Modeling of shear walls using finite shear connector elements based on continuum plasticity

Abstract

Light-frame timber buildings are often stabilized against lateral loads by using diaphragm action of roofs, floors and walls. The mechanical behavior of the sheathing-to-framing joints has a significant impact on the structural performance of shear walls. Most sheathing-to-framing joints show nonlinear load-displacement characteristics with plastic behavior. This paper is focused on the finite element modeling of shear walls. The purpose is to present a new shear connector element based on the theory of continuum plasticity. The incremental load-displacement relationship is derived based on the elastic-plastic stiffness tensor including the elastic stiffness tensor, the plastic modulus, a function representing the yield criterion and a hardening rule, and function representing the plastic potential. The plastic properties are determined from experimental results obtained from testing actual connections. Load-displacement curves for shear walls are calculated using the shear connector model and they are compared with experimental and other computational results. Also, the ultimate horizontal load-carrying capacity is compared to results obtained by an analytical plastic design method. Good agreements are found.

Keywords

shear walls / wall diaphragms / finite element modelling / plastic shear connector / analytical modelling / experimental comparison

References

[1] Källsner B, Girhammar U A. Plastic models for analysis of fully anchored light-frame timber shear walls. Engineering Structures, 2009, 31(9): 2171–2181

[2] Källsner B, Girhammar U A. Plastic design of partially anchored wood-framed wall diaphragms with and without openings. In:Proceedings CIB-W18 Meeting. Karlsruhe, Germany, 2005

[3] Källsner B, Girhammar U A. Horizontal stabilising of light frame timber structures – Plastic design of wood-framed shear walls. SP Technical Research Institute of Sweden, SP Report 2008: 47, Stockholm, Sweden, 2009 (in Swedish)

[4] Girhammar U A, Källsner B. Horizontal stabilisation of sheathed timber frame structures using plastic design methods – Introducing a handbook. Part 1: Design principles for horizontal stabilisation. Procedia Engineering, 2016, 161: 618–627

[5] Girhammar U A, Källsner B. Horizontal stabilisation of sheathed timber frame structures using plastic design methods – Introducing a handbook. Part 2: Design of joints and anchoring devices. Procedia Engineering, 2016, 161: 628–635

[6] Källsner B, Girhammar U A. Horizontal stabilisation of sheathed timber frame structures using plastic design methods – Introducing a handbook. Part 3: Basics of the plastic design method. Procedia Engineering, 2016, 161: 634–644

[7] Källsner B, Girhammar U A. Horizontal stabilisation of sheathed timber frame structures using plastic design methods – Introducing a handbook. Part 4: Design in ultimate limit state. Procedia Engineering, 2016, 161: 645–654

[8] Fosci R O. Analysis of wood diaphragms and trusses – Part I: Diaphragms. Canadian Journal of Civil Engineering, 1977, 4(3): 345–352

[9] Dolan J D, Foschi R O. Structural analysis model for static loads on timber shear walls. Journal of Structural Engineering, 1991, 117(3): 851–861

[10] Judd J P, Fonseca S.Analytical model for sheathing-to-framing connections in wood shear walls and diaphragms. Journal of Structural Engineering, 2005, 131(2): 345–352

[11] Vessby J, Källsner B, Olsson A, Girhammar U A. Evaluation of softening behaviour of timber light-frame walls subjected to in-plane forces using simple FE models. Engineering Structures, 2014, 81: 464–479

[12] Filiatrault A. Static and dynamic analysis of timber shear walls. Canadian Journal of Civil Engineering, 1990, 17(4): 643–651

[13] Källsner B, Girhammar U A. Analysis of fully anchored light-frame timber shear walls – elastic model. Materials and Structures, 2009, 42(3): 301–320

[14] Vessby J, Olsson A, Källsner B, Girhammar U A. Modelling aspects on wooden shear walls with mechanically fastened sheathing. In: Shear walls for multi-storey timber buildings by Johan Vessby, Licentiate Thesis, Report No. 44, School of Technology and Design, Växjö University, Sweden, 2008

[15] Källsner B, Girhammar U A, Vessby J. Evaluation of two analytical plastic design models for light-frame shear walls. 12th World Conference on Timber Engineering, Auckland, New Zealand, July 16–19, 2012

[16] Girhammar U A, Gustafsson P J, Källsner B. Finite element modelling of shear walls using connector shear elements based on continuum plasticity. In: Proceedings of the Tenth International Conference on Computational Structures Technology. Topping B H V, eds. Stirlingshire, Scotland: Civil-Comp Press, 2010

[17] Neal B G. Plastic Methods of Structural Analysis. 2nd ed. London: Chapman & Hall and Science Paperbacks, 1965

[18] Fosci R O. Modelling the hysteretic response of mechanical connections for wood structures. In: Proceedings of World Conference on Timber Engineering. Whistler Resort, British Columbia, Canada, July 31–August 3, 2000

[19] Ottosen N S, Ristinmaa M. The Mechanics of Constitutive Modeling. Elsevier, 2005

[20] Girhammar U A, Bovim N I, Källsner B. Characteristics of sheathing-to-timber joints in wood shear walls. Proceedings 8th World Conference on Timber Engineering, Lahti, Finland, June, 14–17, 2004

[21] Collins M, Kasal B, Paevere P, Foliente G C. Three-dimensional model of light frame wood buildings – I: Model description. Journal of Structural Engineering, 2005, 131(4): 676–683

[22] Girhammar U A,Palm S.Tests on stud-to-rail joints in wood-framed shear walls. Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of TFE – Building Engineering, Report 2002:3, Umeå Sweden, 2002 (in Swedish)

[23] Austrell P E, Dahlblom O, Lindemann J, Olsson A, Olsson K G, Petersson H, Ristinmaa M, Sandberg G, Wernberg P A. CALFEM – A Finite Element Toolbox, Version 3.4. KFS in Lund AB, Sweden, 2004

[24] Girhammar U A, Eltoft J, Palm S. Tests of Wood-Framed Shear Walls at Partial Anchorage With and Without Openings. Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of TFE – Building Engineering, Report 2003:1, Umeå Sweden, 2003

[25] Girhammar U A, Källsner B. Tests on Partially Anchored Wood-Framed Shear Walls. 8th World Conference on Timber Engineering, Lahti, Finland, 2004

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg