Yes / This paper presents the behaviour of circular concrete-filled double-skin steel tubular (CFDST) stub columns compressed under concentric axial loads. To predict the performance of such columns, a finite element analysis is conducted. Herein, for the accurate modelling of the double-skin specimens, the identification of suitable material properties for both the concrete infill and steel tubes is crucial. The applied methodology is validated through comparisons of the results obtained from the finite element analysis with those from past experiments. Aiming to examine the effect of various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cube strengths and steel yield strengths on the overall behaviour and ultimate resistance of the double-skin columns, a total of twenty-five models are created to conduct the parametric study. In addition, four circular concrete-filled steel tubes (CFST) are included to check the dissimilarities, in terms of their behaviour and weight, when compared with identical double-skin tubes. A new formula based on Eurocode 4 is proposed to evaluate the strength of the double-skin specimens. Based on the comparison between the results derived from the analysis, the proposed formulae for the concrete filled double-skin would appear to be satisfactory.

No

No / Concrete filled steel columns have been used widely in structures throughout the world in recent years especially in Australia and the Far East. This increase in use is due to the significant advantages that concrete filled steel columns offer in comparison to more traditional construction methods. Composite columns consist of a combination of concrete and steel and make use of these constituent material's best properties. The use of composite columns can result in significant savings in column size, which ultimately can lead to significant economic savings. This reduction in column size can provide substantial benefits where floor space is at a premium such as in car parks and office blocks. The use of stainless steel column filled with concrete is new and innovative, not only provides the advantage mentioned above, but also durability associated with the stainless steel material. This paper concentrates on the axial capacity of the concrete filled stainless steel columns. A series of tests was performed to consider the behaviour of short composite stainless steel columns under axial compressive loading, covering austenitic stainless steels square hollow sections filled with normal and high strength concrete. Comparisons between Eurocode 4, ACI-318 and the Australian Standards with the findings of this research were made and comment.

Os pilares mistos são elementos estruturais compostos por um perfil metálico e concreto trabalhando em conjunto. Entre estes destaca-se o pilar parcialmente revestido que apresenta vantagens como a possibilidade de pré-fabricação, redução no uso de formas e eficiência estrutural, porém seu processo executivo envolve uma trabalhosa tarefa que é a ancoragem das armaduras ao perfil metálico. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento estrutural de pilares mistos parcialmente revestidos submetidos a compressão simples e flexo-compressão e avaliar a possibilidade de substituição da armadura convencional por alternativas que possibilitem uma execução mais simples. Para isto foi desenvolvido um programa experimental envolvendo 23 exemplares de pilares mistos fabricados com o perfil W 150 x 22,5 e três configurações de armadura: armadura convencional, telas de aço soldadas entre as mesas do perfil e concreto com adição de fibras. Além disso, foram realizadas simulações numéricas e um estudo paramétrico utilizando o pacote computacional FX + DIANA a fim de extrapolar os resultados experimentais. Observou-se que o comportamento estrutural de pilares submetidos a forças excêntricas depende do eixo de flexão, de modo que a ruptura ocorre de modo mais gradual quando o pilar é submetido a flexão em torno do eixo de maior inércia. Além disso, respostas similares foram obtidas para as três configurações de armadura avaliadas, sendo o valor de força máxima obtido para os exemplares com concreto com fibras ligeiramente inferior aos demais. A substituição da armadura convencional por telas de aço ou concreto com fibras de aço não altera significativamente os valores de força máxima nem o comportamento pós-pico, mostrando a viabilidade da solução proposta. / Composite columns are structural elements made with steel profiles and concrete working together. Among these, there is the partially encased composite columns that presents advantages, such as, the possibility of pre-fabrication, reduction in the use of formwork and structural efficiency, but its fabrication process involves a laborious task that is the anchoring of the reinforcements to the steel profiles. In this context, the present work has the objective of studying the structural behavior of partially encased composite columns subjected to axial compression and eccentric compression and to evaluate the possibility of replacing conventional reinforcement with alternatives that allow a simpler execution. For this, an experimental program was developed involving 23 specimens of composite columns made with W 150 x 22.5 shape and three reinforcement configurations: welded steel mesh and fiber-added concrete. In addition, numerical simulations and a parametric study were performed using the FX + DIANA computational package in order to extrapolate the experimental results. The results show the structural behavior of columns subjected to eccentric forces depends on the axis of flexure, so that the rupture occurs more gradually when subjected to bending about the major inertia axis. In addition, similar responses were obtained for the three reinforcement configurations evaluated, and the peak load obtained for the specimens with fiber concrete was slightly lower than the others. Therefore, it can be observed that the replacement of conventional reinforcement by steel meshes or fiber concrete does not significantly alter the peak load or post-peak behavior, showing potential to be considered as a new alternative.

