Zkoumání vlivu modulárních konstrukčních detailů na boční chování za studena tvarovaných ocelových rámových smykových stěn

Úvod

V posledních letech strukturální a nákladová efektivita, trvanlivost a také udržitelnost [1] zvýšily v mnoha zemích používání ocelových profilů tvářených za studena (CFS) jako konstrukčních i nekonstrukčních prvků [2]. Smykové stěny vyrobené z prvků CFS (stojky, kolejnice a blokování) a opláštěné dřevěnými nebo cementovými částicemi (CP) panely jsou jedním ze systémů odolávajících bočnímu zatížení (LLRS) používaných v lehkých ocelových konstrukcích [3]. Hlavními kódy, které v současnosti definují metodiky pro návrh struktur CFS, jsou AISI S400 (2015) [4] a AS/NZS 4600 (2018) [5]. Na současném trhu však modulární budovy CFS mohou zahrnovat konstrukční detaily, které by mohly ovlivnit jejich boční chování, a nevztahují se na ně současná ustanovení o bočním návrhu a směrnice pro konstrukce CFS [4]. Kromě toho složité analýzy a návrhové postupy související se značným počtem tenkých součástí, které jsou lokálně nestabilní a vykazují několik mechanismů selhání, vyžadují pokročilé vyšetřování laterálního chování [6]. V posledních dvou desetiletích bylo z velké části přijato testování v plném měřítku pro zkoumání chování rámových smykových stěn CFS při bočním zatížení [7], [8], [9], [10], [11], což představuje základ pro design a vývoj kódu.

Virtuální testování (tj. numerická simulace) bylo také z velké části přijato pro pokrok v podhodnocování strukturální kapacity CFS a předpovídání jejich chování při měnících se podmínkách zatížení a konstrukčních komponentech do té míry, že nyní může být považováno za prvořadé pro účely optimalizace. strukturální výkon budov s rámem CFS, zejména v raných fázích procesu vývoje produktu.

