بررسی تأثیر جزئیات ساختمان مدولار بر رفتار جانبی دیوارهای برشی قاب فولادی سرد شکل

مقدمه

در سال های اخیر، کارایی ساختاری و هزینه، دوام و همچنین پایداری [1] استفاده از پروفیل های فولادی شکل سرد (CFS) را در بسیاری از کشورها به عنوان عناصر ساختاری و غیر سازه ای افزایش داده است [2]. دیوارهای برشی ساخته شده از اعضای CFS (ناودانی، آهنگ و بلوک) و روکش شده با پانل های چوب یا ذرات سیمان (CP) یکی از سیستم های مقاوم در برابر بار جانبی (LLRSs) است که در ساخت و ساز فولادی سبک وزن استفاده شده است [3]. کدهای اصلی که در حال حاضر متدولوژی هایی را برای طراحی ساختارهای CFS تعریف می کنند، AISI S400 (2015) [4] و AS/NZS 4600 (2018) [5] هستند. با این حال، در بازار کنونی، ساختمان‌های مدولار CFS می‌توانند شامل جزئیات ساخت و ساز باشند که می‌توانند بر رفتار جانبی آن‌ها تأثیر بگذارند، و توسط مقررات و دستورالعمل‌های طراحی جانبی فعلی برای سازه‌های CFS پوشش داده نمی‌شوند [4]. علاوه بر این، تحلیل‌های پیچیده و روش‌های طراحی مربوط به تعداد قابل‌توجهی از اجزای نازک، که به صورت موضعی ناپایدار هستند و مکانیسم‌های خرابی متعددی را نشان می‌دهند، نیاز به بررسی رفتار جانبی پیشرفته دارند [6]. در دو دهه گذشته، آزمایش در مقیاس کامل تا حد زیادی برای بررسی رفتار دیوارهای برشی قاب CFS تحت بارهای جانبی مورد استفاده قرار گرفته است [7]، [8]، [9]، [10]، [11]، که مبنایی برای طراحی و توسعه کد

آزمایش مجازی (به عنوان مثال، شبیه سازی عددی) نیز تا حد زیادی برای پیشبرد درک ظرفیت سازه CFS و پیش بینی رفتار آنها در شرایط بارگذاری و اجزای ساختاری مختلف به کار گرفته شده است، تا جایی که اکنون می توان آن را برای بهینه سازی از اهمیت اولیه تلقی کرد. عملکرد ساختاری ساختمان‌های قاب‌بندی شده CFS، به‌ویژه، در مراحل اولیه فرآیند توسعه محصول.

