Διερεύνηση της επίδρασης των λεπτομερειών δομοστοιχειωτής κατασκευής στην πλευρική συμπεριφορά των ψυχρών μορφοποιημένων διατμητικών τοίχων από χάλυβα

Εισαγωγή

Τα τελευταία χρόνια, η δομική και οικονομική αποδοτικότητα, η ανθεκτικότητα καθώς και η βιωσιμότητα [1] έχουν αυξήσει τη χρήση προφίλ ψυχρής μορφοποίησης χάλυβα (CFS) σε πολλές χώρες τόσο ως δομικά όσο και ως μη δομικά στοιχεία [2]. Τα διατμητικά τοιχώματα κατασκευασμένα από μέλη CFS (καρφώματα, ράγες και εμπόδια) και επενδυμένα με πάνελ σωματιδίων ξύλου ή τσιμέντου (CP) είναι ένα από τα συστήματα αντίστασης πλευρικών φορτίων (LLRS) που υιοθετούνται στην ελαφριά κατασκευή από χάλυβα [3]. Οι κύριοι κώδικες που ορίζουν επί του παρόντος μεθοδολογίες για το σχεδιασμό δομών CFS είναι ο AISI S400 (2015) [4] και ο AS/NZS 4600 (2018) [5]. Ωστόσο, στην τρέχουσα αγορά, τα αρθρωτά κτίρια CFS μπορούν να περιλαμβάνουν κατασκευαστικές λεπτομέρειες που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την πλευρική τους συμπεριφορά και δεν καλύπτονται από τις τρέχουσες διατάξεις πλευρικού σχεδιασμού και κατευθυντήριες γραμμές για κατασκευές CFS [4]. Επιπλέον, οι πολύπλοκες αναλύσεις και οι διαδικασίες σχεδιασμού που σχετίζονται με τον σημαντικό αριθμό λεπτών εξαρτημάτων, τα οποία είναι τοπικά ασταθή και παρουσιάζουν αρκετούς μηχανισμούς αστοχίας, απαιτούν προηγμένη διερεύνηση πλευρικής συμπεριφοράς [6]. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, οι δοκιμές πλήρους κλίμακας έχουν υιοθετηθεί σε μεγάλο βαθμό για τη διερεύνηση της συμπεριφοράς διατμητικών τοίχων με πλαίσιο CFS υπό πλευρικά φορτία [7], [8], [9], [10], [11], που αποτελούν τη βάση για σχεδιασμός και ανάπτυξη κώδικα.

Η εικονική δοκιμή (δηλαδή, η αριθμητική προσομοίωση) έχει επίσης υιοθετηθεί σε μεγάλο βαθμό για την προώθηση της υποεκτίμησης της δομικής χωρητικότητας CFS και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους σε διαφορετικές συνθήκες φόρτωσης και δομικά στοιχεία, σε σημείο που τώρα μπορεί να θεωρηθεί πρωταρχικής σημασίας για τους σκοπούς της βελτιστοποίησης τη δομική απόδοση των κτιρίων με πλαίσιο CFS, ιδίως στα αρχικά στάδια της διαδικασίας ανάπτυξης του προϊόντος.

