Numerical analysis of concrete-filled tubes with stiffening plates under large deformation axial loading

Abstract

Concrete-filled tubes have been increasingly used these recent decades thanks to their improved structural behavior, especially under compression.Concrete filling in these sections improves ¡ts compressive strength thanks to lateral pressure coming from confinement effect provided by the steel tube. At elevated percentages of loading,concrete suffers an important volumetric expansion, which is clearly restricted by the tube. Therefore, the core is subjected to a severe lateral pressure that clearly enhances the compressive response of the concrete filling. This advantageous response under compression is accompanied by a significant ductility and energy absorption, owing to crushing of the cement paste of concrete. The core is subjected to asevere damage process, while mast part of the axial load is still resisted until advanced stages of deformation, thanks to be contained by the tube. These two properties let concrete-filled tubes to play an important role in the construction of really tall buildings in seismic areas. However, confinement effect on the core and the absorption of energy in these sections is clearly different between circular and square-shaped tubes. While in circulartubes, laleral pressure over the core is clearly uniform and constant, in square-shaped tubes, the deformability of the plates implies a notorious reduction of these two mechanical capabilities. This fact can be partially solved by means of introducing stiffening plates in the core. Thus, main purpose of this investigation is to analyze and describe the influence of introducing these plates in the core of concrete-filled tubes; also the influence on circular sections is analyzed in the study. The presence of stiffening plates not only has a clear effect on the confinement effect on the core, but also on the ductility of the section. In square-shaped sections this effect is always positive,independently of the thickness of the plates and the width ofthe section; nevertheless, in circular tubes, their influence is not so significant or even negative, since circular geometry is much more effective than a cruciform shape, in terms of confinement and ductility. ln otherwords, the introduction of stiffening plates in circular concrete-filled tubes is always positive, provided that the presence of these plates does not leadn to consider thinner tubes. The proposal of concrete-filled tubes stiffened with plates, or "reticulated" concrete-filled tubes, is interesting from several points of view. These new embedded plates are normally restricted to buckling by the concrete filling, so that they could be fully loaded according to their plastic capacity, being also protected against fire. The introduction of a couple of plales in the core of these tubes not only enhances the confinement effect and ductility, but also it allows a safer response against fire. The cruciform or grid-shaped geometry is interesting also for an excellent behavior under combined states of compression with shear forces or bending -the first case corresponds exactly to those heavily loaded columns of the ground fioors in tall buildings. What is a solution with a clear structural vocation derives quickly into a new interesting sectional repertoire for designers, by analyzing the load-bearing capacity of each independent loading cell of reticulated sections and combining them in different ways. The possibility of analyzing these cells separately allows determining their compressive response depending on their location in the cross-sectional plane and on the proportion between their width and plate thickness .

Las secciones tubulares mixtas se han utilizado mucho estas últimas décadas dada su magnífica respuesta estructural y su excelente comportamiento mecánico, especialmente bajo estados de compresión. El relleno de hormigón en estas secciones ve mejorada su resistencia gracias a la presión lateral procedente del efecto de confinamiento desarrollado por el tubo. En porcentajes elevados de carga el hormigón sufre una expansión volumétrica importante, quedando ésta restringida por estar embebido dentro del perfil metálico tubular. Por esta cuestión, el núcleo queda sometido a una presión triaxial muy importante, implicando a su vez una clara mejora de la respuesta a compresión Esta respuesta, muy efectiva bajo estados de compresión pura, es acompañada por una importante ductilidad y absorción de energía debido al aplastamiento del hormigón. El núcleo queda sometido a un proceso severo de daño, mientras resiste aún la mayor parte de la carga hasta porcentajes muy elevados de deformación -gracias a estar este último embebido en el tubo. Estas dos propiedades hacen que las secciones mixtas tubulares jueguen un papel muy importante en la construcción de edificios altos en zonas sísmicas. A pesar de todo, el efecto de confinamiento sobre el núcleo y la absorción de energía en estas secciones es claramente distinta entre los tubos circulares y los rectangulares. Mientras que en los circulares la presión lateral es uniforme y constante, en los rectangulares la excesiva deformabilidad de las pletinas implica una reducción importante de estas dos capacidades mecánicas. Este hecho puede ser parcialmente solucionado mediante la introducción de otras pletinas internas rigidizantes, embebidas en el hormigón. Así, el principal objetivo de esta investigación es el de analizar y describir la influencia de dichas pletinas en su respuesta a compresión; se analiza tanto su influencia sobre las circulares como sobre las rectangulares. La presencia de pletinas internas rigidizantes no tiene sólo un efecto determinante sobre el confinamiento del núcleo, sino también sobre la ductilidad de la sección. En las secciones rectangulares, esta influencia es siempre positiva, independientemente del grosor de dichas pletinas; por el contrario, en las secciones circulares, su efecto no es tan determinante, incluso puede ser negativo, dado que la geometría circular es mucho más efectiva que la cruciforme en términos de confinamiento y ductilidad. En otras palabras, la introducción de pletinas rigidizantes resulta por lo general buena, a condición que su disposición no lleve a diseños de tubos más delgados. La propuesta de secciones tubulares mixtas con pletinas rigidizantes o "reticuladas" es interesante desde distintos puntos de vista. Estas nuevas pletinas están normalmente restringidas a pandeo por el relleno de hormigón, de modo que pueden cargarse al 100% de su capacidad axil plástica, estando a su vez relativamente protegidas a incendio. La introducción de un par de pletinas en el núcleo no sólo mejora la resistencia y la ductilidad de las secciones sino que incrementa su seguridad frente a situaciones de incendio. La geometría cruciforme derivada de estas pletinas es interesante también en estados de solicitaciones combinadas (compresión y cortante o momento) -es el caso precisamente de las columnas fuertemente cargadas de las plantas bajas en edificios altos Lo que es una solución con una clara vocación de mejora estructural deriva rápidamente en un nuevo e interesante repertorio seccional disponible para arquitectos y diseñadores, analizando la capacidad de carga de cada célula independiente y combinándolas entre sí de formas muy distintas. La posibilidad de analizar estas células por separado permite determinar su capacidad resistente a compresión dependiendo de su ubicación en el plano de la sección y de la proporción entre el ancho y el grueso de las pletinas.