O pilar misto parcialmente revestido é fruto da associação de um perfil metálico e concreto trabalhando em conjunto. Nestes pilares o perfil metálico, normalmente perfil I ou H, não é totalmente envolvido por concreto, sendo apenas a região entre as mesas preenchida. No Brasil, a utilização de pilares mistos parcialmente revestidos é ainda incipiente. Contudo a introdução do dimensionamento de elementos mistos na ABNT NBR 8800:2008 e as vantagens construtivas inerentes aos elementos mistos tem viabilizado a utilização destes elementos em obras pelo país afora, especialmente naquelas de grande porte. Neste contexto, o objetivo principal do trabalho é analisar o comportamento estrutural destes pilares e avaliar a possibilidade de substituição das armaduras tradicionais compostas por vergalhões por alternativas como telas de aço soldadas ou adição de fibras de aço ao concreto (taxa de 1,5% de fibras de 25 mm de comprimento). Para isto, foram feitos ensaios experimentais de cinco modelos físicos de pilares mistos parcialmente revestidos solicitados por compressão centrada e de um modelo solicitado por compressão excêntrica. Os resultados demonstraram-se promissores no que tange à substituição da armadura, mesmo para a situação com excentricidade na força aplicada. Em complemento, foi desenvolvida uma simulação numérica dos modelos físicos ensaiados utilizando o pacote computacional DIANA®, fundamentado no método dos elementos finitos, com o pré e pós-processador FX+. Apesar da hipótese simplificadora de aderência perfeita entre o aço e o concreto, o modelo numérico representou adequadamente o comportamento dos pilares mistos. / Partially encased composite columns are the result of the association of a steel profile and concrete filling working together. The most commonly used steel profiles have I or H cross sections not completely covered by concrete, with filling only in the region between flanges. In Brazil, the use of partially encased composite columns is still incipient. However, the introduction of design procedures for these columns in Brazilian Code ABNT - NBR 8800:2008 and also their inherent constructive advantages have enabled the use of these elements in buildings across the country, especially for large constructions. In this context, the main objective of this work is to analyze the structural behavior of these columns and evaluate the possibility of replacing the traditional reinforcement using steel rebar for alternatives such as welded steel meshes or steel fibers added to the concrete (rate of 1.5% and 25 mm long). To achieve these goals, experimental tests on five models of partially encased composite columns submitted to axial loading and one model subjected to eccentric loading were performed. The results proved to be promising in terms of replacing the traditional reinforcement, even for the situation with eccentricity of the applied force. In addition, a numerical modeling of the studied columns was developed, using finite element based software DIANA® with FX +. Despite simplifying assumptions of perfect bond between steel and concrete, the numerical model adequately represented the behavior of the columns.

O pilar misto parcialmente revestido é fruto da associação de um perfil metálico e concreto trabalhando em conjunto. Nestes pilares o perfil metálico, normalmente perfil I ou H, não é totalmente envolvido por concreto, sendo apenas a região entre as mesas preenchida. No Brasil, a utilização de pilares mistos parcialmente revestidos é ainda incipiente. Contudo a introdução do dimensionamento de elementos mistos na ABNT NBR 8800:2008 e as vantagens construtivas inerentes aos elementos mistos tem viabilizado a utilização destes elementos em obras pelo país afora, especialmente naquelas de grande porte. Neste contexto, o objetivo principal do trabalho é analisar o comportamento estrutural destes pilares e avaliar a possibilidade de substituição das armaduras tradicionais compostas por vergalhões por alternativas como telas de aço soldadas ou adição de fibras de aço ao concreto (taxa de 1,5% de fibras de 25 mm de comprimento). Para isto, foram feitos ensaios experimentais de cinco modelos físicos de pilares mistos parcialmente revestidos solicitados por compressão centrada e de um modelo solicitado por compressão excêntrica. Os resultados demonstraram-se promissores no que tange à substituição da armadura, mesmo para a situação com excentricidade na força aplicada. Em complemento, foi desenvolvida uma simulação numérica dos modelos físicos ensaiados utilizando o pacote computacional DIANA®, fundamentado no método dos elementos finitos, com o pré e pós-processador FX+. Apesar da hipótese simplificadora de aderência perfeita entre o aço e o concreto, o modelo numérico representou adequadamente o comportamento dos pilares mistos. / Partially encased composite columns are the result of the association of a steel profile and concrete filling working together. The most commonly used steel profiles have I or H cross sections not completely covered by concrete, with filling only in the region between flanges. In Brazil, the use of partially encased composite columns is still incipient. However, the introduction of design procedures for these columns in Brazilian Code ABNT - NBR 8800:2008 and also their inherent constructive advantages have enabled the use of these elements in buildings across the country, especially for large constructions. In this context, the main objective of this work is to analyze the structural behavior of these columns and evaluate the possibility of replacing the traditional reinforcement using steel rebar for alternatives such as welded steel meshes or steel fibers added to the concrete (rate of 1.5% and 25 mm long). To achieve these goals, experimental tests on five models of partially encased composite columns submitted to axial loading and one model subjected to eccentric loading were performed. The results proved to be promising in terms of replacing the traditional reinforcement, even for the situation with eccentricity of the applied force. In addition, a numerical modeling of the studied columns was developed, using finite element based software DIANA® with FX +. Despite simplifying assumptions of perfect bond between steel and concrete, the numerical model adequately represented the behavior of the columns.