Během posledního desetiletí bylo několik snah věnováno numerické simulaci rámových smykových stěn CFS vystavených monotónnímu a cyklickému (kvazi-statickému a dynamickému) bočnímu zatížení. Stewartův model (1987) [12] byl považován za vhodný pro simulaci experimentálních zkoušek provedených Nisreen Balh (2010) [13] na smykových stěnách s rámem CFS, avšak zhoršení pevnosti pozorované ve výsledcích zkoušek nebylo uvažováno. Martínez a Xu (2010) [14] navrhli zjednodušený, ale přesný přístup k modelování smykové stěny s rámem CFS pomocí 16-skořepinového prvku uzlu s ekvivalentními geometrickými a materiálovými vlastnostmi odvozenými ze skutečných vlastností rámové smykové stěny CFS stěna. Liu P. et al (2012) [15] přijali model Pinching4 [16] vyvinutý Lowesem a Altoontashem (2003) [17], aby charakterizovali cyklické chování smykových stěn CFS s dřevěným opláštěním; tento model byl kalibrován na základě výsledků experimentálních testů a reprodukoval hysteretické chování s přijatelnou přesností (rozdíl pod 10 procent). Na základě stejného modelu vytvořil Leng J. a kol. 2- a 3-rozměrné modely. (2017) [18] pro nelineární analýzy historie dynamické odezvy úplných systémů CFS (2-podlažní budovy). Shamim a Rogers (2013) [19] simulovali nelineární historii odezvy dvoupodlažních rámových smykových stěn CFS při seismickém zatížení pomocí modelu Pinching4, který byl kalibrován na základě výsledků dynamických zkoušek provedených stejnými autory. Vigh a kol. (2014) [20] vyvinuli a zkalibrovali zjednodušený model vzpěry s přijetím Ibarra-Medina-Krawinklerova konstitutivního modelu [21], aby reprezentoval zhoršující se hysteretické smyčky smykových stěn CFS z vlnité oceli s opláštěním. Buonopane a kol. (2015) [22] vyvinuli výpočetně účinný protokol pro modelování na bázi šroubů v softwaru OpenSees pro smykové stěny opláštěné CFS OSB. Kechidi a Bourahla (2016) [23] vyvinuly a implementovaly v oficiální verzi OpenSees (verze 2.4.5 a vyšší) dva hysteretické modely, které berou v úvahu zhoršení pevnosti a tuhosti a také skřípnutí, aby simulovaly CFS dřevo- a chování smykových stěn ocelového pláště při monotónním a cyklickém bočním zatížení. Stojí za zmínku, že všechny výše popsané numerické simulace přijaly prvky nosník-sloup k modelování prvků rámu CFS. Lokální a distorzní boulení ani jejich kombinace tedy nebyly zachyceny. David Padilla-Llano (2015) [24] navrhl numerický rámec pro smykové stěny s rámem CFS, který zachycuje nelineární cyklické chování kritických komponentů včetně rámových prvků (svorníků tětivy) a šroubů. Pokročilejší techniky modelování provedl Hung Huy Ngo (2014) [25] prostřednictvím přijetí prvku SpringA v ABAQUS k simulaci smykového chování šroubů spojujících opláštění OSB s prvky rámu CFS. Deverni a kol. (2021) [26], [27] replikovali stejné úsilí se zjednodušeným přístupem k modelování smykového chování šroubů s pláštěm a CFS pomocí prvku CONN3D2 v ABAQUS za předpokladu konstantního úhlu mezi deformací šroubu a globální horizontální osou v celém všechny úrovně bočního požadavku na smykovou stěnu. Navíc bez definovaných cest pro uvolnění a opětovné zatížení lze prvky SpringA a CONN3D2 použít pouze při simulaci příčného chování smykových stěn CFS při monotónním zatížení. Model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] použili Nithyadharan a Kalyanaraman (2013) [29] k zachycení zhoršujícího se chování, pokud jde o zhoršení pevnosti a tuhosti se silným sevřením, které bylo pozorované u šroubových spojů mezi opláštěním a rámovými prvky CFS při cyklickém zatížení. Následně byl konstitutivní model BWBN spolu s variabilně orientovaným prvkem páru pružin implementován v ABAQUS jako uživatelský prvek (UEL) pro replikaci cyklického chování šroubů při požadavku na smyk [30]. Ve všech výše popsaných modelovacích snahách bylo cílem replikovat výsledky testů na konvenčních smykových stěnách s rámem CFS spíše než optimalizovat konstrukční vlastnosti smykových stěn s rámem CFS s konstrukčními detaily, které nejsou pokryty současnými ustanoveními a směrnicemi o bočním návrhu. .

Inovací ve studii prezentované v tomto článku je odhalit vliv modulárních konstrukčních detailů na chování bočně zatížených smykových stěn s rámem CFS a optimalizovat rozložení šroubů a účinnost uspořádání opláštění v tomto LLRS. Proto jsou v tomto článku uvedeny první experimentální zkoušky na šroubech s pláštěm a CFS (část 2) a tahové zkoušky na rámových prvcích CFS (část 3), aby byly charakterizovány základní komponenty zkoumaných smykových stěn. V části 4 je navržen pokročilý modelovací protokol, který používá radiální pružiny s experimentálně odvozenými křivkami páteře implementovanými v UEL, k modelování smykového chování šroubů mezi pláštěm a CFS, přičemž bere v úvahu deformaci rámových prvků smykové stěny. Navržený modelovací protokol je validován pomocí výsledků pocházejících z experimentálních testů provedených autory [31], kde bylo dosaženo dobré shody. Následně je posouzen vliv dalších detailů, které jsou běžně přijímány v modulární konstrukci CFS a jdou nad rámec současných ustanovení o bočním návrhu (5 Parametrická studie, 6 Vyhodnocení požadavku na smyk šroubů, 7 Srovnání s konstrukčními předpisy). Mezi hlavní detaily patří: (i) přítomnost podlahových a stropních římsových nosníků na vnitřní straně smykové stěny, (ii) opláštění desek, které mají různé velikosti od celkové smykové stěny, a tedy přítomnost jak vertikálních, tak horizontálních spojů, (iii) ) použití cementotřískových (CP) desek ve spodním pruhu smykové stěny a (iv) rozdílné rozteče šroubů v horním a spodním pruhu od střední části smykové stěny. Konečně byla stanovena pravidla pro optimalizaci vzoru šroubů a účinnosti uspořádání opláštění ve výše popsaných LLRS.