Capacidad de carga de estabilidad de columnas tubulares de acero rellenas de hormigón sometidas a largas

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10377 (2023) Citar este artículo

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Los tubos de acero rellenos de hormigón (CFST) se utilizan comúnmente en aplicaciones de puentes y edificios modernos. A pesar de su popularidad, los estudios sobre la investigación de la influencia de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad de dichos elementos son escasos. Este estudio investiga cómo los parámetros clave, incluida la relación de esbeltez (λ), la relación de carga axial (m) y la relación de excentricidad (e/r), afectan la capacidad de carga de estabilidad de una columna CFST bajo carga sostenida. Se fabricaron veintitrés columnas CFST para investigar el efecto de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad. Catorce especímenes fueron sometidos a cargas de compresión constante durante 462 días y luego se sometieron a pruebas de falla. Los 9 restantes eran especímenes sin carga acompañantes. Se utilizó un método de elementos finitos de tres etapas para predecir la capacidad de carga de estabilidad después de la fluencia. Los resultados indican que la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST disminuye después de ser sometidas a cargas a largo plazo. Tanto los resultados experimentales como los numéricos indicaron que la carga del tubo de acero para muestras con carga a largo plazo que llegaba hasta el proceso elástico-plástico y plástico era menor que la de las muestras sin carga. Además, la deformación correspondiente de las probetas de fluencia fue mayor que la de las probetas libres de carga cuando el miembro alcanzó la carga máxima. Los análisis comparativos han demostrado que el coeficiente de reducción de la fluencia (kcr) propuesto para las columnas CFST se puede utilizar para predecir la reducción de la capacidad de carga de estabilidad después de la fluencia. Además, se utilizó una base de datos recopilada que comprende 49 muestras de CFST sometidas a cargas a largo plazo para investigar las fórmulas propuestas para kcr. Los resultados muestran que las fórmulas fueron consistentes con los resultados del experimento.

Los miembros de tubos de acero rellenos de hormigón (CFST) son componentes estructurales de compresión eficientes utilizados en estructuras de ingeniería civil, como puentes en arco y columnas utilizadas en edificios1,2,3,4,5,6. A diferencia de los miembros de acero o reforzados, el comportamiento y la resistencia de los miembros CFST mejoran significativamente debido a las interacciones entre el tubo de acero y el relleno de hormigón6. Además, el tubo de acero puede servir como encofrado permanente para la colocación del hormigón, lo que facilita el proceso constructivo. Con las continuas mejoras en materiales y técnicas de construcción, la luz de los puentes de arco CFST de nueva construcción ha ido aumentando, y la luz más larga alcanza los 575 m5.

Dado que el récord de longitud de arco más largo se bate constantemente, el pandeo de la nervadura del arco se ha convertido gradualmente en un problema importante debido a la creciente relación de esbeltez. Además, los efectos de fluencia en la nervadura del arco CFST son otros problemas destacados que se encuentran con el creciente peso propio de los puentes de arco CFST. Al comprobar la capacidad de carga de estabilidad de una costilla delgada del arco CFST, se puede considerar como equivalente a una columna delgada6 . Por lo tanto, la mayoría de los estudios se realizaron sobre el comportamiento de fluencia de las columnas CFST7,8,9,10,11,12,13,14. Estos estudios se centraron en el desarrollo de la fluencia y los modelos previstos de columnas CFST con hormigón normal, hormigón con áridos reciclados, hormigón expansivo y hormigón armado. Por el contrario, los estudios experimentales han investigado la estabilidad y la capacidad de carga última de las columnas CFST sometidas a cargas a largo plazo. Sólo se han llevado a cabo varias discusiones teóricas y formulaciones deducidas para investigar la capacidad de carga última de las columnas CFST sometidas a cargas a largo plazo. Todos estos estudios han demostrado que la capacidad portante de estabilidad de las columnas CFST disminuye debido al comportamiento de fluencia15,16,17,18,19,20. Además, se han utilizado métodos de cálculo numérico para analizar la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST afectadas por cargas a largo plazo y, en consecuencia, se han derivado las fórmulas de cálculo del coeficiente de reducción de la fluencia de la columna CFST21,22,23. Tan et al.24 afirmaron que la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST no se reduce después de ser sometidas a cargas a largo plazo. Los resultados de los árbitros. 25 y 26 han indicado una disminución en la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST debido a la carga a largo plazo. Por el contrario, algunos estudiosos21,27,28,29 han concluido que la resistencia a la compresión del CFST mejora cuando se somete a una carga a largo plazo.

A pesar de varios estudios útiles sobre la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST afectadas por cargas a largo plazo, la mayoría de los resultados de la investigación se han obtenido basándose en análisis numéricos. Sólo un estudio 24 examinó experimentalmente la capacidad de carga de 22 miembros de fluencia CFST. Sin embargo, la relación de esbeltez máxima fue solo 16, lo que no puede reflejar el efecto de fluencia de las columnas CFST con una relación de esbeltez grande. Por lo tanto, falta una investigación profunda y una explicación razonable sobre el mecanismo del efecto de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST. Por lo tanto, este estudio realizó un experimento de fluencia para investigar la influencia de la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST después de haber sido sometidas a cargas a largo plazo. En consecuencia, se propuso un método de elementos finitos de tres etapas para predecir la capacidad de carga de estabilidad después de la fluencia. Posteriormente, se realizó un análisis paramétrico considerando los factores clave y se desarrolló un método de cálculo del coeficiente de influencia de la fluencia para estimar las respuestas a largo plazo de la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST.

El resto de este documento está organizado de la siguiente manera. La sección "Programa experimental" presenta el esquema de diseño de esta prueba y la fabricación de todas las muestras experimentales. Además, en esta sección también se presentan la configuración y la instrumentación de la prueba. La sección "Resultados de las pruebas y discusión" presenta el modo de falla y los efectos de la esbeltez, la carga axial y las relaciones de excentricidad en la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST. A continuación, la sección "Análisis de elementos finitos" presenta el método de cálculo del análisis de elementos finitos para las muestras de fluencia y el análisis de parámetros para otras barras de fluencia. Además, en esta sección se proponen algoritmos prácticos y sugerencias para calcular la influencia de la carga a largo plazo sometida a las columnas CFST. Finalmente, la Sección "Resumen y Conclusiones" presenta los resultados del estudio obtenidos de la prueba realizada junto con los resultados de otras pruebas. Las limitaciones de este estudio y las perspectivas de investigación futuras también se presentan en esta Sección.

Los experimentos de fluencia se realizaron por primera vez con 462 días de carga prolongada. Posteriormente, se realizaron pruebas de compresión en las muestras de fluencia aún sujetas a carga a largo plazo y en muestras sin carga complementarias. La literatura 15-16, 30 muestra que la relación de esbeltez (λ), la relación de carga axial [m, la relación entre la carga axial a largo plazo (NL) y la resistencia a la compresión axial de diseño (N0)] y la relación de excentricidad (e /r) de las muestras CFST son los parámetros más importantes que afectan la capacidad de carga de estabilidad de los miembros CFST bajo carga a largo plazo. Por lo tanto, estos fueron seleccionados como los principales parámetros de diseño en la prueba.

Se fabricaron un total de 23 muestras de columnas CFST para investigar la capacidad de carga última sometida a cargas a largo plazo. Los ejemplares se dividieron en cuatro grupos. Las muestras de los Grupos I, II y III se sometieron a cargas a largo plazo, mientras que las muestras sin carga del Grupo IV se consideraron como muestras de comparación. Además, se midió simultáneamente la deformación por contracción. El diámetro exterior de todas las muestras (D) fue de 140 mm con una altura en el rango de 350 a 2100 mm (es decir, L = 350, 700, 1050, 1400, 1750 y 2100 mm). El espesor de pared del tubo de acero fue de 2 mm, con un contenido de acero de 0,057. La relación de esbeltez (λ = 4L/D) de las muestras varió en el rango de 10 a 60, como se presenta en la Tabla 1. Para los especímenes del Grupo I, la relación de esbeltez (λ) se consideró como el parámetro de la muestra, donde λ se estableció en 10, 20, 30, 40, 50 y 60. La relación de carga axial (m) se consideró como el parámetro de la muestra en el Grupo II, con m establecido en 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 y 0.6. Además, la relación de excentricidad (e/r) de la carga a largo plazo se consideró como parámetro de la muestra en el Grupo III. Finalmente, el Grupo IV comprendió las muestras de comparación que no fueron sometidas a la carga a largo plazo. Los parámetros específicos se enumeran en la Tabla 1. El número de especímenes en los Grupos I, II y III en la tabla se describe a continuación: CFT-30–0.3–0.1-CR representa especímenes de fluencia CFST con una relación de esbeltez (λ) de 30, una relación de carga axial (m) de 0,3 y una relación de excentricidad (e/r) de 0,1. El número de probetas del Grupo IV se describió de la siguiente manera: CFT-10–0-0-SH, que indica la probeta de contracción CFST con una relación de esbeltez (λ) de 10 y una relación de carga axial (m) de 0 sin ser sometido a cargas de larga duración. En este estudio, se utilizó un grado de concreto C50 en la prueba y la edad del concreto al aplicar la carga a largo plazo fue de 7 días. En la tabla, la relación de carga axial se define como m = NL/N0, donde NL es el valor de la carga a largo plazo aplicada a la muestra y N0 es la capacidad de carga última de diseño de la muestra. Aquí, N0 se predice utilizando una fórmula según la norma nacional GB 50,923–201331 para puentes de arco de tubos de acero rellenos de hormigón. Se expresa como N0 = k3(1,14 + 1,02ξ0)(1 + α)fcdAc; donde fcd es la resistencia a la compresión del concreto, Ac es el área de la sección transversal del núcleo del concreto, ξ0 = αfy/fcd es el coeficiente de confinamiento, α es la relación del acero, fy es el límite elástico del tubo de acero, k3 es el coeficiente de conversión de resistencia a la compresión axial. Además, Nue es la capacidad de carga última probada de la muestra, y Nuc es la capacidad de carga última calculada por elementos finitos de la muestra.

En esta prueba se utilizó un tubo de acero sin costura con un grado de resistencia de Q235, con su límite elástico (fy), resistencia a la tracción (fu) y módulo elástico (Es) medidos de 350 MPa, 423 MPa y 198 GPa, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 1, la curva tensión (σ)-deformación (ε) del tubo de acero se puede dividir en 5 etapas: Etapas elásticas (OA), elásticas-plásticas (AB), plásticas (BC), de endurecimiento (CD) y de flujo plástico secundario (DE). La deformación límite proporcional (εe) y la deformación límite elástica (εe1) medidas del tubo de acero fueron 1415 µɛ y 2500 µɛ, respectivamente.

Curva de propiedades del material del tubo de acero.

La Tabla 2 resume las proporciones de mezcla del relleno de hormigón. Estas incluyen las proporciones de cemento (cemento Portland ordinario PO42.5), agregado grueso (piedra de granito, de 5 a 10 mm de diámetro), arena, agua, superplastificante y cenizas volantes. La Tabla 3 resume la calidad del concreto, la resistencia a la compresión del concreto (fcm) y el módulo elástico (Ec) medidos a los 7 y 462 días. La calidad del hormigón representa la resistencia a la compresión nominal del hormigón a 28 días (fcu,k) en MPa, mientras que fcm representa el valor medido. Aquí, fcm se determinó como el valor promedio medido en tres cubos de concreto de 150 mm según el “Estándar de China para métodos de prueba de propiedades físicas y mecánicas del concreto”32. Para garantizar que el relleno de hormigón esté sellado, se soldó una placa de acero de 190 × 200 mm y 20 mm de espesor al extremo inferior de cada tubo de acero hueco antes de colar el hormigón, como se muestra en la Fig. 2. Durante el colado, las muestras se mantuvieron en posición vertical y los tubos de acero se mantuvieron sin engrasar para reflejar la práctica común del sitio. Además, todos los especímenes fueron moldeados el mismo día en un solo lote. Además, el núcleo de hormigón se fundió ligeramente más alto que el tubo de acero para evitar la presencia de espacios entre el núcleo de hormigón y la placa de acero superior antes de soldar las placas de acero superiores. Inmediatamente después del vertido del hormigón, las superficies superiores de las muestras se envolvieron herméticamente con películas plásticas para reflejar la situación real en la que el núcleo de hormigón permaneció sellado durante la construcción y mientras estaba en servicio. Las películas de plástico se retiraron después de 1 día y las superficies superiores de las muestras de CFST se rectificaron y alisaron. Posteriormente, se soldó una placa de acero de 190 × 200 mm y 20 mm de espesor a la parte superior del tubo de acero para sellar el hormigón inmediatamente después de completar la operación de alisado.

