Исследование влияния деталей модульной конструкции на поперечное поведение холодногнутых стальных каркасных стен жесткости

Введение

В последние годы структурная и экономическая эффективность, долговечность, а также устойчивость [1] увеличили использование профилей из холодногнутой стали (CFS) во многих странах в качестве как конструкционных, так и неструктурных элементов [2]. Стены жесткости, выполненные из элементов CFS (шпилек, направляющих и блокировок) и обшитые древесно- или цементно-стружечными (CP) панелями, являются одной из систем сопротивления поперечной нагрузке (LLRS), принятых в облегченных стальных конструкциях [3]. Основными нормами, которые в настоящее время определяют методологии проектирования конструкций CFS, являются AISI S400 (2015 г.) [4] и AS/NZS 4600 (2018 г.) [5]. Однако на современном рынке модульные здания CFS могут включать детали конструкции, которые могут повлиять на их поперечное поведение, и на них не распространяются текущие положения и рекомендации по поперечному проектированию для конструкций CFS [4]. Кроме того, сложные анализы и процедуры проектирования, связанные со значительным количеством тонких компонентов, которые локально нестабильны и демонстрируют несколько механизмов отказа, требуют расширенного исследования бокового поведения [6]. В течение последних двух десятилетий полномасштабные испытания были широко распространены для исследования поведения стен жесткости с каркасом из CFS под действием боковых нагрузок [7], [8], [9], [10], [11], что послужило основой для дизайн и разработка кода.

Виртуальные испытания (т.е. численное моделирование) также получили широкое распространение для более глубокого понимания конструктивной способности СТС и прогнозирования их поведения при изменении условий нагружения и конструктивных элементов, до такой степени, что в настоящее время его можно признать первостепенным для целей оптимизации. конструктивные характеристики каркасных зданий из КФС, в частности, на ранних стадиях процесса разработки продукта.

