M-N interaction curves for rectangular concrete-filled steel tube columns subjected to uniaxial bending moments

• Published in: Revista IBRACON de estruturas e materiais Vol. 15; no. 1
• Main Authors: Fernandes, Matheus, De Nardin, Silvana, Almeida Filho, Fernando Menezes de
• Format: Journal Article
• Language: English; Portuguese
• Published: IBRACON - Instituto Brasileiro do Concreto 2022; Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON)
• Subjects: concrete-filled steel tube column; ENGINEERING, CIVIL; M-N interaction curve; uniaxial bending moment; pilar misto preenchido; uniaxial bending moment; flexão composta reta; curva de interação M-N; concrete-filled steel tube column; M-N interaction curve
• ISSN: 1983-4195; 1983-4195
• DOI: 10.1590/s1983-41952022000100008

In this paper, a computational code was developed to obtain M-N interaction curves for rectangular concrete-filled steel tube columns considering the strain compatibility in the cross-section. Considering the composite section subjected to uniaxial bending moments, expressions were developed to determine normal force, moment resistance, neutral axis depth and components resistance of cross-section. Such expressions were implemented in a computational tool developed to the authors and that allows to obtain the M-N pairs of strength. The steel and concrete ultimate strains were defined with the aid of the Brazilian standard for reinforced concrete structures ABNT NBR 6118. The obtained results were compared to simplified curves defined according to the theoretical models of ABNT NBR 8800, ABNT NBR 16239, EN 1994-1-1 and literature data. The proposed model showed good agreement with literature results and had good precision to estimate the ultimate moment values. To further understand the resistance of composite columns under uniaxial bending moments, parametric study was performed to evaluate the influence of the compressive strength of concrete, yielding strength of steel and steel area ratio on M-N interaction curves. The results indicate that the yielding strength of steel and the steel area ratio were the variables that most influenced the values of composite columns resistance (normal force and bending moment). resumo: Neste trabalho é proposto um processo computacional para obtenção de curvas de interação M-N para pilares mistos preenchidos de seção retangular, por meio da compatibilidade de deformações na seção transversal. Considerando flexão composta reta, foram desenvolvidas expressões que relacionam esforço normal, momento resistente, profundidade da linha neutra e resistência dos componentes da seção transversal. Tais expressões foram implementadas em uma ferramenta computacional que possibilita a definição dos pares resistentes M-N. As deformações específicas últimas de compressão do concreto e de tração no aço foram definidas com auxílio da norma brasileira para estruturas de concreto armado ABNT NBR 6118. Para verificação do processo elaborado, os resultados obtidos foram confrontados com curvas simplificadas traçadas de acordo com os modelos da ABNT NBR 8800, ABNT NBR 16239 e EN 1994-1-1 e com resultados da literatura. O modelo proposto apresentou boa concordância com resultados da literatura e estimou, com boa precisão, os momentos resistentes últimos. Por meio de um estudo paramétrico foi avaliada a influência da resistência à compressão do concreto, resistência ao escoamento do aço e taxa de aço nas curvas de interação M-N. Os resultados mostraram que a resistência ao escoamento do aço e a taxa de aço foram as variáveis que mais influenciaram nos valores resistentes (força normal e momento fletor).