Estudio experimental de compresión axial para columna hueca mixta de fibra de acero, alta

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 12409 (2022) Citar este artículo

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Con el fin de estudiar el rendimiento de compresión axial de la columna hueca mixta de fibra de acero, hormigón de áridos ligeros de alta resistencia y ángulo de acero, se realizaron ensayos de compresión axial en cinco columnas huecas mixtas de fibra de acero, hormigón de áridos ligeros de alta resistencia y ángulo de acero. acero con los parámetros de variación de relación hueco (0%, 15%, 16%, 32% y 36%) y la forma de apertura (agujero redondo y agujero cuadrado). Se observaron los fenómenos de falla y las formas de falla de las probetas, se midieron sus curvas tensión-deformación y se estableció la fórmula de capacidad portante axial adecuada para columna hueca compuesta de fibra de acero, concreto de agregado liviano de alta resistencia y ángulo de acero. Las siguientes conclusiones se pueden obtener de los resultados de la prueba: el rendimiento de compresión axial para las columnas huecas compuestas de ángulo de acero está muy influenciado por la relación de huecos y la forma de la abertura. El rendimiento de compresión axial de las columnas huecas compuestas de fibra de acero, hormigón de agregados livianos de alta resistencia y acero angular es casi similar al de las columnas sólidas compuestas cuando la relación de huecos es baja; Cuanto mayor es la relación de vacíos, más grietas hay en la superficie del hormigón, aparecen algunas grietas transversales, la carga máxima disminuye entre un 5% y un 38% y el coeficiente de ductilidad de deformación aumenta gradualmente; El coeficiente de ductilidad de deformación de la columna hueca de orificio redondo es menor que el de la columna hueca de orificio cuadrado. En base a la prueba, se utiliza el software de elementos finitos ABAQUS para simular la columna SCAH. La corrección del modelo se verifica mediante la comparación entre los resultados de la simulación numérica y los resultados de la prueba. Al mismo tiempo, se simulan el nefograma de tensión del hormigón y el acero en diferentes etapas y el nefograma de tensión en el estado de restricción del hormigón. De acuerdo con los resultados de la simulación de elementos finitos, el modelo de Mander se utiliza para calcular la capacidad portante de compresión axial de la columna hueca compuesta de ángulo de acero. Se puede obtener una alta precisión de cálculo y adecuada para la popularización.

Junto con el desarrollo de edificios de gran altura y de gran envergadura, el peso estructural de los edificios es cada vez mayor. La investigación muestra que la reducción del peso propio de los edificios puede reducir en gran medida el impacto de fuertes terremotos en los edificios, la cantidad de materiales y el costo del proyecto, para obtener beneficios económicos ambientales sostenibles y beneficios sociales ambientales1,2. Por un lado, se utilizará el hormigón de altas prestaciones para minimizar el peso propio del edificio. La estructura se puede reducir de manera efectiva mediante la sustitución del hormigón ordinario por hormigón de áridos ligeros de alta resistencia con el mismo grado de resistencia3,4,5. Sin embargo, la fragilidad del hormigón aumenta significativamente junto con el aumento gradual del grado de resistencia del hormigón de áridos ligeros de alta resistencia6. Se puede encontrar que la resistencia al agrietamiento, el consumo de energía de ductilidad y la fragilidad pueden mejorarse de manera efectiva agregando fibra de acero al concreto de agregado liviano7. Por otro lado, es optimizar la forma estructural y cambiar la sección viga columna. Se encuentra que la columna hueca con agujeros en la sección de la columna puede reducir efectivamente el peso propio de la estructura8,9. La columna hueca es ampliamente utilizada en la estructura del edificio y el muelle debido a su pequeño peso propio, gran rigidez anti-flexión y torsión.

En los últimos años, los académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo una serie de investigaciones sobre el rendimiento de compresión axial de la columna hueca a través de los cambios en la relación de hueco y la forma de la sección. Con respecto al cambio de la relación de vacíos, Han et al.10,11 estudiaron el rendimiento de compresión axial de las columnas huecas de hormigón armado y encontraron que la capacidad portante, la ductilidad y la capacidad de deformación de las columnas huecas de hormigón armado eran deficientes. Al-Gasham et al.12 estudiaron el rendimiento de compresión axial de columnas huecas de hormigón autocompactable con una relación de huecos de 0,0 %, 2,3 %, 9,0 % y 20,3 %, y encontraron que la carga última, la rigidez y la tenacidad del hormigón autocompactable las columnas huecas fueron más bajas que las de las columnas sólidas, mientras que la ductilidad fue mayor que la de las columnas sólidas. Con respecto al cambio de forma de la sección de la columna de hormigón armado, Liang et al.13,14 se centraron en la investigación y la investigación del efecto de restricción de columnas macizas de hormigón armado con secciones circulares y cuadradas, columnas huecas de hormigón armado con secciones de círculo exterior e interior. , secciones cuadradas exteriores e interiores bajo carga de compresión axial. Se encontró que el efecto de restricción del refuerzo en columnas sólidas y columnas huecas sobre la deformación del hormigón era diferente en gran medida, y el efecto de restricción del refuerzo en el círculo exterior y el círculo interior, las columnas huecas de hormigón cuadradas exteriores e interiores también eran diferentes, y la diferencia fue causada por el cambio de expansión del hormigón y la distribución de la presión de confinamiento en la sección transversal. En resumen, se pueden obtener las siguientes conclusiones de que el peso propio de la estructura se puede reducir y la ductilidad de la estructura se puede aumentar de manera efectiva a través del aumento de la relación de vacíos, mientras que la capacidad de carga se reduce y el efecto de restricción de la el refuerzo sobre hormigón es diferente debido a los diferentes métodos de apertura.

