Determinazione delle proprietà meccaniche dei connettori flessibili per l'uso in pannelli di pareti in calcestruzzo coibentato

Sommario

Proponiamo un protocollo di test che può essere combinato con metodi analitici ampiamente disponibili per valutare le proprietà meccaniche dei connettori a taglio da utilizzare nella progettazione di pannelli murali in calcestruzzo isolato per prevedere il comportamento del pannello isolante su vasta scala.

Abstract

Questo documento contiene raccomandazioni per l'esecuzione di una prova a doppio taglio non standard, adatta a pannelli sandwich in calcestruzzo isolato continuo e discreto (ICSWP). Tale test standardizzato non esiste, ma diverse iterazioni di questo e test simili sono state eseguite in letteratura con vari gradi di successo. Inoltre, i test in letteratura sono raramente, se non mai, descritti in dettaglio o discussi a lungo per quanto riguarda i test, l'analisi dei dati o le procedure di sicurezza. Si raccomanda una configurazione del campione di prova e vengono discusse le varianti. Importanti proprietà meccaniche sono identificate dai dati di carico rispetto allo spostamento e la loro estrazione è dettagliata. L'uso dei dati di prova per la progettazione, ad esempio per determinare la rigidità dei connettori, è brevemente dimostrato per mostrare come possono essere calcolati la deflessione ICSWP e il comportamento di fessurazione. Il comportamento di resistenza dei pannelli può essere determinato utilizzando la curva a pieno carico rispetto allo spostamento o solo la forza massima del connettore. Vengono riconosciute carenze e incognite e viene delineato un significativo lavoro futuro.

Introduzione

I pannelli sandwich in calcestruzzo isolato (ICSWP) comprendono uno strato di isolamento posto tra due strati di calcestruzzo, spesso chiamati wythes, che forniscono sinergicamente un componente termicamente e strutturalmente efficiente per involucri edilizi o pannelli portanti 1 (Figura 1). Per adattarsi al settore delle costruzioni in rapida evoluzione e alle nuove normative edilizie sull'efficienza termica, i prefabbricanti stanno fabbricando ICSWP con strati di calcestruzzo più sottili e strati isolanti più spessi con maggiore resistenza termica; Inoltre, i progettisti stanno utilizzando metodi più raffinati per tenere conto dell'interazione parzialmente composita dei wythes in calcestruzzo per ridurre i costi complessivi di costruzione aumentando al contempo le prestazioni termiche e strutturali². Mentre è noto che l'efficienza strutturale dipende in gran parte dalla connessione strutturale tra gli strati di calcestruzzo e che sul mercato sono disponibili più connettori di taglio proprietari, non esiste un protocollo di prova standardizzato in letteratura per esaminare le proprietà meccaniche di tali connettori. I connettori disponibili variano ampiamente nella loro geometria, materiali e produzione, quindi è difficile ottenere un approccio analitico unificato per determinare le loro proprietà meccaniche. Per questo motivo, molti ricercatori hanno utilizzato le proprie configurazioni personalizzate in laboratorio che cercano di imitare il comportamento fondamentale dei connettori agli stati limite di servizio e forza 3,4,5,6,7,8,9,10. Tuttavia, solo due di essi fanno parte di uno schema di valutazione dei test^5,8, nonostante non siano utili per tutte le gamme di connettori a causa della loro ampia variazione di forma, rigidità e composizione del materiale.

Figura 1: Composizione tipica di un campione di pannello murale sandwich. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Un metodo comune per testare questi connettori è quello che viene spesso definito taglio singolo con una o due file di connettori, come descritto in precedenza 3,11,12, che è spesso basato su ASTM E488^, uno standard di prova di ancoraggio del calcestruzzo¹³. L'ASTM E488 non richiede, ma implica fortemente attraverso i disegni delle configurazioni di prova suggerite, che verrà testato un singolo ancoraggio che sporge da una base fissa di calcestruzzo. Una volta testati i provini, viene tracciata una serie di curve di carico rispetto allo spostamento e da tali curve si ottengono i valori medi del carico elastico finale (F_u) e della rigidità elastica (K_0,5Fu). Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo di questo approccio è che produce risultati a bassa variabilità e non richiede grandi spazi di laboratorio o molti sensori¹⁴. Un approccio diverso consiste nel caricare un connettore wythe in doppio taglio per determinare le proprietà meccaniche da utilizzare nella progettazione di tali pannelli 6,7,14,15,16. I dati risultanti vengono elaborati nello stesso modo e i valori medi del carico elastico finale (F_u) e della rigidità elastica (K_0,5Fu) vengono ottenuti dai test. Sebbene questo approccio di test implichi l'utilizzo di più materiale e richieda più sensori, è aneddotica più facile applicare le condizioni di carico e al contorno in un laboratorio.

