Estudio comparativo de Columnas de Talón de CFST Confinadas en CFRP bajo compresión Axial

Resumen

Este artículo presentó un estudio comparativo de columnas de talón de acero tubulares de hormigón (CFST) con tres tipos de confinamiento diferentes de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP): CFRP circular exterior, CFRP circular interior y CFRP cuadrado exterior. El mecanismo de compresión y las propiedades físicas de la columna compuesta se analizaron en primer lugar con el objetivo de investigar el efecto de confinamiento de la PRFC. La capacidad de carga axial máxima de estas tres columnas de CFST confinadas en CFRP se calculó sobre la base de la Teoría Unificada de CFST y la teoría del equilibrio límite elastoplástico, respectivamente. Mientras tanto, se adoptan las pruebas correspondientes para validar la viabilidad de los dos modelos de cálculo. A través del análisis de datos, el estudio confirmó que los resultados del cálculo de la resistencia última del método de equilibrio límite fueron más confiables y aproximados a los resultados de la prueba que los de la Teoría Unificada de CFST. A continuación, se predijo la capacidad de carga axial de la columna CFST pura para evaluar la relación de mejora de la capacidad de carga de los tres tipos de columnas compuestas. Se demostró que la relación de mejora promedio es de 16,4 por ciento, lo que demuestra que las columnas CFST confinadas en CFRP tenían una amplia aplicabilidad de ingeniería. A través de un análisis comparativo, este estudio también confirmó que el CFRP circular exterior tuvo el mejor efecto de confinamiento y el CFRP cuadrado exterior lo hizo mejor que el CFRP circular interior. El efecto de confinamiento de la CFRP aumentó con la disminución de la resistencia del concreto, y fue proporcional a las proporciones relativas de CFRP y acero bajo la misma resistencia del concreto.

1. Introducción

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se han utilizado ampliamente en la reparación y adaptación de estructuras deficientes en las últimas décadas, porque el material CFRP unido externamente en forma de láminas o placas es particularmente adecuado para flexión y cizallamiento . En muchos campos de ingeniería, los tanques o tubos compuestos de metal CFRP se han utilizado ampliamente, como el tanque de gas utilizado en vehículos de motor y el sistema de tuberías para transportar gas o líquido de alta presión utilizado en ingeniería municipal o ingeniería química. Los materiales CFRP, como cubiertas externas para el confinamiento de columnas de hormigón armado, pueden mejorar la resistencia y la ductilidad . Las propiedades mecánicas y físicas superiores del CFRP los convierten en excelentes candidatos para reparar y adaptar también estructuras de acero. Las estructuras tubulares de acero rellenas de hormigón (CFST) se han estudiado y utilizado ampliamente en ingeniería civil durante muchos años . Sin embargo , los tubos de acero son susceptibles a la degradación debido a la corrosión y su sección de paredes delgadas antes del endurecimiento del concreto, lo que resulta en la disminución de la resistencia axial de la columna CFST . Por lo tanto, el tubo de metal CFRP también se puede usar en ingeniería civil, por ejemplo , el tubo compuesto de acero CFRP relleno con hormigón se ha utilizado como columna, y el CFRP también se ha utilizado para reforzar la columna de CFST dañada . Según lo discutido por Gu, Li et al. , y Wang et al. , la mayor parte de la investigación realizada se ha centrado en el uso de CFRP para la estructura de CFST. Las láminas o placas de fibra de carbono se unen a un tubo de acero u hormigón en un miembro CFST para aumentar su capacidad de carga y ductilidad. Se concluyó que la resistencia lateral final y la rigidez a la flexión de las columnas de viga de CFST reparadas por CFRP aumentaron con el creciente número de capas de CFRP. Mientras tanto, la ductilidad de las muestras aumentó ligeramente con el número de capas de CFRP. Y, como lo discutieron Tao et al. , el cilindro CFRP también puede impedir el pandeo de la columna de talón, lo que lleva a mejoras dramáticas en el comportamiento de pandeo y postcabezado de todo el sistema. Wang et al. se realizaron experimentos de compresión axial para treinta y dos columnas de CFST confinadas en CFRP circulares y veinticuatro columnas de CFST confinadas en CFRP cuadradas. Los análisis de los resultados de las pruebas muestran que el tubo de acero y su material exterior CFRP pueden cooperar tanto longitudinal como transversalmente. Por lo tanto, todos estos estudios se basan en los conceptos de que la acción complementaria entre el tubo de acero y el hormigón se fortaleció a través del mayor confinamiento de la PRFC.

