Wyznaczanie właściwości mechanicznych łączników elastycznych do stosowania w izolowanych panelach ściennych

Podsumowanie

Proponujemy protokół testowy, który można połączyć z powszechnie dostępnymi metodami analitycznymi do oceny właściwości mechanicznych łączników ścinanych do wykorzystania w projektowaniu izolowanych paneli ściennych w celu przewidywania pełnowymiarowego zachowania izolowanych paneli.

Streszczenie

Ten dokument zawiera zalecenia dotyczące przeprowadzenia niestandardowego testu podwójnego ścinania, odpowiedniego zarówno dla ciągłych, jak i dyskretnie izolowanych płyt warstwowych (ICSWP). Taki ustandaryzowany test nie istnieje, ale w literaturze przeprowadzono kilka iteracji tego i podobnych testów z różnym skutkiem. Co więcej, testy w literaturze rzadko, jeśli w ogóle, są szczegółowo opisywane lub szczegółowo omawiane w odniesieniu do testów, analizy danych lub procedur bezpieczeństwa. W niniejszym dokumencie zalecana jest konfiguracja próbki testowej i omówiono warianty. Ważne właściwości mechaniczne są identyfikowane na podstawie danych dotyczących obciążenia w funkcji przemieszczenia, a ich ekstrakcja jest szczegółowa. Pokrótce zademonstrowano wykorzystanie danych testowych do obliczeń, takich jak określenie sztywności złączy, aby pokazać, w jaki sposób można obliczyć ugięcie i pękanie ICSWP. Zachowanie wytrzymałościowe paneli można określić za pomocą krzywej pełnego obciążenia w funkcji przemieszczenia lub tylko maksymalnej wytrzymałości łącznika. Przyznaje się do niedociągnięć i niewiadomych oraz nakreśla znaczące przyszłe prace.

Wprowadzenie

Izolowane betonowe płyty warstwowe (ICSWPs) składają się z warstwy izolacji umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami betonu, często nazywanymi wythes, które synergicznie zapewniają termicznie i strukturalnie efektywny komponent do budowy przegród zewnętrznych lub paneli nośnych1 (Rysunek 1). Aby dostosować się do szybko zmieniającej się branży budowlanej i nowych przepisów prawa budowlanego dotyczących efektywności cieplnej, prefabrykaty wytwarzają ICSWP z cieńszymi warstwami betonu i grubszymi warstwami izolacyjnymi o wyższym oporze cieplnym; Ponadto projektanci stosują bardziej wyrafinowane metody, aby uwzględnić częściowo złożoną interakcję wythes, aby obniżyć ogólne koszty budowy przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności termicznej i strukturalnej². Chociaż wiadomo, że wydajność konstrukcyjna w dużej mierze zależy od połączenia strukturalnego między warstwami betonu i że na rynku dostępnych jest wiele zastrzeżonych łączników ukośnych, w literaturze nie istnieje znormalizowany protokół testowy badający właściwości mechaniczne tych łączników. Dostępne złącza różnią się znacznie pod względem geometrii, materiałów i sposobu wykonania, dlatego trudno jest uzyskać jednolite podejście analityczne w celu określenia ich właściwości mechanicznych. Z tego powodu wielu badaczy korzystało z własnych, niestandardowych konfiguracji w laboratorium, które próbują naśladować podstawowe zachowanie łączników w stanach granicznych usługi i siły^{3,4,5,6,7,8,9,10}. Jednak tylko dwa z nich są częścią schematu oceny testów^5,8, mimo że nie są one przydatne dla wszystkich zakresów złączy ze względu na ich dużą różnorodność kształtu, sztywności i składu materiałowego.

Rysunek 1: Typowy wzór płyty ściennej typu sandwich. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Powszechną metodą testowania tych łączników jest to, co często określa się mianem pojedynczego ścinania z jednym rzędem lub dwoma rzędami łączników, jak opisano wcześniej^3,11,12, który często opiera się na ASTM E488, standardzie testowania kotew¹³. ASTM E488 nie wymaga, ale zdecydowanie sugeruje poprzez rysunki sugerowanych konfiguracji testowych, że testowana będzie pojedyncza kotwa wystająca ze stałej podstawy betonu. Po przetestowaniu próbek wykreśla się zestaw krzywych obciążenia w funkcji przemieszczenia, a na podstawie takich krzywych uzyskuje się średnie wartości ostatecznego obciążenia sprężystego (F_u) i sztywności sprężystej (K_0,5Fu). Jedną z głównych zalet stosowania tego podejścia jest to, że daje ono wyniki o niskiej zmienności i nie wymaga dużych przestrzeni laboratoryjnych ani wielu sensorów¹⁴. Inne podejście polega na załadowaniu łącznika wythe w podwójnym ścinaniu w celu określenia właściwości mechanicznych do wykorzystania w projektowaniu tych paneli^6,7,14,15,16. Uzyskane dane są przetwarzane w ten sam sposób, a średnie wartości ostatecznego obciążenia sprężystego (F_u) i sztywności sprężystej (K_0,5Fu) uzyskuje się na podstawie testów. Chociaż to podejście do testowania wymaga użycia większej ilości materiału i wymaga większej liczby czujników, anegdotycznie łatwiej jest zastosować obciążenie i warunki brzegowe w laboratorium.

Te dwa style testowania nie wydają się dramatycznie różne, ale dają różne wyniki, głównie w oparciu o ich zdolność do naśladowania zachowania łącznika w pełnym panelu. Konfiguracja testowa z pojedynczym ścinaniem, jednorzędowym wytwarza działanie ściskające, jak pokazano w Rysunek 2B,C, oraz dodatkowy moment przewracający, jak opisano wcześniej^14,17, który nie byłby obecny w panelu o pełnej skali. Podwójne ścinanie lepiej naśladuje to zachowanie w pełnej skali - modeluje czystą translację ścinania zewnętrznych wythes w stosunku do centralnego wythes. W rezultacie, wykazano, że wartości podwójnego ścinania stosowane w metodach analitycznych dają wyniki bliższe tym uzyskanym w testach na dużą skalę reprezentatywnych izolowanych paneli ściennych¹⁴. Rysunek 3 pokazuje schematyczną konfigurację testową dla testów pojedynczego i podwójnego ścinania złącza.

Rysunek 2: Przykłady różnych konfiguracji testowania złączy w literaturze. Wykazano, że próbki pojedynczych łączników powodują obciążenie, które nie reprezentuje równoległej translacji wythes widocznej w pełnowymiarowych panelach. (A) Podwójne ścinanie z dwoma łącznikami; (B) Podwójne ścinanie z jednym łącznikiem; (C) Pojedyncze nożyce z jednym łącznikiem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wspólnym mianownikiem wniosków z tych badań jest to, że obie metodologie testowania są odpowiednie do określania właściwości mechanicznych elastycznych łączników, ale wyniki schematu testowania podwójnego ścinania bardziej przypominają zachowanie łącznika w rzeczywistym panelu pod zginaniem. Innymi słowy, gdy użytkownik wykorzystuje takie wyniki testów w modelu analitycznym, są one ściśle zgodne z wynikami testów na dużą skalę, w których używane są łączniki. Należy wspomnieć, że wyniki takich testów są odpowiednie dla modeli, które opierają się bezpośrednio na właściwościach mechanicznych jako wejściowych parametrach projektowych, takich jak metody empiryczne, rozwiązania zamknięte teorii belki warstwowej oraz modele elementów skończonych ze sprężynami 2D i 3D^7,18,19,20.

Rysunek 3: Schematyczny widok protokołów testowych w literaturze. Tłok służy do translacji wythes próbek względem siebie. (A) Protokoły badań pojedynczego ścinania i (B) podwójnego ścinania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

W tej pracy przedstawiono eksperymentalny protokół uzyskiwania wartości krzywej szkieletowej i właściwości mechanicznych izolowanych paneli ściennych za pomocą łączników, a mianowicie F_u i K_0.5Fu. Metoda opiera się na testowaniu złączy przy użyciu podejścia opartego na podwójnym ścinaniu z pewnymi modyfikacjami w celu wyeliminowania źródeł zmienności i uzyskania bardziej wiarygodnych wyników. Wszystkie próbki są konstruowane w środowisku o kontrolowanej temperaturze, gdzie są testowane, gdy osiągnie docelową wytrzymałość na ściskanie. Główną zaletą tego protokołu testowego jest to, że można go łatwo śledzić, może być powielany przez różnych techników i ściśle opisuje rzeczywiste zachowanie łącznika wythe w rzeczywistym, izolowanym panelu ściennym pod wpływem zginania lub zginania i siły osiowej w połączeniu, jak wykazano w literaturze.