Además, se puede encontrar a través de la investigación que la columna compuesta de hormigón de acero angular presenta las ventajas de una alta capacidad de carga, buena ductilidad y construcción conveniente15 en comparación con las columnas de hormigón armado en varios tipos de sección, lo que puede mejorar la compresión axial. comportamiento de columnas huecas de hormigón armado. Hwang et al.16 estudiaron el rendimiento de compresión axial de la columna compuesta de acero en ángulo incorporada y encontraron que la capacidad de carga axial y la capacidad de deformación de la columna de prueba eran buenas, y se formaron suficientes restricciones laterales en el concreto en el área del núcleo a través de el ángulo de acero y estribos soldados. Kim et al.17 estudiaron la capacidad de carga de la columna de hormigón de alta resistencia y acero angular integrado y encontraron que cuando la contribución y la eficiencia de restricción del acero eran altas, la columna de hormigón de alta resistencia y acero angular integrado aún estaba equipada. con una gran capacidad de carga después de que se despegó la capa protectora porque la resistencia del concreto en el área del núcleo permaneció sin cambios después de que cedió el ángulo de acero. Sobre la base, el documento tiene como objetivo lograr una mayor capacidad de carga última, rendimiento de deformación y mejor ductilidad de la columna hueca compuesta de fibra de acero, concreto agregado liviano de alta resistencia y acero angular con el propósito de reducir el peso propio de la estructura y mejorar el rendimiento de la columna hueca de hormigón armado reemplazando el hormigón ordinario con fibra de acero y hormigón ligero de alta resistencia, y sustituyendo el refuerzo longitudinal y el estribo con ángulo de acero y placa de listón, respectivamente.

Cemento P·O 42.5. La aplicabilidad se puede ver en la Tabla 1.

Cenizas volantes de grado I, la pérdida por ignición es del 0,6 %, el contenido de agua es del 0,52 %, la relación de demanda de agua es del 95 %.

Polvo de microsílice, la pérdida por ignición es del 3,7%, el contenido de SiO2 es del 97,1%, el contenido de agua es del 0,5%, la relación de demanda de agua es del 120%.

Arena de río, la granulometría es arena media zona II y el módulo de finura es 2,7.

Ceramsita de esquisto de piedra triturada, el tamaño de partícula es de 5 a 10 mm, la densidad aparente es de 1015 kg/m3, la resistencia a la presión del cilindro es de 17,7 MPa y la absorción de agua en 1 h es del 8,1 %, como se muestra en la Fig. 1.

Agregado grueso.

Ángulo de acero grado Q235 y acero plano. Las propiedades materiales del acero se prueban de acuerdo con la norma ASTM E-8. Los parámetros de rendimiento se pueden ver en la Tabla 2.

Fibra de acero tipo gancho final, la longitud es de 13 mm, la resistencia a la tracción es de 1070 MPa y el módulo elástico es de 2 × 105 MPa, como se muestra en la Fig. 2.

Fibra de acero.

Agente reductor de agua de alta eficiencia de naftaleno B2, la tasa de reducción de agua es del 19%.

Se encuentra que el concreto de agregado liviano de alta resistencia tiene buenos beneficios estructurales18, por lo que es ampliamente utilizado en proyectos prácticos, mientras que existen algunos estudios relevantes sobre la aplicación de columnas de concreto reforzado con acero19. Por lo tanto, el concreto agregado liviano de alta resistencia con grado de resistencia LC60 se usa para la prueba en el documento, y la relación de mezcla se puede mostrar en la Tabla 3. La capacidad de carga de compresión axial del espécimen se ve ligeramente influenciada al agregar fibra de acero. en concreto de agregados livianos de alta resistencia con una distribución aleatoria tridimensional20, que puede mejorar efectivamente el desempeño general de la columna de prueba y reducir el grado de desconchado de la capa protectora de concreto. Teniendo en cuenta la trabajabilidad del hormigón, la fibra de acero a 39 kg/m3 se añade al hormigón ligero de alta resistencia en el papel.

