Short columns composed of concrete-filled steel tubes in a fire situation – Numerical model and the “air-gap” effect

• Published in: Revista IBRACON de estruturas e materiais Vol. 15; no. 3
• Main Authors: Rodrigues, Fábio Masini, Moreno Júnior, Armando Lopes, Munaiar Neto, Jorge
• Format: Journal Article
• Language: English; Portuguese
• Published: IBRACON - Instituto Brasileiro do Concreto 2022; Instituto Brasileiro do Concreto (IBRACON)
• Subjects: composite column; ENGINEERING, CIVIL; fire; numerical model; composite column; modelo numérico; fogo; fire; pilare misto; numerical model
• ISSN: 1983-4195; 1983-4195
• DOI: 10.1590/s1983-41952022000300009

Abstract The increase in temperature reduces the strength of steel and concrete, in such a way that it is essential to verify concrete-filled steel tube columns in fire situations. Numerical simulations, with lower costs than laboratory tests, have great importance in checking resistance and defining simplified methods for design practice. However, peculiarities of the thermal and mechanical behavior of heated confined concrete and the air-gap effect (a phenomenon inherent to concrete-filled steel columns) must still be better understood. Therefore, this study presents the development of a numerical model performed in the ABAQUS software (Dassault Systemes SIMULIA Corp., 2014) for the thermomechanical analysis of short columns composed of circular and square concrete-filled steel tubes considering the air-gap effect. The air-gap phenomenon is presented and analyzed according to possibilities of implementation to the numerical model and, finally, the proposed numerical model is validated with experimental results presented in the literature. According to the study results, the numerical model can be used to define and adjust simplified methods for verification of composite columns in fire situation. The importance of considering the air-gap effect in numerical modeling was confirmed, taking into account that disregarding its effect may result in overestimated responses of the steel tube resistance in fire situations. Moreover, it was suggested thermomechanical joint analysis and the use of the explicit solver as a strategy to minimize processing time. Resumo A verificação da resistência ao fogo de pilares tubulares preenchidos com concreto é necessária, uma vez que há uma drástica redução na resistência do aço e do concreto com a elevação da temperatura. A simulação numérica, com inquestionáveis vantagens econômicas em relação aos ensaios em laboratório, tem grande importância na verificação da resistência e na definição e ajustes de modelos analíticos para uso na prática de projeto. Entretanto, parâmetros intervenientes como o comportamento térmico e mecânico do concreto confinado quando aquecido ou mesmo do chamado “air-gap”, fenômeno inerente a pilares de aço preenchidos com concreto quando aquecidos, ainda carecem de melhor aprofundamento quanto à modelagem numérica. Para tanto, neste trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de um modelo numérico no software ABAQUS (Dassault Systemes SIMULIA Corp., 2014), para análise térmico-mecânica de pilares curtos compostos por tubos de aço de seção circular e quadrada, preenchidos com concreto, considerando o efeito do“air-gap”. O fenômeno do “air-gap” é apresentado e discutido em função das possibilidades de implementação no modelo numérico e, por fim, o modelo desenvolvido é validado por meio de resultados experimentais retirados da literatura. Com base nos resultados obtidos, se conclui que o modelo numérico pode ser utilizado para avaliação, ajustes e desenvolvimento de processos simplificados para verificação de pilares mistos em situação de incêndio; sendo recomendada a análise conjunta térmico-mecânica e a utilização do solver explicit como estratégia para minimizar o tempo de processamento. Aimportância da consideração do efeito do “air-gap” foi confirmada e desprezar o seu efeito pode resultar em avaliação superestimada da capacidade resistente do tubo de aço em situação de incêndio.