Την τελευταία δεκαετία, πολλές προσπάθειες έχουν αφιερωθεί στην αριθμητική προσομοίωση διατμητικών τοίχων με πλαίσιο CFS που υποβάλλονται σε μονοτονικό και κυκλικό (οιονεί στατικό και δυναμικό) πλευρικό φορτίο. Το μοντέλο Stewart (1987) [12] κρίθηκε κατάλληλο για την προσομοίωση των πειραματικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν από τον Nisreen Balh (2010) [13] σε διατμητικούς τοίχους με πλαίσιο CFS, ωστόσο, η υποβάθμιση της αντοχής που παρατηρήθηκε στα αποτελέσματα της δοκιμής δεν ελήφθη υπόψη. Οι Martínez και Xu (2010) [14] πρότειναν μια απλοποιημένη, αλλά ακριβή, προσέγγιση για τη μοντελοποίηση ενός διατμητικού τοίχου με πλαίσιο CFS χρησιμοποιώντας ένα 16-στοιχείο κόμβου με ισοδύναμες γεωμετρικές και ιδιότητες υλικού που προέρχονται από τις πραγματικές ιδιότητες μιας διάτμησης πλαισίου CFS τείχος. Οι Liu P. et al (2012) [15] υιοθέτησαν το μοντέλο Pinching4 [16] που αναπτύχθηκε από τους Lowes and Altoontash (2003) [17] προκειμένου να χαρακτηρίσει την κυκλική συμπεριφορά των διατμητικών τοίχων CFS με επένδυση ξύλου. αυτό το μοντέλο βαθμονομήθηκε με βάση τα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών και αναπαρήγαγε την υστερητική συμπεριφορά με αποδεκτή ακρίβεια (κάτω από 10 τοις εκατό διαφορά). Με βάση το ίδιο μοντέλο, τα μοντέλα 2- και 3-διαστάσεων καθιερώθηκαν από τους Leng J. et al. (2017) [18] για μη γραμμικές αναλύσεις ιστορικού δυναμικής απόκρισης πλήρων συστημάτων CFS (2-ορόφων κτίρια). Οι Shamim and Rogers (2013) [19] προσομοίωσαν το ιστορικό μη γραμμικής απόκρισης διώροφων διατμητικών τοίχων με πλαίσιο CFS υπό σεισμικό φορτίο χρησιμοποιώντας το μοντέλο Pinching4 που βαθμονομήθηκε με βάση τα αποτελέσματα δυναμικών δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν από τους ίδιους συγγραφείς. Οι Vigh et al. (2014) [20] ανέπτυξε και βαθμολόγησε ένα απλοποιημένο μοντέλο αντηρίδας με την υιοθέτηση του συστατικού μοντέλου Ibarra-Medina-Krawinkler [21] για να αναπαραστήσει τους επιδεινούμενους υστερητικούς βρόχους διατμητικών τοίχων CFS με κυματοειδές χαλύβδινο περίβλημα. Buonopane et al. (2015) [22] ανέπτυξε ένα υπολογιστικά αποδοτικό πρωτόκολλο μοντελοποίησης βασισμένο σε βίδες στο λογισμικό OpenSees για διατμητικούς τοίχους με επένδυση CFS OSB. Δύο υστερητικά μοντέλα που λαμβάνουν υπόψη την υποβάθμιση της αντοχής και της ακαμψίας καθώς και το τσίμπημα, έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί στην επίσημη έκδοση του OpenSees (έκδοση 2.4.5 και νεότερη) από τους Kechidi και Bourahla (2016) [23] για προσομοίωση ξύλου CFS- και Συμπεριφορά τοιχωμάτων διάτμησης με χαλύβδινη επένδυση υπό μονοτονικό και κυκλικό πλευρικό φορτίο. Αξίζει να σημειωθεί ότι όλες οι αριθμητικές προσομοιώσεις που περιγράφηκαν παραπάνω υιοθέτησαν στοιχεία δοκού-κολόνας για τη μοντελοποίηση των μελών πλαισίου CFS. Συνεπώς, ο τοπικός και ο παραμορφωτικός λυγισμός ή ο συνδυασμός τους δεν καταγράφηκαν. Ο David Padilla-Llano (2015) [24] πρότεινε ένα αριθμητικό πλαίσιο για διατμητικούς τοίχους με πλαίσιο CFS που αποτυπώνει τη μη γραμμική κυκλική συμπεριφορά κρίσιμων εξαρτημάτων, συμπεριλαμβανομένων των μελών πλαισίου (κορδόνια) καθώς και των βιδών. Πιο προηγμένες τεχνικές μοντελοποίησης έχουν αναληφθεί από τον Hung Huy Ngo (2014) [25] μέσω της υιοθέτησης του στοιχείου SpringA στο ABAQUS για την προσομοίωση της διατμητικής συμπεριφοράς των βιδών που συνδέουν το περίβλημα OSB με τα μέλη πλαισίου CFS. Οι Deverni et al. (2021) [26], [27] επανέλαβαν τις ίδιες προσπάθειες με μια απλοϊκή προσέγγιση μοντελοποίησης της διατμητικής συμπεριφοράς των βιδών επένδυσης σε CFS χρησιμοποιώντας το στοιχείο CONN3D2 στο ABAQUS υποθέτοντας μια σταθερή γωνία μεταξύ της παραμόρφωσης της βίδας και του καθολικού οριζόντιου άξονα όλα τα επίπεδα πλευρικής ζήτησης στον τοίχο διάτμησης. Επιπλέον, χωρίς να ορίζονται διαδρομές αποφόρτισης και επαναφόρτωσης, τα στοιχεία SpringA και CONN3D2 μπορούν απλώς να υιοθετηθούν στην προσομοίωση της πλευρικής συμπεριφοράς των διατμητικών τοίχων CFS υπό μονοτονικό φορτίο. Το μοντέλο Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] χρησιμοποιήθηκε από τους Nithyadharan και Kalyanaraman (2013) [29] για να καταγράψει την επιδεινούμενη συμπεριφορά, όσον αφορά την επιδείνωση της αντοχής και της ακαμψίας με σοβαρό τσίμπημα, που έχει γίνει παρατηρείται στους βιδωτούς συνδετήρες μεταξύ του περιβλήματος και των μελών πλαισίου CFS υπό κυκλικό φορτίο. Στη συνέχεια, το συστατικό μοντέλο BWBN μαζί με ένα μεταβλητά προσανατολισμένο στοιχείο ζεύγους ελατηρίων έχουν εφαρμοστεί στο ABAQUS ως στοιχείο χρήστη (UEL) για την αναπαραγωγή της κυκλικής συμπεριφοράς των βιδών υπό απαίτηση διάτμησης [30]. Σε όλες τις προσπάθειες μοντελοποίησης που περιγράφηκαν παραπάνω, ο στόχος ήταν η αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων των δοκιμών σε συμβατικούς διατμητικούς τοίχους με πλαίσιο CFS αντί να βελτιστοποιηθεί η δομική απόδοση των διατμητικών τοίχων με πλαίσιο CFS με κατασκευαστικές λεπτομέρειες που δεν καλύπτονται από τις τρέχουσες διατάξεις και οδηγίες πλευρικής σχεδίασης .