Los resultados de la investigación de Ji et al.21 muestran que la relación de huecos influye en gran medida en el rendimiento mecánico de las columnas huecas. En la aplicación práctica, el control de la proporción de huecos dentro del 36 % puede garantizar la seguridad de los miembros. Los resultados de la investigación de Al-Gasham et al.22 muestran que la relación de vacíos de las columnas huecas de hormigón autocompactante cuadradas exteriores y circulares interiores aumenta de 0 a 25,8%, la resistencia y la rigidez de las columnas de prueba disminuyen, mientras que la ductilidad aumenta ligeramente. Los resultados de la investigación de Al-Ajarmeh et al.23,24,25 muestran que la resistencia y la ductilidad de las columnas huecas de hormigón armado con PRFV son más altas que las de las columnas huecas de hormigón armado. Cuando se adopta un diseño de parámetros adecuado, la capacidad portante de las columnas huecas de hormigón armado de GFRP es mayor que la de las columnas sólidas de hormigón armado de GFRP. Teniendo en cuenta que la relación de huecos más pequeña tiene un ligero efecto en la reducción de peso de las columnas huecas, la dificultad de construcción aumenta, la capacidad de carga y la ductilidad de las columnas huecas se reducen considerablemente con la relación de huecos más grande, la relación de huecos en esta prueba se toma como 0 , 15%, 16%, 32% y 36%.

Se han realizado cinco muestras de columna SCAH. La dimensión de la sección transversal de la columna es de 250 × 250 mm, el diámetro hueco del orificio redondo es de 110 mm y 160 mm respectivamente, la longitud del lado hueco del orificio cuadrado es de 100 mm y 150 mm respectivamente, y el espesor de la capa protectora es 20 mm. El ángulo de acero adopta acero Q235 con una longitud lateral de 30 mm y un espesor de 4 mm; El listón está hecho de acero plano Q235 con un espesor de 6 mm, un espaciado de 150 mm y una altura de 750 mm. La sección transversal se muestra en la Fig. 3 y los parámetros específicos se muestran en la Tabla 4. (En el número de muestra, S representa fibra de acero, C representa hormigón, A representa columna de hormigón de acero en ángulo y la figura seguida es el número) .

Sección transversal de la columna de prueba (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/).

La máquina de prueba hidráulica de 5000 kN se utiliza para la prueba de carga. De acuerdo con el Estándar de Método de Prueba de Estructura de Concreto (GB/T50152-201226), en la prueba se utiliza el método de control de fuerza para cargar paso a paso. Al comienzo de la carga, la carga de cada nivel es 1/10 de la Pu estimada (Pu representa la carga máxima) y la carga se mantiene durante 2 min; Cuando la carga alcanza los 0,8 Pu estimados, la carga de cada nivel es 1/20 del Pu estimado y la carga se mantiene durante 2 min; Cuando la sección de caída de carga está cerca de 0.6Pu, se carga de forma continua y lenta hasta que la muestra finalmente se daña y se detiene la carga. La Figura 4 muestra la disposición del dispositivo de carga, el medidor de desplazamiento y la galga extensiométrica de hormigón en la superficie de la pieza de prueba, y la Fig. 5 muestra la disposición del ángulo de acero y la galga extensiométrica de placa de listón.

Dispositivo de carga (Sketch up 2019 https://www.sketchup.com/).

Disposición de las galgas extensométricas de acero (Rivet 2018 http://www.chinarevit.com/).

En la etapa inicial de carga, la muestra se encuentra en la etapa elástica, el hormigón se comprime longitudinalmente sin grietas evidentes en su superficie exterior. Cuando la carga alcanza alrededor de 0,3 Pu–0,6 Pu de la carga máxima, comienzan a aparecer algunas grietas verticales estrechas y cortas al final del cilindro; Con el aumento gradual de la resistencia de la carga, el número de grietas longitudinales también aumenta, mientras que las grietas se extienden lentamente hacia la mitad de la muestra y el ancho y la profundidad de las grietas aumentan gradualmente bajo la restricción y obstrucción de la placa de listón; La carga alcanza alrededor de 0,6 Pu-0,8 Pu de la carga máxima, y ​​el sonido crepitante y el fenómeno de explosión de la piel aparecen sucesivamente en la superficie de la columna; Después de que la carga alcanza la carga máxima, las grietas longitudinales y transversales emergen rápidamente en la superficie de la columna a una velocidad visible a simple vista; la carga continúa. Cuando la carga se reduce a 0,6 Pu de la carga máxima, el ángulo de acero de todos los especímenes se pandea obviamente, algunas placas de listón sobresalen y el concreto se aplasta y daña en diferentes grados. En la esquina de la parte inferior de la columna, algunos hormigones se trituran y se despegan, y se detiene la carga. El modo de falla típico de los especímenes se muestra en la Fig. 6, lo siguiente se puede obtener de la figura: (1) Se encuentra que el concreto de los especímenes de orificio redondo en 1/3 o 2/3 de la columna está seriamente dañado. con un ancho de grieta transversal grande y la separación del ángulo de acero y el concreto al comparar los fenómenos de falla de las muestras de orificio redondo y cuadrado, no hay pelado debido al efecto de puente de la fibra de acero interna, y el fenómeno de falla dentro del orificio redondo es no es obvio; El espécimen con orificio cuadrado tiene grietas de separación longitudinales inclinadas obvias en la parte inferior de la columna, parte del concreto en la parte inferior está aplastado y despegado, y el rastro de daños en la parte inferior y la esquina dentro del orificio cuadrado es evidente. La razón de este fenómeno es que el efecto de arco se forma en la pared interna del orificio circular, lo que hace que la tensión general en la pared del orificio circular sea más uniforme y soporta el hormigón. La concentración de tensiones en los bordes y las esquinas de la columna de orificios cuadrados es evidente, lo que se debe a la tensión desigual en la pared interior de la columna de orificios cuadrados.

