Os pilares mistos preenchidos são elementos estruturais constituídos por um tubo de aço preenchido com concreto de qualidade estrutural. O objetivo principal do trabalho foi estudar o comportamento dos pilares mistos preenchidos de seção circular. Para isso, foi avaliada a influência da resistência à compressão do concreto (fc), da esbeltez do pilar (L/D), da espessura do tubo de aço (t) e da forma de introdução do carregamento, se no núcleo de concreto ou na seção mista do pilar. Foram feitos ensaios experimentais de 64 pilares mistos preenchidos, submetidos à força de compressão centrada. Os resultados de capacidade resistente obtidos foram avaliados e comparados com os resultados de previsão segundo os procedimentos normativos estrangeiros do EUROCODE 4:2004, ANSI/AISC:2005 e CAN/CSA:2001 e do Projeto de Revisão da Norma Brasileira (PR-NBR 8800, draft 2008). Os resultados previstos foram maiores que os experimentais para os procedimentos do ANSI/AISC e da NBR e menores para os procedimentos do EC4 e do CAN/CSA. A partir da comparação dos valores de capacidade resistente experimentais e normativos, foi desenvolvido um estudo de confiabilidade dos valores de força resistente obtidos segundo as equações de dimensionamento dessas normas, por meio da estimativa do erro de modelo inerente a cada uma. Os resultados mostraram que o EC4 apresenta os índices de confiabilidade mais uniformes. Além disso, foi feita uma modelagem numérica dos pilares mistos preenchidos com relação L/D = 10, buscando obter o valor da capacidade resistente desses pilares e compará-los com os resultados experimentais. Embora o modelo numérico tenha representado adequadamente o comportamento dos pilares preenchidos esbeltos, os valores de força última foram inferiores aos experimentais. / Concrete-filled steel tubular columns are structural elements made of a steel tube filled with structural concrete. The main objective of this work was study the global behavior of concrete-filled steel tubular columns. For this, some variables were evaluated: concrete compressive strength (fc), length-to-diameter ratio (L/D), diameter-to-thickness ratio (D/t) and the type of load application (on concrete core or on composite cross section). Tests of 64 concrete filled columns were performed. The columns were subjected to axial load. The results of experimental compressive strength were compared to results from three different international codes (EUROCODE 4:2004, ANSI/AISC:2005 e CAN/CSA:2001) and the national NBR 8800, draft 2008. The results showed, in general, a conservative behavior of values predicted by NBR and ANSI/AISC e non-conservative values by EC4 and CAN/CSA. Based on comparisons between experimental values and codes predictions, an error model variable was estimated to each code and a reliability analysis was performed. The results indicate that the EC4 is the best code with less tendentious behavior of its design equation. A numerical analysis of columns with slenderness (L/D) equal to 10 was carried out to try to predict the peak load of columns and compare the results with those from experimental analysis. Althougth the results of the numerical analysis had a good match to the experimental ones, the values, in average, were conservatives.

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da laje de concreto armado em uma ligação viga-pilar misto mediante um estudo experimental e uma modelagem numérica. A ligação considerada é constituída por uma viga de aço unida a um pilar misto preenchido através de barras rosqueadas que trabalham como parafusos passantes. Esse tipo de ligação já foi investigado em trabalhos anteriores, mediante análise experimental em modelos que não incluíam a laje, resultando em uma indesejável ruptura dos parafusos. A análise da ligação completa, com a presença da laje de concreto tornando a ligação uma ligação mista, além de ser mais realista, melhora as características de resistência e rigidez do modelo, além de tornar mais dúctil o seu comportamento. Para isso foram analisados três modelos experimentais que se diferenciam pela ausência ou tipo de conector de cisalhamento presente na região interna do pilar misto. Os resultados obtidos mostraram que a ruptura da ligação passou a ser determinada pela laje, associada ao escoamento da armadura longitudinal sem que a ligação viga-pilar fosse comprometida. Para a análise numérica foi utilizado o pacote computacional DIANA®, baseado no método dos elementos finitos. Os modelos numéricos foram desenvolvidos e calibrados pelos resultados experimentais, produzindo resultados bastante satisfatórios. Finalmente foi realizada uma análise numérica paramétrica variando a armadura longitudinal da laje e a resistência do concreto com o objetivo de se entender melhor a influência desses parâmetros no comportamento da ligação investigada. / The main objective of this work was to analyze the contribution of the concrete slab for the behavior of a steel beam-concrete filled composite column connection through an experimental program and also a numerical modeling. The considered connection was constituted of steel beams connected to a concrete filled tubular column of rectangular cross section by means of passing bars. This type of connection was studied before through an experimental analysis of connections that did not include the slab, resulting in failure of the passing bars. In the present study, the presence of the slab is considered, turning the connection a composite one. The studied model is more representative of the real structure, and also improves the resistance and the stiffness of the connection, turning the behavior more ductile. Three specimens were tested, where the studied variable was the type of shear connector, angles or stud-bolts, and one specimen without connectors as a reference. The obtained results showed that the failure was determined by the slab, associated to the yielding of the longitudinal reinforcement, without affecting the beam column connection. The finite element based software DIANA® was used to the numerical analysis. The numerical models were developed and calibrated by the experimental results, producing a good agreement. Finally, a parametric analysis was done, varying the slab longitudinal reinforcement and the concrete strength in order to better understand the influence of these parameters in the behavior of the studied connection.

