Stabilità della capacità portante delle colonne tubolari in acciaio riempite di calcestruzzo sottoposte a lungo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10377 (2023) Citare questo articolo

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I tubi in acciaio riempiti di cemento (CFST) sono comunemente utilizzati nelle moderne applicazioni per edifici e ponti. Nonostante la loro popolarità, gli studi sull’influenza dei carichi a lungo termine sulla capacità portante di tali elementi sono scarsi. Questo studio indaga come i parametri chiave tra cui il rapporto di snellezza (λ), il rapporto di carico assiale (m) e il rapporto di eccentricità (e/r) influenzano la capacità portante di stabilità di una colonna CFST sotto carico sostenuto. Sono state fabbricate ventitré colonne CFST per studiare l'effetto del carico a lungo termine sulla capacità portante della stabilità. Quattordici provini sono stati sottoposti a carico di compressione costante per 462 giorni e quindi testati per verificarne la rottura. I restanti 9 erano esemplari compagni senza carico. Per prevedere la capacità portante della stabilità dopo lo scorrimento è stato utilizzato un metodo agli elementi finiti a tre stadi. I risultati indicano che la capacità portante della stabilità delle colonne CFST diminuisce dopo essere state sottoposte a carichi a lungo termine. Sia i risultati sperimentali che quelli numerici hanno indicato che il carico del tubo di acciaio per i provini con carico a lungo termine fino al processo elastico-plastico e plastico era inferiore a quello dei provini senza carico. Inoltre, la deformazione corrispondente dei provini di scorrimento era maggiore di quella dei provini senza carico quando l'elemento raggiungeva il carico massimo. Analisi di benchmarking hanno dimostrato che il coefficiente di riduzione del creep (kcr) proposto per le colonne CFST può essere utilizzato per prevedere la riduzione della capacità portante della stabilità dopo il creep. Inoltre, per studiare le formule proposte per kcr è stato utilizzato un database raccolto comprendente 49 campioni CFST sottoposti a carico a lungo termine. I risultati mostrano che le formule erano coerenti con i risultati dell'esperimento.

Gli elementi in tubi di acciaio riempiti di cemento (CFST) sono componenti strutturali di compressione efficienti utilizzati nelle strutture di ingegneria civile, come ponti ad arco e colonne utilizzati negli edifici1,2,3,4,5,6. A differenza degli elementi in acciaio o rinforzati, il comportamento e la resistenza degli elementi CFST sono significativamente migliorati grazie alle interazioni tra il tubo d'acciaio e il tamponamento in calcestruzzo6. Inoltre, il tubo d'acciaio può fungere da cassaforma permanente per il posizionamento del calcestruzzo, facilitando il processo di costruzione. Con i continui miglioramenti nei materiali e nelle tecniche di costruzione, la campata dei ponti ad arco CFST di nuova costruzione è aumentata, con la campata più lunga che raggiunge i 575 m5.

Poiché il record di lunghezza dell'arco più lungo viene costantemente battuto, l'instabilità della nervatura dell'arco è gradualmente diventata un problema importante a causa dell'aumento del rapporto di snellezza. Inoltre, gli effetti di scorrimento sulla nervatura dell'arco CFST sono altri problemi importanti incontrati con l'aumento del peso proprio dei ponti ad arco CFST. Quando si controlla la capacità portante di stabilità di una nervatura sottile dell'arco CFST, può essere considerata equivalente a una colonna sottile6 . Pertanto, la maggior parte degli studi sono stati condotti sui comportamenti di creep per le colonne CFST7,8,9,10,11,12,13,14. Questi studi si sono concentrati sullo sviluppo del creep e sui modelli previsti delle colonne CFST con calcestruzzo normale, calcestruzzo con aggregati riciclati, calcestruzzo espansivo e cemento armato. Al contrario, studi sperimentali hanno studiato la capacità portante ultima di stabilità delle colonne CFST sottoposte a carico a lungo termine. Sono state condotte solo numerose discussioni teoriche e formulazioni dedotte per studiare la capacità portante ultima delle colonne CFST soggette a carico a lungo termine. Tutti questi studi hanno dimostrato che la capacità portante della stabilità delle colonne CFST diminuisce a causa del comportamento al creep15,16,17,18,19,20. Inoltre, sono stati utilizzati metodi di calcolo numerico per analizzare la capacità portante della stabilità delle colonne CFST soggette a carico a lungo termine e, di conseguenza, sono state derivate le formule di calcolo del coefficiente di riduzione dello scorrimento viscoso della colonna CFST21,22,23. Tan et al.24 hanno affermato che la capacità portante della stabilità delle colonne CFST non viene ridotta dopo essere state sottoposte a carichi a lungo termine. I risultati dei rif. 25 e 26 hanno indicato una diminuzione della capacità portante di stabilità delle colonne CFST a causa del carico a lungo termine. Al contrario, alcuni studiosi21,27,28,29 hanno concluso che la resistenza alla compressione del CFST migliora quando sottoposto a carico a lungo termine.