Стена на сдвиг из стальной пластины

Основная статья: Сейсмическая инженерия

Сдвиговая стенка из соединенных стальных пластин.

Стена на сдвиг из стальных пластин ( SPSW ) состоит из стальных пластин заполнения, ограниченных граничными элементами.

Обзор

Они составляют SPSW. Ее поведение аналогично вертикальной пластинчатой ​​балке , консольно закрепленной на основании. Подобно пластинчатым фермам, система SPW оптимизирует работу компонентов, используя преимущества после выпучивания поведения стальных панелей заполнения . Каркас SPW можно идеализировать как вертикальную консольную пластинчатую балку , в которой стальные пластины действуют как перемычка, колонны действуют как полки, а поперечные балки представляют собой поперечные ребра жесткости. Теорию, лежащую в основе проектирования пластин, не следует использовать при проектировании конструкций SPW, поскольку относительно высокая прочность на изгиб и жесткость балок и колонн оказывают существенное влияние на поведение после потери устойчивости.

Расчет мощности конструкций заключается в следующем: контролировать отказы в здании путем предварительного выбора локализованных пластичных предохранителей (или слабых звеньев), которые будут выступать в качестве основного места рассеивания энергии, когда здание подвергается экстремальным нагрузкам. Конструкция спроектирована таким образом, что все неупругие воздействия (или повреждения) происходят в этих критических местах (предохранителях), которые рассчитаны на пластичное и стабильное поведение. И наоборот, все остальные элементы конструкции защищены от разрушения или разрушения путем ограничения передачи нагрузки на эти элементы пределом текучести предохранителей. В SPSW заполняющие пластины служат плавкими предохранителями. При повреждении во время экстремальной нагрузки их можно заменить по разумной цене и восстановить полную целостность здания . В целом SPW классифицируются в зависимости от их характеристик, выбора конструктивных и несущих систем, а также наличия перфораций или ребер жесткости (таблица 1).

Значительное количество ценных исследований было выполнено по статическому и динамическому поведению SPSW. Было проведено множество исследований не только для того, чтобы помочь определить поведение, реакцию и производительность SPW при циклических и динамических нагрузках, но и в качестве средства, способствующего развитию методологий анализа и проектирования для инженерного сообщества.

Новаторская работа Кулака и его соавторов из Университета Альберты в Канаде привела к созданию упрощенного метода анализа тонкой нежесткой SPSW – полосовой модели. Эта модель включена в главу 20 последнего канадского стандарта проектирования стальных конструкций. (КАН/CSA S16-01) и положения Национальной программы по снижению опасности землетрясений (NEHRP) в США.

Таблица 1. Классификация стенок из стальных листов на основе эксплуатационных характеристик и ожиданий

Характеристики производительности	Ожидаемые результаты или характеристики SPW
Тип погрузки, перевозимой SPW	Только боковая нагрузка / Боковая нагрузка + Собственная нагрузка на стену (или так называемая гравитационная нагрузка 50%) / Гравитация + Боковые нагрузки
Структурная система	Одиночная стена с заполнением и без колонн / Спаренная стена с заполнением и без колонн
Расстояние между ребрами жесткости и размер	Эффект после выпучивания можно увидеть на субпанелях / Пряжки панелей с ребрами жесткости по всему миру / Ребра жесткости создают субпанели, которые можно отнести к категории толстых панелей.
Поведение веб-плиты	Стеновая пластина поддается деформации до того, как произойдет критическая упругая потеря устойчивости (толстая пластина) / Стеновая пластина упруго выгибается, создает поле растяжения после выпучивания, а затем поддается (тонкая пластина)
Перфорация веб-пластины	С перфорацией/Без перфорации

История

За последние два десятилетия стальных пластин стена из (SPSW), также известная как стена из стальных пластин (SPW), использовалась в ряде зданий в Японии и Северной Америке как часть системы сопротивления боковым силам . Раньше к SPSW относились как к вертикально ориентированным пластинчатым балкам, и процедуры проектирования имели тенденцию быть очень консервативными. Выпучивание стенки предотвращалось за счет значительного усиления жесткости или выбора перемычки соответствующей толщины до тех пор, пока не стало доступно больше информации о характеристиках перемычек после выпучивания. Хотя теория пластинчатых балок кажется подходящей для проектирования конструкции SPW, очень важным отличием является относительно высокая прочность на изгиб и жесткость балок и колонн, которые образуют граничные элементы стены. Ожидается, что эти элементы окажут существенное влияние на общее поведение здания, в котором используется система этого типа, и несколько исследователей сосредоточились на этом аспекте SPW. Энергорассеивающие свойства перемычки при экстремальных циклических нагрузках открывают перспективу использования SPSW в качестве многообещающей альтернативы традиционным системам в сейсмоопасных регионах. Еще одним преимуществом является то, что поле диагонального натяжения перемычки действует как диагональная распорка в связанной раме и, таким образом, завершает действие фермы, которая, как известно, является эффективным средством контроля ветрового сноса.