Fotos parciales para prueba.

Como se muestra en la Fig. 3, se diseñó un marco de carga autorresistente para realizar pruebas a largo plazo en muestras CFST sometidas a cargas axiales y de excentricidad. El marco de carga autorresistente se diseñó haciendo referencia a los diseños de Geng et al.7,8,9,10,11,27. Es el cálculo del modelado el que garantiza la seguridad antes de la fabricación. Las probetas, incluidas las de los Grupos I, II y III, se cargaron primero a una edad de hormigón de 7 días, con la carga a largo plazo (NL) durante 462 días. A partir de entonces, la deformación por fluencia de las muestras CFST casi dejó de aumentar y, en consecuencia, se terminaron las pruebas de fluencia. Las pruebas de compresión se realizaron utilizando una máquina de prueba electrohidráulica servocontrolada con una capacidad de carga máxima de 10.000 kN, como se muestra en la Fig. 3, sin retirar el marco de carga autorresistente. Durante la prueba, la muestra de CFST se presurizó utilizando una bisagra de placa plana. La prueba se realizó mediante carga gradual, siendo cada nivel de carga 1/40 de la carga máxima esperada. Además, el tiempo de mantenimiento de cada nivel de carga fue de aproximadamente 2 min. Cuando la carga alcanzó aproximadamente 0,6 veces la carga máxima, cada nivel de carga se redujo a 1/60 de la carga máxima. En consecuencia, cuando los daños comenzaron a aparecer, la pieza de prueba se cargó continuamente a baja velocidad hasta que finalmente se dañó.

Configuración de prueba.

En la prueba de compresión, se utilizaron cuatro medidores de desplazamiento YDH-100 (1 mm = 200 με) para medir los desplazamientos longitudinales y transversales de las muestras CFST. Se utilizó un sistema de adquisición automática (DH3816) para registrar los datos de cuatro medidores de tensión y desplazamiento de dos vías cada uno en la sección media del tubo de acero durante la prueba, como se muestra en la Fig. 3.

Los resultados de la prueba de compresión se resumen en la Tabla 4, y las curvas de carga (N)-deformación axial (ε) de las 23 muestras se muestran en la Fig. 4. Con base en la prueba de compresión, se obtuvieron las siguientes observaciones:

En comparación con las muestras del Grupo IV, las de los Grupos I, II y III arrojaron ciertos resultados diferentes, como se muestra en la Fig. 4. Para las muestras de fluencia, se observó un comportamiento inicial de elasticidad lineal hasta la carga a largo plazo ( Países Bajos). Posteriormente se observó una sección de la plataforma al ser sometida a una carga constante de larga duración; sin embargo, la tensión de fluencia aumentó. El nuevo comportamiento de la mayoría de las probetas de fluencia fue elástico-plástico debido a que el ensayo de compresión se realizó sin descargar la configuración de carga a largo plazo.

Durante la prueba de fluencia bajo carga a largo plazo, la fluencia del núcleo de hormigón provocó la redistribución de tensiones de la sección compuesta CFST, la deformación del tubo de acero aumentó y el tubo de acero entró en la etapa elástico-plástica por adelantado. Todas las muestras del Grupo I exhibieron una carga última proporcional (Np) durante la prueba de carga a largo plazo, como se muestra en la Tabla 4 y la Fig. 4. Al aparecer la flexión obvia, la carga se detuvo. Además, el modo de falla típico exhibido fue la falla por pandeo, que fue causada por la flexión lateral de las muestras de fluencia.

Las curvas de carga-deformación comprendían cuatro ramas distintas: ascendente lineal, de plataforma, ascendente elástico-plástico y descendente aproximadamente horizontal. Durante la primera etapa, la respuesta fue similar a la de los ejemplares libres de carga. Después de alcanzar el pico, la tensión estuvo acompañada de una disminución de la carga. Además, con el aumento de la esbeltez y las relaciones de carga axial, la carga correspondiente a la etapa plástica del tubo de acero disminuyó gradualmente.

De la Fig. 4d, considere la muestra de CFT-10–0-0-SH como ejemplo. El tubo de acero se acercó a la etapa elástico-plástica cuando la carga alcanzó aproximadamente 870 kN y su correspondiente deformación límite proporcional (εp) fue 1415 µɛ. A partir de entonces, la pendiente de la curva disminuyó gradualmente. Además, el tubo de acero se acercó a la etapa plástica cuando la carga alcanzó hasta 1123 kN y su correspondiente deformación límite elástica (εe1) fue de 2500 µɛ. Posteriormente, la curva aumentó con una pendiente menor hasta que la carga máxima (Nue) fue de 1162 kN y su correspondiente deformación máxima (εc) fue de 3990 µɛ. Debido al pequeño coeficiente de confinamiento, la curva disminuyó gradualmente después de la carga máxima. Como se muestra en la Fig. 4d, con el aumento en la relación de esbeltez, la carga correspondiente a la etapa elástico-plástica de la muestra disminuyó gradualmente y la etapa elástico-plasticidad se hizo más corta. Además, la carga correspondiente a la etapa plástica disminuyó gradualmente. Además, la capacidad de carga última del espécimen disminuyó con el aumento en la relación de esbeltez.

