Fire resistance of composite columns made of concrete filled circular hollow sections and with restrained termal elongation

Abstract

Composite columns made of Concrete Filled Circular Hollow (CFCH) sections or CFCH columns become popular principally in high-rise and industrial buildings as a good solution for fire situation due advantages such as high load-bearing capacity, high seismic resistance; attractive appearance, slenderness, fast construction times and reduced costs. Despite several research studies on fire resistance of CFCH columns, its behaviour in fire is not completely understood. Most of these studies did not consider the restraining to column thermal elongation, important parameter for behaviour of the column on fire when that one is inserted in a structure. This thesis presents the results of a series of forty fire resistance tests on CFCH columns with axial and rotational restraining to thermal elongation. Parameters such as the slenderness of the column, its load level, the stiffness of the surrounding structure, the ratio of steel reinforcement and the degree of concrete filling inside the column, were tested. Circular Hollow Sections (CHS) columns (i.e. steel columns) were tested also for comparison. A three-dimensional nonlinear finite element model developed in ABAQUS (2011) to predict the behaviour in fire of these columns is presented and validated in comparison with the fire tests. The model includes the relevant parameters tested experimentally. The research is complemented with a numerical analysis that includes a range of practical values of load level, diameter of the column and ratio of reinforcement for the columns. Based on this study, simple equations to evaluate the critical time of the CFCH columns are proposed. Finally, a comparison between the research results and the simple methods proposed by EN1994-1-2 (2005) is presented. The thesis shows critical times smaller than the fire resistance suggested in literature for the studied CFCH columns. The stiffness of the surrounding structure does not lead to major changes in the critical times. The numerical model presents results in close agreement with the experimental data. Based on numerical data simplified equations to evaluate the critical time of these columns with restrained thermal elongation were proposed. The tabulated data method may be unsafe and the simple calculation model is conservative to evaluate the fire resistance of CFCH column in the fire. Keywords: fire, column, steel, concrete, resistance, thermal restraining.

As colunas tubulares em aço de secção circular preenchidas por betão (CFCH) tornaram-se populares na indústria da construção civil, especialmente em plantas industriais ou prédios altos, como uma boa solução em situação de incêndio. Isto deve-se a sua alta capacidade de carga, resistência sísmica, elegância, esbeltez, tempos e custos de construção reduzidos. Apesar de vários estudos de investigação sobre a resistência ao fogo de colunas CFCH, o seu comportamento em caso de incêndio ainda não é completamente compreendido. A maioria destes estudos não considera a restrição ao alongamento térmico do pilar, parâmetro importante para seu desempenho ao fogo quando este se encontra inserido em uma estrutura. Este trabalho apresenta os resultados de uma série de quarenta ensaios de resistência ao fogo realizados em colunas CFCH com restrição a rotação e a deformação axial durante o alongamento térmico. Parâmetros como a esbeltez da coluna, seu nível de carga, a rigidez da estrutura circundante, a taxa de armadura e o grau de preenchimento com betão no interior da coluna, foram testados. Colunas tubulares em aço de secção circular (CHS) também foram testadas como referência. Um modelo tridimensional não linear em elementos finitos desenvolvido na ABAQUS (2011) para prever o comportamento do fogo das referidas colunas é apresentado e validado em comparação com os resultados experimentais. Os parâmetros testados experimentalmente mais relevantes para o comportamento ao fogo dos pilares foram considerados no modelo. A pesquisa é complementada com uma análise numérica que abordou diferentes valores de níveis de carga, diâmetros externos e taxa de armadura para as colunas. Baseado nestes resultados equações simples para avaliar o tempo crítico das colunas CFCH foram propostas. Por último, é apresentada uma comparação entre os resultados da pesquisa e os métodos simplificados da EN1994-1-2 (2005). As colunas apresentaram tempos críticos inferiores aos divulgados na literatura. A rigidez da estrutura circundante não influenciou os tempos críticos. O modelo numérico apresentou resultados em conformidade com os experimentos. Baseados nestes resultados foram propostas equações simplificadas para o cálculo do tempo crítico de colunas com restrição ao alongamento térmico e em situação de incêndio. O método tabular pode ser inseguro para alguns casos, já o método simplificado proposto pela referida norma mostrou-se conservativo para avaliar a resistência ao fogo de colunas CFCH em situação de incêndio Palavras-chave: fogo, colunas, aço, betão, resistência, restrição à dilatação.