절연 콘크리트 벽 패널에 사용하기위한 유연한 커넥터의 기계적 특성 결정

요약

우리는 본격적인 단열 패널 거동을 예측하기 위해 절연 콘크리트 벽 패널 설계에 사용할 전단 커넥터의 기계적 특성을 평가하기 위해 널리 사용 가능한 분석 방법과 결합 할 수있는 테스트 프로토콜을 제안합니다.

초록

이 문서에는 연속 및 개별 절연 콘크리트 샌드위치 벽 패널(ICSWP) 모두에 적합한 비표준 이중 전단 테스트를 수행하기 위한 권장 사항이 포함되어 있습니다. 이러한 표준화 된 테스트는 존재하지 않지만이 테스트와 유사한 테스트의 여러 반복이 문헌에서 다양한 정도의 성공으로 수행되었습니다. 또한, 문헌에서의 시험은 시험, 데이터 분석 또는 안전 절차와 관련하여 상세하게 설명되거나 길게 논의되는 경우는 거의 없다. 시험 시편 구성이 본원에서 권장되며, 변형이 논의된다. 중요한 기계적 특성은 하중 대 변위 데이터에서 식별되며 추출이 자세히 설명되어 있습니다. 커넥터의 강성 결정과 같은 설계에 테스트 데이터를 사용하여 ICSWP 처짐 및 균열 거동을 계산하는 방법을 간략하게 보여줍니다. 패널의 강도 거동은 전체 하중 대 변위 곡선 또는 최대 커넥터 강도만 사용하여 결정할 수 있습니다. 단점과 알려지지 않은 점이 인정되고 중요한 미래 작업이 설명됩니다.

서론

절연 콘크리트 샌드위치 벽 패널(ICSWP)은 종종 wythes라고 하는 두 개의 콘크리트 층 사이에 배치된 절연 층으로 구성되며, 이는 건물 외피 또는 내^{하중 패널에} 대한 열적 및 구조적으로 효율적인 구성 요소를 시너지 효과로 제공합니다1(그림 1). 급변하는 건설 산업과 열효율에 대한 새로운 건축 법규 규정에 적응하기 위해 프리 캐스터는 더 얇은 콘크리트 층과 더 높은 열 저항을 가진 두꺼운 단열층으로 ICSWP를 제작하고 있습니다. 또한 설계자는 콘크리트 Wythes의 부분적으로 복합적인 상호 작용을 설명하기 위해 보다 정제된 방법을 사용하여 전체 건축 비용을 줄이면서 열 및^{구조적 성능을 높이고} 있습니다2. 구조적 효율성은 콘크리트 층 간의 구조적 연결에 크게 좌우되고 여러 독점 전단 커넥터가 시장에 나와 있는 것으로 알려져 있지만 이러한 커넥터의 기계적 특성을 검사하기 위한 표준화된 테스트 프로토콜은 문헌에 없습니다. 사용 가능한 커넥터는 형상, 재료 및 제조가 매우 다양하므로 기계적 특성을 결정하기 위한 통일된 분석 접근 방식을 얻기가 어렵습니다. 이러한 이유로 많은 연구자들은 서비스 및 강도 한계 상태 3,4,5,6,7,8,9,10에서 커넥터의 기본 동작을 모방하려고 시도하는 실험실에서 자체 맞춤형 설정을 사용했습니다. 그러나 그 중 두 개만이 테스트 평가 체계^5,8의 일부이지만 모양^, 강성 및 재료 구성의 다양한 변화로 인해 모든 범위의 커넥터에 유용하지는 않습니다.