Os pilares mistos são elementos estruturais compostos por um perfil metálico e concreto trabalhando em conjunto. Entre estes destaca-se o pilar parcialmente revestido que apresenta vantagens como a possibilidade de pré-fabricação, redução no uso de formas e eficiência estrutural, porém seu processo executivo envolve uma trabalhosa tarefa que é a ancoragem das armaduras ao perfil metálico. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento estrutural de pilares mistos parcialmente revestidos submetidos a compressão simples e flexo-compressão e avaliar a possibilidade de substituição da armadura convencional por alternativas que possibilitem uma execução mais simples. Para isto foi desenvolvido um programa experimental envolvendo 23 exemplares de pilares mistos fabricados com o perfil W 150 x 22,5 e três configurações de armadura: armadura convencional, telas de aço soldadas entre as mesas do perfil e concreto com adição de fibras. Além disso, foram realizadas simulações numéricas e um estudo paramétrico utilizando o pacote computacional FX + DIANA a fim de extrapolar os resultados experimentais. Observou-se que o comportamento estrutural de pilares submetidos a forças excêntricas depende do eixo de flexão, de modo que a ruptura ocorre de modo mais gradual quando o pilar é submetido a flexão em torno do eixo de maior inércia. Além disso, respostas similares foram obtidas para as três configurações de armadura avaliadas, sendo o valor de força máxima obtido para os exemplares com concreto com fibras ligeiramente inferior aos demais. A substituição da armadura convencional por telas de aço ou concreto com fibras de aço não altera significativamente os valores de força máxima nem o comportamento pós-pico, mostrando a viabilidade da solução proposta. / Composite columns are structural elements made with steel profiles and concrete working together. Among these, there is the partially encased composite columns that presents advantages, such as, the possibility of pre-fabrication, reduction in the use of formwork and structural efficiency, but its fabrication process involves a laborious task that is the anchoring of the reinforcements to the steel profiles. In this context, the present work has the objective of studying the structural behavior of partially encased composite columns subjected to axial compression and eccentric compression and to evaluate the possibility of replacing conventional reinforcement with alternatives that allow a simpler execution. For this, an experimental program was developed involving 23 specimens of composite columns made with W 150 x 22.5 shape and three reinforcement configurations: welded steel mesh and fiber-added concrete. In addition, numerical simulations and a parametric study were performed using the FX + DIANA computational package in order to extrapolate the experimental results. The results show the structural behavior of columns subjected to eccentric forces depends on the axis of flexure, so that the rupture occurs more gradually when subjected to bending about the major inertia axis. In addition, similar responses were obtained for the three reinforcement configurations evaluated, and the peak load obtained for the specimens with fiber concrete was slightly lower than the others. Therefore, it can be observed that the replacement of conventional reinforcement by steel meshes or fiber concrete does not significantly alter the peak load or post-peak behavior, showing potential to be considered as a new alternative.

[pt] Pilares mistos são pilares compostos de perfis metálicos, concreto e vergalhões. Um tipo destes pilares é aquele em que um perfil metálico fechado é preenchido com concreto armado, que é o tipo de pilar adotado neste trabalho. Uma de suas vantagens é a facilidade de execução. O objetivo deste trabalho é estudar experimentalmente o comportamento dos pilares mistos quando sujeitos à flexão-compressão. Inicialmente foi realizada uma série de ensaios em corpos de prova mistos com a finalidade de se obter a curva tensão- deformação do concreto confinado. Em seguida foram realizados 15 ensaios de pilares mistos onde as variáveis estudadas foram o comprimento de flambagem do pilar, a excentricidade da carga e a taxa de armadura. Os resultados experimentais foram comparados com as resistências calculadas de acordo com os métodos propostos nas normas técnicas NBR 14323 e no EuroCode 4. De uma forma geral, todos os métodos de cálculo forneceram bons resultados. / [en] Composite columns are a structural members subjected to compression and bending, made of concrete and structural steel. One particular type of composite column consists of rectangular steel hollow sections completely filled with concrete and reinforcing bars, which is the type of column considered in this work. One of the advantages of this column is the construction facility. The objective of this work is to study experimentally the behaviour of composite columns when subjected to combined compression and bending. Initially a series of tests of composite specimens was carried out in order to obtain the stress-strain curve for the concrete confined by the steel section. Following that, 15 composite columns were tested with the purpose of studying the effect of the buckling length, load eccentricity and reinforcement ratio on the column strength. The experimental results were compared to theoretical resistances calculated by the NBR 14323 and EuroCode 4 Code Requirements. In general, a good agreement was found between the experimental and theoretical results.

