Concrete filled steel tubular columns have been extensively used in modern construction owing to that they utilise the most favourable properties of both constituent materials. It has been recognized that concrete filled tubular columns provide excellent structural properties such as high load bearing capacity, ductility, large energy-absorption capacity and good structural fire behaviour. This paper presents the structural fire behaviour of a series of concrete filled steel tubular stub columns with four typical column sectional shapes in standard fire. The selected concrete filled steel tube stub columns are divided into three groups by equal section strength at ambient temperature, equal steel cross sectional areas and equal concrete core cross sectional areas. The temperature distribution, critical temperature and fire exposing time etc. of selected composite columns are extracted by numerical simulations using commercial FE package ABAQUS. Based on the analysis and comparison of typical parameters, the effect of column sectional shapes on member temperature distribution and structural fire behaviour are discussed. It shows concrete steel tubular column with circular section possesses the best structural fire behaviour, followed by columns with elliptical, square and rectangular sections. Based on this research study, a simplified equation for the design of concrete filled columns at elevated temperature is proposed.

Concrete filled steel tubes are regarded as ideal frame members in seismic resisting systems, as they combine large axial and flexural capacity with ductility. The combination of the two materials increases the strength of the confined concrete and avoids premature local buckling of the steel tube. These benefits are more prominent for circular than for rectangular concrete filled steel tubes. However, most common connection configurations for circular concrete filled tubes are not economic in the US market due to (a) the desire of designers to use only fully restrained connections and its associated (b) high cost of fabrication and field welding. Research indicates that well designed partially restrained connections can supply equal or even better cyclic behavior. Partially restrained connections also possess potential capability to develop self-centering system, which has many merits in seismic design. The goal of this research is to develop a new connection configuration between circular concrete filled steel columns and conventional W steel beams. The new connection configuration is intended to provide another option for rapid assembling on site with low erection costs. The proposed connection is based on an extended stiffened end plate that utilizes through rods. The rods are a combination of conventional steel and shape memory alloy that provide both energy dissipation and self-centering capacity. The new connection configuration should be workable for large beam sizes and can be easily expanded to a biaxial bending moment connection. / Ph. D.

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.

Submitted by Fernando Coelho (coelho-fernet@ig.com.br) on 2018-04-17T15:09:25Z No. of bitstreams: 1 DM17ABR201811h.pdf: 2603442 bytes, checksum: c2422dffe1f0841b0b22aec6f8143ac3 (MD5) / Approved for entry into archive by Minervina Teixeira Lopes null (vina_lopes@bauru.unesp.br) on 2018-04-18T14:23:57Z (GMT) No. of bitstreams: 1 coelho_f_me_bauru.pdf: 2533903 bytes, checksum: 74e09316ffac9baa3e8d0973642fff7b (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-18T14:23:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 coelho_f_me_bauru.pdf: 2533903 bytes, checksum: 74e09316ffac9baa3e8d0973642fff7b (MD5) Previous issue date: 2018-02-28 / As indústrias metalúrgicas de diversos segmentos buscam continuamente aperfeiçoar seus processos e reduzir custos de produção de estruturas metálicas. Variações em um processo térmico padronizado ou na configuração do produto podem causar alterações na microestrutura e nas propriedades mecânicas do, bem como, no comportamento mecânico do material. Assim, o presente estudo avaliou os efeitos das variações do ângulo de chanfro da junta em tubos de aço redondos AISI 4130 sem costura, quando soldados no processo TIG (Tungsten Inert Gas). Os tubos foram cortados com arco de plasma e preparados com ângulos, 30°, 45° e 60°, e 1 milímetro de altura da raiz. A soldagem foi realizada em dois passes, sendo o primeiro passe na raiz pelo método autógeno e o segundo de preenchimento com metal de adição arame-eletrodo AWSER80S-B2. As juntas soldadas foram submetidas a análises metalográficas de macrografia e microscopia óptica, para avaliação metalúrgica das zonas fundida e afetada pelo calor. Também foi realizado ensaio mecânico de tração e microdureza Vickers para verificar o desempenho mecânico e a dureza do material. A variável de interesse do estudo foi evidenciada por meio da estabilização do processo de corte e soldagem com uso de uma máquina rotativa digital desenvolvida no presente estudo. Os resultados obtidos evidenciaram uniformidade entre os cordões produzidos, variações nas geometrias dos cordões, no tamanho de grão e nas fases de transformação da microestrutura, com impacto na dureza da ZF (Zona Fundida), assim como no desempenho mecânico verificado com ensaios de tração. Conclui-se que, variações no ângulo da junta alteram a área de contato do arco com a poça de fusão, assim como, da poça de fusão com a ZAC. Com isso têm-se diferentes eficiências de transferência de energia térmica por condução, com diferentes ciclos térmicos que resultam em fases e transformações metalúrgicas distintas. / The metallurgical industries at several segments are continuously looking for improving their process and decrease metallic structures production costs. Modifications in a standardized thermal process or in the product configuration can leads to microstructure changes and in the mechanical properties,as well, in the mechanical behavior from the material. Thus, the current study made an assessment of the angle variation effect in steel round tubes joint AISI 4130 without seam, when welded by mechanized TIG process (Tungsten Inert Gas). The steel tubes were cross cut with plasma and prepared in three different angles 30°, 45° and 60°, with 1 millimeter height of root. The welding was made in two passes, the first one in the root by autogenous methode and the second one for filling using eletrode wire AWS ER80S-B2. The welded joints were submitted to metallographic test of macrograph and optical micrographics for metalurgical assessment in the melted zone and the heat affected zone. In addiction was made traction tests and micro hardness Vickers for verify the mechanical behavior and hardness from the material. The interest variable in this study, was evidenced by cut and welding process stabilization using a digital rotative machine developed in this study. The obtained results showed uniformity between weld beads produced with variation in the geometry, as well, in the grain size and in the fases transformations from the microstructure, with impact in the melted zone hardness profile, and in the mechanical properties verified by traction test. It´s pissible conclude that joint chanfer angle variations cause changes in the contact area size between the arc and the molten puddle, and between the molten puddle with the base metal. With this, diferent energy transfer efficency by conduction are obtained producing diferent thermal cicle, that can result in diferent metallurgical fases and microstructure transformations.

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.

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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