Sobre la base de la investigación mencionada, también se han propuesto otros tipos de columnas compuestas. Karimi et al. propuso un tipo de columnas compuestas de acero y hormigón encapsuladas en FRP en las que se colocaba un FRP circular alrededor de la sección en I de acero y se llenaba el hormigón entre la sección en I de acero y el tubo de FRP. Feng et al. propuso una columna de acero-hormigón-FRP-hormigón que tenía un tubo cuadrado de acero como capa exterior y un tubo circular de FRP enrollado como capa interior, con hormigón relleno entre estas dos capas y dentro del tubo de FRP. Los resultados de estos estudios mostraron que la resistencia del hormigón, FRP y acero se podía utilizar de manera efectiva en las columnas compuestas.

Todos esos logros de investigación confirmaron que la columna compuesta tiene su viabilidad en la investigación teórica y la práctica de ingeniería, mostrando un gran potencial para un mayor desarrollo. La resistencia a la compresión es un parámetro importante para los miembros estructurales, y la mayoría de las investigaciones mencionadas anteriormente se concentraron en el método de superposición para calcular la resistencia a la compresión final, por lo que se dedujeron diferentes fórmulas para cada sección transversal de las columnas de CFST confinadas en CFRP. Por lo tanto, el propósito de este artículo es construir métodos unificados aplicables a diferentes secciones de la columna compuesta por la idea de la Teoría Unificada de CFST y la teoría del equilibrio límite. El enfoque de este estudio es investigar tres CFRP de tecnología diferente para fortalecer las columnas de talón de CFST a través de un estudio comparativo de tres tipos diferentes de confinamiento: CFRP circular exterior, CFRP circular interior y CFRP cuadrado exterior. El mecanismo de compresión y las propiedades físicas de estas tres columnas de CFST confinadas en CFRP se analizaron en primer lugar con el objetivo de investigar el efecto de confinamiento de la CFRP en las columnas de CFST. Se presentan dos modelos de cálculo teórico para obtener la capacidad de compresión axial de columnas de CFST confinadas en CFRP. Una es la Teoría Unificada de CFST : el coeficiente de confinamiento equivalente se propone considerando diferentes secciones de tubos de acero y cilindros de CFRP, y luego se derivan fórmulas de la Teoría Unificada de CFST para predecir la capacidad de carga de la columna compuesta bajo compresión. El otro es el método de equilibrio límite elastoplástico: la teoría de resistencia unificada de doble cizallamiento (TDUST) se aplica para analizar el estado final del tubo de acero y el concreto, respectivamente, y luego las capacidades de carga últimas de la columna compuesta se obtienen mediante el método de equilibrio límite. Las predicciones teóricas se compararon con los resultados experimentales para validar la viabilidad de los dos modelos de cálculo. Por último, se analizaron los efectos de confinamiento de CFRP en la capacidad de carga axial comparando estas tres columnas de CFST confinadas con CFRP.

2. Mecanismo de trabajo

Basado en el resumen de las investigaciones existentes, se consideran tres tipos de columnas de CFST confinadas con CFRP con diferentes confinamientos de CFRP, incluyendo CFRP circular exterior, CFRP circular interior y CFRP cuadrado exterior, como se muestra en la Figura 1. El cilindro de CFRP se envuelve fuera de la columna circular de CFST en el Tipo a; el cilindro de CFRP se coloca dentro del cuadrado de CFST en el Tipo b, y el cilindro de CFRP se envuelve fuera de la columna cuadrada de CFST en el Tipo c. Como se puede ver en la Figura 1, los tubos de acero junto con el hormigón confinado pueden resistir notablemente la compresión axial, mientras que los cilindros de CFRP pueden proporcionar el confinamiento lateral al tubo de acero o al hormigón directamente y hacer que la columna compuesta se comporte mejor indirectamente.

(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)

(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)

Figure 1
Cross section types of CFRP-confined CFST columns. (a) Outer circular CFRP. (b) Inner circular CFRP. (c) Outer square CFRP.