Neste trabalho, ligações entre vigas pré-moldadas de concreto e pilares mistos preenchidos foram propostas com a finalidade de transferir momento de flexão e força cortante das vigas para os pilares mobilizando os núcleos de concreto. Foi realizado um estudo numérico-experimental das ligações onde foi avaliada a viabilidade e a eficiência destas na transferência dos esforços. Em uma primeira fase, modelos compostos por pilar misto e consolo metálico (modelos 1 e 2) foram confeccionados, testados experimentalmente e modelados numericamente (método dos elementos finitos) para avaliar a eficiência do consolo na transferência da força cortante. Observou-se que a transferência da força cortante do consolo para o tubo metálico foi eficaz. O consolo se comportou de maneira previsível e suportou cargas elevadas. O uso de conectores de cisalhamento internos aos pilares aumentou a capacidade de carga e o desempenho dos mesmos. Na etapa seguinte da pesquisa foram confeccionados dois modelos, compostos por: pilar, viga pré-moldada, laje e consolo formando pórticos. Em um destes modelos (modelo 4) uma caixa metálica foi incorporada à viga pré-moldada e parafusado ao consolo metálico com a finalidade de transferir os momentos positivos, enquanto que outro modelo foi confeccionado e estudado sem este elemento (modelo 3). Nestes modelos foi avaliada a capacidade de transferência do momento de flexão (positivo e negativo) e forças cortantes com a ligação submetida a ciclos de carga. No modelo 3, a ligação transferiu de forma eficiente o momento negativo, porém o desempenho para o momento positivo não foi satisfatório, com baixa resistência e rigidez ao longo dos ciclos de carga. No modelo 4 foi observado considerável aumento da resistência e rigidez se comparado com o modelo anterior. Entretanto, a caixa metálica incorporada à viga pré-moldada não foi capaz de fazer com que a ligação resistisse aos momentos positivos como a mesma eficiência que resistiu aos negativos e houve degradação de suas características estruturais ao longo dos ciclos de carga. / In this work, connections of precast concrete beam to concrete-filled steel tube column were proposed to transfer the bending moment and shear forces from the beam to the composite column, mobilizing the concrete core. Was performed a numerical and experimental study of the proposed connections to evaluate the feasibility and effectiveness of them in the transfer of bending and shear forces from the beam to the column. In a first stage, models composed by column and steel corbel (models 1 e 2) were numerically and experimentally tested aiming the efficiency of the connection in shear transfer. It was observed that the transfer of shear to the steel tube was guaranteed. The corbel behaved in a predictable way and supported high loads. The use of shear connectors in the column increased the load capacity and improved the connection performance. In next stage of the research work, two models were prepared, composed by: column, precast concrete beam, steel corbel and slabs constituting frames. In one of these models (model 4) a steel box was incorporated into the precast beam and bolted to the steel corbel in order to transfer the positive moments, whereas another model was built and studied without this device (model 3). In this models were evaluated the efficiency in the transfer of bending moments (positive and negative) and shear forces with the models subjected to a cyclic loads. In the model 3, the connection transferred efficiently the negative bending, but the performance for the positive bending was not satisfactory, with reduced strength and stiffness over the load cycles. In model 4 was observed considerable increase in strength and stiffness compared with the previous model. However, the device incorporated in the precast beam was unable to make the connection resist to the positive moments with the same efficiency observed when subjected to the negative moments and a degradation of their structural characteristics was observed during the loading cycles.

