El empleo de pilares tubulares de acero rellenos de honnigón (CFT) ha crecido en las últimas décadas, debido a su excelente comportamiento estructural, que aprovecha el efecto combinado del acero y honnigón trabajando juntos. Esta asociación ofrece una serie de ventajas que hacen de las columnas CFT una solución interesante: su alta capacidad portante o su eficiente tecnología constructiva pueden citarse entre sus beneficios ampliamente conocidos, que se completan con una elevada resistencia al fuego sin necesidad de protección externa. Tradicionalmente, se han venido utilizando secciones huecas circulares, cuadradas y rectangulares para formar estas columnas compuestas. Adicionalmente, la sección elíptica ha sido recientemente introducida dentro de la gama de secciones de acero huecas disponib les comercialmente. Su atractivo estético y su reducida intrusión visual, junto con sus ventajas estructurales asociadas a secciones con diferentes propiedades en sus ejes fuerte y débil, hacen a las secciones elípticas de gran interés para los diseñadores. En esta tesis se estudian pi lares CFT de sección tanto circular como elíptica. Pese a que el comportamiento de los pilares CFT a temperatura ambiente ha quedado bien establecido en los últimos años, en situación de incendio la degradación de las propiedades del material da lugar a un comportamiento extremadamente no lineal de estas columnas compuestas, lo que hace dificil predecir su fallo. El estado del arte en el campo del comportamiento frente al fuego de columnas CFT se revisa en esta tesis, mostrando que es necesario profundizar en su investigación para una comprensión completa del funcionamiento de tales columnas en situación de incendio. En el caso de las secciones elípticas, este trabajo constituye una investigación novedosa. El comportamiento frente al fuego de los pilares CFT se estudia en esta tesis por medio de un modelo realista tridimensional de elementos finitos. Los valores adoptados de los parámetros del / Espinós Capilla, A. (2012). Numerical analysis of the fire resistance of circular and elliptical slender concrete filled tubular columns [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17579

[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 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] Los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón (CFST) son un tipo de elementos estructurales mixtos que han ganado popularidad recientemente debido a su excelente comportamiento estructural y al uso racional de los materiales en su fabricación. Con la introducción de un perfil de acero dentro de una sección CFST, surge un nuevo tipo de sección mixta: los pilares tubulares de acero rellenos de hormigón con perfil de acero interior (SR-CFST), en los cuáles se centra esta tesis. Esta tipología incrementa la capacidad portante a temperatura ambiente de los pilares CFST y mejora su comportamiento a fuego, ya que el perfil interior está protegido térmicamente por el hormigón que lo rodea. Las investigaciones disponibles en la bibliografía sobre pilares SR-CFST aún son escasas, pese a sus significativas capacidades mecánicas tanto a temperatura ambiente como a elevada. En esta tesis se revisa el estado del arte sobre pilares SR-CFST, llegando a la conclusión de que son necesarias más investigaciones para comprender el comportamiento de estas secciones a temperatura elevada. La presente tesis analizará el comportamiento frente al fuego de pilares SR-CFST mediante ensayos experimentales y simulaciones numéricas. Inicialmente, se lleva a cabo una campaña experimental para analizar el comportamiento de los pilares bajo dos escenarios: una primera fase que estudia el comportamiento de los pilares tras su exposición al fuego, y una segunda en la que se analizará el comportamiento termo-mecánico de pilares cortos SR-CFST bajo carga constante e incremento progresivo de la temperatura. Tras ello, se desarrolla un modelo de elementos finitos para extender los resultados obtenidos experimentalmente y estudiar en profundidad el comportamiento de los pilares SR-CFST en fuego. El modelo numérico se valida con los ensayos termo-mecánicos realizados anteriormente, así como comparando sus predicciones con los resultados experimentales extraídos de la bibliografía. Con el modelo desarrollado se realizan una serie de estudios paramétricos para examinar la influencia de los parámetros geométricos más relevantes, así como para analizar el efecto del uso de materiales de alta resistencia en el comportamiento a fuego de los pilares. En base a los resultados obtenidos de los estudios paramétricos, se lleva a cabo una propuesta para determinar de forma sencilla la distribución de temperaturas seccional en un tiempo de exposición al fuego dado. Empleando las temperaturas equivalentes obtenidas y en línea con las directrices del Eurocódigo 4 Parte 1.2, se propone una nueva expresión para evaluar la resistencia plástica seccional de los pilares SR-CFST bajo la acción del fuego. Esta propuesta cubre un campo de aplicación que actualmente no está contemplado en la normativa europea. / [CA] Els pilars tubulars d'acer plens de formigó (CFST) són un tipus de membres estructurals mixtes que han guanyat popularitat recentment degut al seu excel·lent comportament estructural y a l'ús moderat de materials en la seua construcció. Amb la introducció d'un perfil d'acer dins d'una secció CFST, s'obté un nou tipus de secció mixta: els pilars tubulars