NUMERICAL STUDY OF CONFINEMENT IN SHORT CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS (2014).

This study presents a numerical investigation into the behaviour of short concrete filled steel tubular (CFST) columns. Three Dimensional Nonlinear finite element analysis of the compression process is performed using commercial software ABAQUS v6.9 (2009). Steel tubes of different geometries and in-filled with different grades of concrete are chosen for modelling from literature. The proposed FE model is validated by comparing its results with those of the corresponding experimental specimens. The model is further used to study the variation of radial confining pressure fcpprovided by the steel tube to the concrete core. It is observed that the value of fcpvaries widely throughout the length of the CFST, with the values in the area adjacent to top and bottom platens being markedly higher than the values in-between due to the end restraint provided by the machine platens. This is in contrast to the present confined concrete model which uses a uniform value of confining pressure throughout the height. Effect of effective length of column and interfacial friction present between the platen and specimen are found to be negligible on behaviour of short CFST column.Este estudio presenta una investigacin numrica sobre el comportamiento de las columnas cortas tubulares de acero rellenas de hormign(CFST). Tres anlisis dimensionales de elemento finito no lineal del proceso de compresin se realiza utilizando software comercial ABAQUS v6.9 (2009). Tubos de acero de diferentes geometras y en lleno de diferentes grados de hormign son elegidos para el modelado de la investigacion. El modelo FE propuesto es validado comparando sus resultados con los de las muestras experimentales correspondientes. El modelo se utiliza, adems, para estudiar la variacin de la presin de confinamiento radial fcp proporcionado por el tubo de acero al ncleo de hormign. Se observa que el valor de FCP vara ampliamente en toda la longitud de la CFST, con los valores en el rea adyacente a la parte superior y platinas inferior es marcadamente superior a los valores en el medio debido a la restriccin extremo provisto por los platos de la mquina. Esto est en contraste con el modelo actual hormign confinado que utiliza un valor uniforme de la presin de confinamiento en toda la altura. Efecto de la longitud efectiva de la columna y la friccin interfacial presente entre la platina y la muestra se encuentran para ser insignificante en el comportamiento de la columna de CFST corto.

INTRODUCCIN

Columnas tubulares de acero relleno de hormign (CFST) son una forma de construccin compuesta que comprende relleno de hormign en un tubo de acero, con las ventajas de ambos materiales combinados en uno solo. El tubo de acero proporciona confinamiento lateral al ncleo de hormign que resulta en un aumento de la capacidad de deformacin y fuerza a compresin del hormign. El relleno de hormign, a cambio, evita que el pandeo local hacia el interior de los tubos de acero. La capacidad de carga axial de columnas cortas CFST es por lo tanto mayor que la suma de las capacidades axiales de carga del ncleo de hormign y el tubo hueco de acero correspondiente. La colocacin del tubo de acero ms rgido en la periferia del ncleo de hormign tambin aumenta el momento de inercia del miembro. Esto proporciona muchas ventajas estructurales, tales como la mejora de la resistencia a la flexin y una mayor rigidez inicial. El tubo de acero tambin acta como encofrado para la construccin y soporta las cargas iniciales de construccin, reduciendo as el coste global (Shanmugam y Lakshmi 2007).

