Non-linear simulation of sheathed cold-formed studs for partitioning walls

Despite that, traditionally partitioning walls are considered as non-structural elements, they play a critical role in the overall performance of modern buildings. Their contribution to stiffness, their bracing accuracy, and their performance under service conditions has gained increasing attention, especially for tall configurations ranging from 4 to 6 meters height, normally used in residential and commercial spaces. These types of walls are typically composed of a cold-formed steel stud and plasterboard sheathing; this exhibits a complex mechanical behavior due to the brittle nature of plasterboard. The following thesis presents an accurate methodology for non-linear numerical modeling of sheathed cold-formed studs for partitioning walls in a combined scenario of axial and lateral loads using ABAQUS. The approach used integrates benchmark validations, statistical estimation of missing mechanical parameters, and calibration of constitutive laws for plasterboard based on historical data and catalog information. The so-called Concrete Damaged Plasticity (CDP) model was adopted to simulate the quasi-brittle response of plasterboard, while the screw connections were represented through non-linear springs derived from experimental load-slip curves. Finally, the influence of the screw spacing on global stiffness, mid-span deflection, and stress distribution is evaluated for a 6 m tall wall under fixed–fixed boundary conditions. The results show that the strategy used accurately reproduced the non-linear behavior of partitioning walls, providing a reliable framework for predicting serviceability and failure mechanics without the need for extensive experimental testing.

Nonostante tradizionalmente le pareti divisorie siano considerate elementi non strutturali, esse svolgono un ruolo fondamentale nelle prestazioni complessive degli edifici moderni. Il loro contributo alla rigidezza, la loro precisione di controventamento e le loro prestazioni in condizioni di servizio hanno ricevuto un’attenzione crescente, specialmente per configurazioni alte da 4 a 6 metri, normalmente utilizzate in spazi residenziali e commerciali. Questo tipo di pareti è tipicamente composto da montanti in acciaio formati a freddo e rivestimenti in cartongesso; essi mostrano un comportamento meccanico complesso a causa della natura fragile del cartongesso. La seguente tesi presenta una metodologia accurata per la modellazione numerica non lineare di montanti in acciaio formati a freddo rivestiti per pareti divisorie, utilizzando uno scenario combinato di carichi assiali e laterali in ABAQUS. L’approccio adottato integra validazioni di riferimento, stime statistiche dei parametri meccanici mancanti e calibrazione delle leggi costitutive per il cartongesso basata su dati storici e informazioni di catalogo. Il cosiddetto modello Concrete Damaged Plasticity (CDP) è stato adottato per simulare la risposta quasi-fragile del cartongesso, mentre i collegamenti a vite sono stati rappresentati tramite molle non lineari derivate da curve sperimentali carico-scippo. Infine, viene valutata l’influenza della distanza tra le viti sulla rigidezza globale, sulla freccia a metà campata e sulla distribuzione degli sforzi per una parete alta 6 m con condizioni di vincolo incastro–incastro. I risultati mostrano che la strategia utilizzata ha riprodotto accuratamente il comportamento non lineare delle pareti divisorie, fornendo un quadro affidabile per la previsione della funzionalità e della meccanica di rottura senza la necessità di test sperimentali estesi.