Дослідження впливу деталей модульної конструкції на бічну поведінку холодноформованих сталевих каркасних стін на зсув

вступ

В останні роки структурна та економічна ефективність, довговічність, а також стійкість [1] збільшили використання холодноформованих сталевих профілів (CFS) у багатьох країнах як структурних, так і неконструкційних елементів [2]. Стіни на зсув, виготовлені з елементів CFS (шпильки, доріжки та блокування) і обшиті дерев’яними або цементно-стружковими (CP) панелями, є однією з систем опору бічним навантаженням (LLRS), прийнятих у легких сталевих конструкціях [3]. Основними кодами, які наразі визначають методології проектування структур CFS, є AISI S400 (2015) [4] та AS/NZS 4600 (2018) [5]. Однак на поточному ринку модульні будівлі CFS можуть включати конструктивні деталі, які можуть вплинути на їх бічну поведінку, і не охоплюються поточними положеннями та рекомендаціями щодо бічного проектування конструкцій CFS [4]. Крім того, складні аналізи та процедури проектування, пов’язані зі значною кількістю тонких компонентів, які є локально нестабільними та демонструють кілька механізмів руйнування, вимагають розширеного дослідження бокової поведінки [6]. Протягом останніх двох десятиліть повномасштабні випробування були в основному прийняті для дослідження поведінки каркасних стін CFS під дією бічних навантажень [7], [8], [9], [10], [11], що є основою для дизайн і розробка коду.

Віртуальне тестування (тобто чисельне моделювання) також було в основному прийнято для поглиблення заниження структурної ємності CFS і прогнозування їх поведінки при зміні умов навантаження та структурних компонентів, до того, що тепер воно може вважатися першочерговим для цілей оптимізації конструктивні характеристики каркасних будівель CFS, зокрема, на ранніх етапах процесу розробки продукту.

