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.

La thèse comprend 8 chapitres, 3 annexes, 191 figures, 43 tableaux, 13 photos et 181 références bibliographiques. Le corps du texte totalise 135 pages et les annexes 120 pages. Le chapitre 1 constitue lintroduction dans laquelle le contexte et les objectifs de la recherche sont définis. Le chapitre 2 présente létat de la question concernant les colonnes faites de tubes en acier remplis de béton (CFSHS columns - concrete filled steel hollow section columns). Leur comportement à température ordinaire et sous conditions dincendie est analysé ainsi que les paramètres significatifs qui guident leur comportement. Les propriétés du béton auto-plaçant sont aussi examinées dans ce chapitre. Le chapitre 3 est consacré à la présentation du code de calcul SAFIR développé à lUniversité de Liège pour la simulation du comportement structural à température ordinaire et sous conditions dincendie. Le logiciel a été utilisé pour simuler des résultats dessais expérimentaux présentés dans la littérature, et quelques calibrations sont proposées. En utilisant le modèle décrit au chapitre 3, la charge ultime à température ordinaire des colonnes CFSHS est calculée en considérant différents paramètres. On considère essentiellement des tubes de petites dimensions avec un pourcentage élevé darmatures ou contenant un autre profilé métallique. Ce type délément nest pas couvert par les Eurocodes. Des simulations ont été réalisées en vue dexaminer si les méthodes classiques de lEurocode 4 (EN1994-1-1) sont applicables à ce type de section et de voir quelle courbe de flambement est la plus appropriée. Le chapitre 5 décrit la recherche expérimentale réalisée à lUniversité de Liège relative au comportement au feu des colonnes CFSHS. Les essais expérimentaux ont été simulés par SAFIR, tant en ce qui concerne la répartition de la température à lintérieur des éléments que le comportement structural. Un des objectifs de ces calculs était de vérifier si les propriétés thermiques et mécaniques du béton auto-plaçant sont proches de celles du béton ordinaire. En vue de fournir aux bureaux détudes des outils pratiques de dimensionnement, une formule permettant dévaluer la résistance au feu des colonnes CFSHS est proposée dans le chapitre 6. Le domaine dapplicabilité a été étendu par rapport aux études précédentes. Une formule pour colonnes courtes de section carrée a dabord été établie sur base de simulations effectuées à laide de SAFIR en considérant linfluence des paramètres principaux. On examine ensuite si cette formule est aussi applicable à dautres types de profilés. La formule a été étendue en cas des colonnes élancées et à celui des colonnes chargées excentriquement. Létude expérimentale du chapitre 5 est limitée à des sections dassez petites dimensions (< 300 mm), essentiellement pour des problèmes de capacité de mise en charge des laboratoires. En vue de recueillir des informations pratiques pour des profilés de plus grandes dimensions pour lesquels on peut atteindre des résistances au feu de 2 heures et plus, des simulations numériques additionnelles sont présentées dans le chapitre 7, avec des résultats utilisables en bureau détudes. Le chapitre 8 donne les conclusions de létude et présente des suggestions pour des recherches futures.

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 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

To provide a basis for the development of interaction curves for tubular beam-columns of annular cross section, a general purpose beam-column computer program is developed, and used to determine ultimate load capacities. The paper presents the analytical model and the computer method. The analytical results are compared with published test data as well as experimental data obtained as part of this project.

Concrete-filled steel tubes are gaining increasing prominence in a variety of engineering structures, with the principal cross-section shapes being square, rectangular and circular hollow sections. A recent addition to this range has been that of elliptical hollow sections. The structural response of empty elliptical tubes has been examined in previous studies. In this paper, the cross-sectional axial behaviour of concrete-filled elliptical hollow sections is investigated. An experimental programme comprising a total of 21 test specimens, with three nominal tube thicknesses (4 mm, 5 mm and 6.3 mm) and three concrete grades (C30, C60 and C100) has been performed. The effects of steel tube thickness, concrete strength and constraining factor on elastic stiffness, ductility and ultimate strength were studied. To simulate the effects of concrete shrinkage, the inner surfaces of 6 of the 21 test specimens were coated with grease prior to casting. To investigate confinement effects, a further 6 of the 21 test specimens were loaded through the concrete core only. The results of the tests presented herein were combined with those from previous studies, and compared with existing design provisions for square, rectangular and circular concrete-filled tubes. The design expressions from current European, North American, Japanese, British and Chinese Standards were assessed. On the basis of the comparisons, design recommendations for concrete-filled elliptical hollow sections have been made.