Investigació de l'efecte dels detalls de construcció modular sobre el comportament lateral de les parets de cisalla amb marc d'acer format en fred

Introducció

En els últims anys, l'eficiència estructural i de cost, la durabilitat i la sostenibilitat [1] han augmentat l'ús de perfils d'acer format en fred (CFS) a molts països com a elements estructurals i no estructurals [2]. Les parets de cisalla fetes de membres CFS (tacs, vies i bloquejos) i revestides amb panells de fusta o partícules de ciment (CP) són un dels sistemes de resistència a la càrrega lateral (LLRS) adoptats en la construcció d'acer lleuger [3]. Els principals codis que defineixen actualment metodologies per al disseny d'estructures CFS són AISI S400 (2015) [4] i AS/NZS 4600 (2018) [5]. Tanmateix, en el mercat actual, els edificis modulars CFS poden incloure detalls de construcció que podrien influir en el seu comportament lateral i no estan coberts per les disposicions i directrius de disseny lateral actuals per a estructures CFS [4]. A més, les complexes anàlisis i procediments de disseny relacionats amb el nombre significatiu de components prims, que són localment inestables i mostren diversos mecanismes de fallada, requereixen una investigació avançada del comportament lateral [6]. Durant les últimes dues dècades, les proves a gran escala s'han adoptat en gran mesura per investigar el comportament de les parets de cisalla emmarcades CFS sota càrregues laterals [7], [8], [9], [10], [11], posant la base per a disseny i desenvolupament de codi.

Les proves virtuals (és a dir, la simulació numèrica) també s'han adoptat en gran mesura per avançar en la subestimació de la capacitat estructural de CFS i predir el seu comportament en diferents condicions de càrrega i components estructurals, fins al punt que ara es pot considerar d'importància primordial per a l'optimització. el rendiment estructural dels edificis emmarcats CFS, en particular, en les primeres etapes del procés de desenvolupament del producte.

