OSB和GFB作为木结构剪力墙的护套材料：抗震性能的比较研究外文翻译资料

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OSB和GFB作为木结构剪力墙的护套材料：抗震性能的比较研究

Werner Seim¹； Miha Kramar²；TomažPazlar³；和Tobias Vogt⁴

摘要：本文对定向刨花板（OSB）和石膏纤维板（GFB）作为轻型框架墙体的护套材料进行了全面的研究。该研究基于该研究项目的实验结果，即针对地震影响的多层木结构建筑优化（OptimberQuake）。在该项目的框架中，已经在循环和单调荷载下测试了20种轻型框架墙元件和58种不同布局的护套到框架连接。对实验结果进行了分析和比较，包括延展性，能量耗散，变形和承载能力。此外，根据当前方法，采用概率方法评估了墙的性能。为此目的，使用简化的数值模型，其中壁由等效的非线性剪切弹簧表示。根据实验结果确定弹簧的特性，其中响应由滞回模型描述。概率分析的结果是，对具有不同护套类型的墙评估了行为因子（即力减小因子）。对实验结果和概率方法的分析得出相同的结论。结果表明，在耗能和变形能力方面，覆盖有OSB 或GFB板的木构墙的循环响应具有可比性。概率评估还表明，如果满足有关最小厚度和连接细节的基本要求，则对于两种类型的墙都可以使用相同的行为因子。与OSB相比， 建议使用更大的GFB 最小厚度值。

关键字：轻木建筑剪力墙；定向刨花板；石膏纤维板护套到框架连接；单调测试；循环测试；行为因素；木结构。

介绍

研究课题

鉴于公众环境意识的提高和自然资源的保护，木材结构在整个欧洲越来越受欢迎。木材最常用于住宅建筑。尽管在诸如交叉层压木材（CLT）或木材-混凝土复合材料的木材结构设计方面有了一些新的技术发展，标准轻型框架结构系统仍在木材结构中占主导地位。

如今，轻型框架结构不仅限于一层或两层的家庭住宅。几个例子证明了使用这种轻量级的构建系统可以有效地构建多达五个或更多故事的潜力（ 例如Thompson 2013; Pei et al.2010）。

在多层建筑物中，由地震或风引起的水平荷载会受到与地面和屋顶隔板连接的剪力墙系统的抵抗。典型的轻型框架剪力墙是由锯切的木构架构件组成的，在该构架构件上安装了用钉子或订书钉之类的榫钉式紧固件固定的护板（图1）。

现代多高层建筑中墙体的功能是多功能的：除了可以抵抗垂直和水平荷载外，墙体还必须满足隔热，隔音和防火的要求。此外，墙面元件还可以容纳技术设备以及表面材料，在结构的使用寿命中，这两种设备都可能需要多次更换。在这种情况下，石膏板是确保防火和表面预处理的首选材料。更高效率的趋势导致了新型石膏板的开发。出于经济原因和可持续性的考虑，将石膏板改进为石膏纤维板（GFB），以使由胶合板，OSB板或石膏板制成的双层护套更加可取。

GFB中使用的石膏是从自然资源或通过气体脱硫生产的。为了提高压缩和抗剪强度，在生产过程中添加了主要由废纸制成的纤维素作为增强材料。

在过去的几年中，GFB在欧洲北部被接受为用于覆盖轻型框架结构的结构材料。但是，许多人仍然不愿意在地震多发地区使用GFB。在这种情况下，剪力墙的耗能和变形能力是首要标准。由于基于力的设计在工程实践中仍然占主导地位，因此，力减小因子（q值）是表征不同结构系统性能的表征参数。在这里，经典的护套材料（如一侧的OSB和胶合板，另一侧的GFB）之间的差异非常大。在第一种情况下， Eurocode 8（CEN 2005b）建议q值最大为5.0，而该代码中未提及GFB。甚至即使是针对Fermacell纤维石膏板的欧洲技术批准（ETA 2013）也未提供有关GFB护套q值的任何信息。这就是为什么实用工程师通常使用q 1.5的保守值。这种巨大的差frac14; 异无法用材料特性的差异来解释。因为轻型框架墙元件的面内行为在很大程度上取决于护套与框架的连接，而不是取决于面板本身的机械性能，所以嵌入强度似乎至关重要。在这项研究中，两种材料对于不同连接器（直径分别为1.53和2.8 mm的订书钉和光滑钉子）的差异较小（表1）。

