Indagine sull'effetto dei dettagli costruttivi modulari sul comportamento laterale delle pareti a taglio con telaio in acciaio formato a freddo

introduzione

Negli ultimi anni, l'efficienza strutturale e dei costi, la durabilità e la sostenibilità [1] hanno intensificato l'uso di profili in acciaio formato a freddo (CFS) in molti paesi come elementi sia strutturali che non strutturali [2]. Le pareti a taglio realizzate con elementi CFS (perni, binari e blocchi) e rivestite con pannelli di particelle di legno o cemento (CP) sono uno dei sistemi di resistenza al carico laterale (LLRS) adottati nelle costruzioni in acciaio leggero [3]. I principali codici che attualmente definiscono le metodologie per la progettazione delle strutture CFS sono AISI S400 (2015) [4] e AS/NZS 4600 (2018) [5]. Tuttavia, nel mercato attuale, gli edifici modulari CFS possono includere dettagli costruttivi che potrebbero influenzare il loro comportamento laterale e non sono coperti dalle attuali disposizioni e linee guida di progettazione laterale per le strutture CFS [4]. Inoltre, le complesse analisi e le procedure di progettazione relative al numero significativo di componenti sottili, che sono localmente instabili e mostrano diversi meccanismi di rottura, richiedono un'indagine avanzata del comportamento laterale [6]. Negli ultimi due decenni, i test su vasta scala sono stati ampiamente adottati per studiare il comportamento delle pareti a taglio con telaio CFS sotto carichi laterali [7], [8], [9], [10], [11], ponendo le basi per progettazione e sviluppo del codice.

Il test virtuale (cioè la simulazione numerica) è stato ampiamente adottato anche per far avanzare la sottovalutazione della capacità strutturale del CFS e prevederne il comportamento al variare delle condizioni di carico e dei componenti strutturali, al punto che ora può essere considerato di primaria importanza ai fini dell'ottimizzazione le prestazioni strutturali degli edifici intelaiati CFS, in particolare, nelle prime fasi del processo di sviluppo del prodotto.