Curvas carga-deformación axial.

Basado en la Fig. 4, en la Fig. 5 se muestra una curva típica de carga-deformación considerando la influencia de la fluencia. El proceso de trabajo se resume a continuación:

La sección OA es la etapa elástica (una rama lineal ascendente) causada por el efecto de carga a largo plazo al comienzo de la prueba. Puede aparecer como una rama elástico-plástica cuando la relación de carga axial es mayor. La carga correspondiente al punto A es la carga a largo plazo (NL) y la deformación correspondiente es la deformación elástica inicial (εe).

La sección AB indica la etapa de mayor contracción y deformación por fluencia bajo carga a largo plazo. Debido al efecto de la contracción y la fluencia, la deformación axial de la columna CFST aumentó hasta el final de la prueba de carga a largo plazo (punto B en la curva). La carga correspondiente seguía siendo NL. Sin embargo, la deformación correspondiente aumentó a εe + εsh + εcr, donde εsh y εcr son las deformaciones de contracción y fluencia de la columna CFST, respectivamente.

La sección BC es la etapa elástica (o posiblemente etapa elástico-plástica), en la que se probó la muestra hasta su falla después de finalizar la prueba de carga a largo plazo. El punto C corresponde a la carga límite proporcional (Np) del tubo de acero y la deformación del tubo de acero es proporcional a la deformación límite (εp). Aquí, la carga es menor que la carga correspondiente al miembro libre de carga (correspondiente al punto C' en la Fig. 5).

La sección CD es la etapa elástico-plástica. Debido a la carga sostenida aplicada sobre la sección transversal compuesta a largo plazo, la tensión del tubo de acero aumenta con el tiempo, mientras que la del núcleo de hormigón se reduce. La relación de distribución de fuerza axial entre el tubo de acero y el núcleo de hormigón cambia constantemente. Al finalizar la prueba de fluencia, la tensión del tubo de acero fue mayor que la de la muestra sin carga. En consecuencia, la carga aplicada se volvió a cargar sobre las muestras de fluencia después del ensayo de fluencia y se volvió a tensar el núcleo de hormigón. Por lo tanto, la tensión del tubo de acero aumenta constantemente de modo que ingresa a la etapa elástico-plástica por adelantado (es decir, la carga correspondiente al punto C en la Fig. 5 es menor que la del punto C'). A partir de entonces, la relación carga-deformación se desvía gradualmente de la línea recta para formar una curva de transición (etapa elástico-plástica). En comparación con las muestras sin carga, el rango de la etapa elástico-plástica para las muestras de fluencia es mayor (es decir, el rango de la sección CD es mayor que el de la sección C'D', como se muestra en la Fig. 5). El módulo tangente disminuyó continuamente después de que la tensión del tubo de acero entró en la etapa elástico-plástica. A partir de entonces, la fuerza del núcleo de hormigón aumentó con el aumento de la carga. Luego, su relación de Poisson excedió la del tubo de acero (es decir, apareció una fuerza de interacción creciente denominada fuerza de confinamiento entre el tubo de acero y el núcleo de hormigón; ambos estaban en un estado de tensión triaxial (como el espécimen CFT-10– 0,5–0-CR)). Antes de la carga hasta el punto D (es decir, el tubo de acero se cedió, la deformación correspondiente fue εy), apareció una clara línea de deslizamiento de corte oblicua en la superficie exterior del tubo de acero, como se muestra en la Fig. 6.

La sección DE es la etapa de fortalecimiento plástico. Después del punto D, el tubo de acero entró en la etapa completamente plástica, en la que la carga creciente fue asumida por el hormigón central, su deformación lateral aumentó rápidamente y la tensión circunferencial del tubo de acero aumentó (es decir, aumenta la fuerza de confinamiento). Por lo tanto, el núcleo de hormigón fue sometido a presión lateral y mejoró su capacidad portante. La mejora en la capacidad portante del núcleo de hormigón compensa y supera la disminución de la fuerza interna longitudinal del tubo de acero, formando así una sección de refuerzo plástico hasta que el miembro se destruye. En comparación con los miembros libres de carga, debido a la fluencia, el tubo de acero entró en la etapa plástica relativamente temprano, la tensión del núcleo de hormigón estaba relativamente retrasada, el efecto de confinamiento del tubo de acero se retrasó y la carga última del miembro libre de carga. también estaba relativamente rezagado. Además, la carga máxima correspondiente al punto E se define como la capacidad de carga última (o de estabilidad), expresada como Nu, y la deformación correspondiente es la deformación última (εc).

La sección EF es la etapa de descenso de fallas. Para una columna corta (es decir, la muestra CFT-10–0.5–0-CR), cuando la carga llega hasta el punto E, la muestra aparece como un pandeo local y finalmente ocurre una falla por corte. En este momento, con el aumento de la tensión, la carga no aumenta más; sin embargo, aparece una curva descendente. En el caso de columnas de longitud media, la muestra es inestable y presenta flexión longitudinal cuando se destruye, como se muestra en la Fig. 6.

Curvas carga-deformación axial.

Modo de falla para especímenes de prueba parciales.

Las observaciones de los resultados de las pruebas indican que el comportamiento de fluencia disminuye la rigidez de las columnas CFST. Durante los 462 días de carga a largo plazo, la carga aplicada fue invariable pero la deformación de las columnas compuestas aumentó continuamente. Según la ley de Hooke, es decir σ = Eε, cuando la tensión promedio (σ) en la sección transversal compuesta es invariable, la deformación (ε) del tubo de acero aumenta con el tiempo. En consecuencia, se debe disminuir el módulo de Young (E) de la sección transversal compuesta. Por tanto, la capacidad de carga de estabilidad disminuye con la reducción de la rigidez.

