Estudio numérico y comparativo del comportamiento de columnas tubulares mixtas con un pretensado inicial de uno de los componentes : aproximación experimental del comportamiento de secciones CFST pretensadas, sometidas a compresión cíclica

Abstract

(English) The use of mixed structures of the most varied types and typologies, mainly in steel and concrete, have been increasingly used in the recent decades. The mechanical advantages of these structures in comparison with conventional reinforced concrete and steel structures working independently, allow to optimize the performance of both components.

Within all the possibilities of composite structures, this investigation focuses on the study of composite columns of circular tubular steel profiles filled with concrete (CFST). CFSTs are increasingly used due to improved structural performance, especially under compression. This is basically due to the confinement effect provided by the pipe, which generally improves the ductility and strength of the concrete fill. Mainly, a series of issues derive from the construction process of these sections, such as, for example, the fact of loading the tube before concreting in preliminary construction stages causes a preloading effort that implies a different response from the section than expected. These problems must be considered in the design process and lead to unwanted preload effects in one of the two components derived from the process itself.

A limited number of studies treat preloading as a design method in itself before being under service loads (active methods) to improve the capabilities of CFST sections. Therefore, the thesis begins by analyzing and comparing 4 different methodologies (2 passive versus 2 active preload methods) describing the potential benefits and consequences of them throughout the section; while sometimes a prestress ratio in a component can improve the overall mechanical response, sometimes it doesn't and even becomes detrimental. The relation of the confinement effect on the core and especially when activated reveals the degree of real improvement of the compressive response of the section in terms of ductility and resistance.

Finally, for the method that has been considered most beneficial, a small experimental campaign was carried out so that there is a first approximation of the behavior of this type of preloaded section.

(Español) El uso de estructuras mixtas de distintos tipos y tipologías, principalmente en acero-hormigón, ha experimentado un aumento creciente durante las últimas décadas. Las mejoras mecánicas que ofrecen estas estructuras en comparación con las estructuras de hormigón armado y acero convencionales, permite aprovechar de forma optimizada las características de los dos materiales.

De entre las tipologías más habituales de estructuras mixtas, esta tesis se centra en el estudio de columnas mixtas de perfiles tubulares circulares de acero rellenados con hormigón (CFST). Los CFST se utilizan cada vez más gracias a su gran rendimiento mecánico, especialmente sometidos a compresión. Esto se debe básicamente al efecto de confinamiento proporcionado por el tubo exterior, que generalmente mejora la ductilidad y resistencia del relleno de hormigón. Del proceso constructivo de estas secciones, principalmente, derivan una serie de cuestiones significativas, como el hecho de cargar el tubo antes del hormigonado en etapas constructivas preliminares, efecto que provoca un esfuerzo de precarga que deriva en una respuesta de la sección diferente a la esperada. Estos problemas deben ser considerados en el proceso de diseño y acaban produciendo efectos de precarga no deseados en uno de los dos componentes derivados del propio proceso.

Existen varios estudios que tratan la precarga como un método de diseño en sí mismo, aplicando dichas cargas antes de que la sección entre en servicio (métodos activos) para mejorar las capacidades de las secciones CFST. Por ello, esta investigación empieza analizando y comparando 4 metodologías diferentes (2 métodos de precarga pasivos y 2 métodos activos) describiendo los beneficios potenciales y las problemáticas de cada uno de ellos en toda la sección; mientras que a veces una pre-tensión en un componente puede mejorar la respuesta mecánica global, a veces se vuelve incluso perjudicial. La relación del efecto de confinamiento sobre el núcleo y, especialmente, saber en qué momento éste se activa, revela el grado de mejora real de la respuesta a compresión de la sección en términos de ductilidad y resistencia.

Finalmente, se ha realizado una campaña experimental en base al método de precarga que se ha considerado el más eficiente para poder validar las hipótesis hechas durante la fase numérica.