Columnas CFST han sido un rea importante de estudio entre los investigadores desde finales de 1990. Un estudio detallado por Tomii et al. (1977) sobre 268 columnas CFST destacaron que dos modos de fallo se pudieron observar durante la prueba, es decir, en general pandeo de columnas esbeltas y el aplastamiento del hormign acompaado por pandeo local de tubo de acero de columnas cortas. Adicionalmente, se encontr el comportamiento post-fluencia de columnas CFST circulares y octogonales para exhibir endurecimiento por deformacin o comportamiento perfectamente plstico. Pero para las columnas CFST cuadrados, ablandamiento por deformacin era el modo de falla observada despus se alcanz el pico de carga. Johansson y Gylltoft (2001) investigaron el comportamiento de columnas CFST stub cuando ambos acero y el hormign se cargaron axialmente, as como cuando se cargan slo hormign o slo el acero. Llegaron a la conclusin de que el patrn, ya sea en la carga o la resistencia del concreto fue aumentada debido al enlace entre el acero y el hormign. Debido a la unin entre el hormign y el acero, todas las columnas de cdigo sostenan grandes deformaciones con resistencia de carga casi completamente estable. O'Shea y Puente (2000) tambin trataron de estimar la fuerza de columnas CFST bajo diferentes tipos de cargas. Las cargas eran puramente axial, as como con una pequea excentricidad. La carga se aplic a travs de la carga de slo el acero, slo hormign, y el acero y el hormign de forma simultanea. Todas las muestras analizadas eran cortas con una relacin longitud / dimetro de 3,5. Llegaron a la conclusin de que el grado de confinamiento era ms alto cuando solamente el concreto fue cargado axialmente y se utiliz el acero de pared delgada como sistema de retencin circunferencial puro. Schneider (1998) probaron catorce muestras para estudiar el efecto de la forma del tubo y el grosor del tubo de acero en la fuerza de la columna de material compuesto. Se observ que las columnas circulares siempre presentan mucho ms ductilidad axial de pos-fluencia que las columnas cuadradas o rectangulares. Esto se atribuy que en tubos circulares se tiene el mismo nivel de confinamiento a lo largo de toda la seccin transversal, mientras que en las formas rectangulares tensin mxima de confinamiento se produce en las esquinas (debido a la concentracin de tensin) y se reduce hacia el centro de la seccin transversal. Huang et al. (2002) probaron diecisiete de tubos de acero especmenes columna de hormign lleno, pero con una relacin de la columna de mayor dimetro a espesor (D / t). Tambin concluyeron que las columnas circulares siempre mejor posterior al de mxima ductilidad incluso para alta D / t proporciones hasta 150. Sakino et al (2004) tambin investig el comportamiento de las columnas stub cargadas bajo compresin. Ciento catorce muestras de diferentes formas de seccin transversal y anchura variable a relaciones de espesor se ensayaron. Concreto con resistencia normal, as como de alta resistencia se utiliz como de relleno. Giakoumelis y Lam (2004) probaron quince especmenes circulares para examinar el efecto de la fuerza de unin entre el tubo de hormign y acero en el comportamiento de columnas CFST. Las muestras se ensayaron con paredes interiores del tubo hueco engrasada para minimizar su adherencia al hormign, as como en condicin de no engrasada. Se encontr que los efectos de la unin entre el hormign y el tubo de acero es ms crtica para hormign de alta resistencia, mientras que para el hormign de resistencia normal, la reduccin en la capacidad axial debido a la prdida de unin entre el acero y el hormign era insignificante. Gupta et al. (2007) probaron 12 columnas de cdigo y lleg a la conclusin de que para los ms pequeos relacin D/t, tubo de acero proporciona un mejor confinamiento al concreto. Un modelo computacional no lineal de dos dimensiones tambin fue desarrollado para los especmenes CFST sobre el cdigo comercial de elementos finitos ANSYS 8.0. Oliveira et al. (2009) tambin probaron 32 miembros CFST en compresin axial. Todas estas muestras tenan un tubo de acero de dimetro exterior de 114,3 mm y espesor de la pared 3,35 mm. Cuatro valores diferentes de L/D, a saber. 3, 5, 7 y 10 fueron usados en conjuncin con 4 grados diferentes de hormign que tiene 30, 60, 80 y 100 MPa como resistencia a la compresin nominal. Se observ que las columnas cortas (L/D=3) rellena con hormign de baja resistencia general colapsaron por un comportamiento de endurecimiento por deformacin debido al confinamiento ofrecido por tubo de acero. La fragilidad inherente de concreto de alta resistencia tiende a cancelar debido al confinamiento ofrecido por tubo de acero; Por lo tanto, se observ un ablandamiento por deformacin gradual de tubos de acero rellenos de 80 MPa y 100 MPa grado concreto. Ellobody et al (2006) model diferentes columnas CFST circulares de la literatura utilizando ABAQUS 6,3 cdigo y obtuvo una buena concordancia entre los resultados experimentales y simulados. Bahrami et al. (2013) comportamiento tambin simulado de carga axial puso rgida de hormign llena de columnas del trozo de material compuesto de acero utilizando las LUSAS cdigo FE. Los autores informaron que las columnas fracasaron debido al hormign aplastante sobre su media altura, donde la pared de acero abrochado localmente. El efecto de la friccin entre el extremo del tubo de deformacin y la compresin de las interfaces de platina para tubos huecos de aluminio fue estudiada por Gupta y Gupta (2005). Ellos encontraron que para pedestal de aluminio hueco la friccin final puede modo de deformacin cambio sin cambio apreciable en la historia de carga-deformacin.El objetivo de esta investigacin es el de utilizar el objetivo general del programa de elementos finitos ABAQUS para realizar simulaciones numricas no lineales de columnas cortas de hormign lleno de acero tubulares (CFST) sometidos a cargas de compresin axial. El modelo computacional propuesto entonces se valida con los datos experimentales disponibles en la literatura de Giakoumelis y Lam (2004); Gupta et al. (2007); Sakino et al. (2004); Schneider (1998) y Oliveira et al. (2009) .No despus de que el modelo desarrollado se utiliza para estudiar la variacin de la presin de confinamiento a lo largo de la longitud de la columna de CFST. La variacin de confinamiento del ncleo de hormign no se ha informado de ninguna de la literatura disponible de la mejor manera el conocimiento de los autores. Adems, la influencia de los valores de dimetro / espesor (D / t) (manteniendo dimetro constante) sobre la capacidad de absorcin de energa de CFST especmenes Tambin se estudia. En un marco tpico de la carga se transfiere a la columna de las vigas a travs de la articulacin de la viga-columna. El comportamiento de la columna puede variar con el cambio en las dimensiones geomtricas de la transferencia de carga vigas. Este cambio en las dimensiones geomtricas de vigas de resultados cambia en longitud efectiva de apoyo a la columna. El cambio en el comportamiento de la columna puede ser modelada mediante la adopcin de diferente longitud efectiva de la columna. Este aspecto ha sido estudiado y reportado por considerar varias longitudes de una columna. Efecto de la friccin presente entre la muestra de platina y de columna sobre el comportamiento de la columna tambin se investiga y se re-portado.