Modos de falla típicos de las muestras (Adobe Photoshop 2020 https://www.adobe.com/products/photoshop.html).

Con el aumento del coeficiente de relación de huecos de la columna hueca, el grado de daño de la superficie exterior de la columna hueca con orificio circular se debilita y la sección dañada se reduce de 2/3 a 1/3. Esto se debe a que el espesor de la pared disminuye gradualmente junto con el aumento de la relación de huecos. En la última etapa de carga, la distribución de esfuerzos de la sección es desigual y la deformación transversal en el medio de los cuatro lados de la columna hueca es gradualmente mayor que la deformación en la esquina. La expansión transversal del hormigón se vuelve más y más evidente con el aumento de la carga, se amplifica la falta de uniformidad de toda la fuerza de la columna hueca, lo que resulta en la destrucción de la sección cerca del extremo de carga; La forma de apertura es una columna hueca con orificios cuadrados, y el fenómeno de daño es básicamente el mismo que el grado de daño.

La restricción al final de la columna hueca es muy pequeña, por lo que el daño al final del hormigón es relativamente grave. De acuerdo con el nefograma de tensiones simulado por elementos finitos, la tensión al final del concreto está más concentrada, se puede ver que el número y ancho de grietas al final de la muestra aumentan, y continúan extendiéndose hasta la mitad de la muestra. muestra. Sin embargo, la restricción final de la columna de concreto sólido está bien y los especímenes se destruyen principalmente en el medio.

La curva carga-deformación del espécimen se muestra en la Fig. 7. En la figura se puede ver que la relación lineal se muestra entre ellos en la etapa inicial de la acción de la carga, y la deformación del espécimen aumenta con el aumento de la carga. . En este momento, el espécimen se encuentra en la etapa elástica. Con el aumento continuo de la carga, la pendiente de la curva de deformación de la carga de la muestra comienza a disminuir y la tasa de aumento de la deformación es gradualmente mayor que la de la carga. En este momento, la deformación plástica se produce en el hormigón y el acero en diferentes grados hasta que se alcanza la carga máxima. En comparación con 5 (a) y 5 (b) en la figura anterior, se puede ver que el rendimiento y la carga máxima de la muestra se reducen significativamente junto con el aumento de la relación de vacíos; Para las muestras con una relación de vacíos pequeña (como SCAH-2 y SCAH-4), la columna hueca con orificio redondo y cuadrado es similar a la columna sólida en la sección ascendente de la curva, y la carga máxima de la columna hueca con agujero cuadrado está más cerca de la columna sólida; En la sección descendente de la curva, los especímenes de columnas huecas con agujeros cuadrados son similares a los de columnas macizas. La sección descendente de la curva es suave y la capacidad de carga disminuye lentamente, y se muestra la ductilidad favorable. La ductilidad de las columnas huecas con agujeros cuadrados es ligeramente mejor que la de las columnas macizas; La sección descendente de la curva del espécimen de orificio redondo es empinada, la capacidad de carga disminuye rápidamente y se muestra la mala ductilidad. Para las muestras con una gran proporción de vacíos (como SCAH-3 y SCAH-5), el rendimiento y la carga máxima de las muestras se reducen significativamente. La carga máxima de las muestras con orificios redondos es mayor que la de las muestras con orificios cuadrados, y el rendimiento final de deformación de las muestras con orificios cuadrados es significativamente mejor que el de las muestras con orificios redondos. La comparación de curvas muestra que la capacidad de resistir la deformación plástica de las columnas huecas con agujeros cuadrados es mejor que la de las columnas huecas con agujeros circulares; En condiciones de relación de vacíos pequeña, incluso la carga de fluencia de la columna hueca de hormigón SCAH-4 es mayor que la de la columna sólida de hormigón SCAH-1, lo que indica que la relación de vacíos pequeña no tendrá un impacto demasiado adverso en la capacidad de carga de compresión axial de columna hueca. Los resultados de la prueba se muestran en la Tabla 5.

Curvas carga axial-deformación longitudinal de todos los especímenes (origen 2019b https://www.originlab.com/).

La curva de deformación longitudinal del acero del ángulo de carga (P-ε) del espécimen se puede mostrar en la Fig. 8. En la figura se puede ver que el acero del ángulo de cada espécimen ha alcanzado la fluencia (deformación elástica) en la sección ascendente de la carga. ε Y es 2.037 × 10–3). Antes de que el acero del ángulo longitudinal alcance la tensión de fluencia, la tensión del acero del ángulo longitudinal aumenta gradualmente con el aumento de la relación de vacíos bajo la misma carga. Debido al efecto de esquina obvio de la pared interna de la columna hueca con orificio cuadrado, la rigidez longitudinal de la columna hueca de concreto agregado liviano de alta resistencia se debilita, de modo que la tensión de acero del ángulo longitudinal de la columna hueca con orificio cuadrado es mayor que el de la columna hueca de agujero redondo con la misma tasa hueca.