Como todos sabemos, durante el proceso de compresión de las columnas compuestas, existe deformación horizontal cuando la carga vertical actúa sobre toda la sección. Tomemos el ejemplo del tipo a en la Figura 1, el hormigón se llena en el tubo circular envuelto por la lámina de CFRP, por lo que su modelo simplificado de tensión se puede representar en la Figura 2.

Figura 2
modelo de Estrés en el compuesto de la columna en compresión. (concreto. b) Tubo de acero. c) Cilindro CFRP.

El coeficiente de deformación horizontal del hormigón era pequeño al inicio de la carga axial, por lo que la tensión lateral p de los tubos de acero y la lámina de CFRP no es evidente. Con el aumento de la compresión axial, la deformación horizontal del hormigón comienza a aumentar gradualmente, especialmente después de que la columna cede. Habría muchas grietas en el hormigón después de que la columna entrara en la etapa de plástico , pero tanto el cilindro de CFRP como el tubo de acero pueden confinar el hormigón para posponer su expansión. El hormigón puede considerarse comprimido en tres dimensiones, los tubos de acero pueden considerarse cilindros de paredes delgadas y el CFRP solo se tensa en la dirección circunferencial, como se muestra en la Figura 2. El estado final considera los siguientes modos de falla de la columna CFST confinada con CFRP: tronzado de tubos de acero y ruptura de láminas de CFRP . Aunque el cilindro CFRP no tiene una contribución directa a la capacidad de carga axial, las láminas de fibra transversal contribuyen a la mejora de la resistencia al confinar la columna CFST en su totalidad (ver Tipo a, c en la Figura 1) o en parte (ver Tipo b en la Figura 1), lo que conduce a una mayor resistencia a la compresión de la columna. Por lo tanto, el encintado CFRP puede conducir a una mejora significativa en la capacidad de deformación axial inelástica antes del pandeo y a una capacidad de carga mejorada después del pandeo.

3. Cálculos por Teoría Unificada de CFST

La Teoría Unificada de CFST fue presentada por el profesor Zhong Shan-tong en 1993 . Consideró el CFST como un cuerpo unificado, y se utilizó un nuevo material compuesto para estudiar sus comportamientos. Era un nuevo método para diseñar y simplificar el trabajo de diseño. La Teoría unificada de CFST se ha ampliado para calcular la resistencia a la compresión de las columnas compuestas de CFST con varios materiales de confinamiento y varias secciones transversales bajo varias cargas . Para las columnas CFST confinadas en CFRP, el hormigón sigue confinado directamente por el tubo de acero, y este efecto de confinamiento se ve reforzado por el cilindro de CFRP. También se puede considerar un material compuesto para evaluar su comportamiento, pero el efecto de confinamiento debe reevaluarse derivado del tubo de acero y el cilindro CFRP. Podemos ampliar trabajos de investigación más profundos en columnas de CFST confinadas en CFRP, por lo que se presenta un coeficiente de confinamiento equivalente, que se puede expresar como dónde, y son las áreas de sección transversal del tubo de acero, el hormigón y el cilindro de CFRP, respectivamente; y son las resistencias de fluencia del acero y el CFRP, respectivamente; es la resistencia a la compresión estándar del hormigón; y son los coeficientes teniendo en cuenta la forma de sección del material de confinamiento. Debido a que en la columna compuesta, hay dos materiales diferentes para confinar el concreto, el efecto de la restricción es diferente de la sección circular a la sección cuadrada. En general, el coeficiente de sección circular se toma como el parámetro básico 1, y para la sección cuadrada, es 0.74 .

Entonces, la resistencia compuesta de la columna de talón se puede calcular mediante la fórmula derivada de la Teoría Unificada de CFST, y la ecuación se puede expresar como dónde y reflejar las contribuciones de los materiales de confinamiento y el concreto, respectivamente. Se pueden calcular con la siguiente fórmula: ¿dónde está la media ponderada de los materiales de confinamiento, incluidos el tubo de acero y el cilindro de CFRP, que se calcula en

? Por lo tanto, se recomienda utilizar la siguiente fórmula para calcular la capacidad de carga de la columna de talón de CFST confinada en CFRP.donde está el área de sección transversal de toda la columna y es la capacidad de carga calculada por la Teoría Unificada de CFST.

