Investigação do efeito de detalhes de construção modular no comportamento lateral de paredes de cisalhamento moldadas a frio

Introdução

Nos últimos anos, eficiência estrutural e de custo, durabilidade e sustentabilidade [1] aumentaram o uso de perfis de aço formado a frio (CFS) em muitos países como elementos estruturais e não estruturais [2]. Paredes de cisalhamento feitas de membros CFS (studs, track e blocks) e revestidas com painéis de madeira ou partículas de cimento (CP) são um dos sistemas de resistência à carga lateral (LLRSs) adotados na construção de aço leve [3]. Os principais códigos que atualmente definem metodologias para o projeto de estruturas CFS são AISI S400 (2015) [4] e AS/NZS 4600 (2018) [5]. No entanto, no mercado atual, os edifícios modulares CFS podem incluir detalhes de construção que podem influenciar seu comportamento lateral e não são cobertos pelas atuais disposições de projeto lateral e diretrizes para estruturas CFS [4]. Além disso, as complexas análises e procedimentos de projeto relacionados ao número significativo de componentes finos, que são localmente instáveis ​​e apresentam diversos mecanismos de falha, requerem uma investigação avançada do comportamento lateral [6]. Nas últimas duas décadas, testes em escala real têm sido amplamente adotados para investigar o comportamento de paredes de cisalhamento fragadas CFS sob cargas laterais [7], [8], [9], [10], [11], colocando a base para projeto e desenvolvimento de código.

Testes virtuais (ou seja, simulação numérica) também foram amplamente adotados para avançar na compreensão da capacidade estrutural do CFS e prever seu comportamento em várias condições de carregamento e componentes estruturais, a ponto de agora poder ser considerado de importância primordial para otimizar o desempenho estrutural dos edifícios emoldurados CFS, em particular, nas fases iniciais do processo de desenvolvimento do produto.

Ao longo da última década, vários esforços têm sido dedicados à simulação numérica de paredes de cisalhamento com estrutura CFS submetidas a cargas laterais monotônicas e cíclicas (quase-estáticas e dinâmicas). O modelo de Stewart (1987) [12] foi considerado adequado para a simulação dos ensaios experimentais realizados por Nisreen Balh (2010) [13] em paredes de cisalhamento com armação CFS, porém, a deterioração de resistência observada nos resultados dos ensaios não foi considerada. Martínez e Xu (2010) [14] propuseram uma abordagem simplificada, porém precisa, para modelar uma parede de cisalhamento com estrutura CFS usando um 16-elemento de casca de nó com propriedades geométricas e materiais equivalentes derivadas das propriedades reais de uma parede de cisalhamento estruturada CFS muro. Liu P. et al (2012) [15] adotaram o modelo de Pinching4 [16] desenvolvido por Lowes e Altoontash (2003) [17] para caracterizar o comportamento cíclico de paredes de cisalhamento com bainha de madeira CFS; este modelo foi calibrado com base em resultados de testes experimentais e reproduziu o comportamento histerético com uma precisão aceitável (abaixo de 10 por cento de diferença). Com base no mesmo modelo, modelos 2- e 3-dimensionais foram estabelecidos por Leng J. et al. (2017) [18] para análises de histórico de resposta dinâmica não linear de sistemas CFS completos (2-prédios de andares). Shamim e Rogers (2013) [19] simularam o histórico de resposta não linear de paredes de cisalhamento de dois andares sob carga sísmica usando o modelo Pinching4 que foi calibrado com base em resultados de testes dinâmicos realizados pelos mesmos autores. Vigh et al. (2014) [20] desenvolveram e calibraram um modelo de escora simplificado com a adoção do modelo constitutivo de Ibarra-Medina-Krawinkler [21] para representar os laços histeréticos deteriorados de paredes de cisalhamento corrugadas de aço CFS. Buonopane et ai. (2015) [22] desenvolveram um protocolo de modelagem baseado em parafuso computacionalmente eficiente no software OpenSees para paredes de cisalhamento com bainha CFS OSB. Dois modelos histeréticos que levam em conta a deterioração da resistência e rigidez, bem como a compressão, foram desenvolvidos e implementados na versão oficial do OpenSees (versão 2.4.5 e superior) por Kechidi e Bourahla (2016) [23] para simular madeira CFS e comportamento de paredes de cisalhamento com bainha de aço sob carga lateral monotônica e cíclica. Vale ressaltar que todas as simulações numéricas descritas acima adotaram elementos viga-pilar para modelar os membros do pórtico CFS. Consequentemente, a flambagem local e distorcida ou sua combinação não foram capturadas. David Padilla-Llano (2015) [24] propôs uma estrutura numérica para paredes de cisalhamento com estrutura CFS que captura o comportamento cíclico não linear de componentes críticos, incluindo membros da estrutura (pinos de corda) e parafusos. Técnicas de modelagem mais avançadas foram realizadas por Hung Huy Ngo (2014) [25] através da adoção do elemento SpringA no ABAQUS para simular o comportamento de cisalhamento dos parafusos que conectam o revestimento OSB aos membros da estrutura CFS. Deverni et al. (2021) [26], [27] replicaram os mesmos esforços com uma abordagem simplista de modelagem do comportamento de cisalhamento dos parafusos de revestimento para CFS usando o elemento CONN3D2 no ABAQUS assumindo um ângulo constante entre a deformação do parafuso e o eixo horizontal global ao longo todos os níveis de demanda lateral na parede de cisalhamento. Além disso, sem caminhos de descarregamento e recarregamento definidos, os elementos SpringA e CONN3D2 podem apenas ser adotados na simulação do comportamento lateral de paredes de cisalhamento CFS sob carga monotônica. O modelo Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] foi usado por Nithyadharan e Kalyanaraman (2013) [29] para capturar o comportamento de deterioração, em termos de deterioração de força e rigidez com pinçamento severo, que tem sido observado nos parafusos de fixação entre o revestimento e os membros da estrutura CFS sob carga cíclica. Posteriormente, o modelo constitutivo BWBN juntamente com um elemento de par de molas de orientação variável foram implementados no ABAQUS como um elemento de usuário (UEL) para replicar o comportamento cíclico dos parafusos sob demanda de cisalhamento [30]. Em todos os esforços de modelagem descritos acima, o objetivo foi replicar os resultados dos testes em paredes de cisalhamento convencionais CFS em vez de otimizar o desempenho estrutural das paredes de cisalhamento CFS com detalhes construtivos que não são cobertos pelas atuais disposições e diretrizes de projeto lateral .

