Investigación del efecto de los detalles de la construcción modular en el comportamiento lateral de los muros de corte con estructura de acero formados en frío

Introducción

En los últimos años, la eficiencia estructural y económica, la durabilidad y la sostenibilidad [1] han aumentado el uso de perfiles de acero conformado en frío (CFS) en muchos países como elementos estructurales y no estructurales [2]. Los muros de corte hechos de elementos CFS (montantes, rieles y bloques) y revestidos con paneles de partículas de madera o cemento (CP) son uno de los sistemas resistentes a cargas laterales (LLRS) adoptados en la construcción de acero liviano [3]. Los principales códigos que actualmente definen metodologías para el diseño de estructuras CFS son AISI S400 (2015) [4] y AS/NZS 4600 (2018) [5]. Sin embargo, en el mercado actual, los edificios modulares CFS pueden incluir detalles de construcción que podrían influir en su comportamiento lateral y no están cubiertos por las disposiciones y directrices de diseño lateral actuales para estructuras CFS [4]. Además, los análisis complejos y los procedimientos de diseño relacionados con la cantidad significativa de componentes delgados, que son localmente inestables y muestran varios mecanismos de falla, requieren una investigación avanzada del comportamiento lateral [6]. Durante las últimas dos décadas, los ensayos a gran escala se han adoptado en gran medida para investigar el comportamiento de los muros de cortante con pórticos CFS bajo cargas laterales [7], [8], [9], [10], [11], sentando las bases para diseño y desarrollo de código.

Las pruebas virtuales (es decir, la simulación numérica) también se han adoptado en gran medida para avanzar en la comprensión de la capacidad estructural de CFS y predecir su comportamiento en diferentes condiciones de carga y componentes estructurales, hasta el punto de que ahora se puede considerar de importancia primordial con el fin de optimizar el rendimiento estructural de los edificios enmarcados CFS, en particular, en las primeras etapas del proceso de desarrollo del producto.