Zastosowanie sugerowanego protokołu testowania łączników do określania właściwości mechanicznych i zachowania materiału zwiększy dokładność wyników testów dla branży izolowanych paneli ściennych i zmniejszy bariery dla przedsiębiorców zainteresowanych tworzeniem innowacyjnych nowych łączników. Przyszły duży wzrost konstrukcji paneli izolowanych, zarówno w branży prefabrykatów, jak i prefabrykatów, będzie wymagał lepszego wykorzystania materiałów i bardziej ujednoliconych metod uzyskiwania właściwości inżynieryjnych paneli.

Protokół

1. Wytwarzanie próbki do badań

1. Wybierz dyskretne lub ciągłe złącze ścinane do przetestowania i przestrzegaj wymiarów próbki wskazanych w Rysunek 4. W razie potrzeby zmodyfikuj wymiary do odstępów od krawędzi testowej, zmieniając odległość od krawędzi łącznika.
   UWAGA: Ogólnie rzecz biorąc, przestrzeganie wytycznych producenta jest ważne, chociaż ten test może być wykorzystany do opracowania tych wytycznych. Wymiary betonu i izolacji będą podyktowane interesującym nas łącznikiem. Właściwości mechaniczne z testu są ważne tylko dla tej konkretnej kombinacji wymiarów, wytrzymałości betonu, gęstości i typu izolacji oraz łącznika.
2. Należy wskazać docelową wytrzymałość betonu na ściskanie reprezentatywną dla danej sytuacji obliczeniowej. Jeśli próbujesz modelować wyniki badań w pełnej skali, upewnij się, że wytrzymałość betonu jest taka sama, jak w przypadku próbki w pełnej skali lub zamierzonego projektu w momencie testowania. Jeśli celujesz w określony scenariusz, taki jak minimalna siła podnoszenia panelu, wykonaj test przy tej sile.
3. Wykonać szalunek betonowy, używając pionowego lub poziomego układu warstw betonu. Upewnij się, że testy są zgodne ze stylem konstrukcyjnym, tak aby instalacja łączników odpowiadała sytuacji w terenie.
   UWAGA: Większość ICSWP w eksploatacji jest wytwarzana z poziomym układem każdej warstwy.
4. Wykonaj perforację izolacji piankowej (w przypadku opasek kołkowych) lub ustaw elementy izolacyjne (w przypadku opasek montowanych na szwach) i umieść łączniki w miejscach wskazanych na standardowych rysunkach dostarczonych przez producenta. Umieść złącza w orientacji, zgodnie z życzeniem placówki badawczej, aby uzyskać właściwości (np. kąt 0° lub 90° lub inny do osi wytrzymałości i przyłożonego obciążenia).
   UWAGA: Instalacja złączy powinna przebiegać zgodnie ze wskazaniami producenta/dostawcy, chyba że instalacja jest zmienną testową.
