Istraživanje utjecaja detalja modularne konstrukcije na bočno ponašanje hladno oblikovanih posmičnih zidova s ​​čeličnim okvirom

Uvod

Posljednjih godina, strukturalna i troškovna učinkovitost, trajnost kao i održivost [1] povećali su upotrebu hladno oblikovanih čeličnih (CFS) profila u mnogim zemljama kao strukturalnih i nestrukturalnih elemenata [2]. Posmični zidovi izrađeni od CFS elemenata (stubova, tračnica i blokova) i obloženi pločama od drvenih ili cementnih čestica (CP) jedan su od sustava otpornih na bočno opterećenje (LLRS) usvojenih u lakim čeličnim konstrukcijama [3]. Glavni kodeksi koji trenutno definiraju metodologije za projektiranje CFS struktura su AISI S400 (2015) [4] i AS/NZS 4600 (2018) [5]. Međutim, na trenutnom tržištu, CFS modularne zgrade mogu uključivati ​​konstrukcijske detalje koji bi mogli utjecati na njihovo bočno ponašanje, a nisu obuhvaćene trenutačnim odredbama bočnog projektiranja i smjernicama za CFS strukture [4]. Nadalje, složene analize i postupci projektiranja koji se odnose na značajan broj tankih komponenti, koje su lokalno nestabilne i pokazuju nekoliko mehanizama kvara, zahtijevaju napredno istraživanje bočnog ponašanja [6]. U posljednja dva desetljeća, ispitivanje u punoj mjeri je uvelike usvojeno za istraživanje ponašanja CFS uokvirenih posmičnih stijenki pod bočnim opterećenjima [7], [8], [9], [10], [11], što predstavlja osnovu za dizajn i razvoj koda.

Virtualno testiranje (tj. numerička simulacija) također je uvelike prihvaćeno za unaprjeđenje podcjenjivanja nosivosti konstrukcije CFS-a i predviđanje njihovog ponašanja pri različitim uvjetima opterećenja i strukturnih komponenti, do te mjere da se sada može smatrati od primarne važnosti u svrhu optimizacije strukturnu izvedbu zgrada s okvirom CFS, posebno u ranim fazama procesa razvoja proizvoda.