Η καινοτομία στη μελέτη που παρουσιάζεται σε αυτό το έγγραφο είναι να αποκαλύψει την επίδραση των λεπτομερειών της σπονδυλωτής κατασκευής στη συμπεριφορά διατμητικών τοίχων με πλαίσιο CFS με πλευρική φόρτιση και να βελτιστοποιήσει την αποτελεσματικότητα του σχεδίου βιδών και της διάταξης των περιβλημάτων σε αυτό το LLRS. Ως εκ τούτου, σε αυτή την εργασία, παρουσιάζονται πρώτες πειραματικές δοκιμές σε κοχλίες επένδυσης σε CFS (Ενότητα 2) και δοκιμές εφελκυσμού σε μέλη πλαισίου CFS (Ενότητα 3) για να χαρακτηριστούν τα βασικά στοιχεία των υπό διερεύνηση διατμητικών τοίχων. Ένα προηγμένο πρωτόκολλο μοντελοποίησης προτείνεται στην Ενότητα 4, το οποίο χρησιμοποιεί ακτινικά ελατήρια με πειραματικά προερχόμενες καμπύλες κορμού που εφαρμόζονται σε UEL, για τη μοντελοποίηση της διατμητικής συμπεριφοράς των βιδών επένδυσης-προς-CFS, ενώ υπολογίζεται η παραμόρφωση των μελών του πλαισίου διάτμησης. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο μοντελοποίησης επικυρώνεται χρησιμοποιώντας αποτελέσματα που προέρχονται από πειραματικές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν από τους συγγραφείς [31], όπου έχει επιτευχθεί καλή συμφωνία. Στη συνέχεια, αξιολογείται η επίδραση πρόσθετων λεπτομερειών που υιοθετούνται συνήθως στη σπονδυλωτή κατασκευή CFS και υπερβαίνουν το πεδίο εφαρμογής των υφιστάμενων διατάξεων πλευρικής σχεδίασης (5 Παραμετρική μελέτη, 6 Αξιολόγηση ζήτησης διάτμησης βιδών, 7 Σύγκριση με κώδικες σχεδιασμού). Οι κύριες λεπτομέρειες περιλαμβάνουν: (i) παρουσία δοκών δαπέδου και οροφής στην εσωτερική όψη του διατμητικού τοίχου, (ii) σανίδες επένδυσης που έχουν διαφορετικά μεγέθη από το συνολικό διατμητικό τοίχωμα και επομένως την παρουσία τόσο κάθετων όσο και οριζόντιων ραφών, (iii ) χρήση σανίδων τσιμεντοσωματιδίων (CP) στην κάτω λωρίδα του διατμητικού τοιχώματος και (iv) διαφορετική απόσταση βιδών στις επάνω και κάτω λωρίδες από το μεσαίο τμήμα του διατμητικού τοιχώματος. Τέλος, έχουν θεσπιστεί κανόνες για τη βελτιστοποίηση της αποτελεσματικότητας του σχεδίου βιδών και της διάταξης των περιβλημάτων στο LLRS που περιγράφεται παραπάνω.