Investigarea efectului detaliilor construcției modulare asupra comportamentului lateral al pereților de forfecare cu rame din oțel formați la rece

Introducere

În ultimii ani, eficiența structurală și a costurilor, durabilitatea, precum și sustenabilitatea [1] au intensificat utilizarea profilelor din oțel format la rece (CFS) în multe țări ca elemente atât structurale, cât și nestructurale [2]. Pereții de forfecare formați din elemente CFS (studii, șine și blocaje) și acoperiți cu panouri din lemn sau particule de ciment (CP) sunt unul dintre sistemele de rezistență la sarcină laterală (LLRS) adoptate în construcțiile ușoare din oțel [3]. Principalele coduri care definesc în prezent metodologiile de proiectare a structurilor CFS sunt AISI S400 (2015) [4] și AS/NZS 4600 (2018) [5]. Cu toate acestea, pe piața actuală, clădirile modulare CFS pot include detalii de construcție care le-ar putea influența comportamentul lateral și nu sunt acoperite de prevederile și liniile directoare actuale de proiectare laterală pentru structurile CFS [4]. Mai mult, analizele complexe și procedurile de proiectare legate de numărul semnificativ de componente subțiri, care sunt instabile local și prezintă mai multe mecanisme de defectare, necesită o investigare avansată a comportamentului lateral [6]. În ultimele două decenii, testarea la scară reală a fost adoptată în mare măsură pentru a investiga comportamentul pereților de forfecare încadrați CFS sub sarcini laterale [7], [8], [9], [10], [11], punând baza pentru proiectare și dezvoltare de cod.

Testarea virtuală (adică, simularea numerică) a fost, de asemenea, adoptată în mare măsură pentru a avansa subestimarea capacității structurale CFS și pentru a prezice comportamentul acestora la diferite condiții de încărcare și componente structurale, până la punctul în care acum poate fi considerată de importanță primordială în scopul optimizării. performanța structurală a clădirilor încadrate CFS, în special, în primele etape ale procesului de dezvoltare a produsului.

De-a lungul ultimului deceniu, mai multe eforturi au fost dedicate simulării numerice a pereților de forfecare încadrați CFS supuși sarcinilor laterale monotone și ciclice (cvasi-statice și dinamice). Modelul Stewart (1987) [12] a fost considerat adecvat pentru simularea testelor experimentale efectuate de Nisreen Balh (2010) [13] pe pereți de forfecare încadrați CFS, cu toate acestea, deteriorarea rezistenței observată în rezultatele testelor nu a fost luată în considerare. Martínez și Xu (2010) [14] au propus o abordare simplificată, dar precisă, pentru modelarea unui perete de forfecare încadrat CFS folosind un element de înveliș 16-nod cu proprietăți geometrice și materiale echivalente derivate din proprietățile reale ale unei forfecări încadrate CFS perete. Liu P. et al (2012) [15] au adoptat modelul Pinching4 [16] dezvoltat de Lowes și Altoontash (2003) [17] pentru a caracteriza comportamentul ciclic al pereților de forfecare CFS înveliți cu lemn; acest model a fost calibrat pe baza rezultatelor testelor experimentale și a reprodus comportamentul histeretic cu o acuratețe acceptabilă (sub 10 la sută diferență). Pe baza aceluiași model, modelele 2- și 3-dimensionale au fost stabilite de Leng J. și colab. (2017) [18] pentru analizele istoricului răspunsului dinamic neliniar ale sistemelor CFS complete (2-cladiri cu etaje). Shamim și Rogers (2013) [19] au simulat istoricul răspunsului neliniar al pereților de forfecare încadrați CFS cu două etaje sub sarcină seismică folosind modelul Pinching4 care a fost calibrat pe baza rezultatelor testelor dinamice efectuate de aceiași autori. Vigh şi colab. (2014) [20] a dezvoltat și calibrat un model simplificat de lărgi cu adoptarea modelului constitutiv Ibarra-Medina-Krawinkler [21] pentru a reprezenta buclele histeretice deteriorate ale pereților de forfecare înveliți cu oțel ondulat CFS. Buonopane și colab. (2015) [22] a dezvoltat un protocol de modelare bazat pe șuruburi eficient din punct de vedere computațional în software-ul OpenSees pentru pereții de forfecare înveliți cu OSB CFS. Două modele histeretice care iau în considerare deteriorarea rezistenței și rigidității, precum și a ciupirii, au fost dezvoltate și implementate în versiunea oficială OpenSees (versiunea 2.4.5 și mai sus) de către Kechidi și Bourahla (2016) [23] pentru a simula lemnul CFS și Comportarea pereților de forfecare înveliți cu oțel sub sarcină laterală monotonă și ciclică. Este de remarcat faptul că toate simulările numerice descrise mai sus au adoptat elemente fascicul-coloană pentru a modela elementele cadrului CFS. În consecință, flambajul local și distorsionat sau combinația lor nu au fost capturate. David Padilla-Llano (2015) [24] a propus un cadru numeric pentru pereții de forfecare încadrați CFS care surprinde comportamentul ciclic neliniar al componentelor critice, inclusiv elementele cadrului (stimpuri de coardă), precum și șuruburi. Tehnici de modelare mai avansate au fost întreprinse de Hung Huy Ngo (2014) [25] prin adoptarea elementului SpringA în ABAQUS pentru a simula comportamentul la forfecare al șuruburilor care conectează învelișul OSB la elementele cadrului CFS. Deverni et al. (2021) [26], [27] au replicat aceleași eforturi cu o abordare simplistă de modelare a comportamentului la forfecare al șuruburilor de înveliș la CFS folosind elementul CONN3D2 în ABAQUS presupunând un unghi constant între deformarea șurubului și axa orizontală globală pe tot parcursul toate nivelurile de solicitare laterală pe peretele de forfecare. Mai mult decât atât, fără căi de dezîncărcare și reîncărcare definite, elementele SpringA și CONN3D2 pot fi adoptate doar în simularea comportării laterale a pereților de forfecare CFS sub sarcină monotonă. Modelul Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] a fost folosit de Nithyadharan și Kalyanaraman (2013) [29] pentru a surprinde comportamentul de deteriorare, în ceea ce privește deteriorarea rezistenței și rigidității prin ciupirea severă, care a fost observate la elementele de fixare cu șuruburi dintre manta și elementele cadrului CFS sub sarcină ciclică. Ulterior, modelul constitutiv BWBN împreună cu un element pereche de arc orientat variabil au fost implementate în ABAQUS ca element utilizator (UEL) pentru a reproduce comportamentul ciclic al șuruburilor la cererea de forfecare [30]. În toate eforturile de modelare descrise mai sus, scopul a fost de a replica rezultatele testelor pe pereții de forfecare încadrați CFS convenționali, mai degrabă decât de a optimiza performanța structurală a pereților de forfecare încadrați CFS cu detalii de construcție care nu sunt acoperite de prevederile și liniile directoare actuale de proiectare laterală. .

