Bepaling van de mechanische eigenschappen van flexibele connectoren voor gebruik in geïsoleerde betonnen wandpanelen

Samenvatting

We stellen een testprotocol voor dat kan worden gecombineerd met algemeen beschikbare analytische methoden om de mechanische eigenschappen van afschuifconnectoren te beoordelen voor gebruik bij het ontwerp van geïsoleerde betonnen wandpanelen om het gedrag van geïsoleerde panelen op ware grootte te voorspellen.

Samenvatting

Dit document bevat aanbevelingen voor het uitvoeren van een niet-standaard, dubbele schuiftest die geschikt is voor zowel continue als discrete geïsoleerde betonnen sandwichwandpanelen (ICSWP's). Zo'n gestandaardiseerde test bestaat niet, maar verschillende iteraties van deze en soortgelijke tests zijn in de literatuur met wisselend succes uitgevoerd. Verder worden de tests in de literatuur zelden of nooit in detail beschreven of uitgebreid besproken met betrekking tot de tests, gegevensanalyse of veiligheidsprocedures. Hierin wordt een configuratie van een testmonster aanbevolen en worden variaties besproken. Belangrijke mechanische eigenschappen worden geïdentificeerd aan de hand van de belasting versus verplaatsingsgegevens en de extractie ervan wordt gedetailleerd beschreven. Het gebruik van testgegevens voor ontwerp, zoals voor het bepalen van de stijfheid van de connectoren, wordt kort gedemonstreerd om te laten zien hoe ICSWP-afbuigings- en scheurgedrag kan worden berekend. Het sterktegedrag van panelen kan worden bepaald met behulp van de curve volledige belasting versus verplaatsing of alleen de maximale connectorsterkte. Tekortkomingen en onbekenden worden erkend en belangrijk toekomstig werk wordt afgebakend.

Inleiding

Geïsoleerde betonnen sandwichwandpanelen (ICSWP's) bestaan uit een isolatielaag tussen twee betonlagen, vaak wythes genoemd, die synergetisch een thermisch en structureel efficiënte component vormen voor gebouwschil of dragende panelen¹ (figuur 1). Om zich aan te passen aan de snel veranderende bouwsector en de nieuwe bouwvoorschriften voor thermische efficiëntie, fabriceren prefabeurs ICSWP's met dunnere betonlagen en dikkere isolatielagen met een hogere thermische weerstand; bovendien gebruiken ontwerpers meer verfijnde methoden om rekening te houden met de gedeeltelijk samengestelde interactie van de betonnen wythes om de totale bouwkosten te verlagen en tegelijkertijd de thermische en structurele prestaties te verhogen². Hoewel het bekend is dat structurele efficiëntie grotendeels afhangt van de structurele verbinding tussen de betonlagen en dat er meerdere gepatenteerde afschuifconnectoren op de markt beschikbaar zijn, bestaat er geen gestandaardiseerd testprotocol in de literatuur om de mechanische eigenschappen van die connectoren te onderzoeken. De beschikbare connectoren variëren sterk in hun geometrie, materialen en productie, dus het is moeilijk om een uniforme analytische benadering te verkrijgen om hun mechanische eigenschappen te bepalen. Om deze reden hebben veel onderzoekers hun eigen aangepaste opstellingen in het laboratorium gebruikt die proberen het fundamentele gedrag van de connectoren na te bootsen bij de service- en^{sterktelimiettoestanden} 3,4,5,6,7,8,9,10. Slechts twee van hen maken echter deel uit van een testevaluatieschema ^5,8, ondanks dat ze niet nuttig zijn voor alle reeksen connectoren vanwege hun grote variatie in vorm, stijfheid en materiaalsamenstelling.