5. Umieść pierwszą stalową warstwę zbrojenia w formach, aby zapobiec kruchemu uszkodzeniu próbki, jeśli kawałki betonu pękną podczas przenoszenia lub testowania.
   UWAGA: Ponieważ próbki rzadko pękają pod wpływem przyłożonych obciążeń, uważa się, że łagodne zbrojenie nie jest konieczne, chyba że oczekuje się, że będzie ono uczestniczyć w wiązaniu łącznika z. Rysunek 5 pokazuje organizację kroków 1.5-1.14 w całym procesie.
6. Jeśli nie można ułożyć wszystkich warstw betonu w odpowiednim czasie przed początkowym ustawieniem betonu, należy odlać warstwy w odstępie co najmniej 3 godzin lub zgodnie z zaleceniami producenta łącznika.
   UWAGA: Kroki 1.7-1.14 wskazują kolejne układanie betonu.
7. Wlej świeży do form i odpowiednio wibruj, aby zapobiec tworzeniu się dużych pustek powietrznych w lub słabemu zagęszczeniu cząstek.
8. Umieść pierwszą warstwę izolacyjną zawierającą łączniki lub wepchnij je w piankę, w zależności od potrzeb. Warstwę izolacyjną należy ułożyć tak, aby stykała się ze świeżym. Aby upewnić się, że jest skonsolidowany wokół łączników, wibruj łącznik wewnętrznym wibratorem do betonu z prędkością 12 000 wibracji/min, chyba że producent łącznika zaleci inaczej.
   UWAGA: Wibracje przez 2-5 s wystarczą, aby zapewnić konsolidację wokół złączy.
9. Umieść kotwę do podnoszenia o nośności 1 tony (lub mocniejszą w zależności od końcowej wagi próbki) w środkowej warstwie betonu, aby ułatwić obsługę.
10. Umieść drugą stalową warstwę zbrojenia w formach na środku środkowego wythe.
11. Wlej drugą warstwę świeżego betonu do form i odpowiednio zagęścić zgodnie z powyższym opisem.
12. Umieść drugą warstwę izolacyjną zawierającą łączniki lub zainstaluj je w piance, jak opisano w kroku 1.4. Ostrożnie upewnij się, że jest skonsolidowany wokół łączników.
13. Umieść trzecią stalową warstwę zbrojenia w formach pośrodku trzeciej warstwy betonu.
14. Wlej trzecią i ostatnią warstwę świeżego betonu do form i odpowiednio wibruj.
15. Dla każdego betonu użytego do budowy próbek należy wykonać cylindry betonowe w celu dokumentacji wytrzymałości na ściskanie.
    UWAGA: Ten krok można wykonać w dowolnym momencie budowy próbek, ale jest zalecany w połowie umieszczania danej partii. Przygotowanie cylindra i utwardzanie w terenie powinno być zgodne z ASTM C31²¹.
16. Utwardzaj próbki w środowisku o kontrolowanej temperaturze, aż osiągnie pożądaną wytrzymałość. Wyjmij próbki z form, gdy stwardnieje odpowiednio dla osprzętu do podnoszenia.