2 MTODO DE MODELADO NUMRICO2.1GeneralidadesEl estudio numrico de cualquier problema experimental permite una total libertad al investigador para explorar en detalle una serie de factores que influyen en este fenmeno. As tras el aumento del uso de columnas CFST en aplicaciones prcticas, se proponen muchos modelos numricos para simular la respuesta de tales miembros. Como se observa en la literatura disponible, los modos de fallo de columnas tubulares de acero y hormign llenos cortos bajo cargas de compresin axial se caracterizan por entrar en fluencia una de las secciones huecas y trituracin de hormign. Modelos constitutivos adecuados deben adoptarse para el concreto y tubo de acero para capturar el modo de deformacin de las columnas CFST.

2.2 Descripcin del Modelo2.2.1 Meshing(mallado).En cualquier anlisis basado en elementos finitos, la seleccin del tipo de elemento apropiada es fundamental para el xito del procedimiento de clculo. El mdulo de Abaqus Standard insercin en ABAQUS 6.9 (2009) se utiliza para el modelado. El mdulo de Abaqus Standard consiste en una biblioteca elemento integral que ofrece diferentes tipos de elementos que atienden a diferentes situaciones.Cuando una columna CFST se somete a compresin axial, el ncleo de hormign rellenado se comporta como un nico bloque slido que se somete a compresin sin ninguna rotacin. Abaqus (ABAQUS 6.9, 2009) proporciona un conjunto de (continuo) elementos slidos especialmente diseados para este tipo de casos. Los elementos ms utilizados son el tetraedro lineal de 4 nodos (C3D4), 6-nodo prisma triangular lineal (C3D8) y elementos lineales de ladrillo de 8 nodos (C3D8) [12]. Cada uno de estos elementos posee tres grados de libertad de traslacin (DoFs) en cada nodo. Se observa que para los miembros CFST, C3D4 y C3D6 elementos proporcionan una convergencia lenta y requieren malla muy fina que aumenta el tiempo computacional y esfuerzo. Unidades de ladrillo C3D8 se encuentran para ser el ms adecuado tanto de la precisin, as como los puntos de vista de tiempo requerido. Puede ser utilizado para el anlisis no lineal compleja que implica el contacto, la plasticidad y grandes deformaciones.El tubo hueco de acero puede ser mallado utilizando cualquiera de los elementos de cascara (Shell) o los elementos de ladrillo solido(brick). Sin embargo, adems de los grados de libertad de traslacin, los elementos de Shell tambin poseen grados de libertad rotacionales. Esto puede dar lugar a problemas de compatibilidad en la unin del ncleo de hormign y tubos de acero, ya que los elementos centrales de hormign vienen con grados de libertad slo la traslacin. Por lo tanto, se realizaron ensayos con elementos C3D8 para mallar el tubo de acero tambin. Una sola capa de estos elementos a travs del espesor del elemento se encuentra para reproducir la forma deformada del tubo con una buena precisin.El conjunto de ncleo de hormign y el tubo de acero est confinado por placas rgidas, cada uno en la parte superior y la parte inferior. Las placas rgidas se definen utilizando la opcin rgida discreta disponible en Abaqus (ABAQUS 6.9, 2009). Las placas estn engranados por los elementos disponibles en la biblioteca elemento rgido. Se tom debida atencin para asegurar que el mallado de ncleo de hormign y el tubo hueco es ms fina en comparacin con la de placas rgidas; Si no es as, el conjunto de la columna tender a penetrar en la placa rgida. Superficie de contacto de la superficie est dispuesta entre las caras de la columna en contacto con el de las placas superior e inferior. La parte rgida debe ser siempre la superficie principal. El valor de coeficiente de friccin se mantiene como 0.1 en ambos extremos.

