Điều tra ảnh hưởng của các chi tiết xây dựng mô-đun đối với hành vi bên cạnh của tường chịu cắt khung thép hình thành nguội

Giới thiệu

Trong những năm gần đây, tính hiệu quả về cấu trúc và chi phí, độ bền cũng như tính bền vững [1] đã gia tăng việc sử dụng các cấu kiện thép hình nguội (CFS) ở nhiều quốc gia như các yếu tố cấu trúc và phi cấu trúc [2]. Tường chống cắt làm bằng các thành viên CFS (đinh tán, rãnh và tấm chắn) và được bao bọc bằng các tấm gỗ hoặc xi măng (CP) là một trong những hệ thống chịu tải trọng bên (LLRSs) được áp dụng trong kết cấu thép nhẹ [3]. Các mã chính hiện xác định phương pháp luận để thiết kế cấu trúc CFS là AISI S400 (2015) [4] và AS / NZS 4600 (2018) [5]. Tuy nhiên, trên thị trường hiện tại, các tòa nhà mô-đun CFS có thể bao gồm các chi tiết xây dựng có thể ảnh hưởng đến hành vi bên của chúng và không được đề cập trong các điều khoản và hướng dẫn thiết kế bên hiện tại cho cấu trúc CFS [4]. Hơn nữa, các phân tích và quy trình thiết kế phức tạp liên quan đến số lượng đáng kể các thành phần mỏng, không ổn định cục bộ và cho thấy một số cơ chế hỏng hóc, đòi hỏi một cuộc điều tra hành vi bên nâng cao [6]. Trong hai thập kỷ qua, thử nghiệm quy mô đầy đủ đã được áp dụng phần lớn để điều tra hành vi của tường chịu cắt khung CFS dưới tải trọng bên [7], [8], [9], [10], [11], tạo cơ sở cho thiết kế và phát triển mã.

Thử nghiệm ảo (ví dụ, mô phỏng số) cũng đã được chấp nhận phần lớn để nâng cao khả năng kết cấu CFS và dự đoán hành vi của chúng ở các điều kiện tải và thành phần kết cấu khác nhau, đến mức bây giờ nó có thể được coi là có tầm quan trọng hàng đầu cho mục đích tối ưu hóa đặc biệt là hiệu suất cấu trúc của các tòa nhà khung CFS ở giai đoạn đầu của quá trình phát triển sản phẩm.