Curvas típicas de carga-deformación axial (origen 2019b https://www.originlab.com/).

Las curvas de deformación transversal y longitudinal carga-concreto del espécimen (el lado izquierdo de la coordenada es la deformación longitudinal del concreto y el lado derecho es la deformación transversal del concreto) se pueden mostrar en la Fig. 9. Se puede ver de la figura que el desarrollo de la deformación transversal de la columna sólida es más suficiente que el de la columna hueca, y la forma de apertura tiene poco efecto en el desarrollo de la deformación del espécimen; Antes de que se alcance la carga máxima, el desarrollo de la deformación transversal de las columnas huecas bajo diferentes relaciones de vacío es básicamente el mismo, mientras que la deformación longitudinal es bastante diferente; Bajo la misma carga axial, la deformación longitudinal de la columna hueca es significativamente mayor que la deformación transversal; Bajo la condición de la misma relación de vacíos, la deformación límite longitudinal de la columna hueca con orificio cuadrado es bastante diferente de la de la columna sólida, mientras que la deformación límite longitudinal de la columna hueca con orificio circular es ligeramente menor que la de la columna sólida, lo que indica que La columna hueca de orificio circular se utiliza mejor en el material.

Curvas de esfuerzo de compresión-deformación superficial del hormigón (origen 2019b https://www.originlab.com/).

La relación entre la deformación última y la deformación por fluencia se define como el coeficiente de ductilidad de la deformación, la deformación correspondiente a 0,85pu en la sección descendente de la curva carga-deformación se toma como deformación última y la deformación por fluencia de la muestra se determina mediante la método de energía igual27, como se muestra en la Fig. 10, se puede ver en la Tabla 5: el coeficiente de ductilidad aumenta gradualmente junto con el aumento de la relación de vacíos. Bajo la misma relación de vacíos, el coeficiente de ductilidad de la columna hueca con orificio cuadrado es ligeramente mayor que el de la columna hueca con orificio redondo. En general, la fragilidad de la muestra es relativamente grande y es propensa a fallas por fragilidad; Al comparar la ductilidad de la columna sólida y la columna hueca, se puede ver que el coeficiente de ductilidad de la columna hueca con orificio cuadrado es más alto que el de la columna sólida. Esto se debe a que el hormigón de la columna hueca se expande hasta el espacio interno bajo la acción de la presión axial, por lo que la deformación longitudinal de la columna hueca es mayor que la de la columna sólida bajo la misma tensión. Se puede ver que la proporción de vacíos adecuada es beneficiosa para mejorar la capacidad de la columna hueca para resistir la deformación plástica.

Método de energía elastoplástica equivalente (Visio 2019 https://www.microsoftstore.com.cn/software/office/visio-standard-2021).

El concreto liviano de alta resistencia se obtiene a partir del ensayo de la curva de tensión-deformación total (como se muestra en la Fig. 11) en el espécimen prismoide de 150 × 150 × 300 mm, y se simula con el modelo de daño plástico del concreto.

Curva tensión-deformación (origen 2019b https://www.originlab.com/).

La relación tensión-deformación del acero adopta el modelo elástico-plástico ideal (Fig. 12) provisto en ABAQUS y cumple con el criterio de fluencia de von Mises, como se muestra en las Ecs. (1) y (2).

Modelo elastoplástico ideal (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

En la fórmula: \(\sigma_{s}\), \(\varepsilon_{s}\) y \(E_{s}\) representan la tensión, la deformación y el módulo elástico del acero respectivamente; \(f_{y}\) representa el límite elástico del acero; \(\varepsilon_{y}\) representa la tensión de fluencia correspondiente al límite elástico.

El modelo de análisis de elementos finitos de la columna SCAH se establece utilizando el software ABAQUS. El hormigón ligero de alta resistencia, la placa base de acero y el esqueleto de acero angular se simulan mediante el elemento sólido tridimensional integral reducido C3D8R de ocho nodos. El ángulo de acero y la placa de listón se combinarán como el esqueleto de ángulo de acero. El esqueleto de acero del ángulo está integrado en el hormigón, y la placa base de hormigón y acero están unidas y conectadas. La superficie superior del bloque amortiguador de acero se acopla como el punto central. El control de carga de desplazamiento axial se utiliza para la simulación de elementos finitos, y el desplazamiento vertical se aplica en el punto de acoplamiento de la superficie superior del bloque amortiguador de acero. El fondo de hormigón se fija completamente como se muestra en la Fig. 13.

Cargas y condiciones de contorno (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

A través del análisis de la sensibilidad de la malla en la etapa inicial de la simulación de elementos finitos, se puede encontrar que cuando el tamaño de la malla del concreto es de 12,5 mm, si el tamaño de la malla continúa reduciéndose, la precisión del cálculo de la simulación de elementos finitos se ve menos afectada, mientras que el tiempo de cálculo aumenta más. Al mismo tiempo, tomar la cuadrícula de concreto como 12.5 puede evitar el uso del elemento C3D8R para simular el modo de reloj de arena del concreto, asegurando así que el espécimen con la mayor proporción de vacíos se divida en al menos 4 elementos a lo largo de la dirección del espesor. El tamaño de malla de la jaula de acero angular y la placa base de acero es de 25 mm. Antes de la generación de cuadrículas, las partes irregulares deben dividirse en cuadrículas estructuradas. En las Figs. 14 y 15.

