Comportamento estrutural de colunas curtas tubulares mistas aço-betão

Rafael Afonso dos Santos

Key information

Authors:

Rafael Afonso dos Santos (Rafael Afonso dos Santos)

Supervisors:

Nuno Miguel Rosa Pereira Silvestre (Nuno Silvestre)

Published in

November 13, 2013

Abstract

This dissertation presents a numerical study on the structural behaviour of composite (steelconcrete) tubular columns under concentric compression. The composite columns have either circular (CHS), square (SHS) or elliptical (EHS) section. With the purpose of evaluating the composite cross-section behaviour, only short columns are dealt with in this study. Thus, finite element models are developed/presented within the framework of ABAQUS software. The illustrative examples are validated by means of comparison between the numerical output data and the experimental results available in the literature. In order to develop the computational models, distinct procedures were considered, depending on the material degradation models for concrete and steel as well as the level of concrete confinement provided by the different crosssections. All the analyses are static but genuinely non linear, in the sense that both geometrically (2nd order) and physically (material) non linear effects are taken into account. The numerical results comprise (i) load-axial shortening curves, (ii) ultimate loads, (iii) column collapse modes and (iv) distributions of contact pressure along the steel-concrete interface. After the model validation, a parametric study is performed to assess the influence of some parameters (concrete and steel strength, steel tube thickness) on the collapse loads. In order to assess the accuracy of Eurocode 4 (EC4) design expressions, the numerical values are compared with analytical estimates obtained from EC4. Finally, some concluding remarks and future developments of this work are described. Na presente dissertação, efectua-se um estudo numérico sobre o comportamento de colunas tubulares mistas de aço e betão sob compressão axial pura. As colunas mistas estudadas têm secção circular (CHS), quadrada (SHS) e elíptica (EHS). Na medida em que se pretende avaliar o comportamento da secção mista, simulam-se apenas colunas curtas. Para isso, foram desenvolvidos modelos de elementos finitos no contexto do programa de cálculo automático ABAQUS. Os exemplos analisados foram validados por comparação com resultados existentes na literatura e obtidos experimentalmente por outros autores. Para o desenvolvimento dos modelos numéricos foram descritas e comparadas diferentes abordagens, consoante os modelos de dano existentes para o betão e o grau de confinamento providenciado pelas diferentes secções. As análises efetuadas são puramente estáticas e intrinsecamente não lineares, tanto ao nível dos efeitos de 2ª ordem (efeitos geometricamente não lineares) como também do espalhamento de plasticidade (efeitos fisicamente não lineares). Os resultados numéricos obtidos compreenderam a determinação de (i) curvas carga-deslocamento, (ii) valores das cargas últimas, (iii) configurações do modo de colapso e (iv) distribuições da pressão de contacto na interface aço-betão. Após a validação dos modelos, é feito um estudo paramétrico sobre a influência de alguns parâmetros (resistência do betão e do aço, espessura do perfil metálico) nos valores das cargas de colapso. Comparam-se também os valores numéricos das cargas últimas com os calculados segundo a metodologia definida no Eurocódigo 4, para avaliar o grau de precisão das estimativas deste regulamento. Finalmente, apontam-se algumas considerações finais e desenvolvimentos futuros deste trabalho.