Afschuifwanden met openingen (ACI)

In dit hoofdstuk wordt het gedrag van vier gewapend beton (RC) afschuifwandmonsters met openingen onderzocht. Hun laterale belastingscapaciteit en drifthoek (verplaatsing/lengte) werden geëvalueerd met behulp van IDEA StatiCa software en vergeleken met experimentele gegevens gerapporteerd door Taleb et al. (2012). 

De resultaten werden ook vergeleken met ontwerpwaarden berekend met behulp van het Staafwerk model (STM) opgenomen in ACI 318-19 (2019). Een van de geteste afschuifwandmonsters werd geselecteerd als basismodel voor verdere analyse met behulp van ABAQUS software (2023), waarbij drifthoek, hoofdspanningsverdeling en scheurpatronen werden berekend en vergeleken met die gemeten tijdens experimenten. Bovendien werd het Mander et al. (1988) omsluitingsmodel toegepast om het effect van omsloten beton op de afschuifwandcapaciteiten in detail te onderzoeken.

Experimentele Studie

Om de constructieve prestaties van afschuifwanden met openingen te evalueren, werden vier RC enkelvoudige-overspanning constructieve wandmonsters, geïdentificeerd als N1, S1, M1 en L1, bestudeerd. Deze monsters werden geconstrueerd en getest door Taleb et al. (2012) in het constructief laboratorium van de Universiteit van Kyoto onder laterale omgekeerde cyclische belasting. De wanden werden geschaald naar 40%, wat de onderste drie verdiepingen van een zes verdiepingen tellend RC gebouw vertegenwoordigt. De belangrijkste doelen van deze experimenten waren het analyseren van het laterale gedrag en het begrijpen van de effecten van verschillende openingsgroottes en -locaties op de scheurverdeling en afschuifsterkte van RC constructieve wanden. Consistentie in primaire wapening werd gehandhaafd voor alle monsters, met variaties in de openingsverhoudingen. Onder deze monsters werd L1 geselecteerd als basismodel voor verdere analyse met behulp van ABAQUS software.

Experimentele Opstelling

De experimentele opstelling en details van het belastingssysteem zijn weergegeven in Figuren 3.1 en 3.2. De laterale belasting Q werd op de belastingsbalk aangebracht met behulp van twee 2 MN (449,6 kips) hydraulische vijzels, die cyclische omgekeerde horizontale belastingen op de monsters leverden. Deze belastingen werden in beide richtingen aangebracht, waarbij reële aardbevingsomstandigheden werden gesimuleerd. Naast de horizontale belastingen werden verticale axiale belastingen op de kolommen aangebracht met behulp van twee 1 MN (224,8 kips) hydraulische vijzels, die de belastingen op de onderste drie verdiepingen van een zes verdiepingen tellend RC gebouw repliceerden. De verticale belastingsniveaus werden gekozen om de langetermijn axiale belastingen te weerspiegelen die in een dergelijke constructie worden verwacht, waarbij elke vijzel aanvankelijk een belasting van 400 kN (89,9 kips) toepaste om het gewicht van de bovenste verdiepingen te vertegenwoordigen.

De twee verticale hydraulische vijzels werden aangepast om axiale krachten, N_w​ en N_e​, toe te passen, die varieerden met de laterale belasting Q, om een afschuifoverspanningsverhouding (M/Ql) van 1,0 te handhaven. Hier vertegenwoordigt M het moment aan de basis van de wand, Q is de horizontale belasting, en l is de afstand tussen de centra van de zijkolommen. Deze opstelling zorgde ervoor dat afschuiffalen zou optreden vóór enige buigende vloeiing van de wand.

De invloed van de axiale belasting op de afschuifcapaciteit was minimaal, omdat de zijkolommen intact bleven totdat de tests werden afgesloten.