За последнее десятилетие было предпринято несколько усилий по численному моделированию каркасных стен жесткости CFS, подвергающихся монотонной и циклической (квазистатической и динамической) поперечной нагрузке. Модель Стюарта (1987 г.) [12] была сочтена подходящей для моделирования экспериментальных испытаний, проведенных Нисрин Балх (2010 г.) [13] на стенках с каркасом из CFS, однако ухудшение прочности, наблюдаемое в результатах испытаний, не учитывалось. Мартинес и Сюй (2010 г.) [14] предложили упрощенный, но точный подход к моделированию стены сдвига с каркасом из CFS с использованием элемента оболочки 16-узла с эквивалентными геометрическими свойствами и свойствами материала, полученными из фактических свойств каркаса сдвига из CFS. стена. Liu P. et al (2012) [15] приняли модель Pinching4 [16], разработанную Lowes and Altoontash (2003) [17], чтобы охарактеризовать циклическое поведение стен сдвига, обшитых деревом CFS; эта модель была откалибрована на основе результатов экспериментальных испытаний и воспроизвела гистерезисное поведение с приемлемой точностью (менее 10-процентной разницы). Основываясь на той же модели, Leng J. et al. установили 2- и 3-размерные модели. (2017) [18] для анализа истории нелинейного динамического отклика полных систем CFS (2-этажных зданий). Шамим и Роджерс (2013) [19] смоделировали историю нелинейного отклика двухэтажных каркасных стен жесткости CFS на сейсмическую нагрузку с использованием модели Pinching4, которая была откалибрована на основе результатов динамических испытаний, проведенных теми же авторами. Виг и др. (2014) [20] разработали и откалибровали упрощенную модель распорки с применением определяющей модели Ибарра-Медины-Кравинклера [21] для представления ухудшающихся гистерезисных петель гофрированных стальных стенок CFS с обшивкой из гофрированной стали. Буонопан и др. (2015) [22] разработали эффективный в вычислительном отношении протокол винтового моделирования в программном обеспечении OpenSees для стен жесткости с обшивкой из OSB CFS. Две гистерезисные модели, которые учитывают ухудшение прочности и жесткости, а также защемление, были разработаны и реализованы в официальном выпуске OpenSees (версия 2.4.5 и выше) Кечиди и Бурахла (2016) [23] для имитации CFS древесины и Поведение стенок со стальной обшивкой при монотонной и циклической поперечной нагрузке. Стоит отметить, что во всех вышеописанных численных расчетах для моделирования элементов рамы CFS использовались элементы балки-колонны. Следовательно, местное и деформационное выпучивание или их сочетание не фиксируются. Дэвид Падилья-Льяно (2015) [24] предложил численную основу для каркасных стен жесткости CFS, которая отражает нелинейное циклическое поведение критических компонентов, включая элементы рамы (шпильки пояса), а также винты. Hung Huy Ngo (2014) [25] применил более продвинутые методы моделирования за счет использования элемента SpringA в ABAQUS для имитации сдвигового поведения винтов, соединяющих обшивку OSB с элементами рамы CFS. Деверни и др. (2021) [26], [27] воспроизвели те же усилия с упрощенным подходом к моделированию сдвигового поведения винтов обшивки к CFS с использованием элемента CONN3D2 в ABAQUS, предполагая постоянный угол между деформацией винта и глобальной горизонтальной осью на всем протяжении все уровни боковой нагрузки на стену сдвига. Кроме того, без определенных путей разгрузки и повторной загрузки элементы SpringA и CONN3D2 могут быть просто приняты при моделировании поперечного поведения стенок CFS при сдвиге под монотонной нагрузкой. Модель Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) (1993) [28] использовалась Nithyadharan and Kalyanaraman (2013) [29] для регистрации ухудшения поведения с точки зрения силы и жесткости при сильном защемлении, которое было наблюдается в винтовых креплениях между обшивкой и элементами каркаса КФС при циклической нагрузке. Впоследствии конститутивная модель BWBN вместе с элементом пружинной пары с изменяемой ориентацией была реализована в ABAQUS в качестве пользовательского элемента (UEL) для воспроизведения циклического поведения винтов при нагрузке на сдвиг [30]. Во всех вышеописанных усилиях по моделированию целью было воспроизвести результаты испытаний обычных стен жесткости с каркасом из CFS, а не оптимизировать структурные характеристики стен жесткости с каркасом из CFS с конструктивными деталями, которые не охвачены текущими положениями и рекомендациями по боковому проектированию. .

Инновация в исследовании, представленном в этой статье, заключается в том, чтобы выявить влияние деталей модульной конструкции на поведение боковых стенок из CFS с рамой жесткости, а также оптимизировать расположение винтов и эффективность компоновки обшивки в этом LLRS. Поэтому в этой статье представлены первые экспериментальные испытания обшивки к CFS винтами (раздел 2) и испытания на растяжение элементов рамы CFS (раздел 3), чтобы охарактеризовать основные компоненты стен сдвига при исследовании. Расширенный протокол моделирования предлагается в Разделе 4, в котором используются радиальные пружины с экспериментально полученными магистральными кривыми, реализованными в UEL, для моделирования поведения сдвига винтов, соединяющих обшивку с CFS, с учетом деформации элементов рамы сдвиговой стены. Предлагаемый протокол моделирования подтвержден с использованием результатов экспериментальных испытаний, проведенных авторами [31], где было достигнуто хорошее согласие. Впоследствии оценивается влияние дополнительных деталей, которые обычно принимаются в модульной конструкции CFS и выходят за рамки текущих положений поперечного проектирования (5 Параметрическое исследование, 6 Оценка требований к сдвигу винта, 7 Сравнение с расчетными нормами). К основным деталям относятся: (i) наличие ригелей пола и потолка на внутренней поверхности стены жесткости, (ii) доски обшивки, размеры которых отличаются от общей стены жесткости, и, следовательно, наличие как вертикальных, так и горизонтальных швов, (iii ) использование цементно-стружечных плит (ЦП) в нижней полосе стены сдвига и (iv) различное расстояние между шурупами в верхней и нижней полосах от средней части стены сдвига. Наконец, были установлены правила оптимизации схемы расположения винтов и эффективности компоновки обшивки в вышеописанных LLRS.