I due stili di test non sembrano drammaticamente diversi, ma producono risultati diversi in gran parte basati sulla loro capacità di imitare il comportamento del connettore in un pannello a grandezza naturale. La configurazione di prova a taglio singolo e a fila singola produce un'azione di pizzicamento, come mostrato nella Figura 2B,C, e un ulteriore momento di ribaltamento, come descritto in precedenza^14,17, che non sarebbe presente in un pannello a grandezza naturale. Il doppio taglio fa un lavoro migliore nell'imitare questo comportamento su larga scala: modella la traslazione di taglio puro dei wythes esterni rispetto al wythes centrale. Di conseguenza, i valori di doppio taglio impiegati nei metodi analitici hanno dimostrato di produrre risultati più vicini a quelli ottenuti nelle prove su larga scala di pannelli murali isolanti rappresentativi¹⁴. Nella Figura 3 viene illustrata la configurazione del test schematico per il test a taglio singolo e doppio di un connettore.

Figura 2: Esempi di diverse configurazioni di test dei connettori impiegate in letteratura. È stato dimostrato che i campioni di connettori singoli causano carichi che non rappresentano la traslazione parallela dei wythes osservati nei pannelli in scala reale. (A) Doppio taglio con due connettori; (B) Doppio taglio con un connettore; (C) Cesoia singola con un connettore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Un denominatore comune delle conclusioni di tutti questi studi è che entrambe le metodologie di prova sono appropriate per determinare le proprietà meccaniche dei connettori flessibili, ma i risultati dello schema di prova a doppio taglio assomigliano più da vicino al comportamento del connettore in un pannello reale sotto flessione. In altre parole, quando l'utente utilizza tali risultati di test in un modello analitico, corrispondono strettamente ai risultati dei test su larga scala in cui vengono utilizzati i connettori. È importante ricordare che i risultati di tali test sono appropriati per i modelli che si basano direttamente sulle proprietà meccaniche come parametri di progettazione di input, come metodi empiricamente derivati, soluzioni in forma chiusa della teoria del fascio sandwich e modelli agli elementi finiti con molle 2-D e 3-D 7,18,19,20.

Figura 3: Vista schematica dei protocolli di test in letteratura. Un ariete viene utilizzato per traslare i wythes degli esemplari l'uno rispetto all'altro. (A) Protocolli di prova a taglio singolo e (B) a doppio taglio. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

In questo lavoro viene presentato un protocollo sperimentale per ottenere i valori della curva dorsale e le proprietà meccaniche dei connettori a parete isolati, vale a dire F_u e K_0,5Fu. Il metodo si basa sul test dei connettori utilizzando un approccio di test a doppio taglio con alcune modifiche per eliminare le fonti di variabilità e produrre risultati più affidabili. Tutti i campioni sono costruiti in un ambiente a temperatura controllata, dove vengono testati quando il calcestruzzo raggiunge la resistenza alla compressione target. Il vantaggio principale di questo protocollo di prova è che può essere facilmente seguito, può essere replicato da diversi tecnici e descrive da vicino il comportamento reale del connettore wythe in un pannello di parete in calcestruzzo coibentato reale sotto flessione o flessione e forza assiale combinati, come è stato dimostrato in letteratura.

L'applicazione del protocollo di test dei connettori wythe suggerito per determinare le proprietà meccaniche e il comportamento del materiale migliorerà l'accuratezza dei risultati dei test per l'industria dei pannelli murali in calcestruzzo isolato e ridurrà le barriere per gli imprenditori interessati a creare nuovi connettori innovativi. Il futuro grande aumento della costruzione di pannelli isolanti sia nell'industria del calcestruzzo inclinabile che in quella del calcestruzzo prefabbricato richiederà un migliore uso dei materiali e metodi più unificati per ottenere proprietà ingegneristiche dei pannelli.

