Izolowane betonowe panele ścienne typu kanapka (ICSWP) składają się z warstwy izolacji umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami betonu, często nazywanymi ściankami, które synergicznie tworzą termicznie i strukturalnie wydajny element obudowy budynku lub panele nośne1 (Rysunek 1). Aby dostosować się do szybko zmieniającej się branży budowlanej oraz nowych przepisów budowlanych dotyczących efektywności termicznej, producenci prefabrykatów wytwarzają panele ICSWP z cieńszymi warstwami betonu i grubszymi warstwami izolacji o wyższym oporze cieplnym; ponadto projektanci stosują bardziej wyrafinowane metody uwzględniania częściowo zespolonej interakcji betonowych ścianek, aby obniżyć całkowite koszty budynku przy jednoczesnym zwiększeniu parametrów termicznych i strukturalnych2. Choć wiadomo, że wydajność strukturalna zależy w dużej mierze od połączenia konstrukcyjnego pomiędzy warstwami betonu i że na rynku dostępnych jest wiele opatentowanych łączników ścinających, w literaturze nie istnieje znormalizowany protokół badań służący do analizy właściwości mechanicznych tych łączników. Dostępne łączniki znacznie różnią się geometrią, materiałami i sposobem wykonania, co utrudnia przyjęcie jednolitego podejścia analitycznego do określenia ich właściwości mechanicznych. Z tego powodu wielu badaczy stosowało w laboratoriach własne, dostosowane układy pomiarowe, które próbowały naśladować podstawowe zachowanie łączników w stanach użytkowym i granicznym nośności3,4,5,6,7,8,9,10. Jednak tylko dwa z nich stanowią część schematu oceny testowej5,8, mimo że nie są one przydatne dla wszystkich rodzajów łączników ze względu na ich dużą różnorodność w zakresie kształtu, sztywności i składu materiałowego.

Rycina 1: Typowa budowa próbki ściennego panelu warstwowego. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Powszechną metodą testowania tych łączników jest tzw. ścinanie pojedyncze z jednym lub dwoma rzędami łączników, zgodnie z wcześniejszymi opisami3,11,12, co często opiera się na normie ASTM E488, standardzie testowania kotew w betonie13. Norma ASTM E488 nie wymaga, lecz sugeruje poprzez rysunki proponowanych konfiguracji testowych, że badana będzie pojedyncza kotwa wystająca ze stałej betonowej podstawy. Po przetestowaniu próbek wykreśla się zestaw krzywych obciążenia w funkcji przemieszczenia, a z tych krzywych wyznacza się średnie wartości maksymalnego obciążenia sprężystego (Fu) oraz sztywności sprężystej (K0.5Fu). Jedną z głównych zalet tego podejścia jest uzyskanie wyników o niskiej zmienności, co nie wymaga dużej przestrzeni laboratoryjnej ani wielu czujników14. Innym podejściem jest obciążanie łącznika warstwowego w ścinaniu podwójnym w celu określenia właściwości mechanicznych do wykorzystania w projektowaniu takich paneli6,7,14,15,16. Otrzymane dane są przetwarzane w ten sam sposób, a z testów wyznacza się średnie wartości maksymalnego obciążenia sprężystego (Fu) oraz sztywności sprężystej (K0.5Fu). Choć to podejście testowe wiąże się z zużyciem większej ilości materiału i wymaga więcej czujników, w warunkach laboratoryjnych łatwiej jest w nim zastosować obciążenia i warunki brzegowe.
Dwa style testowania nie wydają się drastycznie różnić, ale dają odmienne wyniki, co wynika głównie z ich zdolności do odwzorowania zachowania łącznika w pełnowymiarowym panelu. Układ testowy dla pojedynczego ścinania w jednym rzędzie generuje efekt ściskania, co przedstawiono na Rysunku 2B,C, oraz dodatkowy moment wywracający, opisany wcześniej14,17, który nie występowałby w pełnowymiarowym panelu. Podwójne ścinanie lepiej odwzorowuje to zachowanie w pełnej skali – modeluje ono czyste przesunięcie ścinające zewnętrznych warstw względem warstwy środkowej. W rezultacie wykazano, że wartości podwójnego ścinania stosowane w metodach analitycznych dają wyniki bliższe tym uzyskanym podczas testów wielkoskalowych reprezentatywnych izolowanych paneli ściennych14. Rysunek 3 przedstawia schematyczny układ testowy dla prób pojedynczego i podwójnego ścinania łącznika.