Nell'ultimo decennio, numerosi sforzi sono stati dedicati alla simulazione numerica di pareti a taglio con telaio CFS soggette a carico laterale monotono e ciclico (quasi statico e dinamico). Il modello Stewart (1987) [12] è stato ritenuto idoneo per la simulazione dei test sperimentali effettuati da Nisreen Balh (2010) [13] su pareti a taglio con telaio CFS, tuttavia non è stato considerato il deterioramento della resistenza osservato nei risultati del test. Martínez e Xu (2010) [14] hanno proposto un approccio semplificato, ma accurato, per la modellazione di una parete a taglio con telaio CFS utilizzando un 16-elemento guscio di nodo con proprietà geometriche e materiali equivalenti derivate dalle proprietà effettive di un taglio a taglio con telaio CFS parete. Liu P. et al (2012) [15] hanno adottato il modello Pinching4 [16] sviluppato da Lowes e Altoontash (2003) [17] per caratterizzare il comportamento ciclico delle pareti a taglio rivestite in legno CFS; questo modello è stato calibrato sulla base dei risultati dei test sperimentali e ha riprodotto il comportamento isteretico con una precisione accettabile (sotto il 10 percento di differenza). Basandosi sullo stesso modello, 2- e 3-modelli dimensionali sono stati stabiliti da Leng J. et al. (2017) [18] per analisi storiche della risposta dinamica non lineare di sistemi CFS completi (2-edifici a piani). Shamim e Rogers (2013) [19] hanno simulato la storia della risposta non lineare di pareti a taglio con telaio CFS a due piani sotto carico sismico utilizzando il modello Pinching4 che è stato calibrato sulla base dei risultati dei test dinamici effettuati dagli stessi autori. Vigh et al. (2014) [20] hanno sviluppato e calibrato un modello di strut semplificato con l'adozione del modello costitutivo Ibarra-Medina-Krawinkler [21] per rappresentare i loop isteretici in deterioramento delle pareti di taglio con guaina in acciaio ondulato CFS. Buonopane et al. (2015) [22] hanno sviluppato un protocollo di modellazione basato su viti efficiente dal punto di vista computazionale nel software OpenSees per pareti di taglio con guaina OSB CFS. Nella versione ufficiale OpenSees (versione 2.4.5 e successive) di Kechidi e Bourahla (2016) [23] sono stati sviluppati e implementati due modelli isteretici che tengono conto del deterioramento della forza e della rigidità, nonché del pinching, per simulare CFS legno e comportamento delle pareti a taglio rivestite in acciaio sotto carico laterale monotono e ciclico. Vale la pena notare che tutte le simulazioni numeriche sopra descritte hanno adottato elementi trave-colonna per modellare gli elementi del telaio CFS. Di conseguenza, l'instabilità locale e distorcente o la loro combinazione non sono state catturate. David Padilla-Llano (2015) [24] ha proposto una struttura numerica per pareti di taglio con telaio CFS che cattura il comportamento ciclico non lineare di componenti critici inclusi i membri del telaio (perni a corda) e le viti. Tecniche di modellazione più avanzate sono state intraprese da Hung Huy Ngo (2014) [25] attraverso l'adozione dell'elemento SpringA in ABAQUS per simulare il comportamento a taglio delle viti che collegano la guaina OSB agli elementi del telaio CFS. Deverni et al. (2021) [26], [27] hanno replicato gli stessi sforzi con un approccio semplicistico di modellazione del comportamento di taglio delle viti da guaina a CFS utilizzando l'elemento CONN3D2 in ABAQUS assumendo un angolo costante tra la deformazione della vite e l'asse orizzontale globale in tutto tutti i livelli di sollecitazione laterale sulla parete di taglio. Inoltre, senza percorsi di scarico e ricarica definiti, gli elementi SpringA e CONN3D2 possono essere semplicemente adottati nella simulazione del comportamento laterale delle pareti a taglio CFS sotto carico monotono. Il modello Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] è stato utilizzato da Nithyadharan e Kalyanaraman (2013) [29] per catturare il comportamento deteriorante, in termini di deterioramento della forza e della rigidità con forte pizzicamento, che è stato osservato negli elementi di fissaggio a vite tra la guaina e gli elementi del telaio CFS sotto carico ciclico. Successivamente, il modello costitutivo BWBN insieme a un elemento di coppia di molle a orientamento variabile sono stati implementati in ABAQUS come elemento utente (UEL) per replicare il comportamento ciclico delle viti sotto richiesta di taglio [30]. In tutti gli sforzi di modellazione sopra descritti, l'obiettivo era replicare i risultati delle prove su pareti a taglio con telaio CFS convenzionali piuttosto che ottimizzare le prestazioni strutturali delle pareti a taglio con telaio CFS con dettagli costruttivi che non sono coperti dalle attuali disposizioni e linee guida di progettazione laterale .

L'innovazione nello studio presentato in questo documento è di scoprire l'effetto dei dettagli costruttivi modulari sul comportamento delle pareti a taglio con telaio CFS caricate lateralmente e di ottimizzare l'efficacia del modello delle viti e del layout delle guaine in questo LLRS. Pertanto, in questo lavoro, vengono presentate le prime prove sperimentali su viti da guaina a CFS (Sezione 2) e prove di trazione su elementi del telaio CFS (Sezione 3) per caratterizzare i componenti di base delle pareti a taglio in esame. Nella sezione 4 viene proposto un protocollo di modellazione avanzato, che utilizza molle radiali con curve backbone derivate sperimentalmente implementate negli UEL, per modellare il comportamento a taglio delle viti da guaina a CFS, tenendo conto della deformazione degli elementi del telaio della parete a taglio. Il protocollo di modellizzazione proposto viene validato utilizzando i risultati provenienti da prove sperimentali effettuate dagli autori [31], dove è stato raggiunto un buon accordo. Successivamente viene valutato l'effetto di dettagli aggiuntivi comunemente adottati nella costruzione modulare CFS e che esulano dall'ambito delle attuali disposizioni di progettazione laterale (5 Studio parametrico, 6 Valutazione della domanda di taglio della vite, 7 Confronto con i codici di progettazione). I dettagli principali includono: (i) presenza di travi di travetto a pavimento e soffitto sulla faccia interna della parete a taglio, (ii) pannelli di rivestimento aventi dimensioni diverse dalla parete a taglio complessiva e quindi presenza di giunzioni sia verticali che orizzontali, (iii) ) utilizzo di pannelli in particelle di cemento (CP) nella fascia inferiore della parete a taglio e (iv) diversa spaziatura delle viti nelle strisce superiore e inferiore dalla parte centrale della parete a taglio. Infine, sono state stabilite regole per ottimizzare l'efficacia del modello delle viti e del layout delle guaine nel LLRS sopra descritto.