Bestemmelse af de mekaniske egenskaber ved fleksible stik til brug i isolerede betonvægpaneler

Summary

Vi foreslår en testprotokol, der kan kombineres med bredt tilgængelige analysemetoder til vurdering af de mekaniske egenskaber ved forskydningsstik til brug ved design af isolerede betonvægpaneler for at forudsige fuldskala isoleret paneladfærd.

Abstract

Dette dokument indeholder anbefalinger til udførelse af en ikke-standard, dobbeltforskydningstest, der er egnet til både kontinuerlige og diskrete isolerede betonsandwichvægpaneler (ICSWP’er). En sådan standardiseret test findes ikke, men flere iterationer af denne og lignende tests er blevet udført i litteraturen i varierende grad af succes. Desuden er testene i litteraturen sjældent, hvis nogensinde – beskrevet i detaljer eller diskuteret udførligt med hensyn til test, dataanalyse eller sikkerhedsprocedurer. En testprøvekonfiguration anbefales heri, og variationer diskuteres. Vigtige mekaniske egenskaber identificeres ud fra belastning versus forskydningsdata, og deres ekstraktion er detaljeret. Brugen af testdata til design, såsom til bestemmelse af stikkenes stivhed, demonstreres kort for at vise, hvordan ICSWP-afbøjning og revneadfærd kan beregnes. Panelernes styrkeadfærd kan bestemmes ved hjælp af kurven for fuld belastning versus forskydning eller kun den maksimale stikstyrke. Mangler og ubekendte erkendes, og væsentligt fremtidigt arbejde afgrænses.

Introduction

Isolerede betonsandwichvægpaneler (ICSWP’er) omfatter et lag isolering placeret mellem to betonlag, ofte kaldet wythes, som synergisk giver en termisk og strukturelt effektiv komponent til bygningskonvolutter eller bærende paneler 1 (figur 1). For at tilpasse sig den hurtigt skiftende byggebranche og nye bygningsreglementer om termisk effektivitet fremstiller præfabrikatorer ICSWP’er med tyndere betonlag og tykkere isoleringslag med højere termisk modstand; Derudover bruger designere mere raffinerede metoder til at tage højde for den delvist sammensatte interaktion mellem betonen for at reducere de samlede bygningsomkostninger og samtidig øge den termiske og strukturelle ydeevne². Mens det er kendt, at strukturel effektivitet i vid udstrækning afhænger af den strukturelle forbindelse mellem betonlagene, og at flere proprietære forskydningsstik er tilgængelige på markedet, findes der ingen standardiseret testprotokol i litteraturen til at undersøge de mekaniske egenskaber ved disse stik. De tilgængelige stik varierer meget i deres geometri, materialer og fremstilling, så det er svært at opnå en samlet analytisk tilgang til at bestemme deres mekaniske egenskaber. Af denne grund har mange forskere brugt deres egne tilpassede opsætninger i laboratoriet, der forsøger at efterligne den grundlæggende opførsel af stikkene ved service- og styrkegrænsetilstandene 3,4,5,6,7,8,9,10. Imidlertid er kun to af dem en del af en testevalueringsordning^5,8, på trods af at de ikke er nyttige til alle stikserier på grund af deres store variation i form, stivhed og materialesammensætning.

Figur 1: Typisk sammensætning af et sandwichvægpanelprøve. Klik her for at se en større version af denne figur.

En almindelig metode til test af disse stik er det, der ofte kaldes enkeltforskydning med enten en række eller to rækker stik, som beskrevet tidligere 3,11,12, som ofte er baseret på ASTM E488^, en betonankerteststandard ¹³. ASTM E488 kræver ikke, men indebærer kraftigt gennem tegninger af de foreslåede testopsætninger, at et enkelt anker, der stikker ud fra en fast base af beton, vil blive testet. Når prøverne er testet, afbildes et sæt belastnings- versus forskydningskurver, og gennemsnitsværdierne for den ultimative elastiske belastning (F_u) og den elastiske stivhed (K_0,5Fu) opnås fra sådanne kurver. En af de største fordele ved at bruge denne tilgang er, at den producerer resultater med lav variabilitet og ikke nødvendiggør store laboratorierum eller mange sensorer¹⁴. En anden fremgangsmåde består i at lægge et stik i dobbelt forskydning for at bestemme de mekaniske egenskaber til brug ved konstruktionen af disse paneler 6,7,14,15,16. De resulterende data behandles på samme måde, og gennemsnitsværdierne for den ultimative elastiske belastning (F_u) og den elastiske stivhed (K_0,5Fu) opnås ved test. Selvom denne testmetode indebærer at bruge mere materiale og har brug for flere sensorer, er det anekdotisk lettere at anvende belastnings- og grænseforholdene i et laboratorium.

De to testformer virker ikke dramatisk forskellige, men producerer forskellige resultater, der stort set er baseret på deres evne til at efterligne stikadfærden i et fuldskalapanel. Testopsætningen med en enkelt forskydning og en enkelt række giver en klemhandling, som vist i figur 2B,C, og et ekstra væltningsmoment, som tidligere beskrevet^14,17, som ikke ville være til stede i et panel i fuld skala. Den dobbelte forskydning gør et bedre stykke arbejde med at efterligne denne fuldskala adfærd – den modellerer den rene forskydningsoversættelse af de ydre wythes i forhold til den centrale wythe. Som følge heraf har de dobbelte forskydningsværdier, der anvendes i analysemetoder, vist sig at give resultater, der er tættere på dem, der opnås ved storskala test af repræsentative isolerede vægpaneler¹⁴. Figur 3 viser den skematiske testopsætning for enkelt- og dobbeltforskydningstest af et stik.