2. Testowanie próbki o podwójnym ścinaniu

UWAGA: Rysunek 6 pokazuje reprezentatywny układ próbki testowej gotowej do badania (pasek zapadkowy nie jest pokazany na zdjęciu).

1. Zabierz próbkę do laboratorium w celu pobrania próbek, gdy użyty do wytworzenia próbek osiągnie pożądaną wytrzymałość.
   UWAGA: Badanie wytrzymałości na ściskanie powinno być zgodne z ASTM C39²². Temperatura w pomieszczeniu powinna pozostawać względnie stała podczas fizycznego aktu badania, przy czym sugerowana temperatura wynosi 25 °C ± 5 °C, oraz podczas badania i przechowywania próbek. Zakres temperatur testowych nie ma być rygorystycznie kontrolowany, ponieważ właściwości użytych materiałów nie powinny się znacząco różnić w typowych temperaturach pokojowych.
2. Umieść dwa paski podkładek z politetrafluoroetylenu (PTFE) o wymiarach 3 mm x 100 mm x 600 mm na dole zewnętrznej wytówki, aby zminimalizować tarcie podczas testowania.
3. Umieść próbkę pod ramą ładunkową ze środkową warstwą betonu wyśrodkowaną pod urządzeniem załadowczym. Użyj siłownika hydraulicznego lub dużej uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej, aby przyłożyć obciążenie w górnej części środkowej powierzchni, uważając, aby rozłożyć obciążenie za pomocą płyty łożyskowej, która jest wystarczająco duża, aby zapobiec uszkodzeniu łożyska przy oczekiwanych obciążeniach.
4. Przymocuj stalowy kątownik do środka za pomocą do betonu lub muru. Utwórz odstęp co najmniej 5 mm między stalowym kątownikiem a powierzchnią betonu za pomocą stalowych lub plastikowych podkładek, aby zapobiec innym oddziaływaniom kątownika z próbką (Rysunek 6).
5. Przymocuj czujniki przemieszczenia do dwóch zewnętrznych wytek, po przeciwnych stronach próbki (w sumie cztery), aby zmierzyć ruch kątownika stali względem ich ustalonego położenia na zewnątrz wythe.
   UWAGA: Zalecanymi czujnikami przemieszczenia są liniowe zmienne przetworniki różnicowe lub potencjometry. Czujniki należy zawsze przechowywać w suchej obudowie, która jest wolna od kurzu, wilgoci i wpływów magnetycznych, aby zapobiec utracie kalibracji. Analogowe czujniki zegarowe nie są zalecane.
6. Umieść luźno nylonowy pasek o szerokości 50 mm wokół górnej części próbki, aby upewnić się, że nieoczekiwane kruche pęknięcie łącznika nie spowoduje żadnych szkód w otoczeniu, w tym szkody dla technika i czujników. Upewnij się, że pasek jest wystarczająco luźny, aby nie przeszkadzał w przemieszczaniu się próbki, jak pokazano na Rysunek 7.
   UWAGA: Pasek zapobiegnie całkowitemu rozdzieleniu wythes i ułatwi usunięcie próbki po awarii, nawet jeśli wythes nie są już oddzielone. Jednak ten krok (krok 2.6) jest opcjonalny.
7. Umieść ogniwo obciążnikowe wyśrodkowane na środku wythe, umieszczone pomiędzy dwiema stalowymi płytami o wymiarach 20 mm x 150 mm x 150 mm. Upewnij się, że stalowe płyty nie wystają poza środek, aby nie kolidować z izolacją podczas deformacji próbki.
8. Podłącz czujniki obciążenia i przemieszczenia do systemu akwizycji danych (DAQ).
9. Rozpocznij zbieranie danych od częstotliwości próbkowania co najmniej 10 Hz, aby upewnić się, że obciążenie i przemieszczenie są prawidłowo rejestrowane.
10. Próbkę należy ładować w środku, aż zostanie osiągnięte maksymalne realistyczne przemieszczenie, a wytrzymałość znacznie spadnie; po utracie 50% obciążenia zaleca się przerwanie testu, chociaż jest to arbitralne. Jeśli potrzebne są dodatkowe informacje wzdłuż opadającej gałęzi, użyj dowolnej żądanej deformacji. Zastosuj obciążenie w monotonny, quasi-statyczny sposób, który jest na tyle szybki, że łącznik i pełzanie betonu nie zakłócają wyników testu, ale nie tak szybko, aby nie można go było już uznać za statyczne, chyba że zmienną testową będącą przedmiotem zainteresowania jest wysoka szybkość obciążenia.
    UWAGA: Oznaczałoby to, że test powinien trwać od 5 minut do być może kilku godzin. Odpowiednie wyniki uzyskano przy użyciu ręcznej pompy hydraulicznej o czasie trwania testu rzędu 5-10 min.
11. Przerwij gromadzenie danych i cofnij aparat do przyłożenia obciążenia do pierwotnej pozycji.
12. Wyjmij wszystkie czujniki i przechowuj je w bezpiecznym miejscu, jak wskazano powyżej.
13. Przenieś badaną próbkę w czyste miejsce i oddziel trzy warstwy betonu, aby zidentyfikować rodzaj uszkodzenia: wyłamanie betonu, uszkodzenie złącza przy ścinaniu lub inne. Zapisz tryb awarii, jakość połączenia izolacyjnego i wszelkie inne istotne informacje wizualne. Pamiętaj o robieniu zdjęć.

3. Analizowanie danych i raportowanie wyników

UWAGA: Ta sekcja opisuje analizę danych w celu oceny kilku właściwości inżynierskich, które zostały wykorzystane w literaturze. Inne właściwości inżynierskie mogą być interesujące, a przydatność danych nie ogranicza się do poniższych właściwości.