Durant l'última dècada, s'han dedicat diversos esforços a la simulació numèrica de parets de cisalla emmarcades CFS sotmeses a càrrega lateral monòtònica i cíclica (quasi estàtica i dinàmica). El model Stewart (1987) [12] es va considerar adequat per a la simulació de les proves experimentals realitzades per Nisreen Balh (2010) [13] en parets de cisalla emmarcades en CFS, però, no es va considerar el deteriorament de la resistència observat en els resultats de la prova. Martínez i Xu (2010) [14] van proposar un enfocament simplificat, però precís, per modelar una paret de cisalla emmarcada CFS mitjançant un element de closca de 16-node amb propietats geomètriques i materials equivalents derivades de les propietats reals d'una cisalla emmarcada CFS. paret. Liu P. et al (2012) [15] van adoptar el model Pinching4 [16] desenvolupat per Lowes i Altoontash (2003) [17] per tal de caracteritzar el comportament cíclic de les parets de cisalla CFS recobertes de fusta; aquest model es va calibrar a partir dels resultats de les proves experimentals i va reproduir el comportament histerètic amb una precisió acceptable (per sota del 10 per cent de diferència). Basant-se en el mateix model, Leng J. et al. van establir models 2- i 3-dimensionals. (2017) [18] per a anàlisis de l'historial de resposta dinàmica no lineal de sistemes CFS complets (2-edificis de pisos). Shamim i Rogers (2013) [19] van simular l'historial de resposta no lineal de parets de cisalla emmarcades CFS de dos pisos sota càrrega sísmica mitjançant el model Pinching4 que es va calibrar a partir dels resultats de les proves dinàmiques realitzades pels mateixos autors. Vigh et al. (2014) [20] va desenvolupar i calibrar un model de puntal simplificat amb l'adopció del model constitutiu d'Ibarra-Medina-Krawinkler [21] per representar els bucles histerètics deteriorats de les parets de cisalla amb revestiment d'acer corrugat CFS. Buonopane et al. (2015) [22] va desenvolupar un protocol de modelatge basat en cargols computacionalment eficaç al programari OpenSees per a parets de cisalla enfundades amb OSB CFS. Kechidi i Bourahla (2016) [23] han desenvolupat i implementat dos models histerètics que tenen en compte el deteriorament de la força i la rigidesa, així com el pessigament, per simular la fusta i la fusta CFS. Comportament de les parets de cisalla amb revestiment d'acer sota càrrega lateral monòtona i cíclica. Val la pena assenyalar que totes les simulacions numèriques descrites anteriorment van adoptar elements feix-columna per modelar els membres del marc CFS. En conseqüència, no es va capturar el pandeig local i distorsionat o la seva combinació. David Padilla-Llano (2015) [24] va proposar un marc numèric per a les parets de cisalla emmarcades en CFS que captura el comportament cíclic no lineal de components crítics, inclosos els membres del bastidor (punts de corda), així com els cargols. Hung Huy Ngo (2014) [25] ha dut a terme tècniques de modelatge més avançades mitjançant l'adopció de l'element SpringA a ABAQUS per simular el comportament de cisalla dels cargols que connecten el revestiment OSB als membres del bastidor CFS. Deverni et al. (2021) [26], [27] van replicar els mateixos esforços amb un enfocament simplista de modelar el comportament de cisalla dels cargols de revestiment a CFS utilitzant l'element CONN3D2 a ABAQUS assumint un angle constant entre la deformació del cargol i l'eix horitzontal global. tots els nivells de demanda lateral a la paret de cisalla. A més, sense definir camins de descàrrega i recàrrega, els elements SpringA i CONN3D2 només es poden adoptar en la simulació del comportament lateral de les parets de cisalla CFS sota càrrega monòtona. El model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] va ser utilitzat per Nithyadharan i Kalyanaraman (2013) [29] per capturar el comportament deteriorant, en termes de deteriorament de la força i la rigidesa amb pessigaments greus, que s'ha produït. observat als cargols de fixació entre el revestiment i els membres del marc CFS sota càrrega cíclica. Posteriorment, el model constitutiu BWBN juntament amb un element de parell de molles d'orientació variable s'ha implementat a ABAQUS com a element d'usuari (UEL) per replicar el comportament cíclic dels cargols sota demanda de cisalla [30]. En tots els esforços de modelització descrits anteriorment, l'objectiu era replicar els resultats de les proves en parets de cisalla emmarcades CFS convencionals en lloc d'optimitzar el rendiment estructural de les parets de cisalla emmarcades CFS amb detalls constructius que no estan coberts per les disposicions i directrius de disseny lateral actuals. .

La innovació de l'estudi que es presenta en aquest article és descobrir l'efecte dels detalls de construcció modular sobre el comportament de les parets de cisalla emmarcades CFS amb càrrega lateral i optimitzar el patró de cargols i l'eficàcia de la disposició dels revestiments en aquest LLRS. Per tant, en aquest article, es presenten les primeres proves experimentals sobre cargols de revestiment a CFS (Secció 2) i proves de tracció sobre membres de bastidor CFS (Secció 3) per caracteritzar els components bàsics de les parets de cisalla que s'estan investigant. A la secció 4 es proposa un protocol de modelatge avançat, que utilitza molles radials amb corbes de columna derivades experimentalment implementades en UEL, per modelar el comportament de cisalla dels cargols de revestiment a CFS, alhora que té en compte la deformació dels membres del marc de la paret de cisalla. El protocol de modelització proposat es valida mitjançant resultats procedents de proves experimentals realitzades pels autors [31], on s'ha aconseguit un bon acord. Posteriorment, s'avalua l'efecte dels detalls addicionals que s'adopten habitualment en la construcció modular CFS i que van més enllà de l'abast de les disposicions actuals de disseny lateral (5 Estudi paramètric, 6 Avaluació de la demanda de cisalla del cargol, 7 Comparació amb codis de disseny). Els detalls principals inclouen: (i) presència de bigues del terra i del sostre a la cara interior de la paret de cisalla, (ii) taulers de revestiment amb mides diferents de la paret de cisalla global i, per tant, la presència de costures tant verticals com horitzontals, (iii) ) ús de taulers de partícules de ciment (CP) a la franja inferior de la paret de cisalla i (iv) diferents espais entre cargols a les franges superior i inferior de la part mitjana de la paret de cisalla. Finalment, s'han establert regles per optimitzar el patró de cargols i l'eficàcia de la disposició dels revestiments en el LLRS descrit anteriorment.