<< Volver atrás

Tesis:

Diseño y fabricación de columnas híbridas tubulares de doble pared metálica con núcleo en material no metálico. Estados límite a compresión: análisis, modelización y ensayos

  • Autor: TORRES ESCOBAR, Gregorio

  • Título: Diseño y fabricación de columnas híbridas tubulares de doble pared metálica con núcleo en material no metálico. Estados límite a compresión: análisis, modelización y ensayos

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS NAVALES

  • Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/78176/

  • Director/a 1º: SUÁREZ BERMEJO, Juan Carlos
  • Director/a 2º: ARENAS REINA, José Manuel

  • Resumen: Esta tesis se integra en el campo de conocimiento de la ingeniería estructural, área que ocupa del análisis y diseño de estructuras de toda índole. Se ha trabajado con elementos estructurales híbridos, tecnología que combina materiales tradicionales como el acero y el hormigón con otro tipo de materiales menos convencionales en la construcción y en la industria en general. En esta investigación en particular, se ha trabajado con columnas híbridas cuya función principal es la de resistir esfuerzos de compresión o combinación de éstos con otro tipo de esfuerzos. El objetivo principal de la tesis ha consistido en el diseño y fabricación de columnas híbridas tubulares de doble pared metálica con núcleo en material no metálico, así como el análisis de su comportamiento. Para ello se han fabricado cuatro columnas híbridas con una misma configuración, pero con diferentes materiales en el núcleo de naturaleza no metálica, con el objeto de conocer su comportamiento a compresión y analizar las mejoras en prestaciones estructurales que pueden ofrecer estos diseños frente a elementos convencionales. Dada la complejidad del estudio, se ha utilizado una metodología que combina estudios analíticos, ensayos experimentales y simulación por el método de los elementos finitos (MEF). La metodología analítica ha consistido principalmente en el uso del Eurocódigo 3 y 4, aunque también se han realizado análisis con otros códigos internacionales de diseño. Posteriormente se realizaron ensayos a compresión donde se monitorizaron de forma sincronizada la carga y el desplazamiento axial, y además se obtuvieron mapas de las deformaciones unitarias de la parte central de la columna con un programa específico de correlación de imágenes. Una vez comprobado el comportamiento a compresión de cada una de las columnas con diferentes materiales de núcleo, se realizaron simulaciones numéricas por el MEF, mediante el uso del programa ANSYS. Las simulaciones con ANSYS se realizaron mediante un análisis de pandeo no lineal (PNL), que hizo necesario la realización previa de un análisis de pandeo lineal (PL). La tesis doctoral ha sido estructurada en ocho capítulos. El capítulo 1 describe el estado actual de la técnica en este campo. En el capítulo 2 se desarrolla el diseño del tubo doble de acero con núcleo de material no metálico teniendo en cuenta consideraciones técnicas relativas a los materiales, características del acero, esbeltez de los tubos y forma de la sección transversal. En los capítulos 3 y 4 se establecen, respectivamente, las bases de la metodología experimental y se presentan los resultados de los ensayos. El capítulo 5 expone la metodología analítica utilizada para la evaluación del comportamiento a compresión de este tipo de elementos tubulares híbridos teniendo en cuenta diferentes códigos diseño internacionales. En el capítulo 6 se muestran los resultados de la simulación por el MEF del comportamiento a compresión de estos elementos híbridos utilizando el programa ANSYS. El análisis comparado de los resultados obtenidos en los tres estudios (ensayos experimentales, evaluación analítica y simulación por el MEF) y la discusión de éstos se incluye en el capítulo 7. Finalmente, en el capítulo 8 se muestran las conclusiones generales y particulares obtenidas en la realización de la presente tesis y se describen diferentes líneas de investigación futura en este campo. Generalmente los materiales híbridos estructurales suelen diseñarse en base a un objetivo principal, pero su uso lleva aparejado otras implicaciones secundarias que en ocasiones son también mejoras. A continuación, se citan algunos ejemplos: la mejora de prestaciones a nivel