Trong thập kỷ qua, một số nỗ lực đã được dành cho việc mô phỏng số của các bức tường chịu cắt có khung CFS chịu tải trọng bên đơn điệu và tuần hoàn (gần như tĩnh và động). Mô hình Stewart (1987) [12] được coi là phù hợp để mô phỏng các thử nghiệm thực nghiệm do Nisreen Balh (2010) [13] thực hiện trên tường chịu cắt có khung CFS, tuy nhiên, sự suy giảm cường độ quan sát được trong kết quả thử nghiệm không được xem xét. Martínez và Xu (2010) [14] đã đề xuất một cách tiếp cận đơn giản, nhưng chính xác, để mô hình hóa tường chịu cắt có khung CFS bằng cách sử dụng phần tử vỏ nút 16- với các thuộc tính hình học và vật liệu tương đương bắt nguồn từ các đặc tính thực tế của lực cắt đóng khung CFS Tường. Liu P. và cộng sự (2012) [15] đã áp dụng mô hình Pinching4 [16] được phát triển bởi Lowes và Altoontash (2003) [17] để mô tả hành vi theo chu kỳ của vách chống cắt bằng gỗ CFS; mô hình này đã được hiệu chỉnh dựa trên kết quả kiểm tra thực nghiệm và tái tạo hành vi hysteretic với độ chính xác chấp nhận được (chênh lệch dưới 10 phần trăm). Dựa trên cùng một mô hình, mô hình chiều 2- và 3- được thiết lập bởi Leng J. và cộng sự. (2017) [18] cho các phân tích lịch sử phản hồi động phi tuyến tính của các hệ thống CFS đầy đủ (2- tòa nhà). Shamim và Rogers (2013) [19] đã mô phỏng lịch sử phản ứng phi tuyến của tường chống cắt có khung CFS hai tầng dưới tải trọng địa chấn bằng cách sử dụng mô hình Pinching4 đã được hiệu chỉnh dựa trên kết quả của các thử nghiệm động do cùng tác giả thực hiện. Vigh và cộng sự. (2014) [20] đã phát triển và hiệu chỉnh một mô hình thanh chống đơn giản hóa với việc áp dụng mô hình cấu tạo Ibarra-Medina-Krawinkler [21] để đại diện cho các vòng từ trễ đang xuống cấp của các bức tường chống cắt bằng thép có sóng CFS. Buonopane và cộng sự. (2015) [22] đã phát triển một giao thức mô hình hóa dựa trên trục vít hiệu quả về mặt tính toán trong phần mềm OpenSees cho tường cắt có vỏ bọc CFS OSB. Hai mô hình hysteretic có tính đến sự suy giảm độ cứng và độ cứng cũng như sự chèn ép, đã được phát triển và triển khai trong bản phát hành OpenSees chính thức (phiên bản 2.4.5 trở lên) bởi Kechidi và Bourahla (2016) [23] để mô phỏng gỗ CFS- và ứng xử của tường chống cắt bằng thép khi chịu tải trọng bên đơn điệu và tuần hoàn. Điều đáng chú ý là tất cả các mô phỏng số được mô tả ở trên đã sử dụng các phần tử cột chùm để mô hình hóa các thành viên khung CFS. Do đó, sự vênh cục bộ và biến dạng hoặc sự kết hợp của chúng không được ghi lại. David Padilla-Llano (2015) [24] đã đề xuất một khung số cho các bức tường chịu cắt có khung CFS ghi lại hành vi tuần hoàn phi tuyến của các thành phần quan trọng bao gồm các thành viên khung (đinh hợp âm) cũng như các vít. Các kỹ thuật mô hình nâng cao hơn đã được Hùng Huy Ngô (2014) [25] thực hiện thông qua việc sử dụng phần tử SpringA trong ABAQUS để mô phỏng hành vi cắt của các vít nối vỏ OSB với các thành viên khung CFS. Deverni và cộng sự. (2021) [26], [27] đã nhân rộng những nỗ lực tương tự với cách tiếp cận đơn giản để mô hình hóa hành vi cắt của vít từ vỏ bọc đến CFS bằng cách sử dụng phần tử CONN3D2 trong ABAQUS giả định một góc không đổi giữa biến dạng vít và trục ngang tổng thể trong suốt tất cả các mức cầu bên trên tường chịu cắt. Hơn nữa, không có đường dẫn bỏ và tải lại được xác định, các phần tử SpringA và CONN3D2 chỉ có thể được sử dụng trong mô phỏng hành vi bên của tường cắt CFS dưới tải đơn điệu. Mô hình Bouc – Wen – Baber – Noori (BWBN) (1993) [28] đã được Nithyadharan và Kalyanaraman (2013) [29] sử dụng để ghi lại hành vi xấu đi, về sức mạnh và độ cứng suy giảm do bị chèn ép nghiêm trọng, đã được quan sát thấy trong các ốc vít giữa vỏ bọc và các thành viên khung CFS dưới tải trọng chu kỳ. Sau đó, mô hình cấu thành BWBN cùng với phần tử cặp lò xo có định hướng thay đổi đã được triển khai trong ABAQUS dưới dạng phần tử người dùng (UEL) để tái tạo hành vi tuần hoàn của vít theo yêu cầu cắt [30]. Trong tất cả các nỗ lực mô hình hóa được mô tả ở trên, mục đích là để sao chép kết quả của các thử nghiệm trên tường chịu cắt có khung CFS thông thường thay vì tối ưu hóa hiệu suất kết cấu của tường chịu cắt có khung CFS với các chi tiết xây dựng không được đề cập trong các điều khoản và hướng dẫn thiết kế bên hiện hành. .

Sự đổi mới trong nghiên cứu được trình bày trong bài báo này là phát hiện ra ảnh hưởng của các chi tiết xây dựng mô-đun đối với hành vi của các bức tường chống cắt có khung CFS chịu tải bên và để tối ưu hóa hiệu quả bố trí mô-đun và vỏ bọc trong LLRS này. Do đó, trong bài báo này, các thử nghiệm thử nghiệm đầu tiên trên ốc vít từ vỏ bọc đến CFS (Phần 2) và thử nghiệm độ bền kéo trên các bộ phận khung CFS (Phần 3) được trình bày để mô tả các thành phần cơ bản của tường chịu cắt đang được khảo sát. Một giao thức mô hình nâng cao được đề xuất trong Phần 4, sử dụng lò xo hướng tâm với các đường cong xương sống có nguồn gốc thực nghiệm được thực hiện trong UELs, để mô hình hóa hành vi cắt của vít từ vỏ bọc đến vít CFS, đồng thời tính đến biến dạng của các bộ phận khung tường chịu cắt. Giao thức mô hình được đề xuất được xác nhận bằng cách sử dụng kết quả từ các thử nghiệm thực nghiệm do các tác giả thực hiện [31], khi đã đạt được thỏa thuận tốt. Sau đó, tác động của các chi tiết bổ sung thường được áp dụng trong kết cấu mô-đun CFS và vượt ra ngoài phạm vi của các điều khoản thiết kế bên hiện tại được đánh giá (5 Nghiên cứu tham số, 6 Đánh giá nhu cầu cắt vít, 7 So sánh với mã thiết kế). Các chi tiết chính bao gồm: (i) sự hiện diện của dầm sổ cái sàn và trần trên mặt trong của tường chịu cắt, (ii) ván bọc có kích thước khác với tường chịu cắt tổng thể và do đó sự hiện diện của cả đường nối dọc và ngang, (iii) ) sử dụng các tấm xi măng (CP) ở đường sọc dưới cùng của tường chịu cắt và (iv) khoảng cách vít khác nhau ở các đường sọc trên và dưới tính từ phần giữa của tường chịu cắt. Cuối cùng, các quy tắc đã được thiết lập để tối ưu hóa hiệu quả của kiểu bố trí vít và vỏ bọc trong LLRS được mô tả ở trên.