This paper presents a nonlinear 3-D finite element model for eccentrically loaded concrete encased steel composite columns. The columns were pin-ended subjected to an eccentric load acting along the major axis, with eccentricity varied from 0.125 to 0.375 of the overall depth (D) of the column sections. The model accounted for the inelastic behaviour of steel, concrete, longitudinal and transverse reinforcement bars as well as the effect of concrete confinement of the concrete encased steel composite columns. The interface between the steel section and concrete, the longitudinal and transverse reinforcement bars, and the reinforcement bars and concrete were also considered allowing the bond behaviour to be modelled and the different components to retain its profile during the deformation of the column. The initial overall geometric imperfection was carefully incorporated in the model. The finite element model has been validated against existing test results. The concrete strengths varied from normal to high strength (30¿110 MPa). The steel section yield stresses also varied from normal to high strength (275¿690 MPa). Furthermore, the variables that influence the eccentrically loaded composite column behaviour and strength comprising different eccentricities, different column dimensions, different structural steel sizes, different concrete strengths, and different structural steel yield stresses were investigated in a parametric study. Generally, it is shown that the effect on the composite column strength owing to the increase in structural steel yield stress is significant for eccentrically loaded columns with small eccentricity of 0.125D. On the other hand, for columns with higher eccentricity 0.375D, the effect on the composite column strength due to the increase in structural steel yield stress is significant for columns with concrete strengths lower than 70 MPa. The strength of composite columns obtained from the finite element analysis were compared with the design strengths calculated using the Eurocode 4 for composite columns. Generally, it is shown that the EC4 accurately predicted the eccentrically loaded composite columns, while overestimated the moment.

[pt] A obtenção de estruturas mais resistentes e rígidas, e economicamente viáveis, é uma preocupação cada vez maior na construção civil. Sob essa ótica, este trabalho tem o objetivo de avaliar o comportamento de pilares mistos de seção composta através de uma modelagem numérica. Foram estudados dois tipos de seções, uma composta por dois perfis I laminados, e outra por dois perfis U enrijecidos, em ambos os casos conectados por perfis I e preenchidos com concreto armado. Com o uso do software ABAQUS, foi avaliado o comportamento estrutural dos elementos submetidos a carregamentos de flexão, compressão e flexo-compressão. O modelo foi validado através da comparação com dados experimentais de estudos anteriores e resultados previstos pela norma técnica brasileira, conseguindo representar adequadamente o comportamento das curvas momento-deslocamento e força-deslocamento. As resistências obtidas a partir dos modelos numéricos foram superiores aos valores esperados pela solução teórica, principalmente no carregamento de compressão. De modo a avaliar a viabilidade econômica do sistema misto proposto, foi realizado o dimensionamento de um galpão industrial, que evidenciou ganho significativo de inércia em relação a um sistema composto apenas por perfis de aço, resultando em uma economia de até 11 por cento na massa equivalente em aço. Por fim, desenvolveu-se um estudo paramétrico para investigar a influência do número de conectores, da sua disposição, da resistência do concreto e do diâmetro da armadura na resistência do pilar. / [en] A growing concern in civil construction is to obtain structures that are more resistant, rigid and economically feasible. This study aims to evaluate the behavior of steel-concrete columns of composite section, through numerical modeling. The studied cross-sections were composed of two rolled I profiles, and other with C-lip channels, connected by I profiles, and filled with reinforced concrete. The ABAQUS software was used to evaluate the structural behavior of the columns subjected to flexural, compression and eccentric compression loads. The model was calibrated through experimentally obtained data from previous studies, and results provided by the Brazilian National Standards, and it was able to properly reproduce the moment-displacement and load-displacement curves. The obtained resistances from the numerical models were greater than the ones expected by the theoretical solution, especially under compression load. In order to evaluate the economic feasibility of the proposed composite model, a design example of an industrial shed was conducted, and it showed a significant increase in moment of inertia when compared to steel-only box sections, which resulted in savings of up to 11 percent in equivalent mass of steel. Finally, a parametric study was made to investigate the influence of the number and disposition of the connectors, and the contribution of the concrete resistance and reinforcement s diameter in the strength of the columns.