Figuur 1: Typische samenstelling van een sandwichwandpaneelexemplaar. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een veelgebruikte methode voor het testen van deze connectoren is wat vaak single shear wordt genoemd met één rij of twee rijen connectoren, zoals eerder beschreven ^3,11,12, die vaak is gebaseerd op ASTM E488, een betonankerteststandaard¹³. ASTM E488 vereist niet, maar impliceert sterk door middel van tekeningen van de voorgestelde testopstellingen, dat een enkel anker dat uit een vaste basis van beton steekt, zal worden getest. Zodra de monsters zijn getest, wordt een reeks belastings- versus verplaatsingscurven uitgezet en worden de gemiddelde waarden van de uiteindelijke elastische belasting (F_u) en de elastische stijfheid (K_0,5Fu) uit dergelijke curven verkregen. Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van deze aanpak is dat het resultaten met een lage variabiliteit oplevert en geen grote laboratoriumruimtes of veel sensoren nodig heeft¹⁴. Een andere benadering bestaat uit het laden van een wythe connector in dubbele afschuiving om de mechanische eigenschappen te bepalen voor gebruik in het ontwerp van die panelen 6,7,14,15,16. De resulterende gegevens worden op dezelfde manier verwerkt en de gemiddelde waarden van de uiteindelijke elastische belasting (F_u) en de elastische stijfheid (K_0,5Fu) worden verkregen uit testen. Hoewel deze testaanpak meer materiaal gebruikt en meer sensoren nodig heeft, is het anekdotisch gemakkelijker om de belastings- en randvoorwaarden in een laboratorium toe te passen.

De twee teststijlen lijken niet dramatisch verschillend, maar produceren verschillende resultaten, grotendeels gebaseerd op hun vermogen om het connectorgedrag na te bootsen in een volledig paneel. De single-shear, single-row testopstelling produceert een knijpactie, zoals weergegeven in figuur 2B, C, en een extra omkeermoment, zoals eerder beschreven^14,17, dat niet aanwezig zou zijn in een paneel op ware grootte. De dubbele afschuiving doet het beter om dit gedrag op ware grootte na te bootsen - het modelleert de zuivere afschuifvertaling van de buitenste wythes ten opzichte van de centrale wythe. Als gevolg hiervan is aangetoond dat de dubbele schuifwaarden die in analytische methoden worden gebruikt, resultaten opleveren die dichter bij die van grootschalige tests van representatieve geïsoleerde wandpanelen^{liggen 14}. Figuur 3 toont de schematische testopstelling voor het testen van een connector met enkele en dubbele afschuiving.

Figuur 2: Voorbeelden van verschillende connectortestconfiguraties die in de literatuur worden gebruikt. Van exemplaren met één connector is aangetoond dat ze belasting veroorzaken die niet de parallelle vertaling van wythes vertegenwoordigt die in panelen op ware grootte wordt gezien. (A) Dubbele afschuiving met twee connectoren; B) dubbele afschuiving met één connector; (C) Enkele afschuif met één connector. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een gemene deler van de conclusies van al deze studies is dat beide testmethoden geschikt zijn voor het bepalen van de mechanische eigenschappen van flexibele connectoren, maar de resultaten van het dubbelschuiftestschema lijken meer op het gedrag van de connector in een echt paneel onder buiging. Met andere woorden, wanneer de gebruiker dergelijke testresultaten in een analytisch model gebruikt, komen ze nauw overeen met de resultaten van grootschalige tests waarbij de connectoren worden gebruikt. Het is belangrijk om te vermelden dat de resultaten van dergelijke tests geschikt zijn voor modellen die rechtstreeks afhankelijk zijn van de mechanische eigenschappen als inputontwerpparameters, zoals empirisch afgeleide methoden, gesloten oplossingen van de sandwichbundeltheorie en eindige elementenmodellen met 2D- en 3D-veren 7,18,19,20.

