Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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- ensterktelimiettoestanden 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 (Fu) en de elastische stijfheid (K0,5Fu) 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 (Fu) en de elastische stijfheid (K0,5Fu) 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 beschreven14,17, 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 wandpanelenliggen 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 Fu en K0.5Fu. 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Vervaardiging van het testmonster
- 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. - 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.
- 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. - 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. - 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. - 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. - 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.
- 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. - 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.
- Plaats de tweede stalen wapeningslaag in de vormen in het midden van de middelste wythe.
- Giet de tweede laag vers beton in de vormen en consolideer het beton adequaat zoals hierboven beschreven.
- 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.
- Plaats de derde stalen wapeningslaag in de vormen in het midden van de derde betonlaag.
- Giet de derde en laatste laag vers beton in de vormen en tril voldoende.
- 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. - 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).
- 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. - 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.
- 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.
- 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).
- 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. - 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. - 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.
- Sluit de belastings- en verplaatsingssensoren aan op het data-acquisitiesysteem (DAQ).
- Start de gegevensverzameling met een bemonsteringsfrequentie van ten minste 10 Hz om ervoor te zorgen dat de belasting en verplaatsing correct worden geregistreerd.
- 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. - Stop de gegevensverzameling en trek het belastingstoepassingsapparaat terug naar de oorspronkelijke positie.
- Verwijder alle sensoren en bewaar ze op een veilige plaats, zoals hierboven aangegeven.
- 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.
- Breng de gegevensbestanden die het resultaat zijn van het testen over van de DAQ naar de computer / map waar de gegevensanalyse wordt uitgevoerd.
- 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. - Zoek de maximale belasting en de bijbehorende verplaatsing met behulp van de juiste functie van de gegevensanalysesoftware en sla deze waarden op als respectievelijk Fu en δu.
- Deel de maximale belasting door 2 om de half-maximale kracht, F0,5Fu, te verkrijgen en vind de overeenkomstige verplaatsing δ0,5.
- Zoek de elastische stijfheid (K0,5Fu) van de connector door de half-maximale kracht, F0,5Fu, te delen door de verplaatsing bij de half-maximale kracht, δ0,5. Als de F0,5Fu 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 Fu en de overeenkomstige krachtgrootte documenteren.
OPMERKING: Momenteel wordt het einde van de K0.5Fu-lijn door sommige ontwerpers gebruikt als bovengrens voor servicekrachten in de connector. - 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
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 curve af nadat de maximale belasting is bereikt als een nodulaire metalen connector wordt bemonsterd, wat twee mogelijke uitkomsten oplevert voor de belasting versus verplaatsingsplot: een ductiele of een broze storing (figuur 9A, B). Hoewel sommige FRP-connectoren in de literatuur een zekere vervormbaarheid hebben vertoond (figuur 9C), is dit erg klein in vergelijking met de connectoren gemaakt van nodulaire metalen. De gegevens voor figuur 8 zijn opgenomen in aanvullend dossier 1. De gegevens voor elke subfiguur in figuur 9 worden weergegeven in aanvullend dossier 2, aanvullend dossier 3 en aanvullend dossier 4.
Figuur 10 toont twee mogelijke faalmodi die kunnen optreden bij dubbelschuiftests. De eerste en meest wenselijke is het falen van de connector, die uitsluitend een schuifbreuk zonder betonspatten inhoudt. De tweede storingsmodus is een betonuitbraak in combinatie met een breuk van de connector, wat erop kan wijzen dat de connector te sterk is voor de betondikte of dat het beton niet sterk genoeg is om de connector de maximale sterkte te laten bereiken. De laatste faalmodus is een beton trekbreuk op de buitenste oppervlakken. Deze storingsmodus treedt meestal op wanneer de connector nog lang niet breekt, maar de trekspanning op de buitenste wythe die van het beton overschrijdt.
De testgegevens kunnen worden gebruikt in een eindig elementenmodel dat veren gebruikt als de numerieke connector analoog23,24, of ze kunnen worden gebruikt met andere op mechanica gebaseerde methoden zoals afschuifstroomberekeningen 25,26,27. Dergelijke resultaten zijn overvloedig aangetoond in andere hierboven geciteerde artikelen, maar een voorbeeld is gereproduceerd in figuur 11 voor de volledigheid van dit werk. Het is belangrijk om te vermelden dat deze resultaten afhankelijk zijn van andere eigenschappen, zoals het isolatietype en de dikte, de druksterkte van het beton en de diepte van de inbedding van de connectoren9. Daarom moet de testfaciliteