Experimental investigations of concrete filled battened steel columns of different slenderness

• Autorzy: Siennicki M.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ace-2019-0043

Warianty tytułu

PL

Badania doświadczalne złożonych słupów stalowych o różnej smukłości wypełnionych betonem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study investigates the axial load behaviour of concrete filled battened steel columns not covered by the design standards. A series of full scale tests on two I-sections connected together with intermediate batten plates and filled with concrete were carried out. The main parameters varied in the tests are length of the members and strength of the concrete filling. One bare steel member was also tested and results were compared with those filled with concrete. The tests results were illustrated by load-strain curves. The main objectives of these tests were twofold: first, to describe behaviour of new steel-concrete columns and second, to analyze the influence of slenderness on load-carrying capacity.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych złożonych słupów stalowych łączonych przewiązkami, wypełnionych betonem. Elementy badawcze poddawane były ściskaniu osiowemu w prasie hydraulicznej, z założonym przyrostem. Parametrami stałymi w badaniach był rodzaj kształtowników stalowych IPE80, rozstaw gałęzi i wielkość przewiązek. Zróżnicowana była długość słupów 1.5m, 2.5m oraz 3.0m a także klasa betonu wypełniającego. Jeden z elementów dla celów porównawczych pozostał nie wypełniony betonem. W trakcie badań dokonywano pomiarów odkształceń części stalowej słupa i betonu wypełniającego w wybranych przekrojach, rejestracji skrócenia oraz wygięcia słupów, a także makroskopowej oceny zachowania się elementów pod wpływem rosnącego obciążenia oraz pomiaru maksymalnej siły obciążającej. Zaobserwowano trzy główne postaci zniszczenia słupów, polegające na pękaniu i miażdżeniu betonu, z jednoczesnych lokalnym wyboczeniem profili stalowych w przypadku słupów o długości 1.5m i 2.0m oraz wyboczeniu globalnym słupów o długości 3.0m. Dokonano analizy odkształceń stali i betonu, stwierdzając ich współpracę w przenoszeniu obciążenia, analogicznie do słupów zespolonych. Pomierzone wartości odkształceń stali wykazały osiągnięcie granicy plastyczności. Natomiast odkształcenia betonu między przewiązkami przekroczyły wartości odkształceń granicznych odpowiadające maksymalnym naprężeniom. Zatem można wyciągnąć wniosek, że wytrzymałość betonu wzrosła z powodu ograniczenia odkształceń przez profile stalowe. Wydaje się, że w przypadku obliczeń nośności plastycznej przekrojów zbliżonych do badanych, zgodnie z Eurokodem 4, współczynnik redukcyjny wytrzymałości betonu można zwiększyć powyżej wartości 0.85. Wypełnienie betonem spowodowało wzrost nośności słupa stalowego o długości 2.0m o ok. 111%. Stwierdzono także, że w badanych słupach dwugałęziowych wypełnionych betonem, wpływ smukłości ma znacząco mniejszy wpływ na zmniejszenie nośności niż w słupach stalowych - dla elementów o długości 2.0m o około 43%. Uzyskane rezultaty badań potwierdzają praktyczny aspekt stosowania tego typu przekrojów w słupach o dużej nośności oraz przemawiają za prowadzeniem badań w kierunku ustalenia czy można traktować je, a w rezultacie obliczać, jako zespolone.

Słowa kluczowe

EN

steel column; battened column; concrete filled section; experiment; axial strength; behaviour

PL

słup stalowy; słup złożony; przewiązka; przekrój wypełniony betonem; eksperyment; nośność na ściskanie; zachowanie