La Figura 7 presenta una comparación de las curvas de carga (N)-deformación (ε) de especímenes sujetos a carga a largo plazo (es decir, especímenes para el Grupo I) y los especímenes que estuvieron libres de carga durante las pruebas de carga a largo plazo (es decir, especímenes para el Grupo I) y los especímenes que estuvieron libres de carga durante las pruebas de carga a largo plazo (es decir, , ejemplares del Grupo IV). La relación entre las cargas últimas de aquellas muestras bajo carga a largo plazo y las de las muestras libres de carga se ha representado mediante el parámetro kcr (es decir, el coeficiente de reducción de fluencia) que figura en la Tabla 4. A partir de estos resultados se puede observar que :

En comparación con las muestras sin carga, la rigidez de las muestras después de la prueba de carga a largo plazo es menor y la deformación axial correspondiente a la capacidad de carga de estabilidad es mayor. Por ejemplo, la deformación máxima (εc) del tubo de acero correspondiente a la carga máxima (Nu) de la muestra CFT-40–0-0-SH fue 3858 µɛ, y la de CFT-40–0.5–0-CR ( es decir, después de una prueba de carga a largo plazo) fue 6710 µɛ.

La capacidad de carga de estabilidad de las muestras bajo carga a largo plazo es menor que la de las muestras sin carga. En la Tabla 4, se puede observar que para la muestra con una relación de esbeltez de 10 (es decir, la muestra CFT-10–0.5–0-CR y CFT-10–0-0-SH), la carga máxima de la muestra sometida La carga a largo plazo fue mayor que la muestra que se descargó. Este resultado también fue observado por Yuyin Wang27. Cuanto mayor sea la relación de esbeltez, más obvio será el efecto de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad de las muestras CFST. Con el aumento en la relación de esbeltez, la carga máxima fue menor y el coeficiente de reducción de la fluencia (kcr) se redujo. Además, la carga máxima de la muestra CFT-60–0.5–0-CR fue aproximadamente un 20% menor que la de su muestra de contraste (es decir, la muestra CFT-60–0-0-SH).

Para las muestras sometidas a cargas a largo plazo, la redistribución de tensiones se produjo en la sección de la sección compuesta CFST. Manteniendo la carga a largo plazo como un valor constante, la tensión del tubo de acero aumentó y la del núcleo de hormigón disminuyó durante la prueba de fluencia. Así, en la prueba de compresión, el tubo de acero se acercó al límite elástico antes que la muestra de contraste, mientras que el núcleo de hormigón retrasó la tensión. Tales fenómenos podrían prolongar relativamente el proceso del tubo de acero desde la fluencia hasta la falla (falla por resistencia o falla por inestabilidad).

Comparaciones de curva N-ε entre el Grupo I y IV.

Las curvas de carga (N)-deformación (ε) de las muestras sometidas a carga sostenida (es decir, muestras para el Grupo II) y las muestras que estuvieron libres de carga durante las pruebas a largo plazo (es decir, muestra CFT-30–0- 0-SH) se muestran en la Fig. 8.

Comparaciones de la curva N-ε entre el Grupo II y III.

Todas las muestras colapsaron en un modo de falla por inestabilidad, lo que indica que el tiempo no influyó en el modo de falla. La figura muestra que:

En comparación con la muestra CFT-30–0-0-SH, la deformación axial correspondiente a la carga máxima de la muestra CFST sometida a carga a largo plazo fue mayor. Además, la diferencia aumentó con el aumento de la relación de carga axial (m).

La capacidad de carga de estabilidad de las muestras sometidas a cargas a largo plazo fue menor que la de la muestra sin carga (es decir, la muestra CFT-30-0-0-SH). La carga máxima de las muestras de fluencia con una relación de carga axial (m) de 0,1 a 0,6 se redujo gradualmente. Además, la relación entre la carga máxima de la muestra de fluencia y la de la muestra libre de carga estuvo en el rango de 0,986 a 0,958, lo que apareció como una variación lineal, como se muestra en la Fig. 8 c).

Cuanto mayor sea la relación de carga axial, menor será la carga correspondiente a las etapas elástico-plástica y plástica de la muestra de fluencia CFST. Además, cuanto mayor sea la relación de carga axial, mayor será la deformación del tubo de acero bajo la misma carga y más obvia será la reducción en la pendiente de la etapa elástico-plástica. Para la deformación última correspondiente a la carga máxima de la muestra de fluencia, cuanto mayor sea la relación de carga axial, mayor será el valor.

La deformación de la zona de tracción correspondiente a la sección transversal de la muestra bajo carga sostenida fue mayor que la de la muestra compañera. Esto indica que el efecto de fluencia causado por la carga a largo plazo aumentó y disminuyó la tensión del tubo de acero y la zona de tracción, respectivamente.

La Figura 9 muestra las curvas de carga (N)-deformación (ε) de las muestras del Grupo III (es decir, muestras de fluencia con el parámetro de muestra de relación de excentricidad (e/r)) y las muestras de comparación sin carga. En comparación con la muestra sin carga, la curva carga (N)-deformación (ε) de la muestra de fluencia exhibió un segmento de plataforma de desplazamiento debido a la carga a largo plazo. El modo de falla final de todas las muestras es la falla por inestabilidad. Cuando la muestra de fluencia alcanza la capacidad de carga de estabilidad, la deformación máxima (εc) es obviamente mayor que la de la muestra libre de carga. En comparación con CFT-30–0-0.1-SH, CFT-30–0-0.2-SH y CFT-30–0-0.3-SH, la capacidad de carga estable de CFT-30–0.3–0.1-CR, CFT- 30–0,3–0,2-CR y CFT-30–0,3–0,3-CR disminuyeron un 3,4, 17,8 y 16,7%, respectivamente.

Comparación de curvas de carga-deformación axial entre muestras de excentricidad y de comparación.

