断熱コンクリート壁パネルで使用するフレキシブルコネクタの機械的特性の決定

サマリー

絶縁コンクリート壁パネルの設計に使用するせん断コネクタの機械的特性を評価し、本格的な断熱パネルの動作を予測するために、広く利用可能な分析方法と組み合わせることができるテストプロトコルを提案します。

要約

このドキュメントには、連続およびディスクリート断熱コンクリートサンドイッチ壁パネル(ICSWP)の両方に適した非標準の二重せん断試験を実行するための推奨事項が含まれています。そのような標準化されたテストは存在しませんが、このテストおよび同様のテストのいくつかの反復が文献で実行され、さまざまな程度の成功が行われています。さらに、文献中の試験は、試験、データ分析、または安全手順に関して詳細に説明されたり、詳細に議論されたりすることはめったにありません。ここでは試験片の構成が推奨されており、バリエーションについて説明します。重要な機械的特性は、荷重対変位データから特定され、それらの抽出が詳細に行われます。コネクタの剛性の決定などの設計にテストデータを使用して、ICSWPのたわみと亀裂挙動を計算する方法を簡単に示します。パネルの強度挙動は、全荷重対変位曲線、または最大コネクタ強度のみを使用して決定できます。欠点と未知数が認識され、重要な将来の作業が描かれます。

概要

断熱コンクリートサンドイッチ壁パネル(ICSWP)は、しばしばワイスと呼ばれる2つのコンクリート層の間に配置された断熱層で構成され、エンベロープまたは耐荷重パネルを構築するための熱的および構造的に効率的なコンポーネントを相乗的に提供します¹(図1)。急速に変化する建設業界と熱効率に関する新しい建築基準法規制に適応するために、プレキャスターは、より薄いコンクリート層とより高い熱抵抗を備えたより厚い断熱層を備えたICSWPを製造しています。さらに、設計者は、コンクリートワイスの部分的に複合的な相互作用を考慮して、熱的および構造的性能を向上させながら全体的な建築コストを削減するために、より洗練された方法を使用しています²。構造効率はコンクリート層間の構造的接続に大きく依存し、複数の独自のせん断コネクタが市場で入手可能であることが知られていますが、これらのコネクタの機械的特性を調べるための標準化されたテストプロトコルは文献に存在しません。利用可能なコネクタは、形状、材料、製造が大きく異なるため、機械的特性を決定するための統一された分析アプローチを取得することは困難です。このため、多くの研究者は、サービスと強度の制限状態³、⁴、⁵、⁶、^7、8、^9、10でコネクタの基本的な動作を模倣しようとする独自のカスタマイズされたセットアップをラボで使用しています。ただし、そのうちの2つだけがテスト評価スキーム^5,8の一部ですが、形状、剛性、および材料組成のバリエーションが大きいため、コネクタのすべての範囲に役立つわけではありません。

図1:サンドイッチ壁パネル試験片の典型的な組成。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これらのコネクタをテストするための一般的な方法は、前述のように、1列または2列のコネクタを備えたシングルせん断と呼ばれることが多い^ものです3,11,12、これは多くの場合、コンクリートアンカー試験規格¹³であるASTM E488に基づいています。ASTM E488は、提案されたテストセットアップの図面を通じて、コンクリートの固定ベースから突き出た単一のアンカーをテストすることを要求していませんが、強く示唆しています。試験片が試験されると、一連の荷重対変位曲線がプロットされ、そのような曲線から極限弾性荷重(Fu)と弾性剛性(K_0.5Fu)の平均値が取得されます。このアプローチを使用する主な利点の1つは、変動性の低い結果が得られ、大きなラボスペースや多くのセンサーを必要としないことです¹⁴。別のアプローチは、それらのパネルの設計に使用するための機械的特性を決定するために、二重せん断でワイスコネクタをロードすることからなる⁶、⁷、14^、15、16。得られたデータを同様に処理し、試験から極限弾性荷重(Fu)と弾性剛性(K_0.5Fu)の平均値を求めます。このテストアプローチでは、より多くの材料を使用し、より多くのセンサーが必要ですが、実験室で荷重と境界条件を適用する方が逸話的に簡単です。

