenades de formigó normal i d'ultra alta resistència sotmeses a càrrega monotònica centrada i excèntrica amb moment uniforme.