그림 1: 샌드위치 벽 패널 시편의 일반적인 구성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이러한 커넥터를 테스트하는 일반적인 방법은 이전에 설명한^3,11,12와 같이 한 행 또는 두 줄의 커넥터가있는 단일 전단이라고하는 것으로^, 이는 종종 콘크리트 앵커 테스트 표준 488 인 ASTM ^E13을 기반으로합니다. ASTM E488은 제안된 테스트 설정의 도면을 통해 고정된 콘크리트 바닥에서 튀어나온 단일 앵커를 테스트할 것을 요구하지는 않지만 강력하게 암시합니다. 시편이 테스트되면 하중 대 변위 곡선 세트가 그려지고 이러한 곡선에서 극한 탄성 하중(_Fu) 및 탄성 강성(K_0.5Fu)의 평균값을 얻습니다. 이 접근법을 사용하는 주요 이점 중 하나는 낮은 가변성 결과를 생성하고 큰 실험실 공간 또는 많은 센서(¹⁴)를 필요로 하지 않는다는 것이다. 다른 접근법은 이중 전단에 와이어를 로딩하여 해당 패널 6,7,14,15,16의 설계에 사용할 기계적 특성을 결정하는 것으로 구성됩니다. 결과 데이터는 동일한 방식으로 처리되며 테스트에서 극한 탄성 하중 (Fo₎ 및 탄성 강성 (K_0.5Fu)의 평균값을 얻습니다. 이 테스트 접근 방식에는 더 많은 재료를 사용하고 더 많은 센서가 필요하지만 실험실에서 하중 및 경계 조건을 적용하는 것이 일화적으로 더 쉽습니다.

두 가지 테스트 스타일은 크게 다르지 않지만 전체 크기 패널에서 커넥터 동작을 모방하는 능력에 따라 크게 다른 결과를 생성합니다. 단일 전단, 단일 행 테스트 설정은 그림 2B,C에 표시된 것처럼 핀칭 동작^{과 이전에 설명한} 대로 추가 전복 모멘트를 생성^{하며, 이는} 전체 스케일 패널에 존재하지 않습니다. 이중 전단은 이 본격적인 동작을 모방하는 더 나은 작업을 수행합니다.-중앙 위스에 대한 외부 위스의 순수한 전단 변환을 모델링합니다. 결과적으로, 분석 방법에 사용되는 이중 전단 값은 대표적인 절연 벽 패널(¹⁴)의 대규모 테스트에서 얻어진 결과에 더 가까운 결과를 생성하는 것으로 나타났다. 그림 3은 커넥터의 단일 및 이중 전단 테스트를 위한 회로도 테스트 설정을 보여줍니다.

그림 2: 문헌에 사용된 다양한 커넥터 테스트 구성의 예. 단일 커넥터 시편은 실물 크기 패널에서 볼 수 있는 wythes의 병렬 변환을 나타내지 않는 하중을 유발하는 것으로 나타났습니다. (A) 두 개의 커넥터가있는 이중 전단; (B) 하나의 커넥터가있는 이중 전단; (C) 하나의 커넥터가있는 단일 전단. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 모든 연구의 결론에 대한 공통 분모는 두 테스트 방법론 모두 유연한 커넥터의 기계적 특성을 결정하는 데 적합하지만 이중 전단 테스트 방식 결과는 굴곡 상태에서 실제 패널에서 커넥터의 동작과 더 유사하다는 것입니다. 즉, 사용자가 이러한 테스트 결과를 분석 모델에 사용하면 커넥터가 사용되는 대규모 테스트의 결과와 거의 일치합니다. 이러한 테스트의 결과는 경험적으로 도출 된 방법, 샌드위치 빔 이론의 폐쇄 형 솔루션 및 2-D 및 3-D 스프링 7,18,19,20이있는 유한 요소 모델과 같이 입력 설계 매개 변수로서 기계적 특성에 직접 의존하는 모델에 적합하다는 점을 언급하는 것이 중요합니다.

그림 3: 문헌에 있는 테스트 프로토콜의 개략도. 숫양은 서로에 대한 표본의 wythes를 번역하는 데 사용됩니다. (A) 단일 전단 및 (B) 이중 전단 테스트 프로토콜. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 작업에서는 백본 곡선의 값과 절연 벽 패널 wythe 커넥터의 기계적 특성, 즉 F_u 및 K_0.5Fu를 얻기위한 실험 프로토콜이 제시됩니다. 이 방법은 가변성 원인을 제거하고 보다 신뢰할 수 있는 결과를 생성하기 위해 일부 수정과 함께 이중 전단 테스트 접근 방식을 사용하는 테스트 커넥터를 기반으로 합니다. 모든 샘플은 콘크리트가 목표 압축 강도에 도달하면 테스트되는 온도 제어 환경에서 구성됩니다. 이 테스트 프로토콜의 주요 장점은 쉽게 따를 수 있고 다른 기술자가 복제할 수 있으며 문헌에 표시된 것처럼 굴곡 또는 굴곡 및 축력이 결합된 실제 절연 콘크리트 벽 패널에서 wythe 커넥터의 실제 동작을 자세히 설명한다는 것입니다.