2つのスタイルのテストは劇的に異なるようには見えませんが、主にフルスケールパネルでコネクタの動作を模倣する能力に基づいて異なる結果を生成します。単せん断、単列テストのセットアップでは、図2B、Cに示すように挟み込み動作が発生し、前述の^{ように14,17}のように、実物大のパネルには存在しない追加の転倒モーメントが生成されます。ダブルせん断は、この実物大の挙動を模倣するより良い仕事をします-それは中央ワイスに対する外側のワイスの純粋なせん断移動をモデル化します。その結果、分析方法で使用される二重せん断値は、代表的な断熱壁パネル¹⁴の大規模試験で得られた結果に近い結果を生成することが示されている。図3は、コネクタの単せん断および二重せん断試験の概略テストセットアップを示しています。

図2:文献で採用されているさまざまなコネクタテスト構成の例。 シングルコネクタ試験片は、実物大のパネルに見られるワイスの平行移動を表さない荷重を引き起こすことが示されています。(A)2つのコネクタを備えた二重せん断。(B)1つのコネクタで二重せん断。(C)1つのコネクタでシングルせん断。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これらすべての研究の結論の共通点は、両方の試験方法がフレキシブルコネクタの機械的特性を決定するのに適しているということですが、二重せん断試験スキームの結果は、曲げ下の実際のパネルでのコネクタの動作により近いです。つまり、ユーザーがこのようなテスト結果を解析モデルで採用すると、コネクタが使用される大規模なテストの結果と密接に一致します。このようなテストの結果は、経験的に導出された方法、サンドイッチビーム理論の閉形式解、2次元および3次元ばね7,18,19,20を持つ有限要素モデルなど、入力設計パラメータとして機械的特性に直接依存するモデルに適していることに言及することが重要です。

図3:文献内のテストプロトコルの概略図。ラムは、標本のワイスを互いに相対的に平行移動するために使用されます。(A)シングルせん断および(B)ダブルせん断試験プロトコル。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

この研究では、バックボーン曲線の値と絶縁壁パネルwytheコネクタの機械的特性、すなわちFu_およびK_0.5Fuを取得するための実験プロトコルが提示されます。この方法は、変動の原因を排除し、より信頼性の高い結果を生成するためにいくつかの変更を加えた二重せん断試験アプローチを使用してコネクタをテストすることに基づいています。すべてのサンプルは温度制御された環境で構築され、コンクリートが目標圧縮強度に達したときにテストされます。このテストプロトコルの主な利点は、簡単に従うことができ、さまざまな技術者が複製でき、文献で示されているように、曲げまたは曲げと軸力を組み合わせた実際の断熱コンクリート壁パネルでのワイヤコネクタの実際の動作を綿密に説明できることです。

機械的特性と材料挙動を決定するために提案されたコネクタテストプロトコルを適用することで、断熱コンクリート壁パネル業界のテスト結果の精度が向上し、革新的な新しいコネクタの作成に関心のある起業家の障壁が減少します。チルトアップとプレキャストコンクリートの両方の産業における断熱パネル構造の将来の大幅な増加は、パネルの工学的特性を得るために材料のより良い使用とより統一された方法を必要とするでしょう。