Figuur 3: Schematische weergave van de testprotocollen in de literatuur. Een ram wordt gebruikt om de wythes van de exemplaren ten opzichte van elkaar te vertalen. (A) Single-shear en (B) double-shear testprotocollen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In dit werk wordt een experimenteel protocol gepresenteerd voor het verkrijgen van de waarden van de ruggengraatcurve en de mechanische eigenschappen van geïsoleerde wandpanelen, namelijk F_u en K_0.5Fu. De methode is gebaseerd op het testen van connectoren met behulp van een dubbele afschuiftestbenadering met enkele wijzigingen om bronnen van variabiliteit te elimineren en betrouwbaardere resultaten te produceren. Alle monsters worden geconstrueerd in een temperatuurgecontroleerde omgeving, waar ze worden getest wanneer het beton de beoogde druksterkte bereikt. Het belangrijkste voordeel van dit testprotocol is dat het gemakkelijk kan worden gevolgd, door verschillende technici kan worden gerepliceerd en het echte gedrag van de wythe-connector nauwkeurig beschrijft in een echt, geïsoleerd betonnen wandpaneel onder buiging of buiging en axiale kracht gecombineerd, zoals is aangetoond in de literatuur.

De toepassing van het voorgestelde wythe connector-testprotocol voor het bepalen van de mechanische eigenschappen en het materiaalgedrag zal de nauwkeurigheid van de testresultaten voor de geïsoleerde betonnen wandpaneelindustrie verbeteren en de barrières verminderen voor ondernemers die geïnteresseerd zijn in het creëren van innovatieve nieuwe connectoren. De toekomstige grote toename van geïsoleerde paneelconstructies in zowel de kantel- als prefabbetonindustrie vereist een beter gebruik van materialen en meer uniforme methoden om technische eigenschappen van de panelen te verkrijgen.

Protocol

1. Vervaardiging van het testmonster

1. Selecteer de discrete of continue afschuifconnector die u wilt testen en houd u aan de afmetingen van het in figuur 4 aangegeven monster. Wijzig indien nodig de afmetingen van de afstandsspelingen van de testrand door de randafstand voor de connector te wijzigen.
   OPMERKING: Over het algemeen is het belangrijk om u te houden aan de richtlijnen van de fabrikant, hoewel deze test kan worden gebruikt om deze richtlijnen te ontwikkelen. De afmetingen van beton en isolatie worden bepaald door de connector van belang. De mechanische eigenschappen van de test zijn alleen geldig voor deze specifieke combinatie van wythe afmetingen, betonsterkte, isolatiedichtheid en -type en connector.
2. Geef de beoogde druksterkte van het beton aan dat representatief is voor de ontwerpsituatie van belang. Als u testresultaten op ware grootte probeert te modelleren, moet u ervoor zorgen dat de betonsterkte dezelfde is als die van het volledige monster of het beoogde ontwerp op het moment van testen. Als u zich richt op een bepaald scenario, zoals de minimale sterkte voor het optillen van het paneel, voert u de test uit op die sterkte.
3. Fabriceer de betonbekisting met behulp van een verticale of horizontale lay-out van de betonlagen. Zorg ervoor dat de tests overeenkomen met de bouwstijl, zodat de installatie van de connectoren overeenkomt met de situatie in het veld.
   OPMERKING: De meeste in-service ICSWP's zijn vervaardigd met een horizontale lay-out van elke laag.