기계적 특성 및 재료 거동을 결정하기 위해 제안된 wythe 커넥터 테스트 프로토콜을 적용하면 절연 콘크리트 벽 패널 산업의 테스트 결과의 정확성이 향상되고 혁신적인 새 커넥터를 만드는 데 관심이 있는 기업가의 장벽이 줄어듭니다. 틸트 업 및 프리 캐스트 콘크리트 산업 모두에서 절연 패널 구조의 향후 크게 증가는 패널의 엔지니어링 특성을 얻기 위해 재료를 더 잘 사용하고 더 통일 된 방법을 요구할 것입니다.

프로토콜

1. 시험편 제작

1. 테스트할 개별 또는 연속 전단 커넥터를 선택하고 그림 4에 표시된 시편의 치수를 준수합니다. 필요한 경우 커넥터의 모서리 거리를 변경하여 치수를 테스트 모서리 거리 간극으로 수정합니다.
   알림: 일반적으로 제조업체의 지침을 준수하는 것이 중요하지만 이 테스트를 사용하여 이러한 지침을 개발할 수 있습니다. 콘크리트 및 단열재 wythe 치수는 관심있는 커넥터에 의해 결정됩니다. 테스트의 기계적 특성은 치수, 콘크리트 강도, 절연 밀도 및 유형, 커넥터의 특정 조합에만 유효합니다.
2. 관심있는 설계 상황을 대표하는 콘크리트의 목표 압축 강도를 나타냅니다. 실물 크기 테스트 결과를 모델링하려는 경우 콘크리트 강도가 테스트 당시 전체 크기 시편 또는 의도 된 설계의 강도와 동일한지 확인하십시오. 패널 리프팅을 위한 최소 강도와 같은 특정 시나리오를 대상으로 하는 경우 해당 강도에서 테스트를 수행합니다.
3. 콘크리트 층의 수직 또는 수평 레이아웃을 사용하여 콘크리트 거푸집을 제작하십시오. 커넥터 설치가 현장 상황과 일치하도록 테스트가 구성 스타일과 일치하는지 확인하십시오.
   알림: 대부분의 사용 중인 ICSWP는 각 레이어의 수평 레이아웃으로 제작됩니다.
4. 폼 단열재 (핀 스타일 타이 용)를 천공하거나 절연 조각 (솔기 설치 타이 용)의 방향을 지정하고 커넥터는 제조업체가 제공 한 표준 도면에 표시된 위치에 놓습니다. 테스트 시설이 특성을 수집하려는 방향(예: 강한 축 및 적용된 하중에 대한 0° 또는 90° 또는 기타 각도)을 사용하여 커넥터를 배치합니다.
   노트: 커넥터 설치는 설치가 관심 테스트 변수가 아닌 한 제조업체/공급업체에서 지정한 대로 이루어져야 합니다.
5. 취급 또는 테스트 중에 콘크리트 조각이 균열되는 경우 시편이 부서지기 쉬운 파손을 방지하기 위해 첫 번째 강철 보강 층을 형태로 배치합니다.