resistente, reducir las deformaciones, conseguir un material más ligero, mejoras económicas, conseguir una mayor durabilidad, hacer uso de una determinada metodología constructiva (industrialización), mejor comportamiento frente a cargas de impacto, vibraciones, fatiga, etc. Las columnas híbridas diseñadas, han sido concebidas de forma que permita alcanzar niveles de carga elevados con un factor de utilización alto de los elementos tubulares de acero que forman parte del elemento. En base a ello, se ha podido conocer el comportamiento de los diferentes rellenos que forman parte del núcleo una vez que el acero ha absorbido la mayor parte en la primera fase de carga, por su mayor rigidez. Esto, ha permitido observar cómo a partir de un determinado límite los rellenos comienzan a contribuir, bajo demanda, de forma solidaria con los dos tubos de acero. La fabricación de los tubos híbridos consistió en el cortado, ensamblaje y colocación del material del núcleo. Se han utilizado cuatro materiales diferentes como material en los núcleos. El primero de ellos es una espuma de poliuretano de baja densidad con 15 kg/m3. El segundo material es una resina de poliuretano bi-componente hidrofóbica llamada Elastopack(R) 201 de la empresa De Neef Technologies. El tercer material es un epoxi tixotrópico bi-componente llamado Multitek(R) también de De Neef Technologies. Por último, se ha utilizado un mortero mono-componente con base de cemento y resistencia mecánica muy elevada llamado SikaGrout(R)-295 de Sika. Los ensayos se desarrollaron en el Centro de Investigación en Materiales Estructurales (CIME). Éstos consistieron en la aplicación de una carga axial cuasi estática mediante una máquina universal de 120 t de capacidad. Para la medición y análisis de deformaciones se utilizó un programa digital de correlación de imágenes. Todos los elementos tubulares han tenido dos ciclos de carga máxima antes de su agotamiento excepto el tubo fabricado con núcleo de espuma de poliuretano que alcanzó el límite de su capacidad al pandear en el primer ciclo de carga. Asimismo, el elemento con núcleo de mortero (SikaGrout-295) ha sido el único que no ha sufrido colapso por pandeo global tras el máximo alcanzado en el segundo ciclo. El tubo con relleno de espuma de poliuretano alcanzó una carga máxima en el primer ciclo de 263,59 kN, hasta que falló por pandeo tras este primer pico máximo. En el resto de los tubos se alcanzaron en el primer ciclo de carga valores de 221,02 kN en el caso del Elastopack-201, 279,49 kN en el caso del Multitek y 288,21 kN en el caso del SikaGrout-295. En el segundo ciclo de carga se alcanzaron valores de 202,18 kN en el caso del tubo de Elastopack-201, 305,97 kN en el caso del Multitek y 290,18 kN con el relleno de SikaGrout-295. Los dos primeros, tubos con núcleos de Elastopack-201 y de Multitek, fallaron por pandeo tras alcanzar este segundo pico máximo. En cambio, el tubo con núcleo de SikaGrout-295 no perdió la estabilidad por pandeo manteniendo su directriz recta tras este segundo pico máximo, aunque el ensayo se detuvo debido a unas deformaciones importantes en la zona de transmisión de carga. En el capítulo 7 se han contrastado las tres metodologías empleadas (experimental, analítica y simulaciones numéricas por el MEF). La relación de los valores alcanzados durante el primer ciclo de carga (N1,max) con respecto a los valores obtenidos con la metodología analítica utilizando el Eurocódigo 4 (Nb,Rd), fueron los siguientes: 1,29 para el núcleo de espuma de poliuretano, 1,05 para el de Elastopack-201, 0,99 para el de Multitek y 0,96 para el de SikaGrout-295. En el segundo ciclo de carga (N2,max), las ratios con respecto a Nb,Rd fueron 0,96, 1,09 y 1,03 para los tubos con núcleos de Elastopack- 201, Multitek y SikaGrout, respectivamente. De la comparación de los valores máximos durante los ensayos, N1,max y N2,max, con el valor del análisis pandeo no lineal realizado con las simulaciones por el MEF (NPNL), se obtuvieron unas ratios en el primer ciclo de carga para los tubos con núcleo de espuma de poliuretano, Elastopack-201, Multitek y SikaGrout-295 de 1,13, 0,93, 0,95 y 0,73, respectivamente. Asimismo, en el caso del segundo ciclo de carga, estas ratios fueron respectivamente de 0,85, 1,04 y 0,78 para los núcleos de Elastopack-201, Multitek y SikaGrout-295. Los