Rysunek 2: Przykłady różnych konfiguracji badań łączników stosowanych w literaturze. Wykazano, że próbki z pojedynczym łącznikiem powodują obciążenie, które nie reprezentuje równoległego przesunięcia warstw (wythes) obserwowanego w panelach w pełnej skali. (A) Ścinanie podwójne z dwoma łącznikami; (B) Ścinanie podwójne z jednym łącznikiem; (C) Ścinanie pojedyncze z jednym łącznikiem. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Wspólnym mianownikiem wniosków ze wszystkich tych badań jest stwierdzenie, że obie metodologie testowania są odpowiednie do określania właściwości mechanicznych łączników elastycznych, jednak wyniki schematu badań na ścinanie podwójne bardziej przypominają zachowanie łącznika w rzeczywistym panelu poddanym zgięciu. Innymi słowy, gdy użytkownik wykorzystuje takie wyniki testów w modelu analitycznym, ściśle odpowiadają one wynikom testów wielkoskalowych, w których zastosowano te łączniki. Należy wspomnieć, że wyniki takich badań są odpowiednie dla modeli, które bezpośrednio opierają się na właściwościach mechanicznych jako wejściowych parametrach projektowych, takich jak metody opracowane empirycznie, rozwiązania analityczne teorii belek warstwowych oraz modele elementów skończonych z zastosowaniem sprężyn 2-D i 3-D7,18,19,20.

Rycina 3: Schematyczny widok protokołów badawczych opisanych w literaturze. Tłok jest wykorzystywany do przesuwania warstw próbek względem siebie. (A) Protokoły badań na pojedyncze ścinanie i (B) na podwójne ścinanie. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
W niniejszej pracy przedstawiono protokół eksperymentalny służący do wyznaczenia wartości krzywej szkieletowej oraz właściwości mechanicznych łączników warstw izolowanych paneli ściennych, a mianowicie Fu oraz K0.5Fu. Metoda opiera się na badaniu łączników z wykorzystaniem podejścia testu ścinania dwupasmowego z pewnymi modyfikacjami w celu wyeliminowania źródeł zmienności i uzyskania bardziej wiarygodnych wyników. Wszystkie próbki są konstruowane w środowisku o kontrolowanej temperaturze, a badania są przeprowadzane w momencie, gdy beton osiągnie docelową wytrzymałość na ściskanie. Główną zaletą niniejszego protokołu badawczego jest to, że jest on łatwy do zastosowania, może być powtarzany przez różnych techników i dokładnie opisuje rzeczywiste zachowanie łącznika warstw w realnym, izolowanym betonowym panelu ściennym poddanym zginaniu lub jednoczesnemu zginaniu i sile osiowej, co zostało wykazane w literaturze przedmiotu.
Zastosowanie sugerowanego protokołu testowania łączników wythe w celu określenia właściwości mechanicznych i zachowania materiału zwiększy dokładność wyników badań w przemyśle izolowanych betonowych paneli ściennych oraz zmniejszy bariery dla przedsiębiorców zainteresowanych tworzeniem innowacyjnych nowych łączników. Przewidywany w przyszłości znaczny wzrost budownictwa z paneli izolacyjnych, zarówno w technologii tilt-up, jak i w prefabrykatach betonowych, będzie wymagał lepszego wykorzystania materiałów oraz bardziej ujednoliconych metod wyznaczania właściwości inżynieryjnych paneli.