4. Cálculos por Teoría del Equilibrio Límite

4.1. Supuestos básicos

En este modelo teórico para la obtención de la capacidad de compresión axial, podemos analizar cuantitativamente cuánto influye el tubo de acero y el CFRP en el confinamiento. La interfaz entre el tubo de acero y la lámina de CFRP está restringida; se ignora la tensión radial en el tubo de acero y el tubo de acero está bajo tensión biaxial; el material CFRP es elástico lineal, y solo se considera la tensión lateral, por lo que se considera la tensión a lo largo de la dirección de la fibra; se ignoran la tensión radial y la tensión longitudinal.

Sobre la base de los supuestos anteriores, la capacidad de carga axial última de las columnas CFST confinadas en CFRP se puede calcular por dónde , y son capacidades de carga vertical del tubo de acero y el hormigón, respectivamente. es la capacidad de carga calculada por la teoría del equilibrio límite. En el estado de equilibrio límite, cada parte de la columna compuesta se puede analizar usando TSUST .

4.2. Teoría de Fuerza Unificada de Doble Cizallamiento (TSUST)

La TSUST considera las dos tensiones de cizallamiento principales más grandes y las tensiones normales correspondientes y sus diferentes efectos en la falla de los materiales. Cuando la función de relación entre ellos alcanza un valor último, el material se puede definir como falla en este estado que se formula de la siguiente manera:donde , , y son las tensiones de corte principales, , , y ; , y, son las tensiones normales correspondientes en el elemento de tensión de corte principal; , , y son las tensiones principales, ≥ ≥ ; es un coeficiente de ponderación que refleja el efecto relativo del esfuerzo cortante principal intermedio o sobre la resistencia de los materiales; C es igual a la resistencia del material; es el coeficiente de influencia de la tensión positiva sobre el daño material. Denotando la relación de resistencia tensión-compresión as, reescribimos (7a) y (7b) en términos de tensiones principales de la siguiente manera:

4.3. Fórmula de Capacidad máxima

Según el principio de la misma área, la sección transversal cuadrada del tubo de acero se puede transformar en una circular. B y ts son la longitud lateral y el grosor del tubo de acero cuadrado, y ro y to son el radio y el grosor del tubo de acero circular equivalente, respectivamente. Las fórmulas se muestran de la siguiente manera:

Mientras tanto, debido a que el confinamiento del acero cuadrado es desigual a lo largo de su lado, se debe considerar el factor de reducción equivalente para reducir el mismo confinamiento del tubo de acero circular equivalente. Denotando la relación espesor-longitud lateral, la expresión del factor de reducción equivalente . Mientras tanto, hay zonas de confinamiento efectivas y no efectivas del hormigón dentro del tubo de acero cuadrado. En este trabajo, se considera que el factor de reducción de la resistencia del concreto ignora estas dos influencias. El factor de reducción de la resistencia del hormigón se toma como, donde Hacer es el diámetro interior del tubo de acero circular equivalente.

El modelo de esfuerzo simplificado del hormigón confinado se muestra en la Figura 2 (a). Las tensiones se pueden explicar por . Para . Sustituyéndolos en la expresión de tensión de TSUST, se puede obtener la siguiente expresión donde está el coeficiente de tensión lateral. En TSUST, se puede calcular por cohesión y ángulo de fricción en el estado de falla del material. De acuerdo con la prueba de Richart , se ha tomado como 4.1 simplemente aquí; p es la tensión lateral sobre el concreto, y la tensión lateral sobre el concreto es tanto del tubo de acero como del cilindro de CFRP para los tipos a y c, como se muestra en la Figura 1, por lo que se puede expresar por dónde están el grosor y el radio del cilindro de CFRP, respectivamente; y son el grosor y el radio del tubo de acero, respectivamente. Mientras que para el tipo b en la Figura 1, el concreto debe dividirse en concreto exterior e interior bajo diferentes tensiones laterales. El hormigón exterior solo está confinado por el tubo de acero, pero el hormigón interno se considera tanto el tubo de acero como el cilindro de CFRP. Luego, la capacidad de carga axial del hormigón se puede expresar como

, como se puede ver en la Figura 2(b), el tubo de acero está restringido por el interior del hormigón para que pueda soportar cierta carga vertical bajo el estado final de toda la columna, η se asume como el factor de reducción de resistencia del tubo de acero, y luego el estado de tensión de los tubos de acero se puede explicar mediante,,. Para y, sustitúyalos en la expresión de estrés de TSUST, se puede obtener la siguiente expresión:

Luego se obtuvo como 0.65 por experimentación y datos estadísticos, por lo que la capacidad final del tubo de acero se puede calcular por

Por último, la capacidad final de la columna CFST confinada en CFRP se puede expresar de la siguiente manera:

5. Comparación y análisis

Los tres tipos de columnas de talón de CFST confinadas en PRFC que se muestran en la Figura 1 se han probado bajo compresión axial . Los cálculos y, obtenidos por la Teoría Unificada de CFST y la teoría del equilibrio límite, respectivamente, se enumeran en la Tabla 1 junto con los resultados de la prueba . Los resultados calculados coinciden con los resultados de la prueba en pequeños errores inferiores al 20%. Comparando el valor de / y / mostrado en la Tabla 1, podemos encontrar que el obtenido por el método de equilibrio límite es más preciso y confiable que el obtenido por el método de la Teoría Unificada de CFST. Por otro lado, el método de la Teoría Unificada de CFST es simple y fácil de realizar, ya que solo considera la columna como un material compuesto, mientras que el método del método de equilibrio límite suena complicado, ya que aplica TSUST para analizar cada componente de la columna compuesta. Por lo tanto, estos dos métodos se pueden aplicar para investigar la capacidad de carga axial de las columnas de talón de CFST confinadas en CFRP, y pueden proporcionar referencia para el diseño de ingeniería. A continuación, la capacidad de carga axial de las columnas CFST puras se puede predecir mediante el método de equilibrio límite para evaluar la mejora de la capacidad de carga debido al confinamiento CFRP. Al revisar los resultados de las pruebas, la tasa de mejora de la capacidad de carga se describe como la expresión de (Nt-NCFST)/NCFST, como se muestra en la Tabla 1. Se encontró que la tasa promedio de mejora de la capacidad de carga de las columnas de talón de CFST confinadas en CFRP es del 16,4 por ciento en comparación con las columnas de CFST puras. Debido a que la lámina CFRP es muy delgada, se demuestra que la capacidad de carga de las columnas compuestas mejora más que las columnas CFST puras correspondientes con el área de sección transversal casi igual. Por lo tanto, es muy aplicable el uso de CFRP para fortalecer la columna CFST, y las columnas compuestas pueden resultar en ahorros significativos en el tamaño de la columna, que en última instancia se dan cuenta de la potencia del material y brindan beneficios económicos.

