Theoretical and experimental study on cold-formed elements for steel framing in seismic areas

(English) This Thesis presents a theoretical and experimental study on cold-formed elements for seismic-resistant steel framing systems. The focus is on evaluating the feasibility of using low- and mid-rise buildings based on cold-formed steel framing with flat strap bracings as diagonal members, and built-up steel profiles or concrete-filled steel sections as boundary (chord) studs, to resist seismic actions in moderate to high seismicity areas. Three representative prototype residential buildings with five, seven, and ten storeys, located in areas with peak ground accelerations (PGA) of 0.2 g, 0.3 g, and 0.4 g have been considered. This Thesis consists of six chapters; the first is an introduction, the second describes the current state of the art, and the last presents conclusions and future research. Chapters 3, 4, and 5 constitute the main body of this Thesis, and their content is described below. Chapter 3 presents a theoretical investigation into the compressive performance of single Cold-Formed Steel (CFS) members with Cee-shaped cross-sections, as well as various built-up sections (back-to-back, toe-to-toe, nested and a stud pack 4) derived from Cee profiles. The initial assessment of compressive performance is conducted using closed-form hand expressions. These results are subsequently complemented by design based on the Finite Strip Method (FSM) and further refined through simulations employing the Generalised Beam Theory (GBT). Detailed results for the compressive performance of the studied sections, considering a range of parameters including section thicknesses, steel grades, and buckling lengths considered, are also provided. Chapter 4 describes the performed experimental investigation into the compressive performance of steel-only and concrete-filled cold-formed steel built-up sections. The study encompasses the design and preparation of the test specimens, the experimental results, the predicted compressive resistance, and a comparative analysis between the predicted and observed values. Particular attention is given to the increasing of the effective area resulting from concrete infill; which is theoretically and experimentally validated through modifications to existing design approaches. Additionally, Chapter 4 analyses the compressive resistance of two CFS built-up sections filled with concrete -referred to as 4-pack Concrete-Filled Cold-Formed Steel (CF CFS) and 6-pack Concrete-Filled Cold-Formed Steel (CF CFS)-, across a range of concrete strength classes, from C20/25 to C50/60. Chapter 5 develops the design of three representative prototype steel framing buildings, 5-, 7-, and 10-storey, in regions of moderate (PGA 0.2 g) and high seismicity (PGA 0.3 g and 0.4 g) areas, by means of a Finite Element Method software, complemented with hand calculations. The main goal is obtained the internal forces in the most critical members of the buildings (namely the chord studs and the diagonal bracings of the wall panels). As described in detail in Chapter 5, the spectral ordinates, the base shear forces, and their distribution along the height of the buildings have been determined by hand calculations in accordance with the provisions of the second-generation Eurocode, since these provisions are not yet implemented in the FEM software. The results of the seismic analyses for each prototype building and seismicity level are presented, as well as a sizing proposal of the chord studs based on both the internal forces and the compressive performance of the concrete-filled in Chapters 3 and 4. (Català) Aquesta tesi presenta un estudi teòric i experimental sobre elements conformats en fred per a sistemes estructurals d’acer resistents als sismes. L’objectiu principal és avaluar la viabilitat d’utilitzar edificis de baixa i mitjana alçada basats en estructures d’acer conformades en fred amb tirants plans com a elements diagonals, i perfils compostos d’acer o seccions d’acer farcides amb formigó com a muntants extrems, per resistir accions sísmiques en zones de sismicitat moderada a elevada. S’han estudiat tres edificis residencials prototip de cinc, set i deu plantes, situats en zones amb acceleracions màximes del terreny (PGA) de 0.2 g, 0.3 g i 0.4 g. Aquest treball consta de sis capítols: el primer és una introducció, el segon descriu l’estat de l’art, i el darrer presenta les conclusions i les línies futures de recerca. Els capítols 3, 4 i 5 constitueixen el cos principal de la tesi, i el seu contingut es descriu a continuació. El capítol 3 presenta una investigació teòrica sobre el comportament a compressió d’elements individuals d’acer conformats en fred (CFS) amb seccions transversals en forma de C, així com diverses configuracions compostes (back-to-back, toe-to-toe, nested i un paquet de quatre muntants) derivades de perfils Ce. L’avaluació inicial es realitza mitjançant expressions analítiques tancades, complementades posteriorment amb dissenys basats en el Mètode de Tires Finetes (FSM) i simulacions addicionals mitjançant la Teoria Generalitzada de Bigues (GBT). Es proporcionen resultats detallats tenint en compte diferents gruixos de secció, qualitats d’acer i longituds de vinclament. El capítol 4 descriu la investigació experimental realitzada sobre el comportament a compressió de seccions