   참고: 시편은 적용된 하중으로 인해 거의 균열이 발생하지 않기 때문에 콘크리트에 대한 커넥터의 결합에 참여할 것으로 예상되지 않는 한 약한 보강이 필요하지 않은 것으로 생각됩니다. 그림 5는 프로세스를 통한 1.5-1.14단계의 구성을 보여줍니다.
6. 콘크리트의 초기 세트 전에 모든 콘크리트 층을 적시에 배치할 수 없는 경우 최소 3시간 간격으로 또는 커넥터 제조업체의 권장 사항에 따라 층을 주조하십시오.
   참고: 1.7-1.14단계는 연속적인 콘크리트 배치를 나타냅니다.
7. 신선한 콘크리트를 형태에 붓고 적절하게 진동시켜 콘크리트에 큰 공기 공극이 형성되거나 입자가 잘 압축되지 않도록하십시오.
8. 커넥터를 포함하는 첫 번째 절연 층을 배치하거나 적절하게 폼에 밀어 넣습니다. 신선한 콘크리트와 접촉하도록 절연 층을 놓습니다. 콘크리트가 커넥터 주위에 통합되도록 하려면 커넥터 제조업체에서 달리 권장하지 않는 한 내부 콘크리트 진동기로 커넥터를 분당 12,000회 진동으로 진동시킵니다.
   알림: 2-5초 동안 진동하면 커넥터 주변의 통합을 보장하기에 충분합니다.
9. 취급하기 쉽도록 콘크리트의 중간 층에 1톤 용량(또는 시편의 최종 중량에 따라 더 강함)의 리프팅 앵커를 놓습니다.
10. 두 번째 강철 보강층을 중앙 wythe의 중앙에 있는 형태로 놓습니다.
11. 신선한 콘크리트의 두 번째 층을 형태에 붓고 위에서 설명한대로 콘크리트를 적절하게 통합하십시오.
12. 커넥터를 포함하는 제 2 절연 층을 배치하거나 단계 1.4에 설명 된대로 폼에 설치하십시오. 콘크리트가 커넥터 주위에 통합되어 있는지 조심스럽게 확인하십시오.
13. 세 번째 강철 보강 층을 세 번째 콘크리트 층의 중심에있는 형태로 배치하십시오.
14. 신선한 콘크리트의 세 번째이자 마지막 층을 형태에 붓고 적절하게 진동시킵니다.
15. 압축 강도 문서화를 위해 시편 구성에 사용되는 각 콘크리트에 대한 콘크리트 실린더를 만드십시오.
    알림: 이 단계는 시편을 구성하는 동안 언제든지 완료할 수 있지만 지정된 배치를 배치하는 중간에 있는 것이 좋습니다. 실린더 준비 및 현장 경화는 ASTM C31²¹을 따라야 합니다.
16. 콘크리트가 원하는 강도에 도달할 때까지 온도 제어 환경에서 시편을 경화합니다. 콘크리트가 리프팅 하드웨어를 위해 적절하게 경화되면 폼에서 시편을 꺼냅니다.