O emprego de pilares mistos formados por tubos de aço preenchidos com concreto de alta resistência, sobretudo em edifícios altos, é uma tendência em diversos países europeus, americanos e asiáticos. A tais elementos são atribuídas vantagens como: alta resistência e ductilidade, economia de materiais e mão-de-obra, redução das dimensões da seção transversal e melhoria no comportamento dos materiais aço e concreto, devido ao efeito de confinamento. Buscando suprir algumas carências de conhecimento, procura-se obter dados experimentais sobre o comportamento de pilares mistos axialmente comprimidos, possibilitando desta forma avaliar parâmetros como influência da forma da seção transversal e da espessura do perfil tubular no seu comportamento. Foram analisadas seções quadradas, circulares e retangulares, preenchidas por concreto com resistência média de 50MPa. A ruína destes elementos caracterizou-se pelo esmagamento do concreto, ocorrendo posteriormente a flambagem local do perfil em diversos pontos. A capacidade resistente prevista por diversas normas resultou em valores muito próximos dos experimentais, embora várias destas normas não considerem o efeito de confinamento. Os ensaios mostraram que o efeito de confinamento contribui de forma decisiva na melhoria do comportamento dos materiais, sobretudo ductilizando o concreto de alta resistência, entretanto seus efeitos não são significativos no aumento da capacidade resistente da seção mista. Alguns critérios para avaliação da ductilidade à compressão foram adaptados e mostraram bons resultados, possibilitando o cálculo do índice de ductilidade. / The use of concrete filled steel tubes especially in tall buildings is a tendency in several european, american and asian countries. The use of these members has several advantages: high resistance and ductility, saving of materials and labour, reduction of cross section dimensions and improvement in behaviour of the materials steel and concrete due the confinement. The main purpose of this study is provide some experimental results of the behaviour of concrete filled steel tubes concentrically loaded. The main experimental parameters considered were the influence of the cross-section shape and thickness of steel tube. Square, circular and rectangular cross-section shapes infilling with concrete of the 50MPa of strength were analyzed. The failure was characterized for crushing of the concrete and later local buckling of the steel section in several points. The strength capacity predicted for several standards showed good agreement with the experimental failure values although this does not consider the confinement of the concrete. The results of tests showed that the confinement effect contributes for improvement behaviour of materials, especially increasing the ductility of the high strength concrete. However the results showed that the triaxial confinement does not increase the axial capacity of the concrete filled steel tubes. Some methods to estimate the ductility of axially compressed concrete columns were adapted and showed good results permitting the calculation of the ductility index of short columns.

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da laje de concreto armado em uma ligação viga-pilar misto mediante um estudo experimental e uma modelagem numérica. A ligação considerada é constituída por uma viga de aço unida a um pilar misto preenchido através de barras rosqueadas que trabalham como parafusos passantes. Esse tipo de ligação já foi investigado em trabalhos anteriores, mediante análise experimental em modelos que não incluíam a laje, resultando em uma indesejável ruptura dos parafusos. A análise da ligação completa, com a presença da laje de concreto tornando a ligação uma ligação mista, além de ser mais realista, melhora as características de resistência e rigidez do modelo, além de tornar mais dúctil o seu comportamento. Para isso foram analisados três modelos experimentais que se diferenciam pela ausência ou tipo de conector de cisalhamento presente na região interna do pilar misto. Os resultados obtidos mostraram que a ruptura da ligação passou a ser determinada pela laje, associada ao escoamento da armadura longitudinal sem que a ligação viga-pilar fosse comprometida. Para a análise numérica foi utilizado o pacote computacional DIANA®, baseado no método dos elementos finitos. Os modelos numéricos foram desenvolvidos e calibrados pelos resultados experimentais, produzindo resultados bastante satisfatórios. Finalmente foi realizada uma análise numérica paramétrica variando a armadura longitudinal da laje e a resistência do concreto com o objetivo de se entender melhor a influência desses parâmetros no comportamento da ligação investigada. / The main objective of this work was to analyze the contribution of the concrete slab for the behavior of a steel beam-concrete filled composite column connection through an experimental program and also a numerical modeling. The considered connection was constituted of steel beams connected to a concrete filled tubular column of rectangular cross section by means of passing bars. This type of connection was studied before through an experimental analysis of connections that did not include the slab, resulting in failure of the passing bars. In the present study, the presence of the slab is considered, turning the connection a composite one. The studied model is more representative of the real structure, and also improves the resistance and the stiffness of the connection, turning the behavior more ductile. Three specimens were tested, where the studied variable was the type of shear connector, angles or stud-bolts, and one specimen without connectors as a reference. The obtained results showed that the failure was determined by the slab, associated to the yielding of the longitudinal reinforcement, without affecting the beam column connection. The finite element based software DIANA® was used to the numerical analysis. The numerical models were developed and calibrated by the experimental results, producing a good agreement. Finally, a parametric analysis was done, varying the slab longitudinal reinforcement and the concrete strength in order to better understand the influence of these parameters in the behavior of the studied connection.