プロトコル

1. 試験片の製作

1. 図 4に示す試験片の寸法に合わせて試験するディスクリートまたは連続せん断コネクタを選択します。必要に応じて、コネクタのエッジ距離を変更して、テストエッジ距離クリアランスの寸法を修正します。
   注意: 一般的に、製造元のガイドラインに準拠することが重要ですが、このテストを使用してこれらのガイドラインを作成できます。コンクリートと断熱材の寸法は、対象のコネクタによって決まります。テストの機械的特性は、ワイス寸法、コンクリート強度、断熱密度とタイプ、およびコネクタのこの特定の組み合わせに対してのみ有効です。
2. 関心のある設計状況を代表するコンクリートの目標圧縮強度を示します。実物大の試験結果をモデル化する場合は、コンクリートの強度が実物大の試験片または試験時の意図した設計と同じであることを確認してください。パネルを持ち上げるための最小強度など、特定のシナリオをターゲットにする場合は、その強度でテストを実行します。
3. コンクリート層の垂直または水平レイアウトのいずれかを使用してコンクリート型枠を製作します。コネクタの設置が現場の状況と一致するように、テストが建設スタイルと一致していることを確認してください。
   注:ほとんどのインサービスICSWPは、各レイヤーの水平レイアウトで製造されています。
4. フォーム断熱材に穴を開けるか(ピンスタイルのタイの場合)、断熱材の向きを合わせ(縫い目に取り付けられたタイの場合)、製造元が提供する標準図面に示されている位置にコネクタを配置します。試験施設が特性を収集する方向(たとえば、0°または90°、または強軸と加えられた荷重に対する他の角度)を使用してコネクタを配置します。
   注意: コネクタの取り付けは、取り付けが目的のテスト変数でない限り、製造元/サプライヤーが指示したとおりに行う必要があります。
5. 最初の鋼鉄補強層をフォームに配置して、取り扱いまたはテスト中にコンクリート片にひびが入った場合に試験片が脆く破壊されるのを防ぎます。
   注:加えられた荷重によって試験片に亀裂が生じることはめったにないため、コンクリートへのコネクタの結合に関与することが期待されない限り、穏やかな補強は必要ないと考えられます。 図 5 は、プロセスによる手順 1.5 から 1.14 の構成を示しています。
6. コンクリートの最初のセットの前にコンクリートのすべての層をタイムリーに配置できない場合は、少なくとも3時間離すか、コネクタメーカーの推奨事項に従って層をキャストします。
   注意: 手順1.7〜1.14は、連続したコンクリートの配置を示しています。
7. 新鮮なコンクリートを型枠に注ぎ、適切に振動させて、コンクリートに大きな空隙が形成されたり、粒子の圧縮が不十分になったりするのを防ぎます。
8. 必要に応じて、コネクタを含む最初の断熱層を配置するか、コネクタをフォームに押し込みます。新鮮なコンクリートと接触するように断熱層を配置します。コンクリートがコネクタの周りに確実に統合されるようにするには、コネクタの製造元が特に推奨していない限り、内部コンクリートバイブレーターでコネクタを12,000振動/分で振動させます。
   注意: コネクタの周りの統合を確実にするには、2〜5秒間振動するだけで十分です。
9. 取り扱いを容易にするために、コンクリートの中間層に1トンの容量(または試験片の最終重量に応じてより強力)のリフティングアンカーを配置します。
10. 2番目の鉄筋層を中央ワイスの中央にあるフォームに配置します。
11. フレッシュコンクリートの2番目の層をフォームに注ぎ、上記のようにコンクリートを適切に統合します。
12. 手順 1.4 の説明に従って、コネクタを含む 2 番目の絶縁層を配置するか、フォームに取り付けます。コンクリートがコネクタの周りに統合されていることを慎重に確認してください。
13. 3番目の鉄骨補強層を、3番目のコンクリート層の中央にあるフォームに配置します。
14. 新鮮なコンクリートの3番目と最後の層を型枠に注ぎ、適切に振動させます。
15. 圧縮強度の文書化を目的として、試験片の建設に使用されるコンクリートごとにコンクリートシリンダーを作成します。
    注:このステップは、試験片の構築中いつでも完了できますが、特定のバッチの配置の途中で推奨されます。シリンダーの準備と現場での硬化は、ASTM C31²¹に従う必要があります。
16. コンクリートが希望の強度に達するまで、温度制御された環境で試験片を硬化させます。コンクリートが持ち上げハードウェア用に十分に硬化したら、試験片を型枠から取り出します。