Durante la última década, se han dedicado varios esfuerzos a la simulación numérica de muros de cortante con estructura CFS sometidos a cargas laterales monotónicas y cíclicas (cuasiestáticas y dinámicas). El modelo de Stewart (1987) [12] se consideró adecuado para la simulación de los ensayos experimentales realizados por Nisreen Balh (2010) [13] en muros de cortante con estructura CFS, sin embargo, no se consideró el deterioro de la resistencia observado en los resultados de los ensayos. Martínez y Xu (2010) [14] propusieron un enfoque simplificado, pero preciso, para modelar un muro de cortante con armazón CFS utilizando un 16-elemento de cubierta de nodo con propiedades geométricas y materiales equivalentes derivadas de las propiedades reales de un cortante con armazón CFS pared. Liu P. et al (2012) [15] adoptaron el modelo Pinching4 [16] desarrollado por Lowes y Altoontash (2003) [17] para caracterizar el comportamiento cíclico de los muros de corte con revestimiento de madera CFS; este modelo se calibró en base a los resultados de las pruebas experimentales y reprodujo el comportamiento histerético con una precisión aceptable (por debajo del 10 por ciento de diferencia). Basados ​​en el mismo modelo, Leng J. et al. establecieron modelos dimensionales 2- y 3-. (2017) [18] para análisis de historial de respuesta dinámica no lineal de sistemas CFS completos (2-edificios de plantas). Shamim y Rogers (2013) [19] simularon el historial de respuesta no lineal de muros de cortante con estructura CFS de dos pisos bajo carga sísmica utilizando el modelo Pinching4 que se calibró en función de los resultados de las pruebas dinámicas realizadas por los mismos autores. Vigh et al. (2014) [20] desarrollaron y calibraron un modelo de puntal simplificado con la adopción del modelo constitutivo de Ibarra-Medina-Krawinkler [21] para representar los bucles histéréticos en deterioro de los muros de corte con revestimiento de acero corrugado CFS. Buonopane et al. (2015) [22] desarrollaron un protocolo de modelado basado en tornillos computacionalmente eficiente en el software OpenSees para muros de corte con revestimiento CFS OSB. Kechidi y Bourahla (2016) [23] desarrollaron e implementaron dos modelos histéréticos que tienen en cuenta el deterioro de la resistencia y la rigidez, así como el pinzamiento, en la versión oficial de OpenSees (versión 2.4.5 y superior) para simular CFS de madera y Comportamiento de muros de cortante revestidos de acero bajo cargas laterales monótonas y cíclicas. Vale la pena señalar que todas las simulaciones numéricas descritas anteriormente adoptaron elementos viga-columna para modelar los miembros del marco CFS. En consecuencia, no se capturaron el pandeo local y distorsional o su combinación. David Padilla-Llano (2015) [24] propuso un marco numérico para muros de cortante enmarcados CFS que captura el comportamiento cíclico no lineal de los componentes críticos, incluidos los miembros del marco (espárragos de cordón), así como los tornillos. Hung Huy Ngo (2014) [25] ha llevado a cabo técnicas de modelado más avanzadas a través de la adopción del elemento SpringA en ABAQUS para simular el comportamiento de corte de los tornillos que conectan el revestimiento OSB a los miembros del marco CFS. Deverni et al. (2021) [26], [27] replicaron los mismos esfuerzos con un enfoque simplista de modelar el comportamiento de corte de los tornillos de revestimiento a CFS usando el elemento CONN3D2 en ABAQUS asumiendo un ángulo constante entre la deformación del tornillo y el eje horizontal global en todo todos los niveles de demanda lateral en el muro de cortante. Además, sin rutas de descarga y recarga definidas, los elementos SpringA y CONN3D2 simplemente pueden adoptarse en la simulación del comportamiento lateral de muros de corte CFS bajo carga monótona. El modelo Bouc-Wen-Baber-Noori (BWBN) (1993) [28] fue utilizado por Nithyadharan y Kalyanaraman (2013) [29] para capturar el comportamiento de deterioro, en términos de deterioro de la fuerza y ​​la rigidez con pinzamiento severo, que ha sido observado en los sujetadores de tornillo entre el revestimiento y los miembros del marco CFS bajo carga cíclica. Posteriormente, el modelo constitutivo BWBN junto con un elemento de par de resortes de orientación variable se implementaron en ABAQUS como un elemento de usuario (UEL) para replicar el comportamiento cíclico de los tornillos bajo demanda de corte [30]. En todos los esfuerzos de modelado descritos anteriormente, el objetivo era replicar los resultados de las pruebas en muros de cortante con armazones CFS convencionales en lugar de optimizar el desempeño estructural de los muros de cortante con armazones CFS con detalles constructivos que no están cubiertos por las disposiciones y pautas de diseño lateral actuales. .

La innovación en el estudio presentado en este documento es descubrir el efecto de los detalles de construcción modular en el comportamiento de los muros de corte con estructura CFS cargados lateralmente y optimizar el patrón de tornillos y la eficacia del diseño de los revestimientos en este LLRS. Por lo tanto, en este documento, se presentan las primeras pruebas experimentales sobre tornillos de revestimiento a CFS (Sección 2) y pruebas de tracción en elementos de marco CFS (Sección 3) para caracterizar los componentes básicos de los muros de corte bajo investigación. En la Sección 4 se propone un protocolo de modelado avanzado, que utiliza resortes radiales con curvas de columna vertebral derivadas experimentalmente implementadas en UEL, para modelar el comportamiento de corte de los tornillos de revestimiento a CFS, mientras se tiene en cuenta la deformación de los miembros del marco de la pared de corte. El protocolo de modelado propuesto se valida utilizando resultados provenientes de pruebas experimentales realizadas por los autores [31], donde se ha logrado un buen acuerdo. Posteriormente, se evalúa el efecto de los detalles adicionales que se adoptan comúnmente en la construcción modular CFS y que van más allá del alcance de las disposiciones actuales de diseño lateral (5 Estudio paramétrico, 6 Evaluación de la demanda de corte del tornillo, 7 Comparación con los códigos de diseño). Los detalles principales incluyen: (i) presencia de vigas de larguero de piso y techo en la cara interior del muro de corte, (ii) tableros de revestimiento que tienen diferentes tamaños del muro de corte general y, por lo tanto, la presencia de costuras tanto verticales como horizontales, (iii ) uso de tableros de partículas de cemento (CP) en la franja inferior del muro de corte y (iv) diferente espacio entre tornillos en las franjas superior e inferior de la parte media del muro de corte. Por último, se han establecido reglas para optimizar el patrón de tornillos y la eficacia de la disposición de los revestimientos en el LLRS descrito anteriormente.