استراتژی‌های مدل‌سازی عددی و تحلیل‌های پارامتریک دیوارهای برشی

در طول دهه گذشته، فناوری چوب چند لایه (CLT) محبوبیت فزاینده‌ای در کاربردهای مسکونی و غیرمسکونی در سراسر جهان به دست آورده است و راه‌حلی امیدوارکننده برای محدودیت ارتفاع سازه‌های چوبی ارائه می‌کند [1]، [2]. کاربرد فناوری CLT در مناطق زلزله خیز، تعداد زیادی از پروژه های تحقیقاتی را برای بررسی عملکرد لرزه ای سیستم مقاوم در برابر بار جانبی سازه های CLT، یعنی دیوارهای برشی CLT، برانگیخته است. این پروژه های تحقیقاتی شامل آزمون های تجربی، مدل سازی عددی و تحلیل های تحلیلی [3]، [4]، [5]، [6]، [7] بود. در مدل‌سازی عددی، توسعه استراتژی‌های مدل‌سازی معقول برای اتصالات CLT و دیوارهای برشی CLT یکی از مهم‌ترین مسائل است.

اتصالات نگهدارنده و زاویه دار رایج ترین اتصالات بین دیوارها و کف (یا فونداسیون) CLT هستند. رفتار هیسترتیک اتصالات نگهدارنده و زاویه براکت به طور کلی با استفاده از مدل‌های المان محدود (FE)، فیزیکی یا پدیدارشناسی در ادبیات مدل‌سازی می‌شود. در مدل‌های FE، مکانیسم تغییر شکل برای هر جزء در اتصال در نظر گرفته می‌شود و امکاناتی را برای دقت مدل‌سازی عالی فراهم می‌کند [8]. با این حال، در هنگام استفاده از مدل‌های FE، به‌ویژه برای شبیه‌سازی اتصالات با تعداد زیادی اتصالات چوبی از نوع رولپلاک، ممکن است به تلاش‌های محاسباتی گسترده‌ای نیاز باشد. مدل‌های فیزیکی استراتژی‌های مدل‌سازی ساده‌شده را معرفی می‌کنند و راه‌حلی مناسب برای کارایی محاسباتی ارائه می‌کنند [9]، [10]. پسماند اتصالات چوبی از نوع رولپلاک در حال حاضر با استفاده از مدل‌های هیسترتیک تک محوری (مدل SAWS [11]، [12]، مدل Pinching4 [13]، مدل خطی 4 قطعه [14]، مدل Bouc-Wen-Baber-Noori [14] انجام می‌شود. 15، مدل Bouc-Wen تعمیم یافته [16] و غیره)، که پاسخ تغییر شکل بار را با معادلات ریاضی کنترل شده توسط مجموعه ای از پارامترها مشخص می کند. پارامترهای مدل هیسترتیک تک محوری از نتایج تجربی یا مدل‌سازی دقیق FE کالیبره می‌شوند. مدل‌های پدیدارشناسی پارامترهای مدل‌های هیسترتیک تک محوری را بر اساس پاسخ کلی بار-جابجایی اتصالات نگهدارنده و زاویه‌دار کالیبره می‌کنند و پیچیدگی شبیه‌سازی را بیشتر کاهش می‌دهند.

مدل‌های عددی برای دیوارهای برشی CLT همچنین می‌توانند به مدل‌های FE، فیزیکی و پدیدارشناسی طبقه‌بندی شوند، در حالی که مطالعات کمی مدل‌های FE را به دلیل هزینه‌های محاسباتی فوق‌العاده‌شان اتخاذ کردند. در مدل‌های فیزیکی، پانل‌های دیواری CLT معمولاً با استفاده از عناصر پوسته [20]، [21] یا عناصر خرپایی [7]، [22] مدل‌سازی می‌شوند که مطابق با مدل‌های مبتنی بر عنصر پوسته و مبتنی بر عنصر خرپایی است، همانطور که نشان داده شده است. در شکل 1. چند محقق پانل دیواری CLT را با استفاده از عناصر جامد شبیه سازی کردند [23]. در مدل‌های فیزیکی، اتصالات نگهدارنده و زاویه براکت با استفاده از مدل‌های هیسترتیک تک محوری مدل‌سازی می‌شوند که در عناصر فنری (دو عنصر Nodelink) [24]، عناصر ZeroLength [25] یا عناصر خرپایی [14] تعبیه شده‌اند. استراتژی‌های مدل‌سازی مشابهی نیز برای مدل‌سازی تعامل بین پانل‌های دیوار و کف (یا پایه‌ها) توسط برخی از محققین مورد استفاده قرار گرفت [14]. در حالی که دیگران تعامل را با استفاده از عناصر تماس [7] یا قوانین تماس [23] شبیه سازی کردند. در مدل‌های پدیدارشناسی، پاسخ جانبی کلی دیوارهای برشی CLT با استفاده از دو عنصر NodeLink یا ZeroLength با مدل‌های هیسترتیک تک محوری مشخص شده بر روی محور انتقالی یا محور چرخشی مدل‌سازی می‌شود [26]، [27]، [14]، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. مدل‌های هیسترتیک تک محوری فوق برای اتصالات چوبی نوع رولپلاک نیز معمولاً در مدل پدیدارشناسی دیوارهای برشی CLT به کار گرفته می‌شوند، زیرا دیوارهای برشی CLT نیز رفتارهای گیر کردن و تخریب برجسته را نشان می‌دهند. در مدل تک فنر انتقالی و مدل فنر مورب، همانطور که در شکل 2 (الف) و (ب نشان داده شده است)، کل تغییر شکل جانبی دیوارهای برشی CLT به شکل تغییر شکل برشی توصیف شده است، در حالی که مدل فنر چرخشی تک (نشان داده شده است) در شکل 2(c)) فقط تغییر شکل گهواره ای دیوارهای برشی CLT را در نظر می گیرد. پارامترهای این مدل‌های هیسترتیک تک محوری نیز از نتایج تجربی یا مدل‌سازی دقیق FE کالیبره می‌شوند، شبیه به پارامترهای اتصالات نگهدارنده و براکت زاویه. علاوه بر این، استراتژی‌های مبتنی بر مدل داده‌های ترکیبی نیز برای مدل‌سازی دیوارهای برشی CLT به کار گرفته شد، که مبادله‌ای بین پیچیدگی و دقت مدل ارائه می‌دهد [28].