División en cuadrícula de hormigón y placa base (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

División de malla de jaula de acero angular (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Se analiza la distribución de tensiones del esqueleto de hormigón y acero angular de las cinco columnas SCAH anteriores durante todo el proceso de tensión. Para facilitar el análisis, la curva carga-deformación longitudinal de la probeta se divide en tres etapas (ver Fig. 16): sección elástica (OA), donde existe la relación lineal entre la carga y la deformación longitudinal de la probeta; Sección elástico-plástica (AB), donde la deformación plástica ocurre en el concreto y el acero, el crecimiento de la carga del espécimen en la etapa es menor que el de la deformación longitudinal, la curva es ligeramente convexa, la pendiente disminuye gradualmente y la última la capacidad portante del espécimen se alcanza en el punto B; Tramo descendente (BC), donde la curva entra en el tramo descendente después de alcanzar el punto máximo.

Curva de deformación longitudinal de carga típica (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

La simulación de elementos finitos se lleva a cabo en cinco especímenes de acuerdo con el método anterior, y la corrección del modelo de elementos finitos se verifica a través de la curva de deformación longitudinal de carga. Se puede ver en la Fig. 17 que los resultados de las pruebas de los especímenes concuerdan bien con los resultados de la simulación de elementos finitos, y el error de la carga máxima es de alrededor del 10%.

Verificación del modelo de elementos finitos (origen 2019b https://www.originlab.com/).

La tensión longitudinal (S33) representa la tensión en el eje z. El valor positivo es el esfuerzo de tracción y el valor negativo es el esfuerzo de compresión. Se puede ver en la Fig. 18 que el hormigón está en la etapa elástica en el punto A, la tensión de compresión del hormigón en la placa de cimentación es menor que la que existe entre las placas de cimbra, en la que la tensión de compresión del hormigón en la placa de cimbra es de aproximadamente − 6 a -13 MPa, la tensión de compresión del hormigón entre las placas de listón es de aproximadamente -13 a -20 MPa, y la tensión de compresión del hormigón es obviamente menor que su resistencia a la compresión axial.

Diagrama de nubes de tensión longitudinal del hormigón en el punto A (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Se puede ver en la Fig. 19 que el hormigón supera la etapa plástica junto con el aumento de la carga entre el punto A y el punto B, donde la plasticidad comienza a desarrollarse y se encuentra en la etapa elástico-plástica. La tensión máxima de compresión en el área del núcleo de hormigón aumenta significativamente para el espécimen con una relación de vacíos pequeña en el punto B, donde la resistencia a la compresión axial alcanza -60 MPa con un aumento de alrededor del 25 %; Para los especímenes con una relación de vacíos grande, la tensión de compresión máxima en el área del núcleo de hormigón aumenta ligeramente en comparación con la del punto A, y la tensión de compresión del hormigón aumenta de -26 a -36 MPa. El esfuerzo máximo de compresión de la columna SCAH-1 se distribuye cerca del núcleo de hormigón de la sección media del espécimen, el máximo esfuerzo de compresión de la columna SCAH-2 se distribuye cerca de la pared interior del hormigón a la altura del tercer punto de la espécimen (excepto la sección central), y el esfuerzo máximo de compresión de la columna SCAH-4 se distribuye cerca de la esquina del agujero cuadrado de concreto a la altura del cuarto punto del espécimen.

Diagrama de nubes de tensión longitudinal del hormigón en el punto B (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Se puede ver en la Fig. 20 que hay una sección descendente entre el punto B y el punto C. La tensión de compresión en la superficie exterior del hormigón del espécimen es pequeña (alrededor de -6 a -13 MPa), e incluso pequeña tensión de tracción El estrés (0–8 MPa) ocurre junto con el aumento de la deformación vertical. La tensión de compresión máxima de la columna SCAH-1 se distribuye cerca del núcleo de hormigón en la sección media de la muestra, y la tensión de compresión del núcleo de hormigón es la mayor (alrededor de -50 MPa). La distribución de la tensión de compresión del hormigón cerca del agujero circular en la sección media de la columna hueca con agujero circular es relativamente uniforme con un valor de aproximadamente -20 a -30 MPa. El esfuerzo de compresión del concreto en la esquina del agujero cuadrado es mayor que cerca del punto medio del lado del agujero cuadrado. En particular, la concentración de tensión del concreto en la esquina de la sección en el espécimen SCAH-4 es obvia con un valor de alrededor de -50 MPa.

