Capacité portante de stabilité des colonnes tubulaires en acier remplies de béton soumises à de longues

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10377 (2023) Citer cet article

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Les tubes en acier remplis de béton (CFST) sont couramment utilisés dans les applications modernes de construction et de ponts. Malgré leur popularité, les études sur l’influence de la charge à long terme sur la stabilité, la capacité portante de ces éléments sont rares. Cette étude examine comment les paramètres clés, notamment le rapport d'élancement (λ), le rapport de charge axiale (m) et le rapport d'excentricité (e/r), affectent la capacité portante de stabilité d'une colonne CFST sous charge soutenue. Vingt-trois colonnes CFST ont été fabriquées pour étudier l'effet de la charge à long terme sur la capacité portante de stabilité. Quatorze spécimens ont été soumis à une charge de compression constante pendant 462 jours, puis testés pour leur rupture. Les 9 autres étaient des spécimens compagnons sans charge. Une méthode d’éléments finis en trois étapes a été utilisée pour prédire la capacité portante de stabilité après fluage. Les résultats indiquent que la capacité portante de stabilité des colonnes CFST diminue après avoir été soumise à une charge à long terme. Les résultats expérimentaux et numériques ont indiqué que la charge des tubes en acier pour les éprouvettes à charge à long terme atteignant les processus élasto-plastique et plastique était inférieure à celle des éprouvettes sans charge. De plus, la déformation correspondante des éprouvettes de fluage était supérieure à celle des éprouvettes sans charge lorsque l'élément atteignait la charge maximale. Des analyses comparatives ont montré que le coefficient de réduction du fluage (kcr) proposé pour les poteaux CFST peut être utilisé pour prédire la réduction de la capacité portante de stabilité après le fluage. En outre, une base de données collectée comprenant 49 spécimens CFST soumis à une charge à long terme a été utilisée pour étudier les formules proposées pour kcr. Les résultats montrent que les formules étaient cohérentes avec les résultats de l'expérience.

Les éléments en tubes d'acier remplis de béton (CFST) sont des composants structurels à compression efficaces utilisés dans les structures de génie civil, tels que les ponts en arc et les colonnes utilisés dans les bâtiments1,2,3,4,5,6. Contrairement aux éléments en acier ou renforcés, le comportement et la résistance des éléments CFST sont considérablement améliorés grâce aux interactions entre le tube en acier et le remplissage en béton6. De plus, le tube d'acier peut servir de coffrage permanent pour la mise en place du béton, ce qui facilite le processus de construction. Grâce à l'amélioration continue des matériaux et des techniques de construction, la portée des ponts en arc CFST nouvellement construits a augmenté, la plus longue portée atteignant 575 m5.

Le record de longueur de travée d'arc le plus long étant constamment battu, le flambage de la nervure de l'arc est progressivement devenu un problème important en raison du rapport d'élancement croissant. De plus, les effets de fluage sur la nervure d'arc CFST sont d'autres problèmes importants rencontrés avec l'augmentation du poids propre des ponts en arc CFST. Lors de la vérification de la capacité portante de stabilité d'une nervure d'arc CFST mince, elle peut être considérée comme équivalente à une colonne mince6. . Par conséquent, la plupart des études ont été menées sur les comportements au fluage des colonnes CFST7,8,9,10,11,12,13,14. Ces études se sont concentrées sur le développement du fluage et les modèles prédits de colonnes CFST avec du béton normal, du béton de granulats recyclés, du béton expansif et du béton armé. En revanche, des études expérimentales ont étudié la stabilité, la capacité portante ultime des colonnes CFST soumises à une charge à long terme. Seules quelques discussions théoriques et formulations déduites ont été menées pour étudier la capacité portante ultime des colonnes CFST soumises à une charge à long terme. Toutes ces études ont démontré que la capacité portante de stabilité des poteaux CFST diminue en raison du comportement au fluage15,16,17,18,19,20. En outre, des méthodes de calcul numérique ont été utilisées pour analyser la capacité portante de stabilité des colonnes CFST affectées par une charge à long terme et, par conséquent, les formules de calcul du coefficient de réduction de fluage des colonnes CFST ont été dérivées21,22,23. Tan et al.24 ont déclaré que la capacité portante de stabilité des colonnes CFST n'est pas réduite après avoir été soumises à une charge à long terme. Les résultats des réf. 25 et 26 ont indiqué une diminution de la capacité portante de stabilité des colonnes CFST en raison de la charge à long terme. En revanche, certains chercheurs21,27,28,29 ont conclu que la résistance à la compression du CFST est améliorée lorsqu'il est soumis à une charge à long terme.