Inovația în studiul prezentat în această lucrare este de a descoperi efectul detaliilor de construcție modulare asupra comportamentului pereților de forfecare încadrați CFS cu încărcare laterală și de a optimiza modelul șuruburilor și eficacitatea amenajării învelișurilor în acest LLRS. Prin urmare, în această lucrare, sunt prezentate primele teste experimentale asupra șuruburilor de înveliș la CFS (Secțiunea 2) și încercări de tracțiune pe elementele cadrului CFS (Secțiunea 3) pentru a caracteriza componentele de bază ale pereților de forfecare supuși investigației. Un protocol avansat de modelare este propus în Secțiunea 4, care utilizează arcuri radiale cu curbe ale coloanei vertebrale derivate experimental implementate în UEL-uri, pentru a modela comportamentul la forfecare al șuruburilor de înveliș la CFS, ținând cont în același timp de deformarea elementelor cadrului peretelui de forfecare. Protocolul de modelare propus este validat cu ajutorul rezultatelor rezultate din teste experimentale efectuate de autori [31], unde s-a obținut un acord bun. Ulterior, se evaluează efectul detaliilor suplimentare care sunt adoptate în mod obișnuit în construcția modulară CFS și care depășesc domeniul de aplicare al prevederilor actuale de proiectare laterală este evaluat (5 Studiu parametric, 6 Evaluarea cererii de forfecare a șurubului, 7 Comparație cu codurile de proiectare). Principalele detalii includ: (i) prezența grinzilor de podea și tavan pe fața interioară a peretelui de forfecare, (ii) plăci de acoperire cu dimensiuni diferite față de peretele general de forfecare și, prin urmare, prezența cusăturilor atât verticale, cât și orizontale, (iii) ) utilizarea plăcilor de particule de ciment (CP) la banda inferioară a peretelui de forfecare și (iv) distanțe diferite între șuruburi în dungile superioare și inferioare din partea de mijloc a peretelui de forfecare. În cele din urmă, s-au stabilit reguli pentru optimizarea modelului șuruburilor și a eficienței de aranjare a mantalei în LLRS descris mai sus.