Skúmanie vplyvu detailov modulárnej konštrukcie na bočné správanie oceľových rámových strižných stien tvarovaných za studena

Úvod

V posledných rokoch štrukturálna a nákladová efektívnosť, trvanlivosť a udržateľnosť [1] zvýšili používanie oceľových profilov tvarovaných za studena (CFS) v mnohých krajinách ako štrukturálnych aj nekonštrukčných prvkov [2]. Šmykové steny vyrobené z prvkov CFS (kolíky, koľajnice a blokovania) a opláštené drevenými alebo cementovými časticami (CP) panelmi sú jedným zo systémov odolávajúcich bočnému zaťaženiu (LLRS), ktoré sa používajú v ľahkých oceľových konštrukciách [3]. Hlavné kódy, ktoré v súčasnosti definujú metodiky pre návrh štruktúr CFS, sú AISI S400 (2015) [4] a AS/NZS 4600 (2018) [5]. Na súčasnom trhu však modulárne budovy CFS môžu obsahovať konštrukčné detaily, ktoré by mohli ovplyvniť ich bočné správanie, a nevzťahujú sa na ne súčasné ustanovenia o bočnom dizajne a usmernenia pre konštrukcie CFS [4]. Okrem toho zložité analýzy a návrhové postupy súvisiace so značným počtom tenkých komponentov, ktoré sú lokálne nestabilné a vykazujú niekoľko mechanizmov zlyhania, vyžadujú pokročilé skúmanie laterálneho správania [6]. V posledných dvoch desaťročiach sa testovanie v plnom rozsahu využívalo na skúmanie správania sa šmykových stien s rámom CFS pri bočnom zaťažení [7], [8], [9], [10], [11], čo predstavuje základ pre dizajn a vývoj kódu.

Virtuálne testovanie (tj numerická simulácia) bolo tiež do značnej miery prijaté na zlepšenie podhodnotenia štrukturálnej kapacity CFS a predpovedanie ich správania pri rôznych podmienkach zaťaženia a konštrukčných komponentoch do tej miery, že teraz to môže byť považované za primárne dôležité pre účely optimalizácie. konštrukčné vlastnosti budov s rámom CFS, najmä v počiatočných fázach procesu vývoja produktu.