Tipos Especímenes (mm) (MPa) (mm) (mm2) (MPa) (MPa) (kN) (kN) (kN) (kN) / / NCFST (kN) (%) Fuentes
un 1-2.5 0.17 1260 2.5 1013.2 350 40.15 1294 859.2 1176.5 1293.7 0.92 1.00 1060.5 22.0
1–3.5 0.17 1260 3.5 1440.4 310 40.15 1348 959.1 1285.4 1408.0 0.95 1.04 1175.5 14.7
1–4.5 0.17 1260 4.5 1880.2 310 40.15 1698 1103.6 1446.2 1575.6 0.85 0.93 1341.7 26.0
2–2.5 0.34 1260 2.5 1013.2 350 40.15 1506 859.2 1293.3 1430.9 0.86 0.95 1060.5 42.0
2–3.5 0.34 1260 3.5 1440.4 310 40.15 1593 959.1 1395.0 1540.1 0.86 0.97 1175.5 35.5
2-4.5 0.34 1260 4.5 1880.2 310 40.15 1846 1103.6 1505.4 1702.0 0.82 0.92 1341.7 37.6
b SC41 0.167 1500 4 2400 295 53.6 2215 1850.5 2175.8 2341.1 0.98 1.06 2090.1 5.9
SC42 0.334 1500 4 2400 295 53.6 2275 1850.5 2261.3 2443.7 0.99 1.07 2090.1 8.8
SC51 0.167 1500 5 3000 295 53.6 2485 2011.9 2326.4 2477.8 0.94 0.99 2244.0 10.7
SC52 0.334 1500 5 3000 295 53.6 2585 2011.9 2407.9 2356.7 0.93 0.91 2244.0 15.2
SC61 0.167 1500 6 3600 295 53.6 2710 2173.4 2472.8 2801.1 0.91 1.03 2394.3 13.2
SC62 0.334 1500 6 3600 295 53.6 2775 2173.4 2550.0 2677.3 0.92 0.96 2394.3 15.9
c Un-1 0.111 4900 3.5 1960 300 22.3 1107 982.5 1166.3 1110.7 1.05 1.00 1015.9 9.0
Un-2 0.222 4900 3.5 1960 300 22.3 1129 982.5 1272.3 1192.6 1.13 1.06 1015.9 11.1
Un-3 0.333 4900 3.5 1960 300 22.3 1222 982.5 1380.2 1285.4 1.13 1.06 1015.9 20.3
B-1 0.111 4900 3.5 1960 300 26.4 1200 1055.0 1260.5 1228.5 1.05 1.02 1111.3 8.0
B-2 0.222 4900 3.5 1960 300 26.4 1237 1055.0 1365.7 1266.3 1.10 1.02 1111.3 11.3
B-3 0.333 4900 3.5 1960 300 26.4 1294 1055.0 1472.6 1305.6 1.14 1.01 1111.3 16.4
C-1 0.111 4900 3.5 1960 300 32.8 1204 1168.2 1409.3 1297.1 1.17 1.08 1261.1 -4.5
C-2 0.222 4900 3.5 1960 300 32.8 1300 1168.2 1513.8 1352.5 1.16 1.04 1261.1 3.1
C-3 0.333 4900 3.5 1960 300 32.8 1400 1168.2 1619.8 1405.9 1.16 1.00 1261.1 11.0
De-1 0.111 4900 3.5 1960 300 40 1601 1295.6 1578.0 1502.1 0.99 0.94 1430.5 11.9
D-2 0.222 4900 3.5 1960 300 40 1742 1295.6 1682.2 1655.4 0.97 0.95 1430.5 21.8
D-3 0.333 4900 3.5 1960 300 40 1815 1295.6 1787.8 1797.6 0.99 0.99 1430.5 26.9
Tabla 1
Comparación de los cálculos y de los resultados de la prueba.

A través del análisis de los datos de los resultados calculados y experimentales, se puede encontrar que la resistencia del concreto y las proporciones relativas de CFRP y acero son los principales parámetros para influir en la capacidad de carga axial de la columna compuesta. Es necesario validar el mecanismo de confinamiento de la PRFC y la mejora de la capacidad de carga axial, por lo que las proporciones relativas de la PRFC y el acero se proponen de acuerdo con el concepto de coeficiente de confinamiento equivalente (1). Las proporciones relativas de CFRP y acero consideran la resistencia, el contenido y el efecto de confinamiento de la forma de sección, es decir,

Dado que los resultados de la prueba de la capacidad de carga de las columnas del talón tienen un cierto grado de dispersión y algunos parámetros deben tomarse como el mismo valor, la capacidad de carga axial calculada Ncc se utiliza para describir la relación de mejora de la capacidad de carga con la expresión de (Ncc-NCFST)/NCFST, que refleja la función del cilindro CFRP para confinar la columna CFST, donde NCFST es el valor calculado para columna de CFST pura correspondiente. El Ncc se obtiene mediante la teoría del equilibrio límite.