Figuur 3.1, 3.2 Testopstelling, Belastingssysteem

Testmonsters

Vier gewapend beton wandmonsters werden geconstrueerd en getest aan de Universiteit van Kyoto. Zoals geïllustreerd in Figuur 3.3, hadden drie monsters (S1, M1, L1) excentrische openingen, terwijl één monster (N1) geen openingen had. De primaire variabelen voor de drie verdiepingen tellende monsters met openingen waren de openingsverhouding en de locatie van de openingen. Een van de belangrijkste doelstellingen van de experimentele tests was het beoordelen van de invloed van verschillende openingsverhoudingen op de afschuifsterkte van de constructieve wanden. De openingsverhoudingen voor monsters S1, M1 en L1 waren respectievelijk 0,30, 0,34 en 0,46.

Figuur 3.3: Monsterconfiguraties en wapeningsstaafarrangement: a) details en afmetingen voor monster N1 zonder opening, en b) afmetingen en openingsdetails voor monsters S1, M1 en L1.

IDEA StatiCa Analyse

Het gedrag van gewapend beton afschuifwandmonsters met openingen, zoals onderzocht in Sectie 3.3.1, werd geanalyseerd met behulp van IDEA StatiCa Detail. Deze studie breidt eerder onderzoek van Taleb et al. (2012) uit en richt zich op monsters N1, S1, M1 en L1. Deze monsters werden specifiek gekozen om de invloed van variërende openingsverhoudingen en -locaties op hun constructieve prestaties te onderzoeken. De modelleringsmethodologie in IDEA StatiCa Detail integreerde de werkelijke druksterkte van beton en de vloei- en breuksterkte van wapeningsstaalstaven, overeenkomstig de parameters beschreven door Taleb et al.(2012).

In de IDEA StatiCa analyse werden belastingsfactoren van 1,0 gebruikt voor beide belastingspatronen - het eigen gewicht en de aangebrachte laterale belasting - gericht op de uiterste grenstoestand (UGT) belastingscombinatie. Om de nauwkeurigheid van de simulaties en hun afstemming op experimentele bevindingen te waarborgen, werden materiaalfactoren voor beton (f_c) en wapeningsstaal (f_s) binnen IDEA StatiCa ingesteld op 1,0.

Het capaciteitsberekeningsproces voor IDEA StatiCa omvatte het stapsgewijs verhogen van de aangebrachte laterale belasting in het midden van de bovenste balk totdat een van de volgende condities werd bereikt:

1. Het beton bereikte op enig punt in het model 100% van zijn sterktecapaciteit onder de aangebrachte belasting.
2. Het wapeningsstaal bereikte 100% van zijn sterktecapaciteit onder de aangebrachte belasting.
3. Het verankeringsstaal bereikte 100% van zijn sterktecapaciteit onder de aangebrachte belasting.

Figuur 3.5: Afschuifwand met openingen L1 bij 1,82 kN/mm (10,4 kip/in.) laterale belasting: a) IDEA StatiCa Detail  model met resultaten, b) doorbuigingscontour, c) hoofdspanningen in beton (σc), en d) spanningen in de wapening (σs).

Capaciteitsberekening met het Staafwerk Model

De capaciteiten voor alle afschuifwanden met openingen werden bepaald volgens de bepalingen voor het Staafwerk Model (STM) zoals beschreven in de American Concrete Institute (ACI 318-19) norm, specifiek beschreven in Sectie 2.2. Afhankelijk van de locatie van knooppuntzones en drukdiagonalen, werden de knooppunt- en drukdiagonaalomsluitingsmodificatiefactor (β_c), drukdiagonaalcoëfficiënt (β_s)_, en knooppuntzone coëfficiënt (β_n) overgenomen uit Tabellen 2.1 tot en met 2.3 in Hoofdstuk 2. De effectieve druksterkte van beton (f_ce) in een drukdiagonaal en knooppuntzone werden berekend met behulp van respectievelijk Vergelijkingen 2.4 en 2.9.

Meerdere Staafwerk modellen werden ontwikkeld om het beste model te identificeren dat de maximale laterale belastingscapaciteit en locatie van falen zo nauwkeurig mogelijk zou opleveren. Om de vakwerkmodellen te construeren (of STM met drukdiagonalen als drukstaafleden en trekstaven als trekstaafleden), werden spanningsstroomdiagrammen en topologieoptimalisatieplots uit de IDEA StatiCa analyse gebruikt voor alle afschuifwandmonsters. Het effectieve volume was 20% in de topologieoptimalisatieplots gegenereerd door IDEA StatiCa.

Het ontwikkelen van een vakwerkmodel of STM omvat het creëren van een vereenvoudigde weergave van complex constructief gedrag met behulp van principes van krachtenevenwicht en spanningsverdeling. De specifieke aanpak voor het ontwerpen van het vakwerkmodel kan aanzienlijk variëren, afhankelijk van het oordeel, de voorkeuren en de expertise van de betrokken constructeurs. Ingenieurs kiezen uit een verscheidenheid aan methoden om het vakwerkmodel te construeren, met als doel nauwkeurig weer te geven hoe spanningen en krachten worden overgedragen en verdeeld binnen de constructie. Dit proces is erop gericht te waarborgen dat het vakwerkmodel het algehele fysieke gedrag en de constructieve integriteit effectief vertegenwoordigt, en dat het consistent is met de draagvermogensvereisten van het ontwerp.

Het navigeren door de vereisten beschreven in normen en standaarden, zoals die in de ACI 318-19 (met name in Hoofdstuk 23), brengt verschillende uitdagingen met zich mee bij het ontwikkelen van een vakwerkmodel of STM. Deze standaarden specificeren kritieke factoren waaronder staafafmetingen, verbindingen en belastingspaden om constructieve integriteit en veiligheid onder variërende belastingscondities te waarborgen. Specifieke vereisten omvatten het waarborgen dat alle knopen in evenwicht zijn, het in balans brengen van verticale en horizontale krachten op hellende drukdiagonalen bij knooppuntzones, en het voorkomen dat drukdiagonalen en trekstaven elkaar kruisen. Bovendien moeten drukdiagonalen een minimale hellingshoek van 25 graden handhaven, en moeten zowel drukdiagonalen als knooppuntzones voldoende gedimensioneerd zijn om de aangebrachte belastingen te weerstaan. De afmetingen van drukdiagonalen en knooppuntzones worden bepaald op basis van effectieve betonsterkte zoals gedefinieerd in Secties 2.3 en 2.4 van Hoofdstuk 2.

Op basis van de topologieoptimalisatieplot en spanningsstroomdiagrammen bepaald uit de IDEA StatiCa analyse voor afschuifwandmonster N1, werden verschillende vakwerkmodellen ontwikkeld. Vervolgens werden deze vakwerken geanalyseerd met behulp van SAP2000 software (2024). Dit proces richtte zich op twee hoofddoelstellingen: (a) het identificeren van kritieke drukdiagonalen, trekstaven en knooppuntzones (met behulp van spanningsstroomplots uit de IDEA StatiCa analyse), en (b) het beoordelen van het draagvermogen van elk model (met behulp van vakwerkstaaf- en reactiekrachten uit de SAP2000 analyse).Na meerdere iteraties werden de resultaten van het definitieve STM gerapporteerd en vergeleken met de gemeten testgegevens. 

Figuur 3.269: Staafwerk model voor monster N1: a) STM met spanningsstroom, b) STM in SAP2000, en c) axiale krachten in STM-leden berekend in SAP2000.

