Undersøkelse av effekten av modulære konstruksjonsdetaljer på den laterale oppførselen til kaldformede stålrammede skjærvegger

Introduksjon

De siste årene har strukturell og kostnadseffektivitet, holdbarhet samt bærekraft [1] økt bruken av kaldformede stålprofiler (CFS) i mange land som både strukturelle og ikke-strukturelle elementer [2]. Skjærvegger laget av CFS-elementer (stendere, spor og blokkeringer) og belagt med tre- eller sementpartikkelpaneler (CP) er et av de laterale lastbestandige systemene (LLRS) som brukes i lettvektsstålkonstruksjon [3]. Hovedkodene som i dag definerer metodikk for design av CFS-strukturer er AISI S400 (2015) [4] og AS/NZS 4600 (2018) [5]. I det nåværende markedet kan CFS-modulbygg imidlertid inneholde konstruksjonsdetaljer som kan påvirke deres sideveis oppførsel, og dekkes ikke av gjeldende sidedesignbestemmelser og retningslinjer for CFS-konstruksjoner [4]. Videre krever de komplekse analysene og designprosedyrene knyttet til det betydelige antallet tynne komponenter, som er lokalt ustabile og viser flere feilmekanismer, en avansert lateral atferdsundersøkelse [6]. I løpet av de siste to tiårene har fullskala testing i stor grad blitt tatt i bruk for å undersøke oppførselen til CFS-rammede skjærvegger under laterale belastninger [7], [8], [9], [10], [11], og utgjør grunnlaget for design og kodeutvikling.

Virtuell testing (dvs. numerisk simulering) har også i stor grad blitt tatt i bruk for å fremme undervurdering av CFS strukturell kapasitet og forutsi deres oppførsel ved varierende belastningsforhold og strukturelle komponenter, til det punktet at det nå kan anses som av primær betydning for formålet med å optimalisere den strukturelle ytelsen til CFS-rammede bygninger, spesielt i de tidlige stadiene av produktutviklingsprosessen.