2.2.2 Modelado de materiales(a) Tubo de acero: un modelo elsticoperfectamente plstico se utiliza para modelar el comportamiento de tubo de acero. Relacin de mdulo de Poisson y de Young del material se toman como 200 GPa y 0,3 respectivamente. Criterio de fluencia Von Mises-se utiliza para definir la superficie de fluencia para el acero. Una vez que la tensin en el acero llega a la superficie de fluencia, no lleva ms carga y se vuelve perfectamente plstico.(b) Hormign: El modelo de Drucker Prager proporcionada en el Abaqus (ABAQUS 6.9, 2009) biblioteca se utiliza para simular el comportamiento del hormign. El modelo es adecuado para describir la respuesta de materiales con resistencia a la compresin 10 veces o mayor que la resistencia a la traccin. Para simular el confinamiento proporcionado por tubo de acero al hormign, un modelo de tensin-deformacin confinada proporcionado por Huang et al (2002) se utiliza para el hormign en conjuncin con el modelo de Drucker Prager para el endurecimiento del hormign plstico. El comportamiento de hormign confinado vis--vis concreto no confinado est representado en la Fig. 1.El grfico de hormign confinado es lineal elstico hasta 0.5fcc; que se describe utilizando el mdulo inicial de elasticidad Ec y la relacin de Poisson, que se toma como 0,2. Las frmulas matemticas y otros detalles del modelo se ilustran en Huang et al. (2002).2.2.3 Interfaz de ModeladoCon el fin de obtener todas las ventajas antes mencionadas de las columnas CFST, es pertinente que el compuesto de tubo de acero y ncleo de hormign deben comportarse como un solo miembro y no slo como una combinacin de dos materiales diferentes. Esto hace que la simulacin de la accin compuesta entre el hormign y el tubo de acero el factor ms importante para guiar el comportamiento del elemento compuesto. El contacto normal entre los dos materiales se proporciona el uso de friccin, con la superficie interior del tubo de acero como la superficie esclavo. El coeficiente de friccin entre las dos superficies es elegido como 0,25. Contacto duro se proporciona entre las dos superficies, lo que hace que la presin que se transmite a travs de las dos superficies slo cuando hay contacto real entre ellos, mientras que haciendo que las superficies se separen bajo la influencia de una fuerza de traccin.

2.2.4 Carga y condiciones de fronteraEl tubo de acero y el ncleo de hormign se dejan completamente sin restricciones en todas las direcciones para permitir que cualquier posible deformacin en la columna. La placa rgida inferior se fija por completo con la condicin de frontera encastre aplicado en su nodo de referencia, mientras que la carga se aplic proporcionando desplazamiento total en pequeos incrementos en la placa rgida superior (para simular las condiciones reales de ensayo de deformacin controlada). El valor del desplazamiento total se mantiene generalmente ligeramente mayor que el valor mximo de la misma en la investigacin experimental correspondiente.