A inovação no estudo apresentado neste artigo é descobrir o efeito dos detalhes de construção modular sobre o comportamento de paredes de cisalhamento armadas CFS carregadas lateralmente e otimizar o padrão de parafusos e a eficácia do layout de revestimentos neste LLRS. Portanto, neste artigo, são apresentados os primeiros ensaios experimentais em parafusos de revestimento para CFS (Seção 2) e ensaios de tração em elementos de pórtico CFS (Seção 3) para caracterizar os componentes básicos das paredes de cisalhamento sob investigação. Um protocolo de modelagem avançada é proposto na Seção 4, que usa molas radiais com curvas de backbone derivadas experimentalmente implementadas em UELs, para modelar o comportamento de cisalhamento de parafusos de revestimento para CFS, enquanto contabiliza a deformação dos membros da estrutura de parede de cisalhamento. O protocolo de modelagem proposto é validado a partir de resultados provenientes de testes experimentais realizados pelos autores [31], onde se obteve uma boa concordância. Posteriormente, é avaliado o efeito de detalhes adicionais que são comumente adotados na construção modular CFS e que vão além do escopo das atuais disposições de projeto lateral (5 Estudo paramétrico, 6 Avaliação de demanda de cisalhamento de parafuso, 7 Comparação com códigos de projeto). Os principais detalhes incluem: (i) presença de vigas de piso e teto na face interna da parede de cisalhamento, (ii) placas de revestimento com tamanhos diferentes da parede de cisalhamento geral e, portanto, a presença de costuras verticais e horizontais, (iii) ) uso de placas de partículas de cimento (CP) na faixa inferior da parede de cisalhamento e (iv) espaçamentos diferentes dos parafusos nas faixas superior e inferior da parte central da parede de cisalhamento. Por último, foram estabelecidas regras para otimizar o padrão dos parafusos e a eficácia do layout das bainhas no LLRS descrito acima.