La relación entre (Ncc-NCFST) / NCFST y para los tres tipos de columnas compuestas se muestra en la Figura 3. En referencia a los datos experimentales de la Tabla 1, fck de Tipo b y Tipo c se toma como 40.15 MPa similar al Tipo a, y la Figura 3(a) muestra la relación entre (Ncc − NCFST)/NCFST y bajo la misma resistencia del concreto. La relación es lineal y directamente proporcional a las columnas compuestas envueltas en CFRP con el CFRP circular exterior o el CFRP cuadrado exterior porque el cilindro exterior de CFRP fortalece toda la columna CFST. Pero para las columnas internas confinadas con CFRP circular, no hay proporción lineal porque el CFRP interno solo fortalece su hormigón interior directamente. También se puede encontrar que el CFRP circular exterior tiene el mejor efecto de confinamiento para proporcionar la relación de mejora de la capacidad de carga más alta en las mismas proporciones relativas de CFRP y acero. Mientras tanto, el CFRP cuadrado externo funciona mejor que el CFRP circular interno, como se muestra en la Figura 3 (a), es decir, el CFRP como chaquetas externas puede proporcionar el mejor confinamiento que el interno. Por otro lado, elegimos los parámetros básicos de las columnas de CFST confinadas en CFRP cuadradas exteriores en la Tabla 1 para obtener la relación entre (Ncc-NCFST)/NCFST y bajo diferentes resistencias del concreto, como se muestra en la Figura 3(b). Para cada grupo, el tubo de acero y el hormigón son iguales, por lo que la relación de mejora de la capacidad de carga es lineal y directa proporcional al contenido del cilindro CFRP. Entre los cuatro grupos, con la disminución de la resistencia del hormigón, la relación de mejora de la capacidad de carga aumenta con la mejora de las proporciones relativas de CFRP y acero. Indica que el efecto de confinamiento de la PRFC aumenta con la disminución de la resistencia del hormigón. La razón es principalmente que las contribuciones del cilindro de CFRP son la resistencia al desplazamiento de la columna de CFRP, y el concreto de baja resistencia tiene la mejor capacidad de deformación para hacer que el CFRP juegue mejor, especialmente durante el proceso de postencogido.

(a)
(un)
(b)
(b)

(a)
(a)(b)
(b)

Figura 3
Relación entre (Ncc − NCFST)/NCFST y . a) fck = 40,15. (b) fck diferente.

6. Conclusiones

En este trabajo se presentó un estudio comparativo de columnas tubulares de acero rellenas de hormigón (CFST) con tres tipos de confinamiento diferentes de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP): CFRP circular exterior, CFRP circular interior y CFRP cuadrado exterior. La columna de CFST confinada con CFRP aprovecha no solo el buen rendimiento de la CFST, sino también una mejora sustancial en un mayor confinamiento de la CFRP. El mecanismo de compresión y las propiedades físicas de la columna compuesta se analizaron en primer lugar con el objetivo de investigar los efectos de confinamiento de las diferentes CFRP en las Columnas de CFST.

Se han aplicado dos métodos basados en la Teoría Unificada de CFST y el método de equilibrio límite elastoplástico para investigar la capacidad de carga axial de columnas de muñones de CFST confinadas en CFRP. Los resultados calculados coinciden con los resultados de la prueba. A través del análisis de datos, el estudio confirmó que los resultados del cálculo de la resistencia última del método de equilibrio límite fueron más precisos y confiables que los de la Teoría Unificada de CFST. A continuación, se predijo la capacidad de carga axial de columnas CFST puras para evaluar el factor de mejora de la capacidad de carga procedente del confinamiento CFRP. Se demostró que la relación de mejora promedio es del 16,4 por ciento, lo que demuestra que los tres tipos de columnas de CFST confinadas en CFRP tenían una amplia aplicabilidad.

El CFRP puede aumentar significativamente la capacidad de carga de los miembros del CFST porque la acción complementaria entre el tubo de acero y el hormigón se fortalece a través del CFRP. La relación entre la relación de mejora de la capacidad de carga y las proporciones relativas de CFRP y acero es casi lineal, especialmente para las columnas envueltas en CFRP con el CFRP circular exterior o el CFRP cuadrado exterior. A través de un análisis comparativo, este estudio confirmó que el CFRP circular exterior tuvo el mejor efecto de confinamiento y el CFRP cuadrado exterior lo hizo mejor que el CFRP circular interior. El efecto de confinamiento de la CFRP aumentó con la disminución de la resistencia del concreto, y fue proporcional a las proporciones relativas de CFRP y CFST bajo la misma resistencia del concreto.

Disponibilidad de los datos

Todos los datos utilizados para este documento están a disposición del público y accesibles en línea. Hemos anotado todo el proceso de creación de datos y las técnicas empíricas presentadas en el documento. Hemos dado citas formales en las referencias de los artículos. Si bien no recurrimos directamente a estas fuentes para el análisis empírico, estos esfuerzos confirmaron nuestra comprensión del alcance, la escala y la precisión de las columnas de CFST confinadas en CFRP.

Conflictos de intereses

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer el apoyo prestado por la Fundación Nacional de Ciencia de China (Subvención no. 51478004). Mientras tanto, también se agradece el apoyo financiero de la Universidad Tecnológica de Hebei.

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