Figur 2: Eksempler på forskellige konnektortestkonfigurationer, der anvendes i litteraturen. Enkeltstikprøver har vist sig at forårsage belastning, der ikke repræsenterer den parallelle oversættelse af wythes, der ses i fuldskalapaneler. (A) Dobbelt forskydning med to stik; (B) Dobbelt forskydning med et stik; (C) Enkelt forskydning med et stik. Klik her for at se en større version af denne figur.

En fællesnævner for alle disse undersøgelsers konklusioner er, at begge testmetoder er egnede til at bestemme de mekaniske egenskaber ved fleksible stik, men resultaterne af dobbeltforskydningstestskemaet ligner mere stikkets opførsel i et rigtigt panel under bøjning. Med andre ord, når brugeren anvender sådanne testresultater i en analytisk model, svarer de nøje til resultaterne af store tests, hvor stikkene anvendes. Det er vigtigt at nævne, at resultaterne af en sådan test er passende for modeller, der er afhængige af de mekaniske egenskaber som inputdesignparametre direkte, såsom empirisk afledte metoder, lukkede løsninger af sandwichstråleteorien og endelige elementmodeller med 2-D- og 3D-fjedre 7,18,19,20.

Figur 3: Skematisk visning af testprotokollerne i litteraturen. En vædder bruges til at oversætte prøvernes wythes i forhold til hinanden. (A) Protokoller for testprotokoller for enkeltforskydning og (B) dobbeltforskydning. Klik her for at se en større version af denne figur.

I dette arbejde præsenteres en eksperimentel protokol til opnåelse af værdierne for rygradskurven og de mekaniske egenskaber ved isolerede vægpanelforbindelser, nemlig F_u og K_0,5Fu. Metoden er baseret på test af stik ved hjælp af en dobbeltforskydningstestmetode med nogle ændringer for at eliminere kilder til variabilitet og producere mere pålidelige resultater. Alle prøverne er konstrueret i et temperaturstyret miljø, hvor de testes, når betonen når måltrykstyrken. Den største fordel ved denne testprotokol er, at den let kan følges, kan replikeres af forskellige teknikere og nøje beskriver wythe-stikkets virkelige opførsel i et ægte, isoleret betonvægpanel under bøjning eller bøjning og aksial kraft kombineret, som det er vist i litteraturen.

Anvendelsen af den foreslåede wythe-stiktestprotokol til bestemmelse af de mekaniske egenskaber og materialeadfærd vil forbedre nøjagtigheden af testresultater for den isolerede betonvægpanelindustri og mindske barriererne for iværksættere, der er interesserede i at skabe innovative nye stik. Den fremtidige store stigning i isoleret panelkonstruktion i både tilt-up og præfabrikeret betonindustri vil kræve bedre udnyttelse af materialer og mere ensartede metoder til at opnå tekniske egenskaber ved panelerne.

Protocol

1. Fremstilling af testprøven Vælg det diskrete eller kontinuerlige forskydningsstik, der skal testes, og overhold dimensionerne på prøveeksemplaret angivet i figur 4. Rediger dimensionerne til testkantafstandsafstandene, hvis det er nødvendigt, ved at ændre kantafstanden for stikket.BEMÆRK: Generelt er det vigtigt at overholde producentens retningslinjer, selvom denne test kan bruges til at udvikle disse retningslinjer. Beton- og isoleringsdimensionerne…

Representative Results

Figur 8 og figur 9A viser en typisk belastning pr. stik i forhold til den gennemsnitlige forskydningskurve som følge af en dobbeltforskydningstest af et fiberforstærket polymerstik (FRP) i laboratoriet. Som tallene viser, stiger belastningen støt op til det maksimale punkt og falder derefter dramatisk, hvilket typisk observeres i de fleste test, der involverer polymerer. Som figur 9B antyder, flader kurven imidlertid ud, når den maksimale belastning er nået…

Discussion

Mange forskere har brugt en vis variation af denne type test til ICSWP, men dette er det første eksempel på at skitsere alle de enkelte trin. Litteraturen omhandler ikke de kritiske trin i test, herunder sensortyper og prøvehåndtering. Denne metode beskriver en testmåde, der efterligner stikkets opførsel tættere, når et panel indlæses i bøjning i modsætning til enkeltforskydningstesten. Der er flere variabler for dette arbejde, der endnu ikke er undersøgt. Specifikt er oplysninger relateret til grænsebetinge…

Materials

Battery-powered Drill
Concrete Screws			50 mm long commercial concrete scews.
Data Logger			Capable of sampling at a frequency of at least 10 Hz.
Double Shear Test Specimen			Fabricated according to the dimmensions in the testing protocol.
Four Linear Variable Displacement Transformer			With at least 25 mm range for Fiber-reinforced Polymer (FRP) connectors and 50 mm for ductile steel connectors.
Hydraulic Actuator			With at least 50-Ton capacity.
Lifting anchors rated at 1 Ton
Load Cell			With at least 50-Ton capacity.
Load Frame			Capable of resisting the forces generated by the testing specimen.
Polytetrafluoroethylene (PTFE) Pads			3 mm x 100 mm x 600 mm
Ratchet Strap			At least 50 mm wide.
Steel angle
Steel Plate			Two 20 mm x 150 mm x 150 mm steel plates.
Steel Washers			Capable of producing a separation of at least 5 mm between the steel angle and the specimen.