I løpet av det siste tiåret har flere anstrengelser blitt viet til numerisk simulering av CFS-rammede skjærvegger utsatt for monoton og syklisk (kvasi-statisk og dynamisk) sidebelastning. Stewart-modellen (1987) [12] ble ansett som egnet for simulering av de eksperimentelle testene utført av Nisreen Balh (2010) [13] på CFS-rammede skjærvegger, men styrkeforringelsen observert i testresultatene ble ikke vurdert. Martínez og Xu (2010) [14] foreslo en forenklet, men likevel nøyaktig, tilnærming for modellering av en CFS-rammet skjærvegg ved bruk av et 16-nodeskallelement med tilsvarende geometriske og materialegenskaper avledet fra de faktiske egenskapene til en CFS-rammeskjær. vegg. Liu P. et al (2012) [15] tok i bruk Pinching4-modellen [16] utviklet av Lowes og Altoontash (2003) [17] for å karakterisere den sykliske oppførselen til CFS trebelagte skjærvegger; denne modellen ble kalibrert basert på eksperimentelle testresultater og reproduserte den hysteretiske oppførselen med en akseptabel nøyaktighet (under 10 prosent forskjell). Basert på den samme modellen ble 2- og 3-dimensjonale modeller etablert av Leng J. et al. (2017) [18] for ikke-lineære dynamiske responshistorieanalyser av fulle CFS-systemer (2-etasjesbygninger). Shamim og Rogers (2013) [19] simulerte den ikke-lineære responshistorien til to-etasjes CFS-rammede skjærvegger under seismisk belastning ved å bruke Pinching4-modellen som ble kalibrert basert på resultater av dynamiske tester utført av de samme forfatterne. Vigh et al. (2014) [20] utviklet og kalibrerte en forenklet stagmodell med bruk av Ibarra-Medina-Krawinklers konstitutive modell [21] for å representere de forverrede hysteretiske løkkene til CFS korrugerte stålmantlede skjærvegger. Buonopane et al. (2015) [22] utviklet en beregningseffektiv skruebasert modelleringsprotokoll i OpenSees-programvare for CFS OSB-mantlede skjærvegger. To hysteretiske modeller som tar hensyn til styrke- og stivhetsforringelse samt klemme, er utviklet og implementert i den offisielle OpenSees-utgivelsen (versjon 2.4.5 og nyere) av Kechidi og Bourahla (2016) [23] for å simulere CFS tre- og stålmantlede skjærvegger oppførsel under monoton og syklisk sidebelastning. Det er verdt å merke seg at alle de ovenfor beskrevne numeriske simuleringene tok i bruk strålekolonneelementer for å modellere CFS-rammeelementene. Følgelig ble lokal og forvrengt knekking eller kombinasjonen deres ikke fanget opp. David Padilla-Llano (2015) [24] foreslo et numerisk rammeverk for CFS-rammede skjærvegger som fanger opp den ikke-lineære sykliske oppførselen til kritiske komponenter, inkludert rammeelementer (akkordbolter) så vel som skruer. Mer avanserte modelleringsteknikker har blitt utført av Hung Huy Ngo (2014) [25] gjennom bruken av SpringA-elementet i ABAQUS for å simulere skjæroppførselen til skruene som forbinder OSB-mantelen til CFS-rammeelementene. Deverni et al. (2021) [26], [27] replikerte de samme anstrengelsene med en forenklet tilnærming for å modellere skjæroppførselen til kappe-til-CFS-skruene ved å bruke CONN3D2-elementet i ABAQUS, forutsatt en konstant vinkel mellom skruedeformasjonen og den globale horisontale aksen hele veien alle nivåer av sidekrav på skjærveggen. Dessuten, uten definerte av- og omlastningsbaner, kan SpringA- og CONN3D2-elementer bare tas i bruk i simuleringen av den laterale oppførselen til CFS-skjærvegger under monoton belastning. Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28]-modellen ble brukt av Nithyadharan og Kalyanaraman (2013) [29] for å fange opp den forverrede oppførselen, når det gjelder styrke- og stivhetsforringelse med alvorlig klypning, som har vært observert i skruefestene mellom kappen og CFS-rammedelene under syklisk belastning. Deretter har den konstitutive BWBN-modellen sammen med et variabelt orientert fjærpar-element blitt implementert i ABAQUS som et brukerelement (UEL) for å gjenskape den sykliske oppførselen til skruene under skjærbehov [30]. I alle de ovenfor beskrevne modelleringsarbeidene var målet å gjenskape resultatene av tester på konvensjonelle CFS-rammede skjærvegger i stedet for å optimalisere den strukturelle ytelsen til CFS-rammede skjærvegger med konstruksjonsdetaljer som ikke dekkes av gjeldende sidedesignbestemmelser og retningslinjer .

Innovasjonen i studien presentert i denne artikkelen er å avdekke effekten av modulære konstruksjonsdetaljer på oppførselen til sidebelastede CFS-rammede skjærvegger og å optimalisere effektiviteten av skruemønsteret og beklædningen i denne LLRS. Derfor presenteres i denne artikkelen første eksperimentelle tester på mantel-til-CFS-skruer (seksjon 2) og strekktester på CFS-rammeelementer (seksjon 3) for å karakterisere de grunnleggende komponentene til skjærveggene som undersøkes. En avansert modelleringsprotokoll er foreslått i seksjon 4, som bruker radielle fjærer med eksperimentelt avledede ryggradskurver implementert i UEL-er, for å modellere skjæroppførselen til kappe-til-CFS-skruer, mens de tar hensyn til deformasjonen av skjærveggens rammeelementer. Den foreslåtte modelleringsprotokollen er validert ved hjelp av resultater som kommer fra eksperimentelle tester utført av forfatterne [31], hvor en god overensstemmelse er oppnådd. Deretter vurderes effekten av tilleggsdetaljer som vanligvis brukes i CFS modulær konstruksjon og går utover omfanget av gjeldende laterale designbestemmelser (5 Parametrisk studie, 6 Evaluering av skruskjærbehov, 7 Sammenligning med designkoder). Hoveddetaljene inkluderer: (i) tilstedeværelse av gulv- og takbjelker på innsiden av skjærveggen, (ii) kappeplater som har forskjellige størrelser fra den totale skjærveggen og dermed tilstedeværelsen av både vertikale og horisontale sømmer, (iii) ) bruk av sementpartikkelplater (CP) i bunnstripen av skjærveggen og (iv) forskjellig skrueavstand i topp- og bunnstripen fra midtre del av skjærveggen. Til slutt er det etablert regler for å optimere effektiviteten av skruemønsteret og beklædningen i den ovenfor beskrevne LLRS.