Diagrama de nubes de tensión longitudinal del hormigón en el punto C (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

El estrés de von Mises es la teoría de la cuarta fuerza (como la ecuación (3)). De acuerdo con el principio de conservación de la energía, se utiliza para juzgar si el material cede. De manera similar, la tensión del esqueleto de acero angular se divide en tres etapas (como se muestra en las Figs. 21, 22, 23): en la etapa elástica (OA), la tensión Mises del acero angular es significativamente mayor que la de la placa de listón, y la tensión de Mises del ángulo de acero es inferior a 300 MPa, pero no alcanza la tensión de fluencia; Al mismo tiempo, la tensión del ángulo de acero entre los dos listones es significativamente mayor que la del listón, y la tensión de Mises cerca del ángulo cerca del ángulo de acero es significativamente mayor que la del centro del listón.

Diagrama de nube de Mises del esqueleto de acero angular en el punto a (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Diagrama de nube de Mises del marco de acero angular en el punto B. (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

Diagrama de nube de Mises del marco de acero angular en el punto C (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

El espécimen entra en la etapa elástico-plástica (AB) junto con el aumento de la carga, y el límite elástico (328 MPa) se alcanza en toda la longitud del ángulo de acero, mientras que el esfuerzo del listón es de aproximadamente 160-300 MPa con la imposibilidad de alcanzar el límite elástico. En este momento, la tensión Mises del listón central de la muestra es significativamente mayor que la del listón final, y la tensión Mises del listón en la conexión con el ángulo de acero es significativamente mayor que la del punto central del listón. .

El espécimen entra en la sección descendente (BC) junto con el desarrollo de la carga, la deformación radial del concreto aumenta rápidamente, la tensión de tracción de la placa del listón aumenta y finalmente alcanza el límite elástico. La mayoría de los especímenes ceden al segundo y quinto listón.

En la Fig. 24 se puede ver que el concreto en el área central de los especímenes con una relación de vacíos pequeña (SCAH-2, SCAH-4) puede considerarse como una restricción triaxial, y el concreto en el área central de los especímenes con una relación de vacíos grande (SCAH-3, SCAH-5) puede considerarse una restricción biaxial.

Resultados de la simulación del estado de restricción del hormigón de la sección transversal de la muestra (ABAQUS 2016 https://www.3ds.com/products-services/simulia/).

El modelo Mander28 se establece para estribos que sujetan columnas cuadradas ordinarias de hormigón. Se consideran el efecto de coacción lateral de los estribos sobre el núcleo de hormigón y el "efecto de arco" del área de coacción efectiva y la coacción rectangular. Teniendo en cuenta si es aplicable el cálculo de la capacidad portante del hormigón de árido ligero de alta resistencia reforzado con acero en ángulo, el modelo se verifica a continuación:

Para el espécimen con una relación de vacíos pequeña, la fórmula de resistencia a la compresión del concreto confinado triaxial se muestra en la Fórmula (4):

Para el espécimen con una gran relación de vacíos, la fórmula de resistencia a la compresión del concreto confinado biaxial se muestra en la Fórmula (5):

Nota: la muestra de prueba con una relación de huecos inferior al 16 % se considera una relación de huecos pequeña; de lo contrario, es la muestra con una relación de huecos grande.

En la fórmula: \(f^{\prime}_{cc}\) representa la resistencia a la compresión del hormigón confinado; \(f^{\prime}_{c0}\) representa la tensión máxima del hormigón no restringido, este documento toma \(f^{\prime}_{c0} = 0.85f_{c}\)29; \(f^{\prime}_{l}\)—tensión de restricción lateral.

En la fórmula: \(k_{e}\) representa el coeficiente de restricción efectivo;\(f_{l}\) representa la presión de confinamiento sobre la placa de listón, refiriéndose a la tensión de restricción máxima del concreto en el área del núcleo cuando el rendimientos de la placa del listón;\(b_{c}\) representa la distancia entre las líneas centrales del listón; \(s\) y \(s^{\prime}\) representan el espaciado del ángulo de acero y el listón respectivamente; De acuerdo con el equilibrio de fuerzas (como se muestra en la Fig. 25), se calcula la presión de confinamiento \(f_{l}\) sobre la placa del listón. La presión de confinamiento \(f_{l}\) sobre el listón de la columna hueca con agujero redondo es como se muestra en la fórmula (8), y la presión de confinamiento \(f_{l}\) sobre el listón de la columna hueca con agujero cuadrado es como se muestra en la fórmula (9).

Diagrama esquemático del cálculo de tensión de restricción (Microsoft PowerPoint 2019 https://www.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/powerpoint).

En la fórmula: \(f_{yb}\) y \(A_{sb}\) representan el límite elástico del listón y el área de un único listón respectivamente; \(D\) y \(a\) representan el diámetro del agujero redondo y la longitud del lado del agujero cuadrado. El área de la sección transversal \(A_{c}\) del núcleo de hormigón de la columna hueca con agujero redondo se muestra en la fórmula (10), y el área de la sección transversal \(A_{c}\) del núcleo de hormigón de la columna hueca con agujero cuadrado se muestra en la fórmula (11).