Este trabalho tem por objetivo investigar as ligações viga-pilar misto preenchido, no tocante à transferência de forças de cisalhamento na região de ligação. O estudo engloba uma investigação experimental com ensaios do tipo push-out com carregamento centrado no núcleo de concreto e uma simulação numérica no pacote computacional DIANA visando obter dados de comportamento do mecanismo de transferência de forças de cisalhamento, aplicado à região de ligação viga-pilar. Foram utilizados modelos com 800 mm de altura e seção quadrada de dimensão (200 x 200 x 6,3) mm obtida a partir da composição de dois perfis U (200 x 100 x 6,3) mm. A resistência à compressão média do concreto de preenchimento foi de 50 MPa. Ao todo, foram ensaiados 3 modelos de ligação, utilizando chapas de extremidade e barras rosqueadas como mecanismo de ligação viga-pilar. Como elementos para transferência de forças entre o tubo de aço e o núcleo de concreto foram usados conectores tipo pino com cabeça ou cantoneiras. Os resultados experimentais mostraram a eficiência das barras rosqueadas e dos conectores de cisalhamento na transferência dos esforços de cisalhamento na ligação viga-pilar e na interface perfil de aço e concreto. A simulação numérica teve concordância satisfatória com os resultados experimentais obtidos. / In the design of concrete-filled steel tubular columns, the concrete and the steel tube must work together in order to achieve the overall resistance, stiffness and stability requirements. It is important that exists an adequate mechanism to transfer the forces from the steel beam to the steel tube, and then to the concrete core. This work presents a study on shear transfer in connections involving concrete-filled steel tubular columns and steel beams. The work was divided in two parts, being the first an experimental analysis with push-out tests, and the second one a numerical simulation of the tests, using the software DIANA. The tested specimens were 800 mm height , with square section (200 x 200 x 6,3mm) obtained from two welded U-shape profiles. A concrete with compressive strength of 50 MPa was used as a filling for the columns. Altogether, three connections with steel end plates and passing bars were tested. Two types of shear connectors between steel column and concrete core were used: stud-bolts and angles, and a reference specimen without connectors was also tested. The results showed the efficiency of the shear connectors in the tranference of forces.