2. 二重せん断試験片の試験

注意: 図6 は、試験の準備ができている試験片の代表的なレイアウトを示しています(ラチェットストラップは写真にありません)。

1. 標本の製造に使用されるコンクリートが目的の強度に達したら、サンプリングのために試験片を実験室に持っていきます。
   注意: 圧縮強度試験はASTMC39²²に従う必要があります。室温は、試験の物理的行為の間、25°C±5°Cであることが示唆され、試験および試験および試験中に比較的一定に保たれるべきです。関連する材料の特性が一般的な室温で大きく変化してはならないため、試験温度範囲は厳密に制御されることを意図したものではありません。
2. テスト中の摩擦を最小限に抑えるために、外側のコンクリートの下部に2つの3 mm x 100 mm x 600 mmポリテトラフルオロエチレン(PTFE)パッドストリップを配置します。
3. 試験片をローディングフレームの下にセットし、中央のコンクリート層をローディング装置の中央に配置します。油圧ラムまたは大型の万能試験機を使用して、予想される荷重のベアリングの故障を防ぐのに十分な大きさのベアリングプレートで荷重を分散させるように注意しながら、中央の上部に荷重を適用します。
4. コンクリートまたは石積みのネジでスチールアングルを中央のワイスに取り付けます。スチールまたはプラスチックワッシャーを使用して、スチールアングルとコンクリート表面の間に少なくとも5 mmの間隔を作成し、アングルが試験片と相互作用しないようにします(図6)。
5. 変位センサーを試験片の反対側にある2つの外部ワイス(合計4つ)に取り付けて、外部ワイスの固定位置に対する鋼の角度の動きを測定します。
   注:推奨される変位センサは、線形可変差動トランスデューサまたはポテンショメータです。センサーは、キャリブレーションの損失を防ぐために、ほこり、湿気、磁気の影響のないドライケースに常に保管する必要があります。アナログ ダイヤル ゲージは推奨されません。
6. 試験片の上部の周りに幅50mmのナイロンストラップをゆるく配置して、予期しない脆いコネクタの破損が技術者やセンサーに損傷を与えるなど、周囲に損傷を与えないようにします。 図7に示すように、ストラップが試験片の変位を妨げないように十分に緩んでいることを確認してください。
   注意: ストラップは、ワイスが完全に分離するのを防ぎ、ワイスが分離しなくなった場合でも、故障後の試料の除去を容易にします。ただし、この手順 (手順 2.6) は省略可能です。
7. ロードセルを中央のワイスの中央に配置し、2つの20 mm x 150 mm x 150 mmの鋼板の間に挟みます。試験片の変形時に絶縁を妨げないように、鋼板が中央から張り出さないようにしてください。
8. 負荷センサと変位センサをデータ集録システム(DAQ)に接続します。
9. 少なくとも10Hzのサンプリングレートを使用してデータ収集を開始し、負荷と変位が正しく記録されていることを確認します。
10. 最大現実的な変位に達し、強度が大幅に低下するまで、試験片を中央に荷重をかけます。負荷の50%が失われた後、テストを停止することをお勧めしますが、これは任意です。下降分岐に沿った追加情報が必要な場合は、目的の変形を使用します。コネクタとコンクリートのクリープがテスト結果に干渉しないのに十分な速度であるが、高負荷率が目的のテスト変数でない限り、静的とは見なされなくなるほど高速ではない、単調で準静的な方法で荷重を適用します。
    注:これは、テストに5分からおそらく数時間かかる必要があることを示しています。5〜10分のオーダーのテスト期間の油圧ハンドポンプを使用して、適切な結果が得られています。
11. データ収集を停止し、負荷印加装置を元の位置に格納します。
12. 上記のように、すべてのセンサーを取り外し、安全な場所に保管してください。
13. テストされた試験片をクリーンな場所に移動し、3つのコンクリート層を分離して、破損のタイプ(コンクリートブレイクアウト、コネクタせん断破損など)を特定します。故障モード、絶縁ボンドの品質、およびその他の関連する視覚情報を記録します。写真を撮ることを忘れないでください。

3.データの分析と結果の報告

注:このセクションでは、文献で使用されているいくつかのエンジニアリング特性を評価するためのデータ分析について説明します。他の工学的特性も興味深い場合があり、データの有用性は以下の特性に限定されません。