با وجود راهبردهای مدل‌سازی عددی ذکر شده در بالا، ابزارهای امکان‌پذیر برای پیش‌بینی عملکرد مکانیکی اتصالات CLT و رفتار جانبی دیوارهای برشی CLT فراهم می‌کند، دقت پیش‌بینی و کارایی محاسباتی هنوز به چالش کشیده می‌شود. به عنوان مثال، مدل‌های هیسترتیک تک محوری موجود نمی‌توانند مقدار مشخصی از ویژگی‌های هیسترتیک را که اتصالات چوبی نوع رولپلاک تحت بارگذاری چرخه‌ای نشان می‌دهند، همانطور که توسط نویسندگان مورد بحث قرار گرفته‌اند [29] ثبت کنند. پس از بررسی مدل‌های موجود، نویسندگان [29] یک مدل هیسترتیک تک محوری جدید به نام DowelType را با هدف غلبه بر این محدودیت‌ها پیشنهاد کردند. اگرچه مدل DowelType تطبیق پذیری بهبود یافته را نشان داد، نسخه فعلی مدل DowelType ممکن است در سناریوهای بارگذاری معین نتواند خروجی های معقولی تولید کند. در بعد مدلسازی دیوارهای برشی CLT، مدل‌های فیزیکی مبتنی بر عنصر جامد و مبتنی بر عنصر پوسته معمولاً هنگام شبیه‌سازی کل ساختار CLT به عناصر گسترده نیاز دارند که منجر به هزینه‌های محاسباتی قابل‌توجهی می‌شود، در حالی که مدل فیزیکی مبتنی بر عنصر خرپایی قادر به انعکاس رفتار واقعی دیوار نیست. تماس با کف و دیوار به فونداسیون. مدل پدیدارشناختی نمی تواند حالت تغییر شکل واقعی دیوارهای برشی CLT را نیز به تصویر بکشد، و می تواند در هنگام شبیه سازی سازه های CLT چند طبقه منجر به تجمع خطا شود. بنابراین، توسعه استراتژی‌های مدل‌سازی عددی با راندمان محاسباتی و دقت شبیه‌سازی برای دیوارهای برشی CLT ضروری است. در حالی که مدل فیزیکی مبتنی بر عنصر خرپایی قادر به انعکاس رفتار واقعی تماس دیوار به کف و دیوار به فونداسیون نیست. مدل پدیدارشناختی نمی تواند حالت تغییر شکل واقعی دیوارهای برشی CLT را نیز به تصویر بکشد، و می تواند در هنگام شبیه سازی سازه های CLT چند طبقه منجر به تجمع خطا شود. بنابراین، توسعه استراتژی‌های مدل‌سازی عددی با راندمان محاسباتی و دقت شبیه‌سازی برای دیوارهای برشی CLT ضروری است. در حالی که مدل فیزیکی مبتنی بر عنصر خرپایی قادر به انعکاس رفتار واقعی تماس دیوار به کف و دیوار به فونداسیون نیست. مدل پدیدارشناختی نمی تواند حالت تغییر شکل واقعی دیوارهای برشی CLT را نیز به تصویر بکشد، و می تواند در هنگام شبیه سازی سازه های CLT چند طبقه منجر به تجمع خطا شود. بنابراین، توسعه استراتژی‌های مدل‌سازی عددی با راندمان محاسباتی و دقت شبیه‌سازی برای دیوارهای برشی CLT ضروری است.

در این مطالعه، یک سری از استراتژی‌های مدل‌سازی جدید با هدف افزایش کارایی محاسباتی برای دیوارهای برشی CLT بدون از دست دادن دقت، توسعه داده شده‌اند. استراتژی‌های مدل‌سازی شامل نسخه اصلاح‌شده مدل DowelType، روش‌های مدل‌سازی فیزیکی و پدیدارشناسی برای اتصالات معمولی CLT (یعنی اتصالات نگهدارنده و زاویه‌دار)، و یک روش مدل‌سازی مبتنی بر مقطع فیبر برای دیوارهای برشی CLT است. روش‌های مدل‌سازی پیشنهادی با داده‌های تجربی موجود تأیید شد و بیشتر در مطالعات پارامتری برای بررسی تأثیر روش‌های ساخت، نسبت‌های ابعاد دیوار، سختی اتصال، و بزرگی بار عمودی بر عملکرد جانبی دیوارهای برشی CLT مورد استفاده قرار گرفت.