2. 이중 전단 시편 테스트

참고: 그림 6은 테스트할 준비가 된 테스트 시편의 대표 레이아웃을 보여줍니다(래칫 스트랩은 그림 에 표시되지 않음).

1. 표본을 제작하는 데 사용된 콘크리트가 원하는 강도에 도달하면 샘플링을 위해 표본을 실험실로 가져갑니다.
   알림: 압축 강도 테스트는 ASTM C39²²를 따라야 합니다. 실내 온도는 시험의 물리적 행위 동안 비교적 일정하게 유지되어야하며, 온도는 25 ° C± 5 ° C로 제안되며, 시편의 시험 및 보관 중에 유지됩니다. 테스트 온도 범위는 관련된 재료의 특성이 일반적인 실내 온도와 크게 다르지 않아야 하므로 엄격하게 제어하기 위한 것이 아닙니다.
2. 테스트 중 마찰을 최소화하기 위해 외부 콘크리트 와이스 바닥에 3mm x 100mm x 600mm 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 패드 스트립 2개를 놓습니다.
3. 중간 콘크리트 층이 하중 장치 아래 중앙에 오도록 시편 하중 프레임 아래에 놓습니다. 유압 램 또는 대형 만능 시험기를 사용하여 중간 상단에 하중을 가하고 예상 하중에 대한 베어링 고장을 방지하기에 충분히 큰 베어링 플레이트로 하중을 분산시키도록 주의하십시오.
4. 콘크리트 또는 벽돌 나사로 강철 각도를 중간 wythe에 부착하십시오. 강철 또는 플라스틱 와셔를 사용하여 강철 앵글과 콘크리트 표면 사이에 최소 5mm의 간격을 만들어 앵글이 시편과 상호 작용하는 것을 방지합니다(그림 6).
5. 변위 센서를 시편의 반대쪽에 있는 두 개의 외부 위스(총 4개)에 부착하여 외부 위스의 고정 위치에 대한 강철 각도의 움직임을 측정합니다.
   알림: 권장되는 변위 센서는 선형 가변 차동 변환기 또는 전위차계입니다. 센서는 교정 손실을 방지하기 위해 항상 먼지, 습기 및 자기 효과가 없는 건조한 케이스에 보관해야 합니다. 아날로그 다이얼 게이지는 사용하지 않는 것이 좋습니다.
6. 시편 상단 주위에 50mm 너비의 나일론 스트랩을 느슨하게 배치하여 예기치 않은 부서지기 쉬운 커넥터 파손으로 인해 기술자와 센서가 손상되는 것을 포함하여 주변 환경에 손상을 입히지 않도록 합니다. 스트랩이 그림 7과 같이 시편 변위를 방해하지 않을 만큼 충분히 느슨한지 확인하십시오.
   알림: 스트랩은 wythes가 완전히 분리되는 것을 방지하고 wythes가 더 이상 분리되지 않더라도 실패 후 표본을 쉽게 제거할 수 있습니다. 그러나 이 단계(2.6단계)는 선택 사항입니다.
7. 로드셀을 두 개의 20mm x 150mm x 150mm 강판 사이에 끼워 중간 위스 중앙에 놓습니다. 강판이 시편의 변형 동안 절연을 방해하지 않도록 중앙 wythe에 돌출되지 않도록하십시오.
8. 로드 및 변위 센서를 데이터 수집 시스템 (DAQ)에 연결하십시오.
9. 하중과 변위가 올바르게 기록되도록 최소 10Hz의 샘플링 속도를 사용하여 데이터 수집을 시작하십시오.
10. 최대 실제 변위에 도달하고 강도가 크게 떨어질 때까지 중앙에 시편을 적재하십시오. 부하의 50 %가 손실 된 후에는 임의적이지만 테스트를 중지하는 것이 좋습니다. 내림차순 분기를 따라 추가 정보가 필요한 경우 원하는 변형을 사용하십시오. 커넥터와 콘크리트 크리프가 테스트 결과를 방해하지 않을 만큼 충분히 빠르지만 높은 하중 속도가 관심 테스트 변수가 아닌 한 더 이상 정적으로 간주될 수 없을 정도로 빠르지 않은 단조로운 준정적 방식으로 하중을 적용합니다.
    참고 : 이것은 테스트가 5 분에서 몇 시간 정도 걸릴 것임을 나타냅니다. 테스트 지속 시간이 5-10 분 정도 걸리는 유압 핸드 펌프를 사용하여 적절한 결과가 발견되었습니다.
11. 데이터 수집을 중지하고 부하 적용 장치를 원래 위치로 후퇴시킵니다.
12. 위에 표시된대로 모든 센서를 제거하고 안전한 장소에 보관하십시오.
13. 테스트된 시편을 깨끗한 영역으로 옮기고 세 개의 콘크리트 층을 분리하여 콘크리트 브레이크아웃, 커넥터 전단 실패 또는 기타와 같은 실패 유형을 식별합니다. 고장 모드, 절연 결합의 품질 및 기타 관련 시각적 정보를 기록합니다. 사진을 찍는 것을 잊지 마십시오.

3. 데이터 분석 및 결과 보고

참고: 이 섹션에서는 문헌에 사용된 여러 엔지니어링 속성을 평가하기 위한 데이터 분석에 대해 설명합니다. 다른 엔지니어링 속성이 관심의 대상이 될 수 있으며 데이터의 유용성은 아래 속성으로 제한되지 않습니다.