d'acer plens de formigó amb perfil d'acer interior (SR-CFST), al voltant dels quals se centra esta tesi. Esta tipologia incrementa la capacitat a temperatura ambient dels pilars CFST i millora el seu comportament a foc, ja que el perfil interior està protegit tèrmicament pel formigó que l'envolta. Les investigacions disponibles a la bibliografia sobre pilars SR-CFST encara són escasses, malgrat les seues significatives capacitats mecàniques tant a temperatura ambient com a elevada. En esta tesi es revisa l'estat de l'art sobre pilars SR-CFST, concloent que són necessàries més investigacions per tal de comprendre el comportament d'estes seccions a alta temperatura. En la present tesi s'analitzarà el comportament a foc dels pilars SR-CFST per mitjà d'assajos experimentals i simulacions numèriques. Inicialment es desenvolupa una campanya experimental per tal d'analitzar el comportament dels pilars en dos situacions: una primesa fase estudia el comportament dels pilars després de la seua exposició al foc i una segona en què s'analitza el comportament termo-mecànic de pilars curts SR-CFST subjectes a una càrrega constant i a un increment progressiu de la temperatura. Seguidament es desenvolupa un model d'elements finits realista per tal d'estendre els resultats obtinguts experimentalment i estudiar en profunditat el comportament dels pilars SR-CFST en foc. El model numèric es valida amb els assajos termo-mecànics realitzats anteriorment, així com comparant les seues prediccions amb els resultats disponibles a la bibliografia. Amb ajuda del model desenvolupat es realitzen una sèrie d'estudis paramètrics per tal d'examinar la influència dels paràmetres geomètrics més rellevants així com l'efecte de l'ús de materials d'alta resistència en el comportament a foc dels pilars. Basat en els resultats obtinguts dels estudis paramètrics, es desenvolupa una proposta per determinar, de forma senzilla, la distribució de temperatures seccional en un temps d'exposició al foc concret. Amb les temperatures equivalents obtingudes i en línia en les indicacions de l'Eurocódi 4 Part 1.2, es proposa un nou mètode per avaluar la resistència plàstica seccional de pilars SR-CFST baix l'acció del foc. Esta proposta cobreix un camp d'aplicació que actualment no està contemplat en la normativa europea. / [EN] Concrete-filled steel tubular (CFST) columns are a type of composite structural members that have gained popularity in recent years owing to their excellent structural performance and rational use of the materials. By embedding a steel profile inside a CFST section, a new and innovative type of composite section is generated: the so-called steel-reinforced concrete-filled steel tubular (SR-CFST) column, which is the focus of this thesis. This typology improves the room temperature capacity of CFST columns, while enhancing their fire performance, as the inner steel profile is thermally protected by the surrounding concrete. Despite their remarkable load-bearing capacity at both room and elevated temperature, investigations on SR-CFST columns under fire are still scarce. The state of the art on the fire behaviour of SR-CFST columns is reviewed in this thesis, proving that further research is needed to completely understand the performance of this type of columns under elevated temperature. The fire performance of SR-CFST columns is analysed in this thesis by means of experimental tests and numerical simulations. First, an experimental investigation is conducted to study the behaviour of these composite columns under two scenarios: the first phase of the experimental campaign is focused on the post-fire performance, while the second phase is conducted to determine the thermo-mechanical performance of SR-CFST stub columns under constant load and increasing temperature. Subsequently, a realistic finite element model is developed to extend the experimental results and analyse in depth the behaviour of SR-CFST columns in fire. The numerical model is validated against the previously performed thermo-mechanical tests, as well as by comparing its predictions with the available experimental results from the literature. A series of parametric studies are conducted to analyse the influence of the relevant geometrical parameters and to study the effect of the use of high-strength materials on the fire performance of the columns. Based on the results of the parametric studies, a simplified proposal is developed to easily determine the cross-sectional temperature distribution at a given fire exposure time. Using the obtained equivalent temperatures and in line with the current provisions in Eurocode 4 Part 1.2, a new design equation is proposed to evaluate the cross-sectional plastic resistance of SR-CFST columns under fire conditions, filling an existing gap in the European design code. / The authors would like to express their sincere gratitude for the help provided through the Grant PID2019-105908RB-I00 and for the first author’s pre-doctoral contract through the Grant PRE2020-093106 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ‘‘ESF Investing in your future’’. Finally, the authors would like to acknowledge the funding for open access charge from CRUE-Universitat Politècnica de València. / Medall Martos, D. (2024). Numerical and experimental research on the fire resistance of composite columns with steel sections embedded in concrete and high strength materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/207130