در طول دهه گذشته، تلاش‌های متعددی به شبیه‌سازی عددی دیوارهای برشی قاب CFS در معرض بار جانبی یکنواخت و چرخه‌ای (شبه استاتیکی و دینامیکی) انجام شده است. مدل استوارت (1987) [12] برای شبیه سازی آزمایش های تجربی انجام شده توسط Nisreen Balh (2010) [13] بر روی دیوارهای برشی قاب CFS مناسب تلقی شد، با این حال، زوال مقاومت مشاهده شده در نتایج آزمایش در نظر گرفته نشد. مارتینز و ژو (2010) [14] یک رویکرد ساده و در عین حال دقیق برای مدل‌سازی یک دیوار برشی قاب CFS با استفاده از یک عنصر پوسته گره با خواص هندسی و مادی معادل که از خواص واقعی یک برش قاب CFS به دست می‌آید پیشنهاد کردند. دیوار لیو پی و همکاران (2012) [15] مدل Pinching4 [16] توسعه یافته توسط Lowes و Altoontash (2003) [17] را به منظور توصیف رفتار چرخه ای دیوارهای برشی غلاف چوبی CFS اتخاذ کردند. این مدل بر اساس نتایج آزمون تجربی کالیبره شد و رفتار هیسترتیک را با دقت قابل قبولی (تفاوت زیر 10 درصد) بازتولید کرد. بر اساس همان مدل، مدل‌های بعدی 2- و 3- توسط لنگ جی و همکاران ایجاد شد. (2017) [18] برای تحلیل‌های تاریخچه پاسخ دینامیکی غیرخطی سیستم‌های کامل CFS ({20}}ساختمان‌های طبقه). شمیم و راجرز (2013) [19] تاریخچه پاسخ غیرخطی دیوارهای برشی قابدار CFS دو طبقه تحت بار لرزه ای را با استفاده از مدل Pinching4 شبیه سازی کردند که بر اساس نتایج آزمایش های دینامیکی انجام شده توسط همان نویسندگان کالیبره شد. ویگ و همکاران (2014) [20] یک مدل پایه ساده شده را با استفاده از مدل سازنده Ibarra-Medina-Krawinkler [21] ایجاد و کالیبره کرد تا حلقه های هیسترتیک رو به زوال دیوارهای برشی غلاف فولادی موجدار CFS را نشان دهد. بوونوپان و همکاران (2015) [22] یک پروتکل مدل سازی مبتنی بر پیچ کارآمد محاسباتی را در نرم افزار OpenSees برای دیوارهای برشی پوشش دار CFS OSB توسعه داد. دو مدل هیسترتیک که زوال استحکام و سفتی و همچنین نیشگون گرفتن را در نظر می‌گیرند، در نسخه رسمی OpenSees (نسخه 2.4.5 و بالاتر) توسط Kechidi و Bourahla (2016) [23] برای شبیه‌سازی چوب CFS و پیاده‌سازی شده‌اند. رفتار دیوارهای برشی غلاف فولادی تحت بار جانبی یکنواخت و چرخه ای شایان ذکر است که تمام شبیه‌سازی‌های عددی توصیف‌شده در بالا، عناصر تیر-ستون را برای مدل‌سازی اعضای قاب CFS اتخاذ کردند. در نتیجه، کمانش موضعی و اعوجاجی یا ترکیب آنها ثبت نشد. David Padilla-Llano (2015) [24] یک چارچوب عددی برای دیوارهای برشی قاب CFS پیشنهاد کرد که رفتار چرخه‌ای غیرخطی اجزای حیاتی از جمله اعضای قاب (نودانی وتر) و همچنین پیچ‌ها را نشان می‌دهد. تکنیک‌های مدل‌سازی پیشرفته‌تر توسط Hung Huy Ngo (2014) [25] از طریق پذیرش عنصر SpringA در ABAQUS برای شبیه‌سازی رفتار برشی پیچ‌هایی که روکش OSB را به اعضای قاب CFS متصل می‌کنند، انجام داده‌اند. دورنی و همکاران (2021) [26]، [27] همان تلاش ها را با رویکردی ساده از مدل سازی رفتار برشی پیچ های روکش به CFS با استفاده از عنصر CONN3D2 در ABAQUS با فرض یک زاویه ثابت بین تغییر شکل پیچ و محور افقی جهانی در سرتاسر تکرار کردند. تمام سطوح تقاضای جانبی روی دیوار برشی علاوه بر این، بدون تعیین مسیرهای بارگیری مجدد و بارگذاری مجدد، عناصر SpringA و CONN3D2 صرفاً می توانند در شبیه سازی رفتار جانبی دیوارهای برشی CFS تحت بار یکنواخت به کار گرفته شوند. مدل Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) (1993) [28] توسط Nithyadharan و Kalyanaraman (2013) [29] برای ثبت رفتار رو به زوال، از نظر زوال قدرت و سفتی با نیشگون گرفتن شدید، استفاده شد. در بست های پیچی بین غلاف و اعضای قاب CFS تحت بار چرخه ای مشاهده شده است. متعاقباً، مدل سازنده BWBN به همراه یک عنصر جفت فنر متغیر گرا در ABAQUS به عنوان یک عنصر کاربر (UEL) برای تکرار رفتار چرخه‌ای پیچ‌ها تحت تقاضای برشی پیاده‌سازی شده‌اند [30]. در تمام تلاش‌های مدل‌سازی که در بالا توضیح داده شد، هدف این بود که نتایج آزمایش‌ها بر روی دیوارهای برشی قاب معمولی CFS به جای بهینه‌سازی عملکرد سازه‌ای دیوارهای برشی قاب CFS با جزئیات ساختمانی که توسط مقررات و دستورالعمل‌های طراحی جانبی فعلی پوشش داده نمی‌شوند، تکرار شود. .

نوآوری در مطالعه ارائه شده در این مقاله، کشف تأثیر جزئیات ساختاری مدولار بر رفتار دیوارهای برشی قاب CFS با بار جانبی و بهینه‌سازی الگوی پیچ‌ها و کارایی طرح غلاف در این LLRS است. بنابراین در این مقاله، ابتدا آزمایش‌های تجربی روی پیچ‌های روکش به CFS (بخش 2) و آزمایش‌های کششی روی اعضای قاب CFS (بخش 3) برای توصیف اجزای اصلی دیوارهای برشی مورد بررسی ارائه شده‌اند. یک پروتکل مدل‌سازی پیشرفته در بخش 4 پیشنهاد شده است که از فنرهای شعاعی با منحنی‌های ستون فقرات مشتق‌شده تجربی در UELs برای مدل‌سازی رفتار برشی پیچ‌های روکش به CFS استفاده می‌کند، در حالی که تغییر شکل اعضای قاب دیوار برشی را در نظر می‌گیرد. پروتکل مدل‌سازی پیشنهادی با استفاده از نتایج حاصل از آزمایش‌های تجربی انجام‌شده توسط نویسندگان [31]، که در آن توافق خوبی حاصل شده است، اعتبارسنجی می‌شود. متعاقباً، تأثیر جزئیات اضافی که معمولاً در ساخت‌وساز مدولار CFS اتخاذ می‌شوند و فراتر از محدوده مقررات طراحی جانبی فعلی هستند، ارزیابی می‌شوند (5 مطالعه پارامتریک، 6 ارزیابی تقاضای برشی پیچ، 7 مقایسه با کدهای طراحی). جزئیات اصلی عبارتند از: (1) وجود تیرهای دفتری کف و سقف در سطح داخلی دیوار برشی، (2) تخته های روکش با اندازه های متفاوت از دیوار برشی کلی و در نتیجه وجود درزهای عمودی و افقی، (iii) ) استفاده از تخته های ذرات سیمانی (CP) در نوار پایینی دیوار برشی و (iv) فاصله پیچ های مختلف در نوارهای بالا و پایین از قسمت میانی دیوار برشی. در نهایت، قوانینی برای بهینه‌سازی الگوی پیچ‌ها و کارایی چیدمان غلاف در LLRS فوق‌الذکر ایجاد شده‌اند.