Protocollo

1. Fabbricazione del campione di prova

1. Selezionare il connettore a taglio discreto o continuo per testare e rispettare le dimensioni del provino indicate nella Figura 4. Se necessario, modificate le quote in base alle distanze dei bordi di prova modificando la distanza del connettore.
   NOTA: In generale, è importante rispettare le linee guida del produttore, sebbene questo test possa essere utilizzato per sviluppare queste linee guida. Le dimensioni del calcestruzzo e dell'isolamento saranno dettate dal connettore di interesse. Le proprietà meccaniche del test sono valide solo per questa specifica combinazione di dimensioni, resistenza del calcestruzzo, densità e tipo di isolamento e connettore.
2. Indicare la resistenza alla compressione target del rappresentante concreto della situazione progettuale di interesse. Se si tenta di modellare i risultati delle prove in scala reale, assicurarsi che la resistenza del calcestruzzo sia la stessa di quella del campione in scala reale o del progetto previsto al momento della prova. Se si sceglie come target un determinato scenario, ad esempio la resistenza minima per il sollevamento del pannello, eseguire il test a tale forza.
3. Fabbricare la cassaforma in calcestruzzo utilizzando un layout verticale o orizzontale degli strati di calcestruzzo. Assicurarsi che il test corrisponda allo stile di costruzione in modo che l'installazione dei connettori corrisponda alla situazione sul campo.
   NOTA: La maggior parte degli ICSWP in servizio sono fabbricati con un layout orizzontale di ogni livello.
4. Perforare l'isolamento in schiuma (per le fascette a perno) o orientare i pezzi isolanti (per i legami installati con cuciture) e posizionare i connettori nelle posizioni indicate nei disegni standard forniti dal produttore. Posizionare i connettori utilizzando l'orientamento desiderato dall'impianto di prova per raccogliere le proprietà (ad esempio, un angolo di 0° o 90° o altro rispetto all'asse forte e al carico applicato).
   NOTA: l'installazione dei connettori deve essere quella indicata dal produttore/fornitore a meno che l'installazione non sia una variabile di prova di interesse.
5. Posizionare il primo strato di rinforzo in acciaio nelle forme per evitare che il provino si rompa se i pezzi di calcestruzzo si rompono durante la manipolazione o il test.
   NOTA: Poiché i provini raramente si rompono a causa dei carichi applicati, non si ritiene necessario un rinforzo delicato a meno che non si preveda che partecipi al legame del connettore al calcestruzzo. Nella Figura 5 viene illustrata l'organizzazione dei passaggi 1.5-1.14 attraverso il processo.
6. Se tutti gli strati di calcestruzzo non possono essere posizionati in modo tempestivo prima del set iniziale del calcestruzzo, gettare gli strati a almeno 3 ore di distanza o secondo le raccomandazioni del produttore del connettore.
   NOTA: i passaggi 1.7-1.14 indicano il posizionamento consecutivo del calcestruzzo.
7. Versare il calcestruzzo fresco nelle forme e vibrare adeguatamente per evitare la formazione di grandi vuoti d'aria nel calcestruzzo o la scarsa compattazione delle particelle.
8. Posizionare il primo strato isolante contenente i connettori o spingerli nella schiuma, a seconda dei casi. Posizionare lo strato isolante in modo che entri in contatto con il calcestruzzo fresco. Per garantire che il calcestruzzo sia consolidato attorno ai connettori, far vibrare il connettore con un vibratore interno per calcestruzzo a 12.000 alternanze/min, salvo diversa indicazione del produttore del connettore.
   NOTA: la vibrazione per 2-5 s è sufficiente per garantire il consolidamento attorno ai connettori.
9. Posizionare un'ancora di sollevamento della capacità di 1 tonnellata (o più forte a seconda del peso finale del campione) nello strato intermedio del calcestruzzo per facilitare la movimentazione.
10. Posizionare il secondo strato di rinforzo in acciaio nelle forme al centro del centro della posizione.
11. Versare il secondo strato di calcestruzzo fresco nelle forme e consolidare adeguatamente il calcestruzzo come descritto sopra.
12. Posizionare il secondo strato isolante contenente i connettori o installarli nella schiuma, come descritto al punto 1.4. Assicurarsi attentamente che il calcestruzzo sia consolidato attorno ai connettori.
13. Posizionare il terzo strato di rinforzo in acciaio nelle forme al centro del terzo strato di calcestruzzo.
14. Versare il terzo e ultimo strato di calcestruzzo fresco nelle forme e vibrare adeguatamente.
15. Realizzare cilindri di calcestruzzo per ogni calcestruzzo utilizzato nella costruzione dei provini ai fini della documentazione della resistenza alla compressione.
    NOTA: Questa fase può essere completata in qualsiasi momento durante la costruzione dei campioni, ma è consigliata a metà del posizionamento di un determinato lotto. La preparazione del cilindro e la polimerizzazione sul campo devono seguire la norma ASTM C31²¹.
16. Polimerizzare i campioni in un ambiente a temperatura controllata fino a quando il calcestruzzo ha raggiunto la resistenza desiderata. Estrarre i campioni dalle forme una volta che il calcestruzzo si è indurito adeguatamente per l'hardware di sollevamento.