Преимущества

С точки зрения проектировщика, стены из стальных пластин стали очень привлекательной альтернативой другим стальным системам или заменой железобетонных сердечников лифтов и стенок, работающих на сдвиг. В сравнительных исследованиях показано, что общие затраты на строительство можно значительно снизить при учете следующих преимуществ:

• Система SPW, если она спроектирована и детализирована должным образом, имеет относительно большую способность рассеивания энергии со стабильным гистерезисным поведением, что делает ее очень привлекательной для зон высокого риска землетрясений.
• Поскольку поле натяжения полотна действует во многом как диагональная распорка, система SPW имеет относительно высокую начальную жесткость и, таким образом, очень эффективно ограничивает снос ветром.
• По сравнению с железобетонными стенами, работающими на сдвиг, SPW намного легче, что в конечном итоге снижает требования к колоннам и фундаментам, а также снижает сейсмическую нагрузку, пропорциональную массе конструкции.
• По сравнению с железобетонным строительством процесс возведения цельнометаллического здания происходит значительно быстрее, что позволяет сократить продолжительность строительства, что является важным фактором, влияющим на общую стоимость проекта.
• Использование SPW, сваренных в цеху и скрепленных болтами на месте, улучшается полевой контроль и может быть достигнут высокий уровень контроля качества.
• Для архитекторов повышенная универсальность и экономия пространства благодаря меньшему поперечному сечению SPW по сравнению с железобетонными несущими стенами является явным преимуществом, особенно в высотных зданиях, где железобетонные несущие стены на нижних этажах становятся очень толстыми и занимают большую часть плана помещения.
• Цельнометаллическая конструкция с SPW является практичным и эффективным решением для холодных регионов, где бетонное строительство может быть невозможным, поскольку очень низкие температуры усложняют строительство, а циклы замораживания-оттаивания могут привести к проблемам с долговечностью.
• При сейсмической модернизации SPW обычно гораздо проще и быстрее устанавливать, чем железобетонные несущие стены, что является критической проблемой, когда необходимо поддерживать заполняемость здания на протяжении всего периода строительства.
• В случае неупругого реагирования стальные панели легче заменить, а ремонт в остальном проще, чем в аналогичных железобетонных системах.

По сравнению с традиционными системами связей стальные панели имеют преимущество, поскольку представляют собой дублирующую непрерывную систему, демонстрирующую относительно стабильное и пластичное поведение при сильных циклических нагрузках (Тромпош и Кулак, 1987). Это преимущество наряду с высокой жесткостью пластин, действующих как натяжные распорки для поддержания устойчивости, делает SPW идеальной системой рассеивания энергии в сейсмических регионах с высоким риском, обеспечивая при этом эффективную систему для уменьшения бокового сноса. Таким образом, некоторые преимущества использования SPW по сравнению с традиционными брекет-системами заключаются в следующем:

• Снижает потребность в сейсмических нагрузках благодаря более высоким характеристикам пластичности SPW и присущей им избыточности и непрерывности.
• Ускоряет монтаж металлоконструкций за счет использования стальных панелей, сваренных в цеху и скрепленных болтами, что позволяет сократить расходы на контроль и контроль качества.
• Позволяет эффективно проектировать системы бокового сопротивления за счет равномерного распределения больших сил.

Срезной элемент из стальной пластины состоит из стальных пластин-заполнителей, соединенных системой колонн-балок. Когда эти пластины заполнения занимают каждый уровень внутри каркасного отсека структуру, они составляют SPW. Ее поведение аналогично вертикальной пластинчатой ​​балке, консольно закрепленной на основании. Подобно пластинчатым балкам, система SPW оптимизирует работу компонентов, используя преимущества поведения стальных панелей заполнения после выпучивания. Каркас SPW можно идеализировать как вертикальную консольную пластинчатую балку, в которой стальные пластины действуют как перемычка, колонны действуют как полки, а поперечные балки1 представляют собой поперечные ребра жесткости. Теория, лежащая в основе проектирования пластинчатых балок для зданий, предложенная Баслером в 1960 году: не следует использовать при проектировании конструкций SPW, поскольку ожидается, что относительно высокая прочность на изгиб и жесткость балок и колонн окажут существенное влияние на поведение после потери устойчивости. Однако теория Баслера может быть использована в качестве основы для построения аналитической модели систем SPW.

