Preiskava vpliva podrobnosti modularne konstrukcije na stransko obnašanje strižnih sten iz hladno oblikovanega jekla

Uvod

V zadnjih letih so strukturna in stroškovna učinkovitost, vzdržljivost in trajnost [1] v mnogih državah povečale uporabo profilov iz hladno oblikovanega jekla (CFS) kot strukturnih in nekonstrukcijskih elementov [2]. Strižne stene, izdelane iz elementov CFS (čepov, tirov in blokirnih elementov) in obložene s ploščami iz lesnih ali cementnih delcev (CP), so eden od sistemov za odpornost na stranske obremenitve (LLRS), sprejetih v lahkih jeklenih konstrukcijah [3]. Glavni kodi, ki trenutno opredeljujeta metodologije za načrtovanje struktur CFS, sta AISI S400 (2015) [4] in AS/NZS 4600 (2018) [5]. Vendar pa lahko na trenutnem trgu modularne zgradbe CFS vključujejo konstrukcijske podrobnosti, ki bi lahko vplivale na njihovo bočno obnašanje, in niso zajete v trenutnih določbah in smernicah za bočno načrtovanje za strukture CFS [4]. Poleg tega kompleksne analize in postopki načrtovanja, povezani z velikim številom tankih komponent, ki so lokalno nestabilne in kažejo več mehanizmov okvar, zahtevajo napredno preiskavo bočnega obnašanja [6]. V zadnjih dveh desetletjih je bilo testiranje v polnem obsegu v veliki meri sprejeto za raziskovanje obnašanja strižnih sten z okvirjem CFS pod bočnimi obremenitvami [7], [8], [9], [10], [11], kar predstavlja osnovo za oblikovanje in razvoj kode.

Virtualno testiranje (tj. numerična simulacija) je bilo prav tako v veliki meri sprejeto za napredovanje podcenjevanja strukturne zmogljivosti CFS in napovedovanje njihovega obnašanja pri različnih pogojih obremenitve in strukturnih komponent, do te mere, da se zdaj lahko šteje za primarno pomembno za namen optimizacije strukturno delovanje zgradb z okvirjem CFS, zlasti v zgodnjih fazah procesa razvoja izdelka.

