Onderzoek naar het effect van modulaire constructiedetails op het laterale gedrag van koudgevormde stalen frame-schuifwanden

Invoering

In de afgelopen jaren hebben structurele en kostenefficiëntie, duurzaamheid en duurzaamheid [1] het gebruik van koudgevormde stalen (CFS) profielen in veel landen als zowel structurele als niet-structurele elementen doen toenemen [2]. Afschuifwanden gemaakt van CFS-elementen (stijlen, rupsbanden en blokkeringen) en omhuld met panelen van hout of cementdeeltjes (CP) zijn een van de laterale belastingbestendige systemen (LLRS's) die worden toegepast in lichtgewicht staalconstructies [3]. De belangrijkste codes die momenteel methodologieën definiëren voor het ontwerp van CFS-structuren zijn AISI S400 (2015) [4] en AS/NZS 4600 (2018) [5]. In de huidige markt kunnen modulaire CFS-gebouwen echter constructiedetails bevatten die hun lateraal gedrag kunnen beïnvloeden, en vallen ze niet onder de huidige laterale ontwerpbepalingen en richtlijnen voor CFS-constructies [4]. Bovendien vereisen de complexe analyses en ontwerpprocedures met betrekking tot het aanzienlijke aantal dunne componenten, die lokaal instabiel zijn en verschillende faalmechanismen vertonen, een geavanceerd lateraal gedragsonderzoek [6]. De afgelopen twee decennia zijn tests op volledige schaal grotendeels toegepast om het gedrag van schuifwanden met CVS-frame onder zijdelingse belastingen te onderzoeken [7], [8], [9], [10], [11], wat de basis vormt voor ontwerp en code-ontwikkeling.

Virtuele testen (dwz numerieke simulatie) zijn ook grotendeels toegepast om de onderschatting van de structurele capaciteit van CVS te bevorderen en hun gedrag te voorspellen bij verschillende belastingscondities en structurele componenten, tot het punt dat het nu van primair belang kan worden geacht voor het optimaliseren van de structurele prestaties van de gebouwen met CFS-frames, met name in de vroege stadia van het productontwikkelingsproces.

In de afgelopen tien jaar zijn verschillende inspanningen gewijd aan de numerieke simulatie van schuifwanden met een CFS-frame die worden onderworpen aan monotone en cyclische (quasi-statische en dynamische) zijdelingse belasting. Stewart-model (1987) [12] werd geschikt geacht voor de simulatie van de experimentele tests uitgevoerd door Nisreen Balh (2010) [13] op schuifwanden met CVS-frame, maar er werd geen rekening gehouden met de verslechtering van de sterkte die werd waargenomen in de testresultaten. Martínez en Xu (2010) [14] stelden een vereenvoudigde, maar nauwkeurige benadering voor voor het modelleren van een CFS-framed shear wall met behulp van een 16-node shell-element met equivalente geometrische en materiaaleigenschappen afgeleid van de werkelijke eigenschappen van een CFS-framed shear muur. Liu P. et al (2012) [15] adopteerden het Pinching4-model [16] ontwikkeld door Lowes en Altoontash (2003) [17] om het cyclische gedrag van met hout beklede schuifwanden van CVS te karakteriseren; dit model is gekalibreerd op basis van experimentele testresultaten en reproduceerde het hysteretische gedrag met een acceptabele nauwkeurigheid (minder dan 10 procent verschil). Op basis van hetzelfde model werden 2- en 3-dimensionale modellen opgesteld door Leng J. et al. (2017) [18] voor niet-lineaire dynamische responsgeschiedenisanalyses van volledige CFS-systemen (2-verdiepingen tellende gebouwen). Shamim en Rogers (2013) [19] simuleerden de niet-lineaire responsgeschiedenis van twee verdiepingen tellende CFS-omlijste schuifwanden onder seismische belasting met behulp van het Pinching4-model dat was gekalibreerd op basis van resultaten van dynamische tests uitgevoerd door dezelfde auteurs. Vig et al. (2014) [20] ontwikkeld en gekalibreerd een vereenvoudigd stutmodel met de goedkeuring van het Ibarra-Medina-Krawinkler constitutieve model [21] om de verslechterende hysteretische lussen van CVS gegolfde stalen omhulde schuifwanden weer te geven. Buonopane et al. (2015) [22] ontwikkelde een rekenkundig efficiënt op schroeven gebaseerd modelleringsprotocol in OpenSees-software voor CFS OSB-omhulde schuifwanden. Twee hysteretische modellen die rekening houden met verslechtering van de sterkte en stijfheid, evenals met knijpen, zijn ontwikkeld en geïmplementeerd in de officiële OpenSees-release (versie 2.4.5 en hoger) door Kechidi en Bourahla (2016) [23] om CFS-hout- en staalomhulde schuifwanden gedrag onder monotone en cyclische laterale belasting. Het is vermeldenswaard dat alle hierboven beschreven numerieke simulaties bundel-kolomelementen gebruikten om de CFS-frameleden te modelleren. Dientengevolge werden lokale en vervormingsknikken of hun combinatie niet vastgelegd. David Padilla-Llano (2015) [24] stelde een numeriek raamwerk voor voor CFS ingelijste schuifwanden dat het niet-lineaire cyclische gedrag van kritieke componenten vastlegt, inclusief frame-elementen (akkoordnoppen) en schroeven. Meer geavanceerde modelleringstechnieken zijn uitgevoerd door Hung Huy Ngo (2014) [25] door het gebruik van SpringA-element in ABAQUS om het afschuifgedrag te simuleren van de schroeven die OSB-omhulsel verbinden met CFS-frameleden. Deverni et al. (2021) [26], [27] repliceerden dezelfde inspanningen met een simplistische benadering van het modelleren van het afschuifgedrag van de mantel-naar-CFS-schroeven met behulp van het CONN3D2-element in ABAQUS, uitgaande van een constante hoek tussen de schroefvervorming en de globale horizontale as overal alle niveaus van zijwaartse belasting op de schuifwand. Bovendien, zonder gedefinieerde los- en herlaadpaden, kunnen SpringA- en CONN3D2-elementen alleen worden gebruikt in de simulatie van het laterale gedrag van CFS-schuifwanden onder monotone belasting. Het Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) (1993) [28]-model werd gebruikt door Nithyadharan en Kalyanaraman (2013) [29] om het verslechterende gedrag vast te leggen, in termen van verslechtering van de sterkte en stijfheid met ernstig knijpen, dat is waargenomen in de schroefbevestigingen tussen de mantel en CFS-framedelen onder cyclische belasting. Vervolgens is het BWBN constitutieve model samen met een variabel georiënteerd veerpaarelement geïmplementeerd in ABAQUS als een gebruikerselement (UEL) om het cyclische gedrag van de schroeven onder afschuifvraag te repliceren [30]. Bij alle hierboven beschreven modelleringsinspanningen was het doel om de resultaten van tests op conventionele CFS-schuifwanden te repliceren in plaats van de structurele prestaties van CFS-frame-schuifwanden te optimaliseren met constructiedetails die niet worden gedekt door de huidige bepalingen en richtlijnen voor lateraal ontwerp. .