1. DAQ에서 테스트 결과 데이터 파일을 데이터 분석이 수행되는 컴퓨터/폴더로 전송합니다.
2. 가로 좌표에 있는 4개의 변위 센서의 평균을 누진 커넥터 하중(측정된 하중을 커넥터 수로 나눈 값으로 정의됨)과 함께 플로팅합니다.
   알림: 실험 방법의 사용자는 평균을 내고 보고하기 전에 결함이 있는 센서 또는 신뢰할 수 없는 측정값에 대한 데이터를 검토해야 합니다.
3. 데이터 분석 소프트웨어의 적절한 기능을 사용하여 최대 하중과 해당 변위를 찾고 이 값을 각각_Fu 및 δ_u로 저장합니다.
4. 최대 하중을 2로 나누어 절반 최대 힘 F_0.5Fu를 얻고 해당 변위_{δ 0.5}를 찾습니다.
5. 최대 힘의 절반 F 0.5Fu를 절반 최대 힘의 변위_{δ 0.5}로 나누어 커넥터의 탄성 강성(K_0.5Fu)을 구합니다_. F_0.5Fu가 시험의 일반적으로 탄성 부분에 있지 않으면 분명히 해당 영역에있는 더 낮은 하중을 선택하고 숫자를보고하십시오. 더 낮은 값을 사용하는 경우 _{Fu 의} 비율과 해당 힘의 크기를 문서화하십시오.
   참고: 현재 K_0.5Fu 라인의 끝은 일부 설계자가 커넥터의 서비스 힘에 대한 상한으로 사용합니다.
6. 샘플링된 각 커넥터 브랜드, 유형 또는 콘크리트 강도에 대한 5개 샘플의 평균 결과를 보고합니다.
   참고: 보고된 결과는 선택한 콘크리트 위스, 단열재, 콘크리트 강도 및 커넥터의 특정 조합에 대해서만 유효합니다.

결과

그림 8 및 그림 9A는 실험실에서 섬유 강화 폴리머(FRP) 커넥터의 이중 전단 테스트로 인한 평균 변위 곡선 대비 커넥터당 일반적인 하중을 보여줍니다. 그림에서 알 수 있듯이 하중은 최대 지점까지 꾸준히 증가한 다음 극적으로 떨어지며 이는 일반적으로 폴리머와 관련된 대부분의 테스트에서 관찰됩니다. 그러나 그림 9B에서 알 수 있듯이 연성 금속 커넥터를 샘플링하면 최대 하중에 도달한 후 곡선이 평평해지므로 부하 대 변위 플롯에 대한 두 가지 가능한 결과(연성 또는 취성 고장)가 제공됩니다(그림 9A,B). 문헌의 일부 FRP 커넥터는 특정 연성을 나타내었지만(그림 9C), 이는 연성 금속으로 만들어진 커넥터와 비교할 때 매우 작습니다...

토론

많은 연구자들이 ICSWP에 대해 이러한 유형의 테스트를 약간 변형했지만 이것은 모든 개별 단계를 간략하게 설명하는 첫 번째 사례입니다. 문헌은 센서 유형 및 시편 취급을 포함하여 테스트의 중요한 단계를 다루지 않습니다. 이 방법은 단일 전단 테스트와 달리 패널이 굴곡 상태에서로드 될 때 커넥터의 동작을보다 가깝게 모방하는 테스트 방식을 설명합니다. 이 작업에는 아직 연구되지 않은 몇 가지 변수가 있습니다. 특히 경계 조건과 관련된 정보는 잘 알려져 있지 않지만 테스트에 영향을 줄 수 있습니다. 마찬가지로, 하중 배치에 대한 공차는 하중 적용 비율과 마찬가지로 중요할 수 있습니다. ^10,14의 다른 곳에 설명된 이중 전단 시편의 역학에 기초하여, 임계 변수는 시편의 길이이다.

높이가 1,200mm인 시편에 대해 겉보기에 적절한 결과가 나타났고 여러 연구자가 다양한 길이를 시도...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
배터리로 작동되는 드릴
콘크리트 나사			50mm 길이의 상업용 콘크리트 나사.
데이터 로거			가능amp최소 10Hz의 주파수에서 샘플링합니다.
두 배 가위 시험 견본			테스트 의정서에 있는 dimmensions에 따라 날조했습니다.
4개의 선형 가변 변위 변압기			섬유 강화 폴리머(FRP) 커넥터의 경우 최소 25mm 범위, 연성 강철 커넥터의 경우 50mm 범위.
최소 50 톤 용량의	유압 액추에이터
최소 50 톤 용량의
			정격 리프팅 앵커
하중 프레임			: 시험 시편에 의해 생성된 힘에 저항할 수 있습니다.
폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 패드			3 mm x 100 mm x 600 mm
래칫 스트랩			너비가 최소 50mm입니다.
스틸 앵글
강판			20mm x 150mm x 150mm 강판 2개.
강철 와셔			강철 각도와 시편 사이에 최소 5mm의 간격을 생성할 수 있습니다.