Como se muestra en la Fig. 9a, cuando la muestra CFT-30–0-0.1-SH alcanzó su carga máxima de 979 kN, la deformación máxima fue de 7817 με. Además, cuando la muestra CFT-30–0.3–0.1-CR alcanzó su carga máxima de 946 kN, la deformación máxima alcanzó 9351 με. En comparación con la muestra CFT-30–0-0.1-SH, la deformación máxima (εc) de la muestra CFT-30–0.3–0.1-CR cerca del lado de carga aumentó en un 19,6%. Como se muestra en la Fig. 9, cuando la carga a largo plazo no cambió, la excentricidad fue mayor, el efecto de fluencia en el hormigón central cerca del lado de carga fue más pronunciado y la redistribución de las fuerzas internas en la sección fue obvia. Además, la deformación axial del tubo de acero cerca del lado de carga aumentó más rápidamente.

En la ingeniería práctica, la influencia de la carga a largo plazo sobre la estructura CFST es continua; es decir, el aumento y la disminución de las tensiones en los tubos de acero y el núcleo del hormigón causadas por la fluencia, respectivamente, eventualmente afectan su capacidad de carga de estabilidad. Por lo tanto, para simular el estado de tensión real con mayor precisión, se considera la influencia de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad de la columna CFST sin descargar la carga a largo plazo. Además, la falla de carga única se basa directamente en la carga a largo plazo.

Se utilizó el software de elementos finitos ANSYS para establecer el modelo de análisis mecánico de una columna CFST considerando la influencia de la carga a largo plazo. Se calculó todo el proceso de la curva de relación carga-deformación axial de la columna CFST considerando la influencia de la carga a largo plazo. El cálculo se dividió en las siguientes tres etapas:

La primera etapa fue la aplicación de la carga a largo plazo, y las curvas de relación tensión-deformación del tubo de acero y el núcleo de hormigón no incorporaron el efecto de la carga a largo plazo.

La segunda etapa fue la etapa de desarrollo de la deformación por fluencia. Aquí, la carga a largo plazo permaneció sin cambios, la deformación del tubo de acero relleno de concreto aumentó continuamente, la tensión del tubo de acero aumentó gradualmente y la tensión del núcleo de concreto disminuyó gradualmente hasta el final de la deformación por fluencia. Aquí, el incremento de tensión del tubo de acero y la reducción de tensión del núcleo de hormigón se calcularon basándose en la subrutina desarrollada por Chen y Shrestha33.

La tercera etapa fue la etapa de carga continua sin descarga hasta la falla de la columna CFST luego de completar la prueba de fluencia. El núcleo de concreto en esta etapa adoptó la curva de relación tensión-deformación considerando la influencia de la carga a largo plazo, como se muestra en la Fig. 10. Este estudio empleó la relación constitutiva del núcleo de concreto con el confinamiento propuesto por Han30 para analizar la estabilidad. Capacidad de carga de columnas CFST.

Curva de relación constitutiva del hormigón considerando la influencia de la carga a largo plazo.

Como se muestra en la Fig. 10, la deformación multiplicada por [1 + φ(t,t0)] se utilizó para modificar el modelo tensión-deformación del núcleo de hormigón. Se supone que la carga a largo plazo no afecta la resistencia del núcleo de hormigón; más bien, sólo afecta el cambio en su tensión. Esto produjo la relación entre la deformación (εl) sometida a carga a largo plazo y la deformación (ε) sin carga a largo plazo, como se expresa en la ecuación. (1).

donde εl es la deformación del núcleo de hormigón sometido a cargas a largo plazo, ε es la deformación del núcleo de hormigón sin estar sujeto a cargas a largo plazo, φ(t,t0) es el coeficiente de fluencia del núcleo de hormigón y εsh es la deformación por contracción. de hormigón relleno en el tubo de acero.

El elemento de viga (es decir, el método de doble elemento, se establecen el tubo de acero y el núcleo de hormigón, respectivamente) se utilizó para modelar los miembros CFST. El elemento espacial de viga elástico-plástico BEAM188 puede simular vigas y columnas tanto cortas como gruesas y esbeltas. Además, también pueden simular la sección transversal de cualquier forma. En este estudio, se simuló el modelo de elementos finitos de una estructura de tubos de acero rellenos de hormigón utilizando el elemento BEAM188.

Para las muestras CFST probadas, las siguientes secciones presentan una comparación de la predicción de la respuesta de deformación axial de carga con los resultados de la prueba.

Las curvas de carga-deformación axial para las columnas CFST parciales se muestran en la Fig. 11. La capacidad de carga última (Nuc) predicha mediante el análisis de elementos finitos se presenta en la Tabla 1. Las curvas de carga-deformación axial pronosticadas de las muestras de fluencia se obtuvieron de el modelo propuesto. Mientras que, para las muestras compañeras sin carga, se aplicó el modelo constitutivo de plasticidad a corto plazo de Han30 para simular su comportamiento de deformación axial de carga, ya que no estuvieron sujetos a carga a largo plazo.

Comparación entre resultados de ensayo y numéricos de probetas.

Para el coeficiente de fluencia del hormigón central [φ(t,t0)], se utilizó el modelo de fluencia ACI 209R-92 para realizar cálculos con los parámetros experimentales34. Gracias al núcleo de tubo de acero relleno de hormigón, se evitó el intercambio de humedad; Se asumió que la humedad relativa del concreto era del 90% para calcular φ(t,t0).

La Figura 11 y la Tabla 1 muestran que la media y las desviaciones estándar de Nue/Nuc fueron 0,991 y 0,011, respectivamente. Como es evidente, el modelo de elementos finitos puede simular bien el comportamiento mecánico de todo el proceso para la columna CFST considerando el efecto de la carga a largo plazo.

La comparación del patrón de falla entre los resultados de elementos finitos y la prueba se presenta en la Fig. 12. El gráfico de nubes de los resultados de FE indica que el método de elementos finitos propuesto en este estudio es consistente con los fenómenos experimentales. Es adecuado para el análisis paramétrico evaluar el efecto de fluencia sobre la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST. Como se muestra en las Figs. 11 y 12, los patrones de deformación o falla entre la muestra de prueba y los resultados del elemento finito fueron similares. La deformación lateral en la sección de media altura de las muestras CFST aumentó rápidamente antes de que la carga aplicada alcanzara la carga máxima. Además, el pandeo local se produjo en la sección de media altura del tubo de acero, como se muestra en la Fig. 12. Aquí, la muestra experimentó una falla por pandeo y exhibió una flexión longitudinal cuando se destruyó.