Neste trabalho, ligações entre vigas pré-moldadas de concreto e pilares mistos preenchidos foram propostas com a finalidade de transferir momento de flexão e força cortante das vigas para os pilares mobilizando os núcleos de concreto. Foi realizado um estudo numérico-experimental das ligações onde foi avaliada a viabilidade e a eficiência destas na transferência dos esforços. Em uma primeira fase, modelos compostos por pilar misto e consolo metálico (modelos 1 e 2) foram confeccionados, testados experimentalmente e modelados numericamente (método dos elementos finitos) para avaliar a eficiência do consolo na transferência da força cortante. Observou-se que a transferência da força cortante do consolo para o tubo metálico foi eficaz. O consolo se comportou de maneira previsível e suportou cargas elevadas. O uso de conectores de cisalhamento internos aos pilares aumentou a capacidade de carga e o desempenho dos mesmos. Na etapa seguinte da pesquisa foram confeccionados dois modelos, compostos por: pilar, viga pré-moldada, laje e consolo formando pórticos. Em um destes modelos (modelo 4) uma caixa metálica foi incorporada à viga pré-moldada e parafusado ao consolo metálico com a finalidade de transferir os momentos positivos, enquanto que outro modelo foi confeccionado e estudado sem este elemento (modelo 3). Nestes modelos foi avaliada a capacidade de transferência do momento de flexão (positivo e negativo) e forças cortantes com a ligação submetida a ciclos de carga. No modelo 3, a ligação transferiu de forma eficiente o momento negativo, porém o desempenho para o momento positivo não foi satisfatório, com baixa resistência e rigidez ao longo dos ciclos de carga. No modelo 4 foi observado considerável aumento da resistência e rigidez se comparado com o modelo anterior. Entretanto, a caixa metálica incorporada à viga pré-moldada não foi capaz de fazer com que a ligação resistisse aos momentos positivos como a mesma eficiência que resistiu aos negativos e houve degradação de suas características estruturais ao longo dos ciclos de carga. / In this work, connections of precast concrete beam to concrete-filled steel tube column were proposed to transfer the bending moment and shear forces from the beam to the composite column, mobilizing the concrete core. Was performed a numerical and experimental study of the proposed connections to evaluate the feasibility and effectiveness of them in the transfer of bending and shear forces from the beam to the column. In a first stage, models composed by column and steel corbel (models 1 e 2) were numerically and experimentally tested aiming the efficiency of the connection in shear transfer. It was observed that the transfer of shear to the steel tube was guaranteed. The corbel behaved in a predictable way and supported high loads. The use of shear connectors in the column increased the load capacity and improved the connection performance. In next stage of the research work, two models were prepared, composed by: column, precast concrete beam, steel corbel and slabs constituting frames. In one of these models (model 4) a steel box was incorporated into the precast beam and bolted to the steel corbel in order to transfer the positive moments, whereas another model was built and studied without this device (model 3). In this models were evaluated the efficiency in the transfer of bending moments (positive and negative) and shear forces with the models subjected to a cyclic loads. In the model 3, the connection transferred efficiently the negative bending, but the performance for the positive bending was not satisfactory, with reduced strength and stiffness over the load cycles. In model 4 was observed considerable increase in strength and stiffness compared with the previous model. However, the device incorporated in the precast beam was unable to make the connection resist to the positive moments with the same efficiency observed when subjected to the negative moments and a degradation of their structural characteristics was observed during the loading cycles.

Os pilares mistos preenchidos são elementos estruturais constituídos por um tubo de aço preenchido com concreto de qualidade estrutural. O objetivo principal do trabalho foi estudar o comportamento dos pilares mistos preenchidos de seção circular. Para isso, foi avaliada a influência da resistência à compressão do concreto (fc), da esbeltez do pilar (L/D), da espessura do tubo de aço (t) e da forma de introdução do carregamento, se no núcleo de concreto ou na seção mista do pilar. Foram feitos ensaios experimentais de 64 pilares mistos preenchidos, submetidos à força de compressão centrada. Os resultados de capacidade resistente obtidos foram avaliados e comparados com os resultados de previsão segundo os procedimentos normativos estrangeiros do EUROCODE 4:2004, ANSI/AISC:2005 e CAN/CSA:2001 e do Projeto de Revisão da Norma Brasileira (PR-NBR 8800, draft 2008). Os resultados previstos foram maiores que os experimentais para os procedimentos do ANSI/AISC e da NBR e menores para os procedimentos do EC4 e do CAN/CSA. A partir da comparação dos valores de capacidade resistente experimentais e normativos, foi desenvolvido um estudo de confiabilidade dos valores de força resistente obtidos segundo as equações de dimensionamento dessas normas, por meio da estimativa do erro de modelo inerente a cada uma. Os resultados mostraram que o EC4 apresenta os índices de confiabilidade mais uniformes. Além disso, foi feita uma modelagem numérica dos pilares mistos preenchidos com relação L/D = 10, buscando obter o valor da capacidade resistente desses pilares e compará-los com os resultados experimentais. Embora o modelo numérico tenha representado adequadamente o comportamento dos pilares preenchidos esbeltos, os valores de força última foram inferiores aos experimentais. / Concrete-filled steel tubular columns are structural elements made of a steel tube filled with structural concrete. The main objective of this work was study the global behavior of concrete-filled steel tubular columns. For this, some variables were evaluated: concrete compressive strength (fc), length-to-diameter ratio (L/D), diameter-to-thickness ratio (D/t) and the type of load application (on concrete core or on composite cross section). Tests of 64 concrete filled columns were performed. The columns were subjected to axial load. The results of experimental compressive strength were compared to results from three different international codes (EUROCODE 4:2004, ANSI/AISC:2005 e CAN/CSA:2001) and the national NBR 8800, draft 2008. The results showed, in general, a conservative behavior of values predicted by NBR and ANSI/AISC e non-conservative values by EC4 and CAN/CSA. Based on comparisons between experimental values and codes predictions, an error model variable was estimated to each code and a reliability analysis was performed. The results indicate that the EC4 is the best code with less tendentious behavior of its design equation. A numerical analysis of columns with slenderness (L/D) equal to 10 was carried out to try to predict the peak load of columns and compare the results with those from experimental analysis. Althougth the results of the numerical analysis had a good match to the experimental ones, the values, in average, were conservatives.