2. Prova del campione a doppio taglio

NOTA: La figura 6 mostra una disposizione rappresentativa della provetta pronta per essere sottoposta a prova (cinghia a cricchetto non illustrata).

1. Portare il campione in laboratorio per il campionamento quando il calcestruzzo utilizzato per fabbricare i campioni ha raggiunto la resistenza desiderata.
   NOTA: le prove di resistenza alla compressione devono seguire la norma ASTM C39²². La temperatura ambiente deve rimanere relativamente costante durante l'atto fisico della prova, con la temperatura suggerita per essere 25 °C ± 5 °C, e durante la prova e la conservazione dei campioni. L'intervallo di temperatura di prova non deve essere rigorosamente controllato in quanto le proprietà dei materiali coinvolti non dovrebbero variare in modo significativo con le temperature ambiente tipiche.
2. Posizionare due strisce di cuscinetto in politetrafluoroetilene (PTFE) da 3 mm x 100 mm x 600 mm nella parte inferiore delle strisce esterne in calcestruzzo per ridurre al minimo l'attrito durante il test.
3. Impostare il campione sotto il telaio di carico con lo strato di cemento centrale centrato sotto l'apparato di carico. Utilizzare un pistone idraulico o una grande macchina di prova universale per applicare il carico nella parte superiore del centro strada, avendo cura di distribuire il carico con una piastra portante sufficientemente grande da evitare un cedimento del cuscinetto per i carichi previsti.
4. Fissare l'angolo in acciaio al centro con una vite in calcestruzzo o muratura. Creare una separazione di almeno 5 mm tra l'angolo di acciaio e la superficie del calcestruzzo utilizzando rondelle in acciaio o plastica per evitare che l'angolo interagisca altrimenti con il campione (Figura 6).
5. Collegare i sensori di spostamento ai due wythes esterni, sui lati opposti del provino (quattro in totale), per misurare il movimento dell'angolo di acciaio rispetto alla loro posizione fissa sul wythes esterno.
   NOTA: I sensori di spostamento consigliati sono trasduttori differenziali variabili lineari o potenziometri. I sensori devono essere sempre conservati in una custodia asciutta priva di polvere, umidità ed effetti magnetici per evitare la perdita di calibrazione. Gli indicatori analogici non sono consigliati.
6. Posizionare una cinghia di nylon larga 50 mm intorno alla parte superiore del campione per garantire che una rottura inaspettata del connettore fragile non causi danni all'ambiente circostante, incluso danneggiare il tecnico e i sensori. Assicurarsi che la cinghia sia sufficientemente allentata da non interferire con lo spostamento del campione, come mostrato nella Figura 7.
   NOTA: La cinghia impedirà la completa separazione dei wythes e faciliterà la rimozione del campione dopo il cedimento, anche se i wythes non sono più separati. Tuttavia, questo passaggio (passaggio 2.6) è facoltativo.
7. Posizionare la cella di carico centrata sulla parte superiore della parte centrale, inserita tra due piastre di acciaio da 20 mm x 150 mm x 150 mm. Assicurarsi che le piastre di acciaio non sporgano dal centro in modo da non interferire con l'isolamento durante la deformazione del campione.
8. Collegare i sensori di carico e spostamento al sistema di acquisizione dati (DAQ).
9. Avviare la raccolta dei dati utilizzando una frequenza di campionamento di almeno 10 Hz per garantire che il carico e lo spostamento siano registrati correttamente.
10. Caricare il provino al centro fino a raggiungere lo spostamento massimo realistico e la forza è diminuita notevolmente; Dopo aver perso il 50% del carico, si consiglia di interrompere il test, sebbene ciò sia arbitrario. Se si desiderano ulteriori informazioni lungo il ramo discendente, utilizzare qualsiasi deformazione desiderata. Applicare il carico in modo monotono, quasi statico, abbastanza veloce da non interferire con i risultati del test ma non così veloce da non poter più essere considerato statico, a meno che una velocità di carico elevata non sia la variabile di prova di interesse.
    NOTA: Ciò indicherebbe che il test dovrebbe durare nell'ordine di 5 minuti a forse diverse ore. Risultati adeguati sono stati trovati utilizzando una pompa manuale idraulica con una durata del test nell'ordine di 5-10 min.
11. Arrestare l'acquisizione dei dati e ritrarre l'apparato di applicazione del carico nella posizione originale.
12. Rimuovere tutti i sensori e conservarli in un luogo sicuro, come indicato sopra.
13. Spostare il campione testato in un'area pulita e separare i tre strati di calcestruzzo per identificare il tipo di cedimento: rottura del calcestruzzo, rottura del taglio del connettore o altro. Registrare la modalità di guasto, la qualità del legame isolante e qualsiasi altra informazione visiva pertinente. Ricordati di scattare fotografie.