ABAQUS Modelontwikkeling en Analyse

In dit gedeelte werd monster L1, dat werd gemodelleerd en geanalyseerd in Sectie 3.5.1, opnieuw gemodelleerd met behulp van ABAQUS software (2023) voor eindige elementen (FE) analyse. De resultaten werden vervolgens vergeleken met die verkregen uit IDEA StatiCa. Vanwege de complexiteit van de constructie werd het CAD-model, inclusief beton en wapeningsstaven, getekend in Rhino software (McNeel, 2020) en vervolgens geëxporteerd naar ABAQUS als een STEP-bestand. De gebruikte versie van Rhino zal worden opgenomen in de Referenties. Vergelijkbaar met het IDEA StatiCa model, werden in ABAQUS, naast het eigen gewicht (d.w.z. Belasting 1), twee verticale belastingen (d.w.z. Belastingen 2 en 3), elk 400 kN, aangebracht op twee draagplaten met een dikte van 4 in., zoals weergegeven in Figuur 3.34. Omdat de lijnbelasting in ABAQUS alleen kan worden gebruikt voor balkelementen, werd om de laterale belasting opgelegd aan de constructie in de experimentele test en IDEA StatiCa na te bootsen, een horizontale kracht (d.w.z. Belasting 4) aangebracht op een gedefinieerd referentiepunt (d.w.z. RF2) dat was gekoppeld aan de randen van de bovenste balk om de lijnbelasting te simuleren.

Figuur 3.34: Modelopstelling in ABAQUS met de locaties en details van de aangebrachte belasting en randvoorwaarden.

Twee ondersteuningsplaten onder de constructie werden gefixeerd om verticale en laterale verplaatsing te beperken (zie Figuur 3.34). Om de scheurinitiatie en -evolutie nauwkeurig vast te leggen, werd de elementgrootte gekozen op 20 mm, wat resulteerde in een totaal van 396.505 elementen in het model (zie Figuur 3.35). Het 3D-spanning, 8-knoop lineair blok gereduceerde integratie (d.w.z. C3D8R) elementtype werd geselecteerd voor het beton, terwijl het truss-element werd gekozen voor de wapeningsstaven.

Figuur 3.35: Mesh dichtheid met elementgrootte van 20 mm.

In ABAQUS werd het Concrete DamagePlasticity (CDP) constitutief model gebruikt. De vereiste parameters om dit model te beschrijven werden verkregen na kalibratie uit verschillende bronnen (Federal Highway Administration, 2006, en Watanabe et al., 2004) omdat ze niet expliciet waren aangegeven in Taleb et al. (2012). Voor de staalstaven werd het materiaalgedrag gemodelleerd met behulp van bi-lineaire plasticiteit. Andere parameters, waaronder dichtheid, elasticiteitsmodulus en de verhouding van Poisson, werden exact overgenomen uit de IDEA StatiCa materialenbibliotheek. De numerieke simulatie werd uitgevoerd op een virtuele machine met 16 processors (Intel Xeon® Gold Processor 6430 @2.10GHz) en duurde ongeveer 185 minuten om te voltooien, terwijl IDEA StatiCa de berekening in minder dan twee minuten voltooide.

Samenvatting

Concluderend werden de capaciteiten van gewapend beton afschuifwanden met openingen geëvalueerd met behulp van IDEA StatiCa Detail, waarbij het Staafwerk model van ACI 318-19, ABAQUS, de Compatible Stress Field Method (CSFM) en experimentele gegevens werden vergeleken. De studie toonde aan dat het STM de draagcapaciteit aanzienlijk onderschatte vanwege zijn conservatieve ontwerpveronderstellingen. Daarentegen leverden zowel de CSFM als ABAQUS resultaten op die nauw aansloten bij de gemeten capaciteiten, met name onder positieve belastingscondities. Bovendien werden in de analyse de effecten van omsloten versus niet-omsloten betonmateriaal op sterkte- en driftgedrag beschouwd. De resultaten toonden aan dat opsluiting de afschuifwandcapaciteit over het algemeen verbetert, hoewel de invloed op drifthoeken varieerde tussen de monsters.Over het algemeen benadrukken de bevindingen het belang van het selecteren van geschikte voorspellingsmethoden, waarbij CSFM en ABAQUS superieure nauwkeurigheid demonstreren vergeleken met STM en onderstrepen de noodzaak van zorgvuldige overweging van omsluitingseffecten bij ontwerp en analyse.

Figuur 3.39: Vergelijking van de richting van hoofdspanningen tussen IDEA StatiCa en ABAQUS.

Figuur 3.41: Vergelijking van de spanningen in de staalstaven tussen a) IDEA StatiCa, en b) ABAQUS.