V priebehu posledného desaťročia sa niekoľko snáh venovalo numerickej simulácii šmykových stien s rámom CFS vystavených monotónnemu a cyklickému (kvázistatickému a dynamickému) priečnemu zaťaženiu. Stewartov model (1987) [12] sa považoval za vhodný na simuláciu experimentálnych testov vykonaných Nisreen Balh (2010) [13] na šmykových stenách s rámom CFS, avšak zhoršenie pevnosti pozorované vo výsledkoch testu sa nezohľadnilo. Martínez a Xu (2010) [14] navrhli zjednodušený, ale presný prístup k modelovaniu šmykovej steny s rámom CFS pomocou 16-prvku škrupiny uzla s ekvivalentnými geometrickými a materiálovými vlastnosťami odvodenými od skutočných vlastností šmykovej konštrukcie s rámom CFS stena. Liu P. a kol. (2012) [15] prijali model Pinching4 [16] vyvinutý Lowesom a Altoontashom (2003) [17], aby charakterizovali cyklické správanie šmykových stien CFS s dreveným plášťom; tento model bol kalibrovaný na základe výsledkov experimentálnych testov a reprodukoval hysteretické správanie s prijateľnou presnosťou (pod 10 percent rozdielu). Na základe rovnakého modelu vytvorili 2- a 3-rozmerné modely Leng J. et al. (2017) [18] pre nelineárne analýzy histórie dynamickej odozvy úplných systémov CFS (2-poschodové budovy). Shamim a Rogers (2013) [19] simulovali históriu nelineárnej odozvy dvojpodlažných CFS rámových šmykových stien pri seizmickom zaťažení pomocou modelu Pinching4, ktorý bol kalibrovaný na základe výsledkov dynamických testov vykonaných tými istými autormi. Vigh a kol. (2014) [20] vyvinuli a kalibrovali zjednodušený model vzpery s prijatím konštitutívneho modelu Ibarra-Medina-Krawinkler [21], aby reprezentovali zhoršujúce sa hysteretické slučky šmykových stien z vlnitého oceľového opláštenia CFS. Buonopane a kol. (2015) [22] vyvinuli výpočtovo efektívny protokol modelovania na báze skrutiek v softvéri OpenSees pre šmykové steny opláštené OSB CFS. Kechidi a Bourahla (2016) [23] vyvinuli a implementovali dva hysteretické modely, ktoré zohľadňujú zhoršenie pevnosti a tuhosti, ako aj zovretie, a implementovali ich v oficiálnom vydaní OpenSees (verzia 2.4.5 a vyššia) [23] na simuláciu dreva CFS a správanie oceľových šmykových stien pri monotónnom a cyklickom priečnom zaťažení. Stojí za zmienku, že všetky vyššie opísané numerické simulácie prijali prvky lúč-stĺpec na modelovanie prvkov rámu CFS. V dôsledku toho nebolo zachytené lokálne a distorzné vybočenie alebo ich kombinácia. David Padilla-Llano (2015) [24] navrhol numerický rámec pre šmykové steny s rámom CFS, ktorý zachytáva nelineárne cyklické správanie kritických komponentov vrátane rámových prvkov (tetivových čapov) ako aj skrutiek. Pokročilejšie techniky modelovania vykonal Hung Huy Ngo (2014) [25] prostredníctvom prijatia prvku SpringA v ABAQUS na simuláciu šmykového správania skrutiek spájajúcich opláštenie OSB s rámovými prvkami CFS. Deverni a kol. (2021) [26], [27] replikovali rovnaké úsilie so zjednodušeným prístupom modelovania šmykového správania skrutiek medzi plášťom a CFS pomocou prvku CONN3D2 v ABAQUS za predpokladu konštantného uhla medzi deformáciou skrutky a globálnou horizontálnou osou v celom rozsahu. všetky úrovne bočných požiadaviek na šmykovú stenu. Navyše, bez definovaných dráh odoberania a opätovného zaťaženia, prvky SpringA a CONN3D2 môžu byť použité iba pri simulácii priečneho správania šmykových stien CFS pri monotónnom zaťažení. Model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] použili Nithyadharan a Kalyanaraman (2013) [29] na zachytenie zhoršujúceho sa správania, pokiaľ ide o zhoršenie pevnosti a tuhosti so silným zovretím, ktoré bolo pozorované v skrutkových spojoch medzi plášťom a rámovými prvkami CFS pri cyklickom zaťažení. Následne bol konštitutívny model BWBN spolu s variabilne orientovaným prvkom páru pružín implementovaný v ABAQUS ako používateľský prvok (UEL) na replikáciu cyklického správania skrutiek pri požiadavke na šmyk [30]. Vo všetkých vyššie popísaných modelovacích snahách bolo cieľom replikovať výsledky skúšok na konvenčných šmykových stenách s rámom CFS namiesto optimalizácie konštrukčného výkonu šmykových stien s rámom CFS s konštrukčnými detailmi, ktoré nie sú pokryté súčasnými ustanoveniami a pokynmi o bočnom dizajne. .

Inováciou v štúdii prezentovanej v tomto článku je odhaliť vplyv modulárnych konštrukčných detailov na správanie sa bočne zaťažených šmykových stien s rámom CFS a optimalizovať účinnosť vzoru skrutiek a opláštenia v tomto LLRS. Preto sú v tomto článku uvedené prvé experimentálne skúšky na skrutkách plášťa do CFS (časť 2) a ťahové skúšky na rámových prvkoch CFS (časť 3), aby sa charakterizovali základné komponenty skúmaných šmykových stien. Pokročilý modelovací protokol je navrhnutý v časti 4, ktorý používa radiálne pružiny s experimentálne odvodenými chrbticovými krivkami implementovanými v UEL, na modelovanie šmykového správania skrutiek medzi plášťom a CFS, pričom sa zohľadňuje deformácia prvkov rámu šmykovej steny. Navrhovaný modelovací protokol je validovaný pomocou výsledkov pochádzajúcich z experimentálnych testov vykonaných autormi [31], kde sa dosiahla dobrá zhoda. Následne sa posudzuje vplyv dodatočných detailov, ktoré sa bežne používajú v modulárnej konštrukcii CFS a presahujú rámec súčasných ustanovení o bočnom projektovaní (5 Parametrická štúdia, 6 Hodnotenie požiadaviek na šmyk skrutiek, 7 Porovnanie s návrhovými predpismi). Hlavné detaily zahŕňajú: (i) prítomnosť podlahových a stropných nosníkov na vnútornej strane strižnej steny, (ii) obkladové dosky, ktoré majú rôzne veľkosti od celkovej strižnej steny, a teda prítomnosť vertikálnych aj horizontálnych spojov, (iii) ) použitie cementotrieskových (CP) dosiek v spodnom páse strižnej steny a (iv) rozdielne rozstupy skrutiek v hornom a spodnom páse od strednej časti strižnej steny. Nakoniec boli stanovené pravidlá na optimalizáciu účinnosti vzoru skrutiek a plášťa vo vyššie opísaných LLRS.