[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. / Ibáñez Usach, C. (2016). FIRE RESPONSE ANALYSIS OF CIRCULAR CONCRETE FILLED TUBULAR COLUMNS AND THE EFFECTS OF AXIAL AND ROTATIONAL RESTRAINTS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/60150 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

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.

This paper presents a non-linear finite element model (FEM) used to predict the behaviour of slender concrete filled steel tubular (CFST) columns with elliptical hollow sections subjected to axial compression. The accuracy of the FEM was validated by comparing the numerical prediction against experimental observation of eighteen elliptical CFST columns which carefully chosen to represent typical sectional sizes and member slenderness. The adaptability to apply the current design rules provided in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns to elliptical CFST columns were discussed. A parametric study is carried out with various section sizes, lengths and concrete strength in order to cover a wider range of member cross-sections and slenderness which is currently used in practices to examine the important structural behaviour and design parameters, such as column imperfection, non-dimension slenderness and buckling reduction factor, etc. It is concluded that the design rules given in Eurocode 4 for circular and rectangular CFST columns may be adopted to calculate the axial buckling load of elliptical CFST columns although using the imperfection of length/300 specified in the Eurocode 4 might be over-conservative for elliptical CFST columns with lower non-dimensional slenderness.

Este trabalho aborda o estudo de pilares preenchidos flexo-comprimidos e algumas ligações viga-pilar preenchido. Para ambos, são realizadas experimentações com modelos físicos e numéricos, sendo que para os pilares preenchidos um amplo estudo paramétrico foi desenvolvido. Ao todo, foram ensaiados 13 pilares preenchidos flexo-comprimidos, cujos valores de força última são comparados com aqueles provenientes da simulação numérica via programa CFT e, os demais resultados, comentados e discutidos. Aferido, o programa CFT foi utilizado no estudo paramétrico com o intuito de avaliar a influência de parâmetros como resistência dos materiais, excentricidade da força axial, eixo de flexão e relação lado/espessura na capacidade resistente do pilar preenchido. Quanto às ligações viga-pilar, foram ensaiadas 4 tipologias de ligação, sendo duas compostas por chapas de extremidade e parafusos passantes e duas soldadas, sendo uma delas enrijecida por cantoneiras soldadas no interior do perfil tubular. Discutem-se os resultados, sobretudo quanto ao comportamento momento-rotação das tipologias investigadas. As ligações também foram investigadas via simulação numérica e os resultados obtidos permitiram elaborar diretrizes para o aprimoramento de tais simulações. Por fim, são apresentadas as conclusões pertinentes a este trabalho e recomendações para novas pesquisas / This research thesis presents a study of concrete filled steel columns subjected to combined bending and compression and beam-column connections. In both cases, tests were conducted on physical and numerical models, resulting in the development of a wide range of parametric studies for the case of the concrete filled steel columns. 13 concrete filled steel columns were tested under combined bending and compression loads whose ultimate values were compared to ultimate forces obtained from numerical simulations using the CFT computer program. After calibration, the computer program was used in the parametric study with the aim of verifying the influence of parameters, such as the material strength, eccentricity of the axial force, bending axis and breadth/thickness relation, on the ultimate load carrying capacity of the concrete filled steel columns. With respect to the beam-column connections, four types of connections were tested, two of them composed of endplate and bolts, while the other two were welded, with one of them stiffened by an angle steel placed inside the steel tube. The obtained results are discussed, giving more emphasis to the bending moment-rotation behaviour of the tested specimens. The beam-column connections were also investigated numerically. The obtained results permit the laying out of important directives for the improvement of such numerical simulation tools as the one employed in the present thesis. Lastly, pertinent conclusions relative to this thesis and recommendations for future research are presented

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Este trabalho aborda o estudo de pilares preenchidos flexo-comprimidos e algumas ligações viga-pilar preenchido. Para ambos, são realizadas experimentações com modelos físicos e numéricos, sendo que para os pilares preenchidos um amplo estudo paramétrico foi desenvolvido. Ao todo, foram ensaiados 13 pilares preenchidos flexo-comprimidos, cujos valores de força última são comparados com aqueles provenientes da simulação numérica via programa CFT e, os demais resultados, comentados e discutidos. Aferido, o programa CFT foi utilizado no estudo paramétrico com o intuito de avaliar a influência de parâmetros como resistência dos materiais, excentricidade da força axial, eixo de flexão e relação lado/espessura na capacidade resistente do pilar preenchido. Quanto às ligações viga-pilar, foram ensaiadas 4 tipologias de ligação, sendo duas compostas por chapas de extremidade e parafusos passantes e duas soldadas, sendo uma delas enrijecida por cantoneiras soldadas no interior do perfil tubular. Discutem-se os resultados, sobretudo quanto ao comportamento momento-rotação das tipologias investigadas. As ligações também foram investigadas via simulação numérica e os resultados obtidos permitiram elaborar diretrizes para o aprimoramento de tais simulações. Por fim, são apresentadas as conclusões pertinentes a este trabalho e recomendações para novas pesquisas / This research thesis presents a study of concrete filled steel columns subjected to combined bending and compression and beam-column connections. In both cases, tests were conducted on physical and numerical models, resulting in the development of a wide range of parametric studies for the case of the concrete filled steel columns. 13 concrete filled steel columns were tested under combined bending and compression loads whose ultimate values were compared to ultimate forces obtained from numerical simulations using the CFT computer program. After calibration, the computer program was used in the parametric study with the aim of verifying the influence of parameters, such as the material strength, eccentricity of the axial force, bending axis and breadth/thickness relation, on the ultimate load carrying capacity of the concrete filled steel columns. With respect to the beam-column connections, four types of connections were tested, two of them composed of endplate and bolts, while the other two were welded, with one of them stiffened by an angle steel placed inside the steel tube. The obtained results are discussed, giving more emphasis to the bending moment-rotation behaviour of the tested specimens. The beam-column connections were also investigated numerically. The obtained results permit the laying out of important directives for the improvement of such numerical simulation tools as the one employed in the present thesis. Lastly, pertinent conclusions relative to this thesis and recommendations for future research are presented

[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 / [CAT] 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. / Pascual Pastor, AM. (2015). Fire behaviour of blind-bolted connections to concrete filled tubular columns under tension [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53240 / TESIS

The thesis is aimed at deepening knowledge about the design and use of open-graded asphalt concrete filled with a special cement grout. The first part is the issue discussed theoretically with reference to the real possibility of practical application, a description of the various manufacturers and their patented technologies. The second part of this work is devoted to assess the resistance of this technology to chemical de-icing agents.