Tijekom posljednjeg desetljeća, nekoliko je pokušaja posvećeno numeričkoj simulaciji CFS uokvirenih posmičnih zidova izloženih monotonom i cikličkom (kvazistatičkom i dinamičkom) bočnom opterećenju. Stewartov model (1987.) [12] smatran je prikladnim za simulaciju eksperimentalnih ispitivanja koje je provela Nisreen Balh (2010.) [13] na CFS uokvirenim posmičnim zidovima, međutim, pogoršanje čvrstoće uočeno u rezultatima ispitivanja nije uzeto u obzir. Martínez i Xu (2010.) [14] predložili su pojednostavljeni, ali točan pristup za modeliranje CFS uokvirenog posmičnog zida pomoću 16-elementa ljuske čvora s ekvivalentnim geometrijskim i materijalnim svojstvima izvedenim iz stvarnih svojstava CFS uokvirenog posmičnog zida zid. Liu P. i dr. (2012.) [15] usvojili su model Pinching4 [16] koji su razvili Lowes i Altoontash (2003.) [17] kako bi opisali cikličko ponašanje posmičnih stijenki CFS obloženih drvom; ovaj je model kalibriran na temelju rezultata eksperimentalnih testova i reproducirao je histerezno ponašanje s prihvatljivom točnošću (ispod 10 posto razlike). Na temelju istog modela, 2- i 3-dimenzionalne modele uspostavili su Leng J. et al. (2017) [18] za nelinearne analize povijesti dinamičkog odziva cjelovitih CFS sustava (2-katne zgrade). Shamim i Rogers (2013.) [19] simulirali su povijest nelinearnog odziva dvokatnih CFS uokvirenih posmičnih zidova pod seizmičkim opterećenjem pomoću modela Pinching4 koji je kalibriran na temelju rezultata dinamičkih ispitivanja koje su proveli isti autori. Vigh i sur. (2014.) [20] razvili su i kalibrirali pojednostavljeni model podupirača s usvajanjem konstitutivnog modela Ibarra-Medina-Krawinkler [21] za predstavljanje propadajućih histereznih petlji CFS valovitih posmičnih stijenki obloženih čeličnim plaštom. Buonopane i sur. (2015.) [22] razvili su računalno učinkovit protokol modeliranja temeljen na vijcima u softveru OpenSees za posmične zidove obložene CFS OSB-om. Kechidi i Bourahla (2016.) [23] razvili su i implementirali dva histerezna modela u službenom izdanju OpenSees (verzija 2.4.5 i novije) [23] za simulaciju CFS drva i ponašanje posmičnih stijenki obloženih čelikom pod monotonim i cikličkim bočnim opterećenjem. Vrijedno je napomenuti da su sve gore opisane numeričke simulacije usvojile elemente greda-stup za modeliranje elemenata CFS okvira. Posljedično, lokalno i distorzijsko izvijanje ili njihova kombinacija nisu zabilježeni. David Padilla-Llano (2015.) [24] predložio je numerički okvir za CFS uokvirene posmične stijenke koji bilježi nelinearno cikličko ponašanje kritičnih komponenti uključujući članove okvira (svornjake) kao i vijke. Naprednije tehnike modeliranja poduzeo je Hung Huy Ngo (2014.) [25] usvajanjem SpringA elementa u ABAQUS-u za simulaciju posmičnog ponašanja vijaka koji povezuju OSB obloge s CFS elementima okvira. Deverni i sur. (2021) [26], [27] ponovili su iste napore s pojednostavljenim pristupom modeliranja ponašanja smicanja plašta-CFS vijaka koristeći CONN3D2 element u ABAQUS-u uz pretpostavku konstantnog kuta između deformacije vijka i globalne vodoravne osi kroz cijelu sve razine bočne potražnje na posmičnom zidu. Štoviše, bez definiranih staza za uklanjanje i ponovno opterećenje, elementi SpringA i CONN3D2 mogu se jednostavno usvojiti u simulaciji bočnog ponašanja posmičnih stijenki CFS pod monotonim opterećenjem. Model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] upotrijebili su Nithyadharan i Kalyanaraman (2013) [29] kako bi uhvatili ponašanje pogoršanja, u smislu pogoršanja čvrstoće i krutosti s jakim priklještenjem, koje je opaženo u vijčanim spojnicama između plašta i CFS elemenata okvira pod cikličkim opterećenjem. Nakon toga, konstitutivni model BWBN zajedno s varijabilno orijentiranim elementom para opruga implementiran je u ABAQUS kao korisnički element (UEL) za repliciranje cikličkog ponašanja vijaka pod zahtjevima smicanja [30]. U svim gore opisanim pokušajima modeliranja, cilj je bio ponoviti rezultate ispitivanja konvencionalnih posmičnih zidova s ​​okvirom CFS, a ne optimizirati strukturnu izvedbu posmičnih zidova s ​​okvirom CFS s konstrukcijskim detaljima koji nisu obuhvaćeni trenutnim odredbama i smjernicama za bočno projektiranje .

Inovacija u studiji predstavljenoj u ovom radu je otkriti učinak detalja modularne konstrukcije na ponašanje bočno opterećenih CFS uokvirenih posmičnih zidova i optimizirati uzorak vijaka i učinkovitost rasporeda obloga u ovom LLRS-u. Stoga su u ovom radu prikazana prva eksperimentalna ispitivanja na vijcima za plašt i CFS (odjeljak 2) i ispitivanja vlačne čvrstoće na elementima CFS okvira (odjeljak 3) kako bi se opisale osnovne komponente posmičnih stijenki koje se ispituju. Protokol naprednog modeliranja predložen je u Odjeljku 4, koji koristi radijalne opruge s eksperimentalno izvedenim krivuljama okosnice implementiranim u UEL-ove, za modeliranje ponašanja posmicanja vijaka plašta na CFS, uzimajući u obzir deformaciju dijelova okvira posmične stijenke. Predloženi protokol modeliranja potvrđen je pomoću rezultata eksperimentalnih testova koje su proveli autori [31], gdje je postignuto dobro slaganje. Naknadno se procjenjuje učinak dodatnih detalja koji su uobičajeno prihvaćeni u CFS modularnoj konstrukciji i nadilaze opseg trenutnih odredbi bočnog projektiranja (5 Parametrijska studija, 6 Procjena zahtjeva za posmicanjem vijaka, 7 Usporedba s projektnim kodovima). Glavni detalji uključuju: (i) prisutnost podnih i stropnih greda na unutarnjoj strani poprečnog zida, (ii) ploče za oblaganje koje imaju različite veličine od cjelokupnog poprečnog zida i stoga prisutnost i okomitih i vodoravnih spojeva, (iii ) korištenje ploča od cementne čestice (CP) na donjoj traci posmične stijenke i (iv) različiti razmak vijaka u gornjoj i donjoj traci od srednjeg dijela posmične stijenke. Na kraju, uspostavljena su pravila za optimizaciju rasporeda vijaka i učinkovitosti rasporeda obloga u gore opisanom LLRS-u.