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 65, nr 4
• Strony: 3--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Siennicki M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. T. Chicoine, R. Tremblay, B. Massicotte, J.M. Ricles, L-W Lu, “Behavior and strength of partially encased composite columns with built-up shapes”, Journal of Structural Engineering, March, pp 279-288, 2002.
• 2. T. Chicoine, R. Tremblay, B. Massicotte, “Long term behavior and strength of partially encased composite columns made with built-up steel shapes”, Journal of Structural Engineering, February, pp 141-150, 2003.
• 3. O. Faber, “More rational design of cased stanchions”, The Structural Engineer 34: 88-109, 1956.
• 4. A. Fam, F. Qie, S. Rizkalla, “Concrete-filled steel tubes subjected to axial compression and lateral cyclic Loads”, J.Struct. Eng. ASCE 130: 631-640, 2004
• 5. P. Hofmann, Tragfahigkeit zweiteiliger Stahlstutzen mit betonfullung, Composite structures, 1st Scientific Conference, Zielona Góra, Poland, pp 49-55, 1986.
• 6. Y.M. Hunaiti, “Bond strength in battened composite columns”, Journal of Structural Engineering, vol. 117, No.3: 699-714, 1991.
• 7. Y.M. Hunaiti, B.A. Fattah, “Design consideration of partially encased composite columns”, Proceeding Institutional Civil Engineers Structures and Buildings, February, pp 75-82, 1994.
• 8. R. Jones, A.A. Rizk, “An investigation on the behavior of encased steel columns under load”, The Structural Engineer, 41, January, pp 21-33, 1963.
• 9. A.E. Kilpatrick, B.V. Rangan, “Influence of interfacial shear transfer on behavior of concrete-filled steel tubular columns”, ACI Struct. J. 96: 642-648, 1999.
• 10. K. Klöppel, „Berechnungsvorschlag für Stahlstützen mit Betonkern auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen“, Zentralblatt der Bauverwaltung 55: 536-541, 1935.
• 11. R. Mehrabani, N.E. Shanmugam, “Finite element analysis of the behaviour and ultimate strength of battened columns encased in concrete”, The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering Vol.7, No. 4: 263-280, 2014, Taylor & Francis, http://dx.doi.org/10.1080/19373260.2014. 950183.
• 12. K. Memmler, G. Bierett, G. Grüning, „Tragfähigkeit von Stahlstützen mit Betonkern bei verschiedenen Betoneigenschaften Und bei auBermittigen Druck“, Der Stahlbau, Beilage zur Zeitschrift, Die Bautechnik, Heft 7, Berlin, pp 49-53, 1934.
• 13. R. Montuori, V. Piluso, “Reinforced concrete columns strengthened with angels and battens subjected to eccentric load”, Engineering Structures 31: 539-550, 2009.
• 14. H. Shakir-Khalil, Y.M. Hunaiti, “Behaviour of battened composite columns”, Conference of Applied Solid Mechanics, University of Strathclyde , Glasgow, U.K., pp 415-433, 1985.
• 15. H. Shakir-Khalil, Y.M. Hunaiti, “Battened composite columns”, IABSE – ECCC Symposium, Steel in Buildings, Luxembourg, pp 325-333, 1985.
• 16. C.N. Srinivasan, Discussion of “Bond strength in battened composite columns” by Y.M. Hunaiti [12] Journal of Structural Engineering, 117 (3): 1153-1156, 1991.
• 17. C.N. Srinivasan, “Behaviour of concrete in-filled tubular columns”, IABSE – ECCC Symposium, Steel in Buildings, Luxembourg, 1985.
• 18. R.F. Stevens, “Encased stanchions”, The Structural Engineer, 43, February: 59-66, 1965.
• 19. R.F. Stevens, “Encased stanchions and BS 449”, Engineering 188: 376-377, 1956 R.F. Stevens, “Encased stanchions and BS 449”, Engineering 188: 376-377, 1956.
• 20. E. Szmigiera, W. Żółtowski, M. Siennicki, “Research on load capacity of concrete filled columns with battened steel sections”, Journal of Civil Engineering and Management 16 (3): 313-319, 2010.
• 21. R. Taylor, H. Shakir-Khalil, K.M. Yee, “Some tests on a new type of composite column”, Proc. Instn. Civ. Engrs, Part 2, 75: 283-296, 1983.
• 22. R. Venugopal, N. Shanmugan, J.R. Liew, “Built-up columns encased in concrete”, Proceedings of the International Conference on Advances in Structures ASSCCA’03, June, pp 759-764, 2003.
• 23. K.S. Virdi, P.J. Dowling, “Bond strength in concrete filled steel tubes”, Proceedings, IABSE, August, pp 125-139, 1980.
• 24. AISC-LRFD Load and resistance factor design specification for structural steel buildings, American Institution of Steel Construction, Chicago, 1993.
• 25. EN 1994-1-1, Eurocode 4: Design of composite steel and concrete Structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2009.
• 26. EN 206-1:2000, Concrete – Part 1: Specification, performance, production and conformity, CEN, 2000.
• 27. M. Siennicki, “The load carrying capacity of axially loaded battened steel columns filled with concrete”, Ph.D. Thesis, Warsaw University of Technology, Poland, 2009 [in Polish].