Разработчики, впервые применившие SPW, не имели ни большого опыта, ни существующих данных, на которые можно было бы положиться. Как правило, при проектировании стенок не учитывается поведение после выпучивания при сдвиге, таким образом игнорируются преимущества поля растяжения и его дополнительные преимущества для контроля сноса и сопротивления сдвигу. Кроме того, не была использована способность этой высокоизбыточной системы к неупругой деформации, а также игнорировалась значительная способность рассеивания энергии, которая имеет большое значение для зданий в сейсмических зонах высокого риска. Одним из первых исследователей, более внимательно изучивших поведение SPW, был Кулак из Университета Альберты . С начала 1980-х годов его команда проводила как аналитические, так и экспериментальные исследования, направленные на разработку процедур проектирования, подходящих для разработки стандартов проектирования (Driver et al., 1997, Thorburn et al., 1983, Timler and Kulak, 1983 и Tromposch and Kulak, 1987). ). Недавнее исследование, проведенное Астане (2001) в Соединенных Штатах, подтверждает утверждение канадских научных кругов о том, что нежесткая пластина после коробления действует как система, способная противостоять сдвигу.

Аналитические модели

Существует два различных метода моделирования:

• Модель полосы
• Модифицированная модель взаимодействия пластины и рамы (M-PFI)

Полосовая модель представляет панели сдвига как серию наклонных ленточных элементов, способных передавать только силы растяжения и ориентированных в том же направлении, что и средние главные растягивающие напряжения в панели. Заменив пластинчатую панель распорками, полученную стальную конструкцию можно проанализировать с помощью доступного в настоящее время коммерческого программного обеспечения для компьютерного анализа. Исследование, проведенное в Университете Британской Колумбии Резаи и др. (1999) показали, что полосовая модель существенно несовместима и неточна для широкого спектра схем SPW.

Полосовая модель ограничена в основном SPSW с тонкими пластинами (низкая критическая способность потери устойчивости) и определенными соотношениями. При разработке этой модели не было предусмотрено решение для перфорированной SPSW, стенок, работающих на сдвиг, с толстыми стальными пластинами, и стенок на сдвиг с ребрами жесткости. Концепция полосовой модели, хотя и подходит для практического анализа тонких пластин, не применима напрямую к другим типам пластин. Более того, его реализации еще не включены в широко используемое коммерческое программное обеспечение для компьютерного анализа.

Чтобы преодолеть это ограничение, был разработан общий метод анализа и проектирования SPW различных конфигураций, включая стены с отверстиями или без них, с тонкими или толстыми пластинами, с ребрами жесткости или без них. Этот метод рассматривает поведение стальной пластины и рамы отдельно и учитывает взаимодействие этих двух элементов, что приводит к более рациональному проектированию системы SPSW. Однако эта модель имеет серьезные недостатки, когда необходимо должным образом учитывать изгибное поведение SPSW, например, в случае тонкого высотного здания.

Модель модифицированного взаимодействия плиты и рамы (M-PFI) основана на существующей модели сдвига, первоначально представленной Робертсом и Сабури-Гоми (1992). Сабури-Гоми, Вентура и Харрази (2005) усовершенствовали модель и назвали ее моделью взаимодействия пластины и рамы (PFI). В этой статье аналитическая модель PFI затем дополнительно расширяется путем «модификации» диаграммы нагрузки-перемещения, чтобы включить влияние опрокидывающих моментов на реакцию SPW, отсюда и название модели M-PFI. Этот метод также учитывает взаимодействие предела пластической прочности стальных панелей при изгибе и сдвиге, а также взаимодействие предела текучести при изгибе и сдвиге для каждого отдельного компонента, то есть стальной пластины и окружающей рамы.

См. также

• коробление
• Сейсмостойкие конструкции
• Стальная балка

Ссылки

Саид Табатабаи и Робертс (1991 и 1992 годы), Робертс и Сабури-Гоми (1991 и 1992 годы), а также Берман и Брюно (2005 год)