Comparación de patrones de falla entre el método de elementos finitos y los resultados de las pruebas.

Según los resultados experimentales, la capacidad de carga de estabilidad de las probetas de fluencia CFST disminuye con el aumento de la esbeltez y las relaciones de carga axial. En este estudio, para simplificar los parámetros durante el análisis de parámetros, la influencia de la relación de carga axial (m) se convirtió en el grado de tensión de fluencia (βcr) considerando la relación de acero y los materiales componentes del concreto35. Se pueden encontrar más detalles en 35. Según la literatura 5, los parámetros necesarios para analizar la capacidad de carga de estabilidad de las muestras sin carga y de fluencia CFST son los siguientes: rango de grado de tensión de fluencia (βcr) de 0,1 a 0,7, relación de esbeltez (λ ) rango de 10 a 160, rango de relación de excentricidad (e/r) de 0 a 1, rango de grados de resistencia del concreto de C30 a C60 y tres aceros con bajo contenido de carbono de uso común: Q235, Q345 y Q390. Se calcularon un total de 252 componentes para analizar el coeficiente de influencia kcr (\(k_{{{\text{cr}}}} = N_{{{\text{max}}}}^{{\text{c}} } /N\), donde \(N_{\max }^{c}\) es la capacidad de carga última de los miembros CFST sujetos a carga a largo plazo y N es la capacidad de carga última de los miembros CFST sin carga).

La Figura 13 muestra la relación entre λ, βcr y kcr. Los efectos de fluencia disminuyen la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST. Como es evidente, kcr disminuye con el aumento de λ y βcr cuando λ es menor que 100; kcr se aplana gradualmente con el aumento de λ y tiene tendencia a aumentar. La razón principal de este fenómeno es que en caso de una pequeña relación de esbeltez del miembro CFST, la sección media del tramo se encuentra fundamentalmente en el estado de compresión de la sección completa. El incremento de tensión del tubo de acero causado por la carga a largo plazo hace que el miembro entre en la etapa plástica por adelantado, lo que afecta la capacidad de carga de estabilidad del miembro. Sin embargo, cuando la relación de esbeltez es relativamente grande, el problema de estabilidad del componente en sí es más prominente. Además, la influencia de la carga a largo plazo sobre su capacidad de carga estable disminuye. Por tanto, el efecto de βcr sobre kcr indicó que kcr disminuyó linealmente con la disminución de βcr.

Relación entre λ, βcr, e/r y kcr.

Según las estadísticas presentadas en la literatura 34, el βcr máximo de un puente de arco de tubo de acero relleno de concreto es 0,29 y su valor correspondiente de kcr es 0,812, como se muestra en la Fig. 13. Por lo tanto, la capacidad de carga de estabilidad de los miembros CFST disminuyó en aproximadamente el 20% después de una carga prolongada, lo que no se puede ignorar. Por lo tanto, se sugiere que los diseñadores de puentes consideren la reducción de la capacidad de carga causada por la carga a largo plazo al realizar los cálculos.

La Figura 13 muestra que, con el aumento en la relación de excentricidad de retención de carga (e/r), el coeficiente de influencia de la fluencia (kcr) mostró una tendencia creciente; es decir, se reduce la influencia de la carga a largo plazo sobre la estabilidad y la capacidad de carga. Cuando e/r alcanzó 0,6, kcr se estabilizó gradualmente. Cuando la relación de esbeltez (λ) era 30, kcr era aproximadamente estable en 0,94. Para una relación de esbeltez (λ) de 70, kcr fue aproximadamente estable en 0,89. Mientras que, para una relación de esbeltez (λ) de 120, kcr se mantuvo aproximadamente estable en 0,86.

Como se muestra en la Fig. 13, el coeficiente de influencia de la fluencia (kcr) se vio afectado por el cambio en la relación de esbeltez (λ), el grado de tensión de fluencia (βcr) y la relación de excentricidad (e/r). Por lo tanto, basándose en el análisis de parámetros y los datos probados, para construir una función de dos etapas con una relación de esbeltez (λ) de 40 como límite, la relación entre kcr y el grado de tensión de fluencia (βcr) se obtuvo como lineal, que se expresa como primer término en la ecuación. (2). Sin embargo, con el aumento del índice de esbeltez, su influencia también se intensificó. El segundo término de la ecuación. (2) indica la influencia de la relación de esbeltez (λ) y el grado de tensión de fluencia (βcr). Además, el tercer término de la ecuación. (2) indica el efecto de la relación de esbeltez (λ) y la relación de excentricidad (e/r). Mediante el ajuste de regresión de los resultados del cálculo de elementos finitos de los 252 componentes, el coeficiente de influencia de la fluencia (kcr) considerando la influencia de la carga a largo plazo se expresa como la ecuación. (2) :

donde a1 = 0,84 βcr + 0,05, a2 = -1,93βcr-0,1, a3 = 0,87βcr + 1,04, λ0 = λ/100, λ = 10 ~ 160, c = (1 + e/r)-2, y βcr es el grado de tensión de fluencia con un rango de 0,1 a 0,7.