4. Perforeer de schuimisolatie (voor pin-stijl banden) of oriënteer de isolatiestukken (voor naad-geïnstalleerde banden) en plaats de connectoren op de locaties die zijn aangegeven in de standaardtekeningen die door de fabrikant zijn verstrekt. Plaats de connectoren in de richting die de testfaciliteit wenst om de eigenschappen te verzamelen (bijvoorbeeld een hoek van 0° of 90° of een andere hoek ten opzichte van de sterke as en de toegepaste belasting).
   OPMERKING: De installatie van de connectoren moet zijn zoals aangegeven door de fabrikant / leverancier, tenzij de installatie een testvariabele van belang is.
5. Plaats de eerste stalen wapeningslaag in de vormen om te voorkomen dat het monster broos uitvalt als de betonstukken barsten tijdens het hanteren of testen.
   OPMERKING: Omdat de monsters zelden barsten als gevolg van aangebrachte belastingen, wordt milde wapening niet nodig geacht, tenzij wordt verwacht dat deze deelneemt aan de binding van de connector aan het beton. Figuur 5 toont de organisatie van stappen 1.5-1.14 door het proces.
6. Als niet alle lagen beton tijdig kunnen worden geplaatst voorafgaand aan de eerste set van het beton, werp de lagen dan minimaal 3 uur uit elkaar of volgens de aanbevelingen van de connectorfabrikant.
   OPMERKING: Stappen 1.7-1.14 geven de opeenvolgende plaatsing van beton aan.
7. Giet het verse beton in de vormen en tril voldoende om de vorming van grote luchtholtes in het beton of de slechte verdichting van deeltjes te voorkomen.
8. Plaats de eerste isolatielaag met de connectoren of duw ze in het schuim, indien van toepassing. Plaats de isolatielaag zo dat deze in contact komt met het verse beton. Om ervoor te zorgen dat het beton rond de connectoren wordt geconsolideerd, trilt u de connector met een interne betonvibrator met 12.000 trillingen / min, tenzij anders aanbevolen door de fabrikant van de connector.
   OPMERKING: Trillen gedurende 2-5 s is voldoende om consolidatie rond de connectoren te garanderen.
9. Plaats een capaciteit van 1 ton (of sterker afhankelijk van het uiteindelijke gewicht van het monster) hefanker in de middelste laag van het beton voor gebruiksgemak.
10. Plaats de tweede stalen wapeningslaag in de vormen in het midden van de middelste wythe.
11. Giet de tweede laag vers beton in de vormen en consolideer het beton adequaat zoals hierboven beschreven.
12. Plaats de tweede isolatielaag met de connectoren of installeer ze in het schuim, zoals beschreven in stap 1.4. Zorg er zorgvuldig voor dat het beton rond de connectoren wordt geconsolideerd.
13. Plaats de derde stalen wapeningslaag in de vormen in het midden van de derde betonlaag.
14. Giet de derde en laatste laag vers beton in de vormen en tril voldoende.
15. Maak betonnen cilinders voor elk beton dat wordt gebruikt bij de constructie van de monsters met het oog op compressiesterktedocumentatie.
    OPMERKING: Deze stap kan op elk moment tijdens de bouw van de monsters worden voltooid, maar wordt aanbevolen wanneer halverwege de plaatsing van een bepaalde partij. De cilindervoorbereiding en velduitharding moeten ASTM C31²¹ volgen.
16. Hard de monsters uit in een temperatuurgecontroleerde omgeving totdat het beton de gewenste sterkte heeft bereikt. Haal de monsters uit de vormen zodra het beton voldoende is uitgehard voor het hijswerk.

