Numerical and Experimental Study of Partially Concrete-Filled Circular Steel Sections

Abstract

Delvist betonfyldte stålrør undersøges numerisk og eksperimentelt med henblik på at klarlægge deres mekaniske virkemåde. Indledningsvis opstilles en hypotese på baggrund af kendskabet til det betonfyldte stålrør. Det forventes at de dominerende faktorer for den mekaniske virkemåde af det delvist betonfyldte stålrør foruden længden af betonkernen og elementets slankheds forhold (L/D) er forholdet mellem diameteren og godstykkelsen (D/t), materiale styrkerne og kontakt forholdet mellem stål og beton. Denne rapport behandler betonstyrkens kontakt forholdenes indflydelse på 12 delvist beton-fyldte cirkulære stålprofiler belastet i 3-punkts bøjning. 6 prøveemnere udstøbes med højstyrke beton (fc = 115 MPa) og 6 med lavstyrke beton (fc = 7.7 MPa). Halvdelen af stålrørene for disse betonstyrker smøres indvendigt med fedt med henblik på at ophæve bindingen mellem materia-lerne. Et tomt stålrør undersøges eksperimentelt med henblik på at danne reference grundlag dels for resultaterne af den eksperimentelle undersøgelse af de delvist betonfyldte stålrør og dels for kalibreringen af en numerisk model. En materiale model for beton baseret på en plastic-damage model udvikles i Abaqus. Materiale modellen beskrives og et parameterstudie viser, at modellen er mesh-afhængig når viskoplasti-citeten, der er nødvendig for at give et realistisk billede af skaden i materialet, anvendes. Eksperimentelt bestemmes betonens tryk- og trækstyrke for begge beton kvaliteter og elastici-tetsmodulet og Poisson’s forhold for højstyrke betonen. Disse anvendes til kalibrering af materi-ale modellen for beton. En forenklet numerisk model af de tomme stål rør tunes til resultaterne for referenceemnet og anvendes i den numeriske model for det delvist betonfyldte stålrør. Test resultaterne viser at et revnet beton tværsnit ikke giver bidrager til bøjningsstivheden for det delvist beton fyldte stålrør. Betonen resulterer dog i en forøgelse af det lineært elastiske om-råde for det tomme stålrør med 57-112 % afhængigt af beton styrken og kontakt forholdende. Højere betonstyrke og bedre kontakt mellem stål og beton giver den største forlængelse. De numeriske resultater harmonerer indledningsvist med de eksperimentelle men den numeri-ske model undervurder den ultimale bæreevne. Brudmekanismerne afhænger også af beton styrken og kontaktforholdene. Revnevidden i be-tonkernen i stålrørene smurt med fedt er større og antallet af revner er reduceret. Revnerne i betonkernen i lavstyrke betonen er ikke synlige. Stålrøret med højstyke beton udvikler ring buler ved store deformationer, hvor stålrøret med lav styrke beton buler indad hvor lasten påføres som følge af knusning i betonen.

An experimental and numerical study of the partially concrete filled steel tube is conducted in order to investigate their mechanical behaviour. Initially a hypothesis of the mechanical behaviour is developed. It is believed that the main pa-rameters to dominate the mechanical behaviour of the PCFT besides the length of the grout core and the slenderness of the element (L/D)is the diameter- thickness ratio (D/t), the material strength and the bonding between steel and grout. This thesis focus on the influence of the grout strength and the bonding by testing 6 steel tubes partially filled with high strength grout (fc = 115 MPa) and 6 filled with low strength grout (fc = 7.7 MPa) in 3-point bending. Half the test specimens are greased inside in order to remove the bonding between grout and steel. An experimental test is carried out on an empty steel tube as a reference for the setup of a nu-meric model and the results of the experimental testing of the partially concrete filled steel tubes. The Plastic-damage model in Abaqus is chosen as material model for the grout. The material model is described and a sensitivity study shows that the model is mesh-dependent when the viscoplastic regularization is activated. Material testing on the grout determines the compressive and tensile strength. The modulus of elasticity and Poisson’s ration is found for the high strength grout. A simplified numerical model for the steel tube is fitted to the reference tube and the numeric model of the partially concrete filled steel tube is based on this simplified model. The test results shows that the grout extend the linear elastic range of the load-deflection relation for the partially concrete filled steel tubes with 57-112 % depending on the grout strength and the contact relations. The numeric results correspond to the experimental tests initially but underestimate the peak load due to the simplified model of the steel tube. The failure mechanism is depending of the grout strength and the bonding between grout and steel. The cracks in the grout in the greased tubes are wider and the number of cracks reduced. In the low strength grout the crack width is so small that the invisible by the naked eye. The crushing is significant in the low strength grout contrary to the test specimens with high strength grout. The failure in the steel differs due to the crushing in the grout. Outward buckling develops in the steel tubes partially filled with high strength grout and the inward deformation of the steel where the load is applied occurs.

A master thesis from Aalborg University

Numerical and Experimental Study of Partially Concrete-Filled Circular Steel Sections

[Numerisk og eksperimental undersøgelse af delvist beton fyldte cirkulære stålrør]