V zadnjem desetletju je bilo več prizadevanj posvečenih numerični simulaciji okvirnih strižnih sten CFS, izpostavljenih monotoni in ciklični (kvazistatični in dinamični) bočni obremenitvi. Stewartov model (1987) [12] je veljal za primernega za simulacijo eksperimentalnih preskusov, ki jih je izvedel Nisreen Balh (2010) [13] na CFS okvirjenih strižnih stenah, vendar poslabšanje trdnosti, opaženo v rezultatih preskusa, ni bilo upoštevano. Martínez in Xu (2010) [14] sta predlagala poenostavljen, a natančen pristop za modeliranje okvirne strižne stene CFS z uporabo 16-elementa lupine vozlišča z enakovrednimi geometrijskimi in materialnimi lastnostmi, ki izhajajo iz dejanskih lastnosti okvirne strižne stene CFS zid. Liu P. et al (2012) [15] so sprejeli model Pinching4 [16], ki sta ga razvila Lowes in Altoontash (2003) [17], da bi opisali ciklično obnašanje strižnih sten CFS, obloženih z lesom; ta model je bil umerjen na podlagi rezultatov eksperimentalnih testov in je reproduciral histerezično vedenje s sprejemljivo natančnostjo (pod 10 odstotki razlike). Na podlagi istega modela sta Leng J. et al. vzpostavila 2- in 3-dimenzionalna modela. (2017) [18] za analize zgodovine nelinearnega dinamičnega odziva celotnih sistemov CFS (2-nadstropne zgradbe). Shamim in Rogers (2013) [19] sta simulirala zgodovino nelinearnega odziva dvonadstropnih strižnih sten z okvirjem CFS pod potresno obremenitvijo z uporabo modela Pinching4, ki je bil umerjen na podlagi rezultatov dinamičnih preskusov, ki so jih izvedli isti avtorji. Vigh et al. (2014) [20] je razvil in kalibriral poenostavljen model opornika s sprejetjem konstitutivnega modela Ibarra-Medina-Krawinkler [21] za predstavitev propadajočih histerezičnih zank strižnih sten iz valovitega jeklenega plašča CFS. Buonopane et al. (2015) [22] je razvil računalniško učinkovit protokol modeliranja na osnovi vijakov v programski opremi OpenSees za strižne stene, obložene s CFS OSB. Kechidi in Bourahla (2016) [23] sta v uradni izdaji OpenSees (različica 2.4.5 in novejša) razvila in implementirala dva histerezična modela, ki upoštevata poslabšanje trdnosti in togosti ter stiskanje, za simulacijo CFS lesa in Obnašanje strižnih sten z jeklenim plaščem pri monotoni in ciklični bočni obremenitvi. Treba je omeniti, da so vse zgoraj opisane numerične simulacije za modeliranje elementov ogrodja CFS sprejele elemente nosilnih stebrov. Posledično lokalni in distorzijski uklon ali njuna kombinacija niso bili zajeti. David Padilla-Llano (2015) [24] je predlagal numerično ogrodje za uokvirjene strižne stene CFS, ki zajame nelinearno ciklično obnašanje kritičnih komponent, vključno s členi okvirja (čepki s tetivami) in vijaki. Hung Huy Ngo (2014) [25] je uporabil naprednejše tehnike modeliranja s sprejetjem elementa SpringA v ABAQUS za simulacijo strižnega obnašanja vijakov, ki povezujejo OSB obloge s členi okvirja CFS. Deverni idr. (2021) [26], [27] sta ponovila ista prizadevanja s poenostavljenim pristopom modeliranja strižnega obnašanja vijakov oplaščenje-CFS z uporabo elementa CONN3D2 v ABAQUS ob predpostavki konstantnega kota med deformacijo vijaka in globalno vodoravno osjo v celotnem obdobju. vse ravni bočnega povpraševanja na strižni steni. Poleg tega je mogoče elemente SpringA in CONN3D2 brez definiranih poti razbremenitve in ponovne obremenitve preprosto uporabiti pri simulaciji bočnega obnašanja strižnih sten CFS pod monotono obremenitvijo. Model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] sta uporabila Nithyadharan in Kalyanaraman (2013) [29], da bi zajela poslabšanje obnašanja v smislu poslabšanja trdnosti in togosti s hudim stiskanjem, ki je bilo opazili pri vijačnih pritrdilnih elementih med plaščem in členi okvirja CFS pod ciklično obremenitvijo. Kasneje je bil konstitutivni model BWBN skupaj s spremenljivo usmerjenim elementom vzmetnega para implementiran v ABAQUS kot uporabniški element (UEL) za posnemanje cikličnega obnašanja vijakov pod obremenitvijo [30]. Pri vseh zgoraj opisanih prizadevanjih za modeliranje je bil cilj ponoviti rezultate preskusov na običajnih strižnih stenah z okvirjem CFS, namesto da bi optimizirali strukturno učinkovitost strižnih sten z okvirjem CFS s konstrukcijskimi podrobnostmi, ki niso zajete v trenutnih določbah in smernicah za stransko načrtovanje. .

Inovacija v študiji, predstavljeni v tem prispevku, je razkriti učinek podrobnosti modularne konstrukcije na obnašanje bočno obremenjenih strižnih sten z okvirjem CFS in optimizirati vzorec vijakov in učinkovitost postavitve oblog v tem LLRS. Zato so v tem prispevku predstavljeni prvi eksperimentalni preskusi na vijakih za oplaščenje na CFS (razdelek 2) in natezni preskusi na elementih okvirja CFS (razdelek 3), da bi opisali osnovne komponente preiskovanih strižnih sten. V razdelku 4 je predlagan protokol za napredno modeliranje, ki uporablja radialne vzmeti z eksperimentalno izpeljanimi krivuljami hrbtenice, ki so implementirane v UEL, za modeliranje strižnega obnašanja vijakov z oblogo na CFS, pri čemer se upošteva deformacija elementov okvirja strižne stene. Predlagani protokol modeliranja je potrjen z uporabo rezultatov eksperimentalnih testov, ki so jih izvedli avtorji [31], kjer je bilo doseženo dobro soglasje. Nato se oceni učinek dodatnih podrobnosti, ki so običajno sprejete v modularni konstrukciji CFS in presegajo obseg trenutnih stranskih konstrukcijskih določb (5 Parametrična študija, 6 Ocena povpraševanja po strižnem vijaku, 7 Primerjava z načrtovalskimi kodami). Glavne podrobnosti vključujejo: (i) prisotnost talnih in stropnih vodilnih nosilcev na notranji strani strižne stene, (ii) obložne plošče, ki imajo različne velikosti od celotne strižne stene in s tem prisotnost navpičnih in vodoravnih šivov, (iii ) uporaba plošč iz cementnih ivercev (CP) na spodnjem pasu strižne stene in (iv) različni razmiki vijakov v zgornjem in spodnjem traku od srednjega dela strižne stene. Nazadnje so bila določena pravila za optimizacijo vzorca vijakov in učinkovitosti razporeditve oblog v zgoraj opisanem LLRS.