1. Przenieś pliki danych wynikające z testów z DAQ do komputera/folderu, w którym przeprowadzana jest analiza danych.
2. Wykreślić średnią z czterech czujników przemieszczenia na odciętych z obciążeniem łącznika na rzędnej (zdefiniowanej jako zmierzone obciążenie podzielone przez liczbę złączy).
   UWAGA: Użytkownik metody eksperymentalnej musi przejrzeć dane pod kątem wadliwych czujników lub niewiarygodnych pomiarów przed ich uśrednieniem i raportowaniem.
3. Znajdź maksymalne obciążenie i odpowiadające mu przemieszczenie za pomocą odpowiedniej funkcji oprogramowania do analizy danych i zapisz te wartości odpowiednio jako F_u i δ_u.
4. Podziel maksymalne obciążenie przez 2, aby uzyskać połowę maksymalnej siły, F_0,5Fu, i znajdź odpowiadające jej przemieszczenie δ_0,5.
5. Znajdź sztywność sprężystą (K_0,5Fu) złącza, dzieląc połowę siły maksymalnej, F_0,5Fu, przez przemieszczenie przy połowie siły maksymalnej, δ_0,5. Jeśli F_0,5Fu nie znajduje się w ogólnie elastycznej części testu, wybierz niższe obciążenie, które oczywiście znajduje się w tym regionie i podaj liczbę. Jeśli używana jest niższa wartość, należy udokumentować ułamek F_u i odpowiadającą mu wielkość siły.
   UWAGA: Obecnie koniec linii K_0,5Fu jest używany przez niektórych projektantów jako górna granica sił serwisowych w łączniku.
6. Podaj średnie wyniki pięciu próbek dla każdej marki, typu lub próbki wytrzymałości betonu.
   UWAGA: Podane wyniki są ważne tylko dla określonej kombinacji wybranego betonu, izolacji, wytrzymałości betonu i łącznika.

Wyniki

Rysunek 8 i Rysunek 9A pokazuje typowe obciążenie na złącze w porównaniu ze średnią krzywą przemieszczenia wynikającą z testu podwójnego ścinania łącznika z polimeru wzmocnionego włóknem (FRP) w laboratorium. Jak pokazują rysunki, obciążenie rośnie równomiernie aż do punktu maksymalnego, a następnie gwałtownie spada, co zwykle obserwuje się w większości testów z udziałem polimerów. Jednak, jak sugeruje Rysunek 9B, krzywa spłaszcza się po osiągnięciu ma...

Dyskusja

Wielu badaczy stosowało pewną odmianę tego typu testu dla ICSWP, ale jest to pierwszy przypadek nakreślenia wszystkich poszczególnych kroków. W literaturze nie omówiono krytycznych etapów testowania, w tym typów czujników i postępowania z próbkami. Ta metoda opisuje sposób testowania, który bardziej naśladuje zachowanie złączy, gdy panel jest obciążony przy zginaniu, w przeciwieństwie do testu pojedynczego ścinania. Istnieje kilka zmiennych związanych z tą pracą, które nie zostały jeszcze zbadane. W szczególności informa...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Wiertarka
akumulatorowa Wkręty do betonu o			długości 50 mm do betonu.
Rejestrator			Możliwość pobierania próbek z częstotliwością co najmniej 10 Hz.
		testowa z podwójnym ścinaniem	Wykonana zgodnie z wymiarami w protokole testowym.
Cztery liniowe transformatory			O zakresie co najmniej 25 mm dla złączy z polimeru wzmocnionego włóknem (FRP) i 50 mm dla złączy ze stali ciągliwej.
Siłownik			o udźwigu co najmniej 50 ton.
Kotwy do podnoszenia o udźwigu 1 tony
Ogniwo			o udźwigu co najmniej 50 ton.
Rama obciążeniowa			Zdolna do wytrzymania sił generowanych przez badaną próbkę.
Podkładki z politetrafluoroetylenu			3 mm x 100 mm x 600 mm
		zapadkowy	o szerokości co najmniej 50 mm.
Kątownik
stalowy Blacha stalowa Dwie			płyty stalowe 20 mm x 150 mm x 150 mm.
Podkładki			Zdolne do wytworzenia odstępu co najmniej 5 mm między kątownikiem stalowym a próbką.