冷間成形された鉄骨構造の耐震壁の横方向の挙動に対するモジュラー構造の詳細の影響の調査

序章

近年、構造効率とコスト効率、耐久性、持続可能性 [1] により、多くの国で構造要素と非構造要素の両方として冷間成形鋼 (CFS) プロファイルの使用が増加しています [2]。 CFS 部材 (スタッド、トラック、ブロック) で作られ、木材またはセメント粒子 (CP) パネルで覆われたせん断壁は、軽量鉄骨構造で採用されている横荷重抵抗システム (LLRS) の 1 つです [3]。 CFS 構造の設計方法論を現在定義している主なコードは、AISI S400 (2015) [4] と AS/NZS 4600 (2018) [5] です。 ただし、現在の市場では、CFS モジュラー ビルディングには、横方向の動作に影響を与える可能性のある構造の詳細が含まれている可能性があり、CFS 構造の現在の横方向の設計規定とガイドラインではカバーされていません [4]。 さらに、局所的に不安定でいくつかの故障メカニズムを示す多数の薄いコンポーネントに関連する複雑な解析と設計手順には、高度な横方向挙動の調査が必要です [6]。 過去 20 年間、本格的な試験が広く採用され、横方向の荷重を受ける CFS フレーム付き耐震壁の挙動を調査してきました [7]、[8]、[9]、[10]、[11]。デザインとコード開発。

仮想試験（すなわち、数値シミュレーション）もまた、CFS の構造能力を低く評価し、さまざまな荷重条件と構造コンポーネントでの挙動を予測するために広く採用されており、現在では最適化の目的で最も重要であると見なすことができます。特に、製品開発プロセスの初期段階における CFS フレームの建物の構造性能。

過去 10 年間、いくつかの努力が、単調および周期的 (準静的および動的) 横荷重を受ける CFS フレーム付きせん断壁の数値シミュレーションに専念してきました。 Stewart モデル (1987) [12] は、Nisreen Balh (2010) [13] によって CFS フレーム付き耐震壁で実施された実験的テストのシミュレーションに適していると見なされましたが、テスト結果で観察された強度低下は考慮されていませんでした。 Martínez と Xu (2010) [14] は、CFS フレームせん断の実際の特性から得られた同等の幾何学的特性と材料特性を持つ 16- ノード シェル要素を使用して、CFS フレームせん断壁をモデル化するための単純化された、しかし正確なアプローチを提案しました。壁。 Liu P. et al (2012) [15] は、Lowes と Altoontash (2003) [17] によって開発された Pinching4 モデル [16] を採用して、CFS の木材で覆われた耐震壁の周期的な挙動を特徴付けました。 このモデルは、実験的なテスト結果に基づいて調整され、ヒステリシス動作を許容可能な精度 (10% 未満の差) で再現しました。 同じモデルに基づいて、2- および 3- 次元モデルが Leng J. らによって確立されました。 (2017) [18] フル CFS システム (2- 階建ての建物) の非線形動的応答履歴解析用。 Shamim and Rogers (2013) [19] は、同じ著者によって実施された動的試験の結果に基づいて較正された Pinching4 モデルを使用して、地震荷重下の 2 階建ての CFS フレーム耐震壁の非線形応答履歴をシミュレートしました。 ヴィグ等。 (2014) [20] Ibarra-Medina-Krawinkler 構成モデル [21] を採用して単純化されたストラット モデルを開発し、較正して、CFS 波形鋼被覆せん断壁のヒステリシス ループの劣化を表現しました。 ブオノパン等。 (2015) [22] は、CFS OSB シースせん断壁用の OpenSees ソフトウェアで計算効率の高いスクリューベースのモデリング プロトコルを開発しました。 強度と剛性の低下、および挟み込みを考慮した 2 つのヒステリシス モデルが開発され、公式 OpenSees リリース (バージョン 2.4.5 以降) で Kechidi と Bourahla (2016) [23] によって CFS 木材と単調および周期的な横荷重下での鋼被覆せん断壁の挙動。 上記のすべての数値シミュレーションでは、梁と柱の要素を採用して CFS フレーム部材をモデル化したことに注意してください。 その結果、局所的および歪みのある座屈またはそれらの組み合わせはキャプチャされませんでした。 David Padilla-Llano (2015) [24] は、フレーム部材 (弦間スタッド) やねじを含む重要なコンポーネントの非線形周期挙動を捉える CFS フレーム付きせん断壁の数値フレームワークを提案しました。 Hung Huy Ngo (2014) [25] は、ABAQUS の SpringA 要素を採用して、OSB シースを CFS フレーム部材に接続するねじのせん断挙動をシミュレートすることにより、より高度なモデリング手法を採用しました。 デヴェルニ等。 (2021) [26]、[27] は、ABAQUS で CONN3D2 要素を使用してシースから CFS へのねじのせん断挙動をモデル化するという単純化したアプローチで同じ取り組みを再現しました。せん断壁に対するあらゆるレベルの横方向の要求。 さらに、アンロード パスとリロード パスが定義されていないため、SpringA 要素と CONN3D2 要素は、単調な荷重下での CFS せん断壁の横方向の挙動のシミュレーションにのみ採用できます。 Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] モデルは Nithyadharan と Kalyanaraman (2013) [29] によって使用され、深刻な挟み込みによる強度と剛性の低下という観点から、悪化する挙動を捉えました。シースと CFS フレーム部材の間のねじ留め具に、繰り返し荷重がかかった状態で観察されました。 その後、BWBN 構成モデルと可変方向のばねペア要素がユーザー要素 (UEL) として ABAQUS に実装され、せん断需要下でのねじの周期的挙動が再現されました [30]。 上記のすべてのモデリングの取り組みにおいて、目的は、現在の横方向の設計規定およびガイドラインではカバーされていない構造上の詳細を使用して、CFS フレーム付き耐震壁の構造性能を最適化するのではなく、従来の CFS フレーム付き耐震壁でのテスト結果を再現することでした。 .

この論文で提示された研究の革新は、横方向に荷重がかかる CFS フレーム耐震壁の挙動に対するモジュラー構造の詳細の影響を明らかにし、この LLRS でのネジ パターンとシース レイアウトの有効性を最適化することです。 したがって、この論文では、調査中の耐震壁の基本的なコンポーネントを特徴付けるために、シースから CFS ネジ (セクション 2) の最初の実験的テストと CFS フレーム部材の引張試験 (セクション 3) を提示します。 高度なモデリング プロトコルは、セクション 4 で提案されています。これは、UEL に実装された実験的に導出されたバックボーン カーブを備えたラジアル スプリングを使用して、せん断壁フレーム メンバーの変形を考慮しながら、シースから CFS へのねじのせん断挙動をモデル化します。 提案されたモデリング プロトコルは、著者らが実施した実験的テスト [31] から得られた結果を使用して検証され、良好な一致が得られました。 続いて、CFS モジュラー構造で一般的に採用され、現在の横方向の設計規定の範囲を超える追加の詳細の影響が評価されます (5 パラメトリック研究、6 スクリューせん断需要評価、7 設計基準との比較)。 主な詳細には、(i) 耐震壁の内面に床梁と天井梁が存在すること、(ii) 耐震壁全体とは異なるサイズのシース ボードが使用されているため、垂直方向と水平方向の両方の継ぎ目が存在すること、(iii) ) せん断壁の下部ストライプでのセメント粒子 (CP) ボードの使用、および (iv) せん断壁の中央部分から上下のストライプの異なるスクリュー間隔。 最後に、上記の LLRS におけるネジ パターンとシース レイアウトの有効性を最適化するためのルールが確立されました。