compostes d’acer conformades en fred, tant buides com farcides amb formigó. L’estudi inclou el disseny i la preparació dels assaigs, els resultats experimentals, la resistència a compressió estimada i una comparació entre els valors previstos i els observats. Es posa especial èmfasi en l’increment de l’àrea efectiva a causa del farciment amb formigó; avaluada teòricament i validada experimentalment mitjançant modificacions als enfocaments de disseny existents. A més, el capítol 4 analitza la resistència a compressió de dues configuracions compostes farcides amb formigó —anomenades 4-pack CF CFS i 6-pack CF CFS— per a una gamma de classes de resistència del formigó, des de C20/25 fins a C50/60. El capítol 5 desenvolupa el disseny de tres edificis prototip d’estructura d’acer de 5, 7 i 10 plantes, ubicats en regions de sismicitat moderada (PGA 0.2 g) i elevada (PGA 0.3 g i 0.4 g), mitjançant programari basat en el Mètode dels Elements Finits, complementat amb càlculs manuals. L’objectiu principal és obtenir els esforços interns en els elements més crítics dels edificis (concretament els muntants extrems i els tirants diagonals dels panells de paret). Tal com es detalla al capítol 5, les ordenades espectrals, les forces de tall a la base, i la seva distribució al llarg de l’alçada dels edificis s’han determinat mitjançant càlculs manuals d’acord amb les disposicions del segon Eurocodi, ja que aquestes disposicions encara no estan implementades en el programari FEM. Es presenten els resultats de l’anàlisi sísmica per a cada edifici prototip i nivell de sismicitat, així com una proposta de dimensionament dels muntants extrems basada en els esforços interns i el comportament a compressió de les seccions farcides amb formigó estudiades als capítols 3 i 4. (Español) Esta tesis presenta un estudio teórico y experimental sobre elementos conformados en frío para sistemas estructurales de acero resistentes a sismos. El enfoque principal es evaluar la viabilidad de utilizar edificaciones de baja y media altura basadas en estructuras de acero conformado en frío con diagonales de tirantes planos, y perfiles compuestos de acero o secciones de acero rellenas de hormigón como montantes de borde, para resistir acciones sísmicas en zonas de sismicidad moderada a alta. Se han estudiado tres edificios residenciales prototipo de cinco, siete y diez plantas, ubicados en zonas con aceleraciones máximas del terreno (PGA) de 0.2 g, 0.3 g y 0.4 g. Este trabajo consta de seis capítulos: el primero es una introducción, el segundo describe el estado del arte, y el último presenta las conclusiones y líneas futuras de investigación. Los capítulos 3, 4 y 5 constituyen el cuerpo principal de la tesis, cuyo contenido se describe a continuación. El capítulo 3 presenta una investigación teórica sobre el comportamiento a compresión de elementos individuales de acero conformado en frío (CFS) con secciones transversales en forma de C, así como diversas configuraciones compuestas (back-to-back, toe-to-toe, nested y un paquete de cuatro montantes) derivadas de perfiles C. La evaluación inicial se realiza mediante expresiones analíticas cerradas, complementadas posteriormente con diseños basados en el Método de Tiras Finas (FSM) y simulaciones adicionales mediante la Teoría Generalizada de Vigas (GBT). Se proporcionan resultados detallados considerando distintos espesores de sección, calidades de acero y longitudes de pandeo. El capítulo 4 describe la investigación experimental llevada a cabo sobre el comportamiento a compresión de secciones compuestas de acero conformado en frío, tanto vacías como rellenas de hormigón. El estudio incluye el diseño y preparación de los ensayos, los resultados experimentales, la resistencia a compresión estimada y una comparación entre los valores estimados y los observados. Se presta especial atención al incremento del área efectiva debido al relleno de hormigón; evaluada teórica y experimentalmente mediante modificaciones de los enfoques de diseño existentes. Además, el capítulo 4 analiza la resistencia a compresión de dos configuraciones compuestas rellenas de hormigón —denominadas 4-pack CF CFS y 6-pack CF CFS— para una gama de clases de resistencia del hormigón, desde C20/25 hasta C50/60. El capítulo 5 desarrolla el diseño de tres edificios prototipo de estructura de acero de 5, 7 y 10 plantas, ubicados en regiones de sismicidad moderada (PGA 0.2 g) y alta (PGA 0.3 g y 0.4 g), mediante software basado en el Método de los Elementos Finitos, complementados con cálculos manuales. El objetivo principal es obtener los esfuerzos internos en los elementos más críticos de los edificios (específicamente los montantes extremos y los tirantes diagonales de los paneles de pared). Tal como se detalla en el capítulo 5, las ordenadas espectrales, las fuerzas de corte en la base y su distribución a lo largo de la altura de los edificios se han determinado mediante cálculos manuales conforme a las disposiciones del Eurocódigo de segunda generación, ya que dichas disposiciones aún no están implementadas en el software FEM. Se presentan los resultados de los análisis sísmicos para cada edificio prototipo y nivel de sismicidad, así como una propuesta de dimensionamiento de los montantes basada en los esfuerzos internos y el comportamiento a compresión de las secciones rellenas de hormigón estudiadas en los capítulos 3 y 4.