2. Testen van het dubbelschuifmonster

OPMERKING: Figuur 6 toont een representatieve lay-out van het testmonster dat klaar is om te worden getest (ratelband niet afgebeeld).

1. Breng het monster naar het laboratorium voor bemonstering wanneer het beton dat is gebruikt om de monsters te fabriceren de gewenste sterkte heeft bereikt.
   OPMERKING: Druksterktetests moeten ASTM C39²² volgen. De kamertemperatuur moet relatief constant blijven tijdens de fysische testhandeling, waarbij de temperatuur wordt voorgesteld op 25 °C ± 5 °C, en tijdens het testen en opslaan van de monsters. Het testtemperatuurbereik is niet bedoeld om streng te worden gecontroleerd, omdat de eigenschappen van de betrokken materialen niet significant mogen variëren met typische kamertemperatuur.
2. Plaats twee 3 mm x 100 mm x 600 mm polytetrafluorethyleen (PTFE) pad strips aan de onderkant van de buitenste beton wythes om wrijving tijdens het testen te minimaliseren.
3. Plaats het monster onder het laadframe met de middelste betonlaag gecentreerd onder het laadapparaat. Gebruik een hydraulische ram of een grote universele testmachine om belasting aan de bovenkant van de middelste wythe uit te voeren, waarbij u ervoor zorgt dat de belasting wordt verdeeld met een lagerplaat die voldoende groot is om een lagerstoring voor de verwachte belastingen te voorkomen.
4. Bevestig de stalen hoek aan de middelste wythe met een beton- of metselschroef. Maak een scheiding van ten minste 5 mm tussen de stalen hoek en het betonoppervlak met behulp van stalen of plastic ringen om te voorkomen dat de hoek anders met het monster in wisselwerking staat (figuur 6).
5. Bevestig de verplaatsingssensoren aan de twee buitenste wythes, aan weerszijden van het monster (vier in totaal), om de beweging van de stalen hoek ten opzichte van hun vaste positie op de buitenste wythe te meten.
   OPMERKING: De aanbevolen verplaatsingssensoren zijn lineaire variabele differentiële transducers of potentiometers. Sensoren moeten altijd worden opgeslagen in een droge behuizing die vrij is van stof, vocht en magnetische effecten om het verlies van kalibratie te voorkomen. Analoge wijzerplaatmeters worden niet aanbevolen.
6. Plaats een 50 mm brede nylon riem losjes rond het bovenste deel van het monster om ervoor te zorgen dat een onverwachte broze connectorbreuk geen schade aan de omgeving veroorzaakt, inclusief schade aan de technicus en de sensoren. Zorg ervoor dat de riem los genoeg zit om de verplaatsing van het monster niet te verstoren, zoals weergegeven in figuur 7.
   OPMERKING: De riem voorkomt dat de wythes volledig worden gescheiden en vergemakkelijkt het verwijderen van het monster na falen, zelfs als de wythes niet langer gescheiden zijn. Deze stap (stap 2.6) is echter optioneel.
7. Plaats de loadcel gecentreerd op de middelste wythe, ingeklemd tussen twee stalen platen van 20 mm x 150 mm x 150 mm. Zorg ervoor dat de stalen platen niet over de middelste wythe hangen om de isolatie tijdens de vervorming van het monster niet te verstoren.
8. Sluit de belastings- en verplaatsingssensoren aan op het data-acquisitiesysteem (DAQ).
9. Start de gegevensverzameling met een bemonsteringsfrequentie van ten minste 10 Hz om ervoor te zorgen dat de belasting en verplaatsing correct worden geregistreerd.
10. Laad het monster in het midden totdat de maximale realistische verplaatsing is bereikt en de sterkte aanzienlijk is gedaald; nadat 50% van de belasting verloren is gegaan, wordt het stoppen van de test aanbevolen, hoewel dit arbitrair is. Als aanvullende informatie langs de dalende tak gewenst is, gebruik dan de gewenste vervorming. Breng belasting aan op een monotone, quasi-statische manier die snel genoeg is dat de connector en de betonnen kruip de testresultaten niet verstoren, maar niet zo snel dat deze niet langer als statisch kan worden beschouwd, tenzij een hoge belastingssnelheid de testvariabele van belang is.
    OPMERKING: Dit zou erop wijzen dat de test in de orde van 5 minuten tot misschien enkele uren moet duren. Adequate resultaten zijn gevonden met behulp van een hydraulische handpomp met een testduur in de orde van 5-10 minuten.
11. Stop de gegevensverzameling en trek het belastingstoepassingsapparaat terug naar de oorspronkelijke positie.
12. Verwijder alle sensoren en bewaar ze op een veilige plaats, zoals hierboven aangegeven.
13. Verplaats het geteste monster naar een schoon gebied en scheid de drie betonlagen om het type storing te identificeren: betonuitbraak, connectorafschuiving of andere. Noteer de storingsmodus, de kwaliteit van de isolatieverbinding en alle andere relevante visuele informatie. Vergeet niet om foto's te maken.

3. Analyseren van de data en rapporteren van de resultaten

OPMERKING: In dit gedeelte wordt de gegevensanalyse beschreven om verschillende technische eigenschappen te beoordelen die in de literatuur zijn gebruikt. Andere technische eigenschappen kunnen van belang zijn en het nut van de gegevens is niet beperkt tot de onderstaande eigenschappen.

