Undersøgelse af effekten af ​​modulære konstruktionsdetaljer på den laterale opførsel af koldformede stålrammede forskydningsvægge

Introduktion

I de senere år har strukturel og omkostningseffektivitet, holdbarhed samt bæredygtighed [1] øget brugen af ​​koldformede stålprofiler (CFS) i mange lande som både strukturelle og ikke-strukturelle elementer [2]. Forskydningsvægge lavet af CFS-elementer (studs, spor og blokeringer) og beklædt med træ- eller cementpartikelpaneler (CP) er et af de laterale belastningsmodstandsdygtige systemer (LLRS'er), der anvendes i letvægtsstålkonstruktion [3]. De vigtigste koder, der i øjeblikket definerer metoder til design af CFS-strukturer, er AISI S400 (2015) [4] og AS/NZS 4600 (2018) [5]. På det nuværende marked kan CFS-modulbygninger dog indeholde konstruktionsdetaljer, der kan påvirke deres laterale adfærd, og er ikke omfattet af de nuværende laterale designbestemmelser og retningslinjer for CFS-konstruktioner [4]. Endvidere kræver de komplekse analyser og designprocedurer relateret til det betydelige antal tynde komponenter, som er lokalt ustabile og viser adskillige fejlmekanismer, en avanceret lateral adfærdsundersøgelse [6]. I de sidste to årtier er fuldskalatest i vid udstrækning blevet brugt til at undersøge adfærden af ​​CFS-indrammede forskydningsvægge under laterale belastninger [7], [8], [9], [10], [11], hvilket udgør grundlaget for design og kodeudvikling.

Virtuel test (dvs. numerisk simulering) er også i vid udstrækning blevet brugt til at fremme undervurdering af CFS strukturel kapacitet og forudsige deres adfærd ved forskellige belastningsforhold og strukturelle komponenter, til det punkt, at det nu kan anses for at være af primær betydning med henblik på at optimere den strukturelle ydeevne af CFS-indrammede bygninger, især i de tidlige stadier af produktudviklingsprocessen.

