Investigasi Pengaruh Detail Konstruksi Modular Terhadap Perilaku Lateral Dinding Geser Rangka Baja Bentuk Dingin

pengantar

Dalam beberapa tahun terakhir, efisiensi struktural dan biaya, daya tahan serta keberlanjutan [1] telah meningkatkan penggunaan profil baja cold-formed (CFS) di banyak negara sebagai elemen struktural dan non-struktural [2]. Dinding geser yang terbuat dari komponen struktur CFS (stud, track dan block) dan dilapisi dengan panel kayu atau partikel semen (CP) merupakan salah satu sistem penahan beban lateral (LDL) yang diadopsi dalam konstruksi baja ringan [3]. Kode utama yang saat ini mendefinisikan metodologi untuk desain struktur CFS adalah AISI S400 (2015) [4] dan AS/NZS 4600 (2018) [5]. Namun, di pasar saat ini, bangunan modular CFS dapat mencakup detail konstruksi yang dapat memengaruhi perilaku lateralnya, dan tidak tercakup dalam ketentuan dan pedoman desain lateral saat ini untuk struktur CFS [4]. Selanjutnya, analisis kompleks dan prosedur desain yang terkait dengan sejumlah besar komponen tipis, yang tidak stabil secara lokal dan menunjukkan beberapa mekanisme kegagalan, memerlukan penyelidikan perilaku lateral lanjutan [6]. Selama dua dekade terakhir, pengujian skala penuh sebagian besar telah diadopsi untuk menyelidiki perilaku dinding geser berbingkai CFS di bawah beban lateral [7], [8], [9], [10], [11], yang menjadi dasar untuk desain dan pengembangan kode.

Pengujian virtual (yaitu, simulasi numerik) juga sebagian besar telah diadopsi untuk memajukan pengecilan kapasitas struktural CFS dan memprediksi perilakunya pada berbagai kondisi pembebanan dan komponen struktural, sampai pada titik yang sekarang dapat dianggap sangat penting untuk tujuan mengoptimalkan kinerja struktural bangunan berbingkai CFS, khususnya, pada tahap awal proses pengembangan produk.