Con base en el principio de superposición, la capacidad portante de compresión axial de una columna hueca compuesta de fibra de acero, concreto agregado liviano de alta resistencia y ángulo de acero se puede calcular de acuerdo con la fórmula (12):

En la fórmula: \(f^{\prime}_{cc}\) representa la resistencia a la compresión del hormigón confinado; \(f^{\prime}_{c0}\) y \(A_{cor}\) representan la tensión máxima del hormigón no restringido y el área de la sección transversal del recubrimiento de hormigón, respectivamente; \(f_{s}\) y \(A_{s}\) representan el límite elástico y el área transversal total del ángulo de acero, respectivamente.

Dado que los resultados de la prueba pueden verse afectados por los defectos en la carga de prueba, es necesario aumentar el factor de reducción de 1,2. De acuerdo con la Tabla 6, se puede encontrar que el valor de \(P_{u}\)/\(N_{u}\) está entre 1.00 y 1.28 con el valor promedio de 1.156, la desviación estándar de 0.406 y el coeficiente de variación de 0,351 cuando se utiliza el principio de superposición del modelo de Mander para el cálculo y se considera la influencia del esqueleto de acero del ángulo en la resistencia del hormigón. Es más seguro calcular con el método porque el valor calculado es menor que el valor de prueba.

En el artículo se investiga la influencia de diferentes proporciones de vacíos y métodos de apertura en las propiedades de compresión axial de la columna hueca compuesta de fibra de acero, concreto agregado liviano de alta resistencia y acero angular. Al combinar concreto agregado liviano con columna hueca, el peso muerto de la muestra se reduce considerablemente y se realiza la simulación de elementos finitos. La capacidad de carga de SCAH se calcula mediante tres métodos, y se pueden sacar las siguientes conclusiones:

Los extremos de SCAH-2–SCAH-5 están gravemente dañados, las grietas se extienden desde los extremos hasta la mitad de la muestra y el ancho aumenta. El extremo de la columna de SCAH-1 está bien restringido y la falla del espécimen se concentra principalmente en el medio.

La carga máxima de la columna hueca compuesta de fibra de acero, concreto agregado liviano de alta resistencia y acero angular disminuye significativamente y la ductilidad aumenta junto con el aumento de la relación de vacíos; Bajo la misma relación de vacíos, el coeficiente de ductilidad de deformación de la columna hueca con orificio redondo es ligeramente menor que el de la columna hueca con orificio cuadrado; La carga máxima del orificio redondo es mayor que la del orificio cuadrado con una gran relación de vacíos; En comparación con la columna sólida, la columna hueca con orificio cuadrado con una proporción de hueco del 16 % no tiene una gran influencia en la capacidad de carga y la ductilidad, y la ductilidad es mejor que la columna sólida.

Las curvas de capacidad portante y carga-deformación longitudinal obtenidas por simulación de elementos finitos concuerdan bien con los valores experimentales. En la etapa elástica, la tensión de compresión del hormigón es inferior a - 20 MPa, y el ángulo de acero y la placa de listón no alcanzan la tensión de fluencia; En la etapa elástico-plástica, la tensión máxima de compresión del área del núcleo de hormigón de la muestra con una relación de vacíos pequeña aumenta significativamente (hasta -60 MPa), mientras que la tensión de compresión del hormigón de la muestra con una relación de vacíos grande aumenta ligeramente ( aproximadamente − 30 MPa), y el límite elástico se alcanza en toda la longitud del ángulo de acero, pero el listón aún no alcanza el límite elástico; En la sección descendente (BC), la tensión de compresión de la superficie de hormigón de la muestra es pequeña (alrededor de -6 a -13 MPa) e incluso se produce una pequeña tensión de tracción (0–8 MPa). La deformación radial del hormigón aumenta rápidamente y algunos listones alcanzan el límite elástico.

La influencia del esqueleto de acero angular en la resistencia del concreto se considera en el modelo de Mander y luego se realiza el cálculo de superposición. Es más seguro calcular con el método porque el valor calculado es menor que el valor de prueba y la precisión del cálculo es alta.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a la confidencialidad de los fondos, pero están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este trabajo fue apoyado principalmente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (51968058) y fue apoyado en parte por el Programa de Apoyo a Talentos de Ciencia y Tecnología para Jóvenes de la Región Autónoma de Mongolia Interior (NJYT-18-A06). Fue apoyado por el Proyecto de la Fundación de Ciencias Naturales de la Región Autónoma de Mongolia Interior (2021MS05012) y el Proyecto de Fondo Abierto del Instituto de Ciencias Arquitectónicas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Mongolia Interior (JYSJJ-2021M16).

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Ciencia y Tecnología de Mongolia Interior, Baotou, 014010, Mongolia Interior, China

Zehui Xiang, Dan Qiao y Jiangang Niu

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Tecnológica de Beijing, Beijing, 100029, China

Weiheng Liu

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DQ redactó el texto del manuscrito principal. ZX y WL dedujeron la fórmula del artículo. JN preparó Figs. 2, 3 y 4. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jiangang Niu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Xiang, Z., Qiao, D., Niu, J. et al. Estudio experimental de compresión axial para columna hueca mixta de fibra de acero, hormigón de áridos ligeros de alta resistencia y ángulo de acero. Informe científico 12, 12409 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16581-w

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Recibido: 20 Abril 2022

Aceptado: 12 julio 2022

Publicado: 20 julio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16581-w

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