Se compiló una base de datos experimental para evaluar la ecuación. (2). La base de datos incluyó 49 datos de prueba de otro estudio y la prueba de este estudio, como se resume en la Tabla 5. La Tabla 5 presenta la relación de acero de las muestras de prueba, la relación de excentricidad (e/r), la relación de esbeltez (λ), la carga máxima medida. (Nue) y carga máxima prevista (Nuct) obtenida utilizando la ecuación. (2) (donde kcr se predice usando la ecuación (2)). La mantisa del componente número "e" y "a" en la referencia 24 en la Tabla 5 representa los miembros de compresión excéntrica y de compresión axial, respectivamente. El valor de Nuct se obtuvo mediante la fórmula Nuct = ψe·ψ·kcr·N0; donde ψe es el coeficiente de influencia excéntrica, ψ es el coeficiente de estabilidad de la relación de esbeltez, kcr es el coeficiente de influencia de la fluencia y N0 es la resistencia a la compresión axial de diseño predicha a partir de la norma nacional GB 50,923–201331. La Tabla 5 también resume la relación entre la carga máxima medida (Nue) y la carga máxima prevista (Nuct). Como es evidente, la relación media entre la carga máxima medida y la prevista fue de 1,036. La varianza correspondiente fue 0,175. Además, el Nuct se calcula utilizando la ecuación. (2) exhibió una buena calidad de predicción media y una alta coincidencia.

A través del análisis comparativo anterior, es evidente que la fórmula para calcular el coeficiente de influencia de la fluencia de la columna CFST propuesta en este estudio puede reflejar mejor la influencia de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga estable de la columna CFST. Además, la fórmula puede servir como referencia para el cálculo del diseño de la estructura CFST.

Después de 462 días de prueba de carga a largo plazo, se realizó una prueba de capacidad de carga estable para las muestras CFST sometidas a carga a largo plazo, así como para las muestras de comparación que estaban libres de carga. Se analizó la curva carga (N)-deformación axial (ε) de todo el proceso y la influencia de tres parámetros: relación de esbeltez (λ), relación de carga axial (m) y relación de excentricidad (e/r) en la estabilidad. Se analizó la capacidad de carga de la muestra CFST después de una subyugación de carga a largo plazo. Se comparó y analizó el algoritmo del coeficiente de reducción de fluencia (kcr) de la capacidad de carga estable de la columna CFST considerando el efecto de la carga a largo plazo, y se recopilaron los datos de 49 muestras de prueba para realizar evaluaciones. En consecuencia, se propuso un algoritmo práctico. Basándose en las comparaciones con los datos medidos, se sacaron las siguientes conclusiones:

Los resultados mostraron que la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST puede disminuir hasta aproximadamente un 20% después de 462 días de carga sostenida. El patrón de falla de todas las muestras de fluencia fue similar al de las muestras sin carga. Cuanto mayor sea la relación de esbeltez, más obvio será el efecto de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad de las muestras CFST. Con el aumento de la relación de esbeltez, la carga máxima se hizo menor y el coeficiente de reducción de la fluencia se redujo. Para las muestras con un parámetro de relación de carga axial, la relación entre la carga máxima de la muestra de fluencia y la de la muestra libre de carga estuvo en el rango de 0,986 a 0,958 y apareció como una variación lineal. Con el aumento de la excentricidad, la tensión axial del tubo de acero cerca del lado de carga aumentó más rápido y la capacidad de carga de estabilidad se redujo.

En comparación con la columna CFST sin carga, la carga correspondiente disminuyó cuando el tubo de acero entró en las fases elástico-plástica y plástica después de la acción de una carga a largo plazo. Por el contrario, la deformación correspondiente aumentó cuando el miembro alcanzó la carga máxima. Además, con el aumento de la relación de esbeltez (λ) y la relación de carga axial (m), la influencia de la carga a largo plazo sobre la capacidad portante estable de la columna CFST fue mayor, siendo la influencia de la primera mayor que la del último.

Con base en los datos experimentales, en este estudio se propuso la fórmula para calcular el coeficiente de reducción (kcr) de la capacidad de carga estable de una columna CFST considerando el efecto de la carga a largo plazo. Los parámetros que influyen se simplificaron en relación de esbeltez λ, tensión de fluencia βcr y relación de excentricidad e/r, lo que simplificó enormemente la carga de trabajo de cálculo. El modelo de elementos finitos establecido simuló bien el comportamiento mecánico de las columnas CFST bajo cargas a largo plazo, y los resultados del análisis de elementos finitos fueron verificados por los resultados experimentales. Los resultados del análisis de parámetros mostraron que cuando λ era inferior a 100, kcr disminuía con el aumento tanto de λ como de βcr. Además, kcr tendió gradualmente a mantenerse estable con el aumento de λ y mostró una tendencia creciente cuando λ era mayor que 100. Por el contrario, kcr disminuyó linealmente con el aumento de βcr. Además, con el aumento de e/r, kcr volvió a mostrar una tendencia creciente; es decir, la influencia de la carga a largo plazo sobre la capacidad de carga de estabilidad se hizo menor.

Los resultados y sugerencias de este estudio se basaron en las condiciones del laboratorio y la cantidad de muestras y la base de datos fueron limitadas. Además, en futuras investigaciones se considerarán parámetros experimentales adicionales, como la calidad del hormigón, la edad del hormigón y la relación del acero, porque todos estos factores pueden afectar la capacidad de carga de estabilidad de las columnas CFST sometidas a una carga a largo plazo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a la privacidad de las personas que participaron en el estudio, pero están disponibles a través del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Esta investigación fue financiada por el Proyecto Juvenil del Fondo Natural Provincial de Fujian (número de subvención 2020J05208, 2021J05239 y 2020J05207), el Proyecto General del Fondo Natural Provincial de Fujian (número de subvención 2020J01910), el Centro de Investigación de Ingeniería de la Universidad de Fujian para la prevención y mitigación de desastres de la Ingeniería Costera del Sudeste. Estructuras, China (número de subvención JDGC03) y plataforma de prueba de rendimiento de fatiga de un puente con estructura de acero en la costa sureste (número de subvención 2021ZP03).

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Lin humeante

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XL, HG y JZ concibieron los experimentos, ZC, ZY y FL realizaron los experimentos, XL y JZ analizaron los resultados. XL, HG y ZY escribieron el texto y las figuras principales del manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Xiuying Lai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Recibido: 28 de abril de 2023

Aceptado: 23 de junio de 2023

Publicado: 27 de junio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37596-x

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