За останнє десятиліття кілька спроб було присвячено чисельному моделюванню каркасних стін CFS, що піддаються монотонному та циклічному (квазістатичному та динамічному) бічному навантаженню. Модель Стюарта (1987) [12] було визнано придатною для моделювання експериментальних випробувань, проведених Нісріном Балом (2010) [13] на каркасних стінах CFS, однак погіршення міцності, що спостерігалося в результатах випробувань, не було враховано. Мартінес і Сю (2010) [14] запропонували спрощений, але точний підхід для моделювання каркасної стіни CFS з використанням 16-елемента оболонки вузла з еквівалентними геометричними властивостями та властивостями матеріалу, отриманими з фактичних властивостей каркасної стіни CFS стіна. Liu P. та ін. (2012) [15] прийняли модель Pinching4 [16], розроблену Lowes і Altoontash (2003) [17], щоб охарактеризувати циклічну поведінку зсувних стін CFS, обшитих деревом; ця модель була відкалібрована на основі результатів експериментальних випробувань і відтворювала гістерезисну поведінку з прийнятною точністю (різниця нижче 10 відсотків). На основі тієї ж моделі Ленг Дж. та ін. створили 2- та 3-розмірні моделі. (2017) [18] для нелінійного аналізу історії динамічного відгуку повних систем CFS (2-поверхових будівель). Шамім і Роджерс (2013) [19] змоделювали історію нелінійного відгуку двоповерхових каркасних стін CFS під впливом сейсмічного навантаження за допомогою моделі Pinching4, яка була відкалібрована на основі результатів динамічних випробувань, проведених тими ж авторами. Vigh та ін. (2014) [20] розробили та відкалібрували спрощену модель стійки з використанням конститутивної моделі Ібарра-Медіни-Кравінклера [21] для представлення петель гістерезису, що погіршуються, гофрованих стін CFS, покритих сталевою оболонкою. Буонопане та ін. (2015) [22] розробили обчислювально ефективний протокол моделювання на основі шурупів у програмному забезпеченні OpenSees для стін, облицьованих CFS OSB. Дві гістерезисні моделі, які враховують погіршення міцності та жорсткості, а також защемлення, були розроблені та реалізовані в офіційному випуску OpenSees (версія 2.4.5 і вище) Кечіді та Бурала (2016) [23] для моделювання CFS деревини та Поведінка зсувних стінок зі сталевою оболонкою при монотонному та циклічному бічному навантаженні. Варто зазначити, що всі вищеописані чисельні моделювання використовували елементи балок-колон для моделювання елементів рами CFS. Отже, локальне та деформаційне вигин або їх комбінація не були зафіксовані. Девід Паділья-Ллано (2015) [24] запропонував чисельну структуру для каркасних зсувних стінок CFS, яка фіксує нелінійну циклічну поведінку критичних компонентів, включаючи елементи рами (шипки), а також гвинти. Більш просунуті методи моделювання були використані Hung Huy Ngo (2014) [25] шляхом впровадження елемента SpringA в ABAQUS для моделювання поведінки зсуву гвинтів, що з’єднують обшивку OSB з елементами рами CFS. Деверні та ін. (2021) [26], [27] відтворили ті самі зусилля за допомогою спрощеного підходу до моделювання поведінки зсуву гвинтів оболонка-CFS за допомогою елемента CONN3D2 в ABAQUS, припускаючи постійний кут між деформацією гвинта та глобальною горизонтальною віссю по всій площині. всі рівні бокового попиту на стінці зсуву. Крім того, без визначених шляхів розвантаження та повторного навантаження елементи SpringA та CONN3D2 можуть бути використані лише для моделювання бічної поведінки стінок зсуву CFS під монотонним навантаженням. Модель Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] була використана Nithyadharan та Kalyanaraman (2013) [29], щоб зафіксувати погіршення поведінки, з точки зору погіршення міцності та жорсткості з сильним защемленням, яке було спостерігається в гвинтових кріпленнях між обшивкою та елементами рами CFS під час циклічного навантаження. Згодом конститутивна модель BWBN разом зі змінно орієнтованим елементом пружинної пари була реалізована в ABAQUS як елемент користувача (UEL) для повторення циклічної поведінки гвинтів під вимогою зсуву [30]. У всіх вищеописаних спробах моделювання метою було відтворити результати випробувань на звичайних каркасних зрізних стінах CFS, а не оптимізувати конструктивні характеристики каркасних зрізних стін із CFS з конструктивними деталями, які не охоплюються поточними положеннями та рекомендаціями щодо бокового проектування. .

Інновація в дослідженні, представленому в цьому документі, полягає в тому, щоб виявити вплив деталей модульної конструкції на поведінку каркасних стін CFS з боковим навантаженням і оптимізувати структуру гвинтів і ефективність розташування обшивки в цьому LLRS. Тому в цій статті представлені перші експериментальні випробування гвинтів оболонки до CFS (Розділ 2) і випробування на розтягування елементів рами CFS (Розділ 3), щоб охарактеризувати основні компоненти досліджуваних стінок на зсув. Розширений протокол моделювання пропонується в Розділі 4, який використовує радіальні пружини з експериментально отриманими основними кривими, реалізованими в UEL, для моделювання поведінки зсуву гвинтів оболонки до CFS, враховуючи при цьому деформацію елементів рами стінки на зріз. Запропонований протокол моделювання перевірено з використанням результатів експериментальних випробувань, проведених авторами [31], де було досягнуто хорошої згоди. Згодом оцінюється вплив додаткових деталей, які зазвичай застосовуються в модульній конструкції CFS і виходять за рамки поточних положень бічного проектування (5 Параметричне дослідження, 6 Оцінка попиту на зсув гвинта, 7 Порівняння з проектними кодами). Основні деталі включають: (i) наявність балок для підлоги та стелі на внутрішній стороні зрізної стіни, (ii) дошки обшивки, які мають різні розміри від загальної зрізної стіни, і, отже, наявність як вертикальних, так і горизонтальних швів, (iii ) використання цементно-стружкових (CP) плит у нижній смузі зсувної стіни та (iv) різні відстані між гвинтами у верхній і нижній смугах від середньої частини зсувної стіни. Нарешті, були встановлені правила для оптимізації схеми гвинтів і ефективності розташування оболонок у вищеописаній LLRS.