Selama dekade terakhir, beberapa upaya telah dikhususkan untuk simulasi numerik dinding geser berbingkai CFS yang dikenai beban lateral monoton dan siklik (kuasi-statis dan dinamis). Model Stewart (1987) [12] dianggap cocok untuk simulasi uji eksperimental yang dilakukan oleh Nisreen Balh (2010) [13] pada dinding geser berbingkai CFS, namun, penurunan kekuatan yang diamati pada hasil pengujian tidak dipertimbangkan. Martínez dan Xu (2010) [14] mengusulkan pendekatan yang disederhanakan, namun akurat, untuk pemodelan dinding geser berbingkai CFS menggunakan elemen kulit simpul 16-dengan sifat geometris dan material yang setara yang diturunkan dari sifat sebenarnya dari geser berbingkai CFS dinding. Liu P. et al (2012) [15] mengadopsi model Pinching4 [16] yang dikembangkan oleh Lowes dan Altoontash (2003) [17] untuk mengkarakterisasi perilaku siklik dinding geser berselubung kayu CFS; model ini dikalibrasi berdasarkan hasil uji eksperimental dan mereproduksi perilaku histeris dengan akurasi yang dapat diterima (perbedaan di bawah 10 persen). Berdasarkan model yang sama, model dimensi 2- dan 3-dibuat oleh Leng J. et al. (2017) [18] untuk analisis riwayat respons dinamis nonlinier dari sistem CFS penuh (2-gedung bertingkat). Shamim dan Rogers (2013) [19] mensimulasikan riwayat respons nonlinier dinding geser rangka CFS dua lantai di bawah beban seismik menggunakan model Pinching4 yang dikalibrasi berdasarkan hasil uji dinamis yang dilakukan oleh penulis yang sama. Vig dkk. (2014) [20] mengembangkan dan mengkalibrasi model strut yang disederhanakan dengan mengadopsi model konstitutif Ibarra-Medina-Krawinkler [21] untuk mewakili loop histeretik yang memburuk dari dinding geser berselubung baja bergelombang CFS. Buonopane dkk. (2015) [22] mengembangkan protokol pemodelan berbasis sekrup yang efisien secara komputasi dalam perangkat lunak OpenSees untuk dinding geser berselubung CFS OSB. Dua model histeris yang memperhitungkan penurunan kekuatan dan kekakuan serta jepitan, telah dikembangkan dan diimplementasikan dalam rilis OpenSees resmi (versi 2.4.5 dan lebih tinggi) oleh Kechidi dan Borahla (2016) [23] untuk mensimulasikan kayu CFS- dan perilaku dinding geser berselubung baja di bawah beban lateral monoton dan siklik. Perlu dicatat bahwa semua simulasi numerik yang dijelaskan di atas mengadopsi elemen balok-kolom untuk memodelkan anggota rangka CFS. Akibatnya, tekuk lokal dan distorsi atau kombinasinya tidak ditangkap. David Padilla-Llano (2015) [24] mengusulkan kerangka numerik untuk dinding geser berbingkai CFS yang menangkap perilaku siklik nonlinier dari komponen penting termasuk anggota rangka (stud akord) serta sekrup. Teknik pemodelan yang lebih maju telah dilakukan oleh Hung Huy Ngo (2014) [25] melalui adopsi elemen SpringA di ABAQUS untuk mensimulasikan perilaku geser sekrup yang menghubungkan selubung OSB ke anggota rangka CFS. Deverni dkk. (2021) [26], [27] mereplikasi upaya yang sama dengan pendekatan sederhana pemodelan perilaku geser sekrup selubung-ke-CFS menggunakan elemen CONN3D2 di ABAQUS dengan asumsi sudut konstan antara deformasi sekrup dan sumbu horizontal global di seluruh semua tingkat permintaan lateral pada dinding geser. Selain itu, tanpa penentuan jalur pembongkaran dan pembebanan ulang, elemen SpringA dan CONN3D2 hanya dapat diadopsi dalam simulasi perilaku lateral dinding geser CFS di bawah beban monoton. Model Bouc–Wen–Baber–Noori (BWBN) (1993) [28] digunakan oleh Nithyadharan dan Kalyanaraman (2013) [29] untuk menangkap perilaku yang memburuk, dalam hal penurunan kekuatan dan kekakuan dengan jepitan parah, yang telah diamati pada pengencang sekrup antara selubung dan anggota rangka CFS di bawah beban siklik. Selanjutnya, model konstitutif BWBN bersama dengan elemen pasangan pegas berorientasi variabel telah diimplementasikan di ABAQUS sebagai elemen pengguna (UEL) untuk mereplikasi perilaku siklus sekrup di bawah permintaan geser [30]. Dalam semua upaya pemodelan yang dijelaskan di atas, tujuannya adalah untuk mereplikasi hasil pengujian pada dinding geser berbingkai CFS konvensional daripada mengoptimalkan kinerja struktural dinding geser berbingkai CFS dengan detail konstruksi yang tidak tercakup oleh ketentuan dan pedoman desain lateral saat ini. .

Inovasi dalam studi yang disajikan dalam makalah ini adalah untuk mengungkap pengaruh detail konstruksi modular pada perilaku dinding geser rangka CFS yang dibebani lateral dan untuk mengoptimalkan pola sekrup dan kemanjuran tata letak selubung di LLRS ini. Oleh karena itu dalam makalah ini, pengujian eksperimental pertama pada sekrup selubung-ke-CFS (Bagian 2) dan uji tarik pada anggota rangka CFS (Bagian 3) disajikan untuk mengkarakterisasi komponen dasar dinding geser yang diselidiki. Protokol pemodelan lanjutan diusulkan di Bagian 4, yang menggunakan pegas radial dengan kurva tulang punggung turunan eksperimental yang diterapkan di UEL, untuk memodelkan perilaku geser sekrup selubung-ke-CFS, sambil memperhitungkan deformasi anggota rangka dinding geser. Protokol pemodelan yang diusulkan divalidasi menggunakan hasil yang berasal dari tes eksperimental yang dilakukan oleh penulis [31], di mana kesepakatan yang baik telah dicapai. Selanjutnya, pengaruh detail tambahan yang umumnya diadopsi dalam konstruksi modular CFS dan melampaui cakupan ketentuan desain lateral saat ini dinilai (5 Studi parametrik, 6 Evaluasi permintaan geser ulir, 7 Perbandingan dengan kode desain). Rincian utama meliputi: (i) keberadaan balok buku besar lantai dan langit-langit pada permukaan interior dinding geser, (ii) papan selubung yang memiliki ukuran berbeda dari dinding geser keseluruhan dan dengan demikian keberadaan jahitan vertikal dan horizontal, (iii ) penggunaan papan partikel semen (CP) pada strip bawah dinding geser dan (iv) jarak ulir yang berbeda pada strip atas dan bawah dari bagian tengah dinding geser. Terakhir, aturan telah ditetapkan untuk mengoptimalkan pola sekrup dan kemanjuran tata letak selubung dalam LLRS yang dijelaskan di atas.