1. テスト結果のデータファイルをDAQからデータ分析を実行するコンピュータ/フォルダに転送します。
2. 横軸の4つの変位センサーの平均を縦軸のコネクタ荷重でプロットします(測定された負荷をコネクタの数で割ったものとして定義されます)。
   注意: 実験方法のユーザーは、平均化して報告する前に、欠陥のあるセンサーや信頼性の低い測定値がないかデータを確認する必要があります。
3. データ解析ソフトウェアの適切な機能を使用して最大荷重とそれに対応する変位を見つけ、これらの値をそれぞれF uとδ _uとして保存します。
4. 最大荷重を2で割って半最大力 F_0.5Fuを求め、対応する変位_{δ 0.5}を求めます。
5. 半値力F 0.5Fuを半値力δ_0.5で割って、コネクタの弾性剛性(K_0.5Fu)を求めます。 F_0.5Fuがテストの一般的に弾性部分にない場合は、明らかにその領域にあるより低い荷重を選択し、数値を報告します。より低い値を使用する場合は、Fuの割合と対応する力の大きさを必ず文書化してください。
   注:現在、 K_0.5Fuラインの端は、コネクタのサービスフォースの上限として一部の設計者によって使用されています。
6. サンプリングされたコネクタのブランド、タイプ、またはコンクリート強度ごとに 5 つのサンプルの平均結果を報告します。
   注意: 報告された結果は、選択したコンクリートワイス、断熱材、コンクリート強度、およびコネクタの特定の組み合わせに対してのみ有効です。

結果

図8と図9Aは、実験室での繊維強化ポリマー(FRP)コネクタの二重せん断試験から得られた平均変位曲線に対するコネクタあたりの典型的な荷重を示しています。図が示すように、荷重は最大点まで着実に増加し、その後劇的に低下し、これは通常、ポリマーを含むほとんどのテストで観察されます。ただし、図9Bが示すように、延性のある金属コネクタをサンプリングすると、最大荷重に達すると曲線が平坦になるため、荷重対変位プロットでは、延性破壊または脆性破壊の2つの結果が考えられます(図9A、B)。文献のいくつかのFRPコネクタは特定の延性を示していますが(図9C)、これは延性金属製のコネクタと比較すると非常に小さいです。図8のデータは、補足ファイル1

ディスカッション

多くの研究者は、ICSWPにこのタイプのテストのいくつかのバリエーションを使用していますが、これはすべての個々のステップの概要を説明する最初の例です。文献は、センサーの種類や試験片の取り扱いなど、試験の重要なステップについては扱っていません。この方法は、単せん断試験とは対照的に、パネルがたわみ荷重を受けたときのコネクタの動作をより厳密に模倣する試験方法を記述します。この作業には、まだ研究されていないいくつかの変数があります。具体的には、境界条件に関する情報はよく知られていませんが、テストに影響を与える可能性があります。同様に、荷重配置の許容誤差は、荷重適用率と同様に重要になる可能性があります。他の場所で概説されている二重せん断試験片の力学に基づくと、^10,14、臨界変数は試験片の長さです。

高さ1,200mmの標本では一見十分な結果が示されており、何人かの研究者がさまざまな長さを試しましたが、最適な長さは不明です。逸話的に、著者らは、以前に実証されたこの1,200 ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
バッテリー駆動のドリル
コンクリートネジ			長さ50mmの商用コンクリートスキュー。
データロガー			10Hz以上の周波数でサンプリングが可能です。
二重せん断試験片 試験プロトコル			調度に従って製造されています。
繊維強化ポリマー(FRP)コネクタの場合は少なくとも25mmの範囲、延性鋼コネクタの場合は50mmの範囲を持つ	4つの線形可変容量トランス
少なくとも50トンの容量を持つ	油圧アクチュエータ
リフティングアンカーは、
ロードセル			されています。
ロードフレーム			試験片によって発生する力に抵抗することができます。
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)パッド			3 mm x 100 mm x 600 mm
ラチェットストラップ			幅50mm以上。
スチールアングル
鋼板			20 mm x 150 mm x 150 mmの2枚の鋼板。
スチールワッシャー			スチールアングルと試験片との間に少なくとも5mmの間隔を空けることができます。