I løbet af det sidste årti er adskillige bestræbelser blevet afsat til den numeriske simulering af CFS-indrammede forskydningsvægge udsat for monotone og cykliske (kvasi-statiske og dynamiske) laterale belastninger. Stewart model (1987) [12] blev anset for at være egnet til simulering af de eksperimentelle test udført af Nisreen Balh (2010) [13] på CFS-indrammede forskydningsvægge, men den styrkeforringelse, der blev observeret i testresultaterne, blev ikke taget i betragtning. Martínez og Xu (2010) [14] foreslog en forenklet, men præcis, tilgang til modellering af en CFS-indrammet forskydningsvæg ved hjælp af et 16-nodeskallelement med tilsvarende geometriske og materialeegenskaber afledt af de faktiske egenskaber af en CFS-indrammet forskydning væg. Liu P. et al (2012) [15] adopterede Pinching4-modellen [16] udviklet af Lowes og Altoontash (2003) [17] for at karakterisere den cykliske opførsel af CFS træbeklædte forskydningsvægge; denne model blev kalibreret baseret på eksperimentelle testresultater og gengav den hysteretiske adfærd med en acceptabel nøjagtighed (under 10 procent forskel). Baseret på den samme model blev 2- og 3-dimensionelle modeller etableret af Leng J. et al. (2017) [18] for ikke-lineære dynamiske responshistorieanalyser af fulde CFS-systemer (2-etagers bygninger). Shamim og Rogers (2013) [19] simulerede den ikke-lineære responshistorie af to-etagers CFS-indrammede forskydningsvægge under seismisk belastning ved hjælp af Pinching4-modellen, der blev kalibreret baseret på resultater af dynamiske test udført af de samme forfattere. Vigh et al. (2014) [20] udviklede og kalibrerede en forenklet stivermodel med vedtagelsen af ​​Ibarra-Medina-Krawinklers konstitutive model [21] til at repræsentere de forringede hysteretiske sløjfer af CFS korrugerede stålkappede forskydningsvægge. Buonopane et al. (2015) [22] udviklede en beregningseffektiv skruebaseret modelleringsprotokol i OpenSees software til CFS OSB-beklædte forskydningsvægge. To hysteretiske modeller, der tager højde for styrke- og stivhedsforringelse samt klemning, er blevet udviklet og implementeret i den officielle OpenSees-udgivelse (version 2.4.5 og nyere) af Kechidi og Bourahla (2016) [23] for at simulere CFS træ- og stålkappede forskydningsvægge adfærd under monoton og cyklisk lateral belastning. Det er værd at bemærke, at alle de ovenfor beskrevne numeriske simuleringer anvendte strålesøjleelementer til at modellere CFS-rammeelementerne. Som følge heraf blev lokal og forvrænget knæk eller deres kombination ikke fanget. David Padilla-Llano (2015) [24] foreslog en numerisk ramme for CFS-indrammede forskydningsvægge, der fanger den ikke-lineære cykliske adfærd af kritiske komponenter, herunder rammeelementer (kordebolte) såvel som skruer. Mere avancerede modelleringsteknikker er blevet udført af Hung Huy Ngo (2014) [25] gennem adoptionen af ​​SpringA-elementet i ABAQUS for at simulere forskydningsadfærden af ​​de skruer, der forbinder OSB-beklædning med CFS-rammeelementer. Deverni et al. (2021) [26], [27] gentog de samme bestræbelser med en forenklet tilgang til modellering af forskydningsadfærden af ​​beklædnings-til-CFS-skruerne ved hjælp af CONN3D2-elementet i ABAQUS, idet der antages en konstant vinkel mellem skruedeformationen og den globale horisontale akse hele vejen igennem alle niveauer af sidekrav på forskydningsvæggen. Uden nogen definerede af- og genbelastningsveje kan SpringA- og CONN3D2-elementer desuden blot anvendes i simuleringen af ​​den laterale opførsel af CFS-forskydningsvægge under monoton belastning. Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] modellen blev brugt af Nithyadharan og Kalyanaraman (2013) [29] til at fange den forværrede adfærd, hvad angår styrke og stivhed forringelse med alvorlig klemning, som har været observeret i skruefastgørelserne mellem beklædningen og CFS-rammeelementerne under cyklisk belastning. Efterfølgende er den konstitutive BWBN-model sammen med et variabelt orienteret fjederpar-element blevet implementeret i ABAQUS som et brugerelement (UEL) for at replikere skruernes cykliske adfærd under forskydningsbehov [30]. I alle de ovenfor beskrevne modelleringsbestræbelser var målet at gentage resultaterne af tests på konventionelle CFS-indrammede forskydningsvægge i stedet for at optimere den strukturelle ydeevne af CFS-indrammede forskydningsvægge med konstruktionsdetaljer, der ikke er dækket af de nuværende laterale designbestemmelser og retningslinjer .

Innovationen i undersøgelsen præsenteret i dette papir er at afdække effekten af ​​modulære konstruktionsdetaljer på adfærden af ​​sideværts belastede CFS-indrammede forskydningsvægge og at optimere skruemønsteret og beklædningens layouteffektivitet i denne LLRS. Derfor præsenteres i dette papir første eksperimentelle test af beklædning-til-CFS-skruer (afsnit 2) og træktest på CFS-rammeelementer (afsnit 3) for at karakterisere de grundlæggende komponenter i de forskydningsvægge, der undersøges. En avanceret modelleringsprotokol er foreslået i afsnit 4, som bruger radielle fjedre med eksperimentelt afledte rygradskurver implementeret i UEL'er, til at modellere forskydningsadfærden af ​​beklædning-til-CFS-skruer, mens der tages højde for deformationen af ​​forskydningsvægsrammeelementerne. Den foreslåede modelleringsprotokol er valideret ved hjælp af resultater fra eksperimentelle forsøg udført af forfatterne [31], hvor der er opnået en god overensstemmelse. Efterfølgende vurderes effekten af ​​yderligere detaljer, der almindeligvis anvendes i CFS-modulopbygning og går ud over omfanget af de nuværende laterale designbestemmelser (5 Parametrisk undersøgelse, 6 Evaluering af skrueforskydningsbehov, 7 Sammenligning med designkoder). De vigtigste detaljer omfatter: (i) tilstedeværelsen af ​​gulv- og loftsbjælker på den indvendige side af forskydningsvæggen, (ii) beklædningsbrædder, der har forskellige størrelser fra den samlede forskydningsvæg og dermed tilstedeværelsen af ​​både lodrette og vandrette sømme, (iii) ) brug af cementpartikelplader (CP) ved den nederste stribe af skærevæggen og (iv) forskellige skrueafstande i top- og bundstriber fra den midterste del af skærevæggen. Endelig er der blevet etableret regler for optimering af skruemønster og beklædningslayouteffektivitet i den ovenfor beskrevne LLRS.