resultados obtenidos en la presente tesis se han recogido en un artículo titulado "Compression Behavior of Hybrid Tubes for Lightweight Steel Structures" publicado en la revista Materials (Q1 del JCR) en noviembre de 2021. Así pues, los resultados de la tesis doctoral han permitido comprobar la idoneidad de la metodología combinada propuesta (ensayos, estudio analítico y simulación por MEF) para describir el comportamiento a compresión de las columnas híbridas tubulares de doble pared metálica con núcleo de material no metálico, así como el interés técnico de estos rellenos para adecuar el comportamiento del elemento híbrido a las necesidades estructurales específicas de cada aplicación técnica. ABSTRACT This thesis is integrated into the field of knowledge of structural engineering, an area that deals with the analysis and design of all kinds of structures. Work has consisted of studying hybrid structural elements, technology that combines traditional materials such as steel and concrete with other types of non-conventional materials in construction and industry in general. In this research, the work has been carried out with hybrid columns whose main function is to resist compression loads or also a combination of these with other types of loads. The main objective of the thesis has consisted in the design and fabrication of hybrid tubular metallic double-walled columns with a non-metallic material core, as well as the analysis of their behavior. For this purpose, four hybrid columns with the same configuration, but with different non-metallic core materials, have been manufactured to know their behavior under compression and to analyze the improvements in structural performance that these designs can offer compared to conventional elements. Given the complexity of the study, a methodology that combines analytical studies, experimental tests, and numerical simulations by the finite element method (FEM) have been used. The analytical methodology consisted mainly in the use of Eurocode 3 and 4, although analyses with other international design codes were also performed. Subsequently, compression tests were carried out where the load and axial displacement were monitored, and strain maps of the central part of the column were obtained with a specific image correlation software. Once the compression behavior of each of the columns with different core materials was verified, numerical simulations were carried out by the FEM, using the ANSYS software. The simulations with ANSYS were performed by means of a non-linear buckling analysis (NLB), which made it necessary to previously perform a linear buckling analysis (LBA). The doctoral thesis has been structured in eight chapters. Chapter 1 describes the current state of the art in this field. Chapter 2 develops the design of the double steel tube with a core of non-metallic material, considering technical aspects related to the materials, characteristics of the steel, slenderness of the tubes and the shape of the cross section. In chapters 3 and 4 the bases of the experimental methodology are established, respectively, and the results of the tests are presented. Chapter 5 exposes the analytical methodology used for the evaluation of the compression behavior of this type of hybrid tubular elements considering different international design codes. Chapter 6 shows the results of the simulation by the FEM of the compression behavior of these hybrid elements using the ANSYS program. The comparative analysis of the results obtained in the three studies (experimental tests, analytical method, and numerical simulations by the FEM) and the discussion of these is included in chapter 7. Finally, Chapter 8 shows the general and specific conclusions obtained in the realization of this thesis and describes different lines of future research in this field. Generally, structural hybrid materials are designed based on a main objective, but their use has other secondary implications that are sometimes also improvements. The following are some examples: improve strength performance, reduce deformations, to get lighter material, economic improvements, increase durability, use of a certain construction methodology (industrialization), better performance against impact loads, vibrations, fatigue, etc. The hybrid columns designed have been