Estudio numérico y experimental del comportamiento a flexión de vigas parcialmente embebidas sometidas a altas temperaturas

Abstract

[ES] Las vigas parcialmente embebidas (VPE) son elementos estructurales mixtos formados por un perfil de acero recubierto lateralmente con hormigón, desarrollados con el objetivo de mejorar la resistencia a fuego de las vigas de acero. Esta solución aumenta la rigidez a flexión y torsión de las vigas, mejorando, por lo tanto, su resistencia a pandeo lateral. Sin embargo, el Eurocódigo 4 parte 1-2 no plantea la verificación de la resistencia a pandeo lateral de vigas parcialmente embebidas no arriostradas en situación de incendio, ni existen estudios relacionados con la inestabilidad de estos elementos a altas temperaturas.

En este contexto, y con el fin de mejorar el conocimiento del comportamiento de elementos estructurales a altas temperaturas, en esta Tesis se analiza experimental y numéricamente la resistencia a fuego normalizado ISO834 de VPE sometidas a flexión, y la inestabilidad por pandeo lateral (PL) de VPE expuestas a altas temperaturas. Estos estudios evalúan el efecto de distintas variables como la conexión hormigón-perfil, el nivel de temperatura alcanzado, la esbeltez de la viga y el nivel de carga a flexión a que es sometida, empleando en todos los casos un perfil IPE100 de acero S275 recubierto lateralmente de hormigón C20/25 armado con cuatro barras de 8mm de diámetro de acero S500 NR.

Para el análisis numérico se emplea un modelo de elementos finitos generado a través del programa ANSYS, calibrado en base al estudio experimental, con el que se analizan VPE con idéntica geometría y distintas condiciones de carga. El modelo numérico emplea elementos de conexión perfil-hormigón, previamente calibrados a través de ensayos push-out, con de los que se determina la curva de caracterización del contacto. En base a la formulación del Eurocódigo 3 parte 1-2, en esta Tesis define un procedimiento de cálculo de la resistencia a PL de VPE no arriostrasdas sometidas a altas temperaturas. El resultado analítico se evalúa a través del estudio experimental y numérico, obteniéndose un ajuste del lado de la seguridad.

[EN]Partially encased beams (PEB) are composed elements in which the web of the steel section is encased by reinforced concrete, increasing the fire resistance of steel sections. PEB have larger lateral and torsional stiffness and consequently have higher resistance against lateral–torsional buckling (LTB). Nevertheless, Eurocode 4 part 1-2 do not include the verification of LTB of continuous composite beams in fire. This PhD Thesis presents the results of the full scale tests performed on PEB specimens in order to acquire a deeper understanding about its LTB instability when exposed to elevated temperatures and quantifying its bending resistance under standard fire ISO834. The influence of different variables such as steel concrete interaction, temperature level, the beam slenderness and the load applied were analyzed in the tests performed on a IPE 100 steel beam specimen steel grade S275 encased in reinforced concrete C20/25 with four bars 8mm diameter. To analyze the bending resistance of different PEB specimens with same geometry but different load conditions, numerical simulations were performed by means of the Finite Element (FE) software ANSYS. The FE model was adjusted to experimental data, considering the shear bond connection concrete-steel with nonlinear springs. The load–slip curves that characterize the steel concrete interaction were experimentally obtained by a push-out series test. An analytical method was proposed to calculate the lateral torsional buckling resistance moment of PEB laterally unrestrained at high temperature, based on the Eurocode 3 part 1-2 formulation. The analytical results were assessed through experimental tests and numerical simulations, confirming an adjustment on the safe side