De innovatie in de studie die in dit artikel wordt gepresenteerd, is het blootleggen van het effect van modulaire constructiedetails op het gedrag van zijdelings geladen schuifwanden met CFS-frames en het optimaliseren van de efficiëntie van het schroevenpatroon en de lay-out van de omhulsels in deze LLRS. Daarom worden in dit artikel eerste experimentele tests op omhulsel-naar-CFS-schroeven (sectie 2) en trekproeven op CVS-frame-elementen (sectie 3) gepresenteerd om de basiscomponenten van de onderzochte schuifwanden te karakteriseren. Een geavanceerd modelleringsprotocol wordt voorgesteld in Sectie 4, dat gebruik maakt van radiale veren met experimenteel afgeleide ruggengraatcurves geïmplementeerd in UEL's, om het afschuifgedrag van omhulsel-naar-CFS-schroeven te modelleren, rekening houdend met de vervorming van de afschuifwandframe-elementen. Het voorgestelde modelleringsprotocol is gevalideerd met behulp van resultaten van experimentele tests die zijn uitgevoerd door de auteurs [31], waar een goede overeenstemming is bereikt. Vervolgens wordt het effect beoordeeld van aanvullende details die algemeen worden toegepast in de modulaire constructie van CFS en die verder gaan dan de huidige bepalingen voor lateraal ontwerp (5 Parametrische studie, 6 Evaluatie van de vraag naar schroefschuifkracht, 7 Vergelijking met ontwerpcodes). De belangrijkste details zijn onder meer: ​​(i) aanwezigheid van vloer- en plafondbalken aan de binnenzijde van de scheidingswand, (ii) bekledingsplaten met verschillende afmetingen van de totale schuifwand en dus de aanwezigheid van zowel verticale als horizontale naden, (iii) ) gebruik van cementdeeltjes (CP) platen op de onderste streep van de afschuifwand en (iv) verschillende schroefafstanden in de bovenste en onderste strepen vanaf het middelste deel van de afschuifwand. Ten slotte zijn er regels opgesteld voor het optimaliseren van de efficiëntie van het schroevenpatroon en de lay-out van de omhulsels in de hierboven beschreven LLRS.