Este trabalho aborda o estudo da aderência aço-concreto em pilares mistos preenchidos através de revisão bibliográfica e de investigação experimental. De modo esquemático, a aderência é dividida em três parcelas: adesão, aderência mecânica e atrito, que em conjunto compõem a aderência natural. Adicionalmente, podem ser empregados conectores de cisalhamento, que são dispositivos mecânicos fixados nas superfícies internas dos tubos, como meio de ampliar a resistência ao escorregamento. Foram realizados ensaios do tipo pushout em alguns tipos de modelos de pilar preenchido: modelos simples, com adição de conectores tipo pino com cabeça, com cantoneiras na interface aço-concreto e semelhantes aos anteriores mais elementos de ligação. Com os resultados obtidos traçaram-se comportamentos força x escorregamento do concreto, força x deformações axiais nos materiais e curvas de distribuição de força ao longo do comprimento dos modelos. Concluiu-se que conectores tipo pino com cabeça e cantoneiras são uma excelente alternativa como dispositivos auxiliares na transferência de tensões de cisalhamento na interface aço-concreto. Entretanto, é necessário garantir resistência à ligação para que esses mecanismos sejam mobilizados / This research presents a study of influence of bond on concrete-filled steel tubes by means of a bibliography review and an experimental investigation. The bond strength counts on three mechanisms: adhesion of the concrete to the steel surface, friction and wedging of the concrete core. In order to improve the shear resistance of the steel-concrete interface, shear connectors can be used. A series of push-out tests of rectangular concrete-filled steel tubes was conducted in the specimens without mechanical shear connectors, specimens with stud bolt shear connectors and specimens with angles. They were also tested the corresponding beam-column connections. The results are shown in curves force x slip of concrete, force x axial strain of materials and distribution of axial load to the steel and to the concrete. The results of the tests permitted identify the mechanisms of natural bond and indicated that the stud bolts and the angles are excellent alternatives as auxiliary mechanisms to transfer shear between the concrete and steel in the concrete filled composite column. However, it is necessary to guarantee the connection enough strength in order to permit these resistance be developed

This paper describes the finite element method using ABAQUS to model the axial compressive behaviour of inclined, tapered and straight-tapered-straight (STS) concrete filled steel tubular stub (CFST) columns with square hollow sections. The accuracy of the numerical model was verified by comparing the numerical predictions with experimental study of the 200×200×3.75 RHS filled with C60 concrete with inclined angle of 0-9° and tapered angle of 0-4°. The results show that the compressive behaviours, load vs. strain relationship and failure mode predicted by the numerical simulations were agreeable with experimental results. After the validation, a parametric study was performed with 3 typical steel hollow sections (200×200×3.75 RHS, 300×300×6.3 RHS and 400×400×8.0 RHS) and extended the inclined angle and tapered angle to 0-15° and 0-12° respectively. The parametric study highlights some of the behaviour observed in test and extends the application range. In addition, reduction factor for calculating the axial capacity of this form of CFST columns are proposed.