3. Analisi dei dati e rendicontazione dei risultati

NOTA: in questa sezione viene descritta l'analisi dei dati per valutare diverse proprietà ingegneristiche utilizzate in letteratura. Altre proprietà ingegneristiche possono essere di interesse e l'utilità dei dati non è limitata alle proprietà seguenti.

1. Trasferire i file di dati risultanti dal test dal DAQ al computer/cartella in cui viene eseguita l'analisi dei dati.
2. Tracciare la media dei quattro sensori di spostamento sulle ascisse con il carico del connettore sull'ordinata (definito come il carico misurato diviso per il numero di connettori).
   NOTA: L'utente del metodo sperimentale deve esaminare i dati per eventuali sensori difettosi o misurazioni inaffidabili prima di calcolarne la media e segnalarli.
3. Trova il carico massimo e il suo spostamento corrispondente utilizzando la funzione appropriata del software di analisi dei dati e memorizza questi valori come F u e δ _u, rispettivamente.
4. Dividere il carico massimo per 2 per ottenere la forza semimassima, F_0,5Fu, e trovare lo spostamento corrispondente δ_0,5.
5. Trova la rigidità elastica (K 0,5Fu) del connettore dividendo la forza semimassima, F 0,5Fu, per lo spostamento alla forza semimassima δ _0,5. Se l'F_0.5Fu non è nella parte generalmente elastica del test, selezionare un carico inferiore che si trova ovviamente nella regione e riportare il numero. Se viene utilizzato un valore inferiore, assicurarsi di documentare la frazione di F_u e la corrispondente grandezza di forza.
   NOTA: Attualmente, la fine della linea K_0.5Fu viene utilizzata da alcuni progettisti come limite superiore per le forze di servizio nel connettore.
6. Riportare i risultati medi di cinque campioni per ogni marca, tipo o resistenza del calcestruzzo campionato.
   NOTA: i risultati riportati sono validi solo per la combinazione specifica di calcestruzzo, isolamento, resistenza del calcestruzzo e connettore selezionato.

Risultati

La Figura 8 e la Figura 9A mostrano un carico tipico per connettore rispetto alla curva di spostamento media risultante da un test a doppio taglio di un connettore in polimero rinforzato con fibre (FRP) in laboratorio. Come mostrano le figure, il carico aumenta costantemente fino al punto massimo e poi diminuisce drasticamente, che è tipicamente osservato nella maggior parte dei test che coinvolgono i polimeri. Tuttavia, come suggerisce la f...

Discussione

Molti ricercatori hanno utilizzato alcune varianti di questo tipo di test per ICSWP, ma questo è il primo caso di delineare tutti i singoli passaggi. La letteratura non affronta le fasi critiche dei test, compresi i tipi di sensori e la gestione dei campioni. Questo metodo descrive un modo di test che imita più da vicino il comportamento dei connettori quando un pannello viene caricato in flessione rispetto al test a taglio singolo. Ci sono diverse variabili per questo lavoro che devono ancora essere studiate. In partico...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Trapano
Viti			50 mm di lunghezza commerciale scews.
Data Logger			In grado di campionare a una frequenza di almeno 10 Hz.
Campione			Fabbricato secondo le dimensioni del protocollo di prova.
		lineari a cilindrata variabile	con una gamma di almeno 25 mm per connettori in polimero rinforzato con fibre (FRP) e 50 mm per connettori in acciaio duttile.
Attuatore			con capacità di almeno 50 tonnellate.
Ancore di sollevamento con
con capacità di almeno 50 tonnellate.
Telaio			di carico In grado di resistere alle forze generate dal campione di prova.
		in politetrafluoroetilene (PTFE)	3 mm x 100 mm x 600 mm
		cricchetto	Larga almeno 50 mm.
Angolo
Piastra			Due piastre in acciaio da 20 mm x 150 mm x 150 mm.
Rondelle in			In grado di produrre una separazione di almeno 5 mm tra l'angolo in acciaio e il campione.