1. Breng de gegevensbestanden die het resultaat zijn van het testen over van de DAQ naar de computer / map waar de gegevensanalyse wordt uitgevoerd.
2. Plot het gemiddelde van de vier verplaatsingssensoren op de abscis met de connectorbelasting op de ordinaat (gedefinieerd als de gemeten belasting gedeeld door het aantal connectoren).
   OPMERKING: De gebruiker van de experimentele methode moet de gegevens controleren op defecte sensoren of onbetrouwbare metingen voordat hij ze gemiddeld neemt en rapporteert.
3. Zoek de maximale belasting en de bijbehorende verplaatsing met behulp van de juiste functie van de gegevensanalysesoftware en sla deze waarden op als respectievelijk F_u en δ_u.
4. Deel de maximale belasting door 2 om de half-maximale kracht, F_0,5Fu, te verkrijgen en vind de overeenkomstige verplaatsing δ_0,5.
5. Zoek de elastische stijfheid (K_0,5Fu) van de connector door de half-maximale kracht, F_0,5Fu, te delen door de verplaatsing bij de half-maximale kracht, δ_0,5. Als de F_0,5Fu zich niet in het over het algemeen elastische gedeelte van de test bevindt, selecteert u een lagere belasting die duidelijk in het gebied ligt en rapporteert u het aantal. Als een lagere waarde wordt gebruikt, moet u de fractie van F_u en de overeenkomstige krachtgrootte documenteren.
   OPMERKING: Momenteel wordt het einde van de K_0.5Fu-lijn door sommige ontwerpers gebruikt als bovengrens voor servicekrachten in de connector.
6. Rapporteer de gemiddelde resultaten van vijf monsters voor elk connectormerk, type of betonsterkte bemonsterd.
   OPMERKING: De gerapporteerde resultaten zijn alleen geldig voor de specifieke combinatie van beton wythe, isolatie wythe, betonsterkte en connector geselecteerd.

Resultaten

Figuur 8 en figuur 9A tonen een typische belasting per connector versus de gemiddelde verplaatsingscurve als gevolg van een dubbele schuiftest van een vezelversterkte polymeerconnector (FRP) in het laboratorium. Zoals de cijfers laten zien, neemt de belasting gestaag toe tot het maximale punt en daalt vervolgens dramatisch, wat meestal wordt waargenomen bij de meeste tests met polymeren. Zoals figuur 9B echter suggereert, vlakt de c...

Discussie

Veel onderzoekers hebben een variatie van dit type test gebruikt voor ICSWP, maar dit is het eerste geval van het schetsen van alle individuele stappen. De literatuur gaat niet in op de kritieke stappen in het testen, inclusief sensortypen en monsterbehandeling. Deze methode beschrijft een manier van testen die het gedrag van de connectoren beter nabootst wanneer een paneel in buiging wordt geladen in tegenstelling tot de single-shear-test. Er zijn verschillende variabelen voor dit werk die nog moeten worden bestudeerd. ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Batterijboormachine
Betonschroeven			50 mm lange commerciële betonnen schroeven.
Datalogger			Capabel om met een frequentie van minimaal 10 Hz te samplen.
Dubbele Schuifproef			Vervaardigd volgens de afmetingen in het testprotocol.
Vier lineaire variabele verplaatsingstransformator			Met minimaal een bereik van 25 mm voor vezelversterkte polymeer (FRP) connectoren en 50 mm voor herstelbare staalconnectoren.
Hydraulische actuator			Met een capaciteit van minimaal 50 ton.
Hefbouten met een draagkracht van 1 ton
Krachtcel			Met een capaciteit van minimaal 50 ton.
Testframe			Capabel om de krachten weer te staan die gegenereerd worden door het testexemplaar.
Polytetrafluorethyleen (PTFE) kussens			3 mm x 100 mm x 600 mm
Ratchetriem			Minimaal 50 mm breed.
Staalhoek
Staalplaat			Twee stalen platen van 20 mm x 150 mm x 150 mm.
Stalen schijven			Capabel om een scheiding van minimaal 5 mm tussen de stalen hoek en het exemplaar te produceren.