因此，本研究的主要目的是研究和比较具有不同护套材料的轻型框架墙元件的性能。该分析基于以下各节中提供的实验和数值结果。 OSB板用作OSB3类。

最新技术：实验和数值建模

对于轻框架元素在循环载荷下的行为，存在大量的实验数据。在过去50年中，主要是在北美，许多研究都考虑了不同方面。 Van de Lindt（2004）和Peterson（1983）对这个问题进行了全面的概述。文献综述显示了分析测试数据的许多不同方式。因此，比较不同的实验非常困难。先进的GFB和OSB材料没有得到直接比较这一事实，是对连接件和墙体进行广泛测试的主要动机。

到目前为止，由于GFB是市场上一种相对较新的结构材料，因此仅进行了很少有带有GFB板的轻质框架墙的实验。Dujič等。 （ 2006年） 以及Reinhardt和Aicher（ 2010年)对OSB和GFB面板进行了测试，以研究不同锚固系统和不同垂直荷载水平对墙体荷载-位移行为的影响。 Sartori等。（2012 年）比较了OSB和GFB面板不同组合的墙壁元素的行为。测试结果显示，仅由GFB面板制成的墙以及由OSB和GFB面板组合制成的墙的最大承重能力比仅带OSB面板的墙低35％， 而不同墙几乎相同。

关于木质轻框架墙的建模，可以在文献中找到许多复杂程度各异的数学模型。早期研究的主要目的是确定剪力墙的静态机架强度（例如Tuomi和McCutcheon 1978； Gupta和Kuo 1985）。在这些模型中，框架构件和护套通常被认为是刚性的，而护套面板则假定经过相同的旋转和平移。随着计算力学的进步，更复杂的有限元模型的开发成为可能。其他研究人员也考虑了诸如框架构件弯曲，护套刚度，紧固件的滞回行为以及框架节点的非线性行为等现象（ 例如 ：Dolan和Foschi 1991； White和Dolan 1995）。有限元模型清楚地表明，框架墙的性能主要受连接行为的支配，而框架弯曲和护套的剪切刚度的影响就不那么重要了。

在上述模型中，护套到框架连接位置通常由单个非线性弹簧（例如McCutcheon 1985）或一对正交非线性弹簧（例如Gupta和Kuo 1985）表示，它们都具有某些缺点。单弹簧模型无法进行循环分析，而一对正交弹簧通常会高估连接的强度和刚度（ Folz 和Filiatrault 2001a）。因此，Folz和Filiatrault（2001a）提出了一种通过调整连接间距来补偿强度和刚度过高估计的方法。另外， Judd和Fonseca（2005）提出了一个分析模型，其中，护套与框架的连接是通过一对沿初始位移轨迹定向的弹簧建模的。同样，理查德等。 （2003）假设在加载过程中相对漂移变化很小。因此，在固定的位移方向上施加了非线性弹簧。

表1.材料参数

关于连接的本构-变形关系，Folz和Filiatrault（2001 a）提出了一种滞后模型，该模型考虑了木材的压碎（在框架和护套中）以及连接器的屈服和损伤累积。此模型后来被许多研究人员采用（Rosowsky 2002； Judd和Fonseca 2005），并被纳入计算机程序对木结构的地震分析（SAWS）中（Folz和Filiatrault 2001b）。知道墙壁的特性后，通常基于故事机制的假设，通过简化的平面模型来表示木质轻型框架结构（ Folz 和Filiatrault 2004）。在该模型中，地板被建模为无限刚性的膜片，该膜片通过壁位置处的零长度弹簧相互连接或与地基相连。等效单自由度（SDOF）弹簧元件经过校准，以反映剪力墙的性能。如果可用，弹簧的校准基于循环测试数据。但是，通常没有适当的实验结果，还需要进行其他数值分析来确定弹簧的力-位移关系。无论关注的是整体结构还是单个墙的响应， 都应使用实验结果对模型的至少一部分进行校准。 GFB的滞后行为在墙的水平或在护套到框架连接的水平上均未得到充分记录。因此，本文试图扩展现有的连接和墙体实验结果数据库。使用SAWS滞后模型（Folz和Filiatrault 2001b）对结果进行了校准，该模型已广泛用于分析木质轻型框架结构。基于实验结果和校准的数值模型，根据各种参数以及行为因素（即力减小因素）评估了不同护套材料（GFB和OSB）和紧固件的性能。

实验

OSB和GFB护套的比较研究基于在欧洲项目OptimberQuake（2013）框架内进行的大量实验。该项目的主要目标是改善和开发地震风险增加地区的多层木结构建筑的抗震建筑系统和设计程序。该项目涉及墙板的分析和实验研究。研究了木结构系统以及交叉层压木材

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