conceived in such a way as to allow important levels to be reached with a high utilization ratio of the tubular steel elements that form part of the element. Based on this, it has been possible to know the behavior of the different fillers that are part of the core once the steel has absorbed most of it in the first loading phase, due to its higher stiffness. This has made it possible to observe how, from a certain limit, the fillers begin to contribute, on demand, in solidarity with the two steel tubes. The fabrication of the hybrid tubes consisted of cutting, assembly and placement of the core material. Four different materials have been used as core material. The first one is a low-density polyurethane foam with 15 kg/m3. The second material is a hydrophobic bicomponent polyurethane resin called Elastopack(R) 201 from De Neef Technologies. The third material is a thixotropic bi-component epoxy called Multitek(R) also from De Neef Technologies. Finally, a cement-based single-component mortar with very high mechanical strength called SikaGrout(R)-295 from Sika was used. The tests were carried out at the Centro de Investigación en Materiales Estructurales (CIME). They consisted of the application of a quasi-static axial load by means of a 120 t capacity universal machine. A digital image correlation program was used for the measurement and analysis of deformations. All the tubular elements have had two maximum load cycles before failure except for the polyurethane foam core tube, which reached its capacity limit by buckling in the first load cycle. Likewise, the element with mortar core (SikaGrout-295) was the only one that did not collapse due to global buckling after the maximum load reached in the second cycle. The polyurethane foam-filled tube reached a maximum load in the first cycle of 263.59 kN, until it failed by buckling after this first maximum peak. For the rest of the tubes, values of 221.02 kN for Elastopack-201, 279.49 kN for Multitek and 288.21 kN for SikaGrout-295 were reached in the first load cycle. In the second loading cycle, values of 202.18 kN were reached for the Elastopack-201 column, 305.97 kN for the Multitek and 290.18 kN with the SikaGrout-295 filler. The tubes with Elastopack-201 and Multitek cores, failed by buckling after reaching this second maximum peak. In contrast, the hybrid tube with the SikaGrout-295 core did not lose stability due to buckling, maintaining its verticality after this second maximum peak, although the test was stopped due to significant deformations in the load transmission zone. In chapter 7, the three methodologies used (experimental, analytical, and numerical simulations by the MEF) have been contrasted. The ratio of the values reached during the first load cycle (N1,max) with respect to the values obtained with the analytical methodology using Eurocode 4 (Nb,Rd), were 1.29 in the polyurethane foam core tube, 1.05 in the tube with Elastopack-201, 0.99 in the tube with Multitek and 0.96 in the case of SikaGrout-295. In the second load cycle (N2,max) with respect to Nb,Rd, the ratios were 0.96, 1.09 and 1.03 in the Elastopack-201, Multitek and SikaGrout tubes. respectively. From the comparison of the maximum values during the tests, N1,max and N2,max, with the value of the non-linear buckling analysis carried out with the simulations by the FEM (NPNL), some ratios were obtained in the first load cycle for tubes with a polyurethane foam core, Elastopack-201, Multitek and SikaGrout-295 of 1.13, 0.93, 0.95 and 0.73, respectively. Likewise, in the case of the second load cycle, these ratios were respectively 0.85, 1.04 and 0.78 for the Elastopack-201, Multitek and SikaGrout-295 cores. The results obtained in this thesis have been collected in an article entitled "Compression Behavior of Hybrid Tubes for Lightweight Steel Structures" published in the Materials magazine (Q1 of the JCR) in November 2021. Thus, the results of the doctoral thesis have allowed to verify the suitability of the proposed combined methodology (tests, analytical study, and FEM simulations) to describe the compression behavior of double-walled tubular hybrid columns with a non-metallic core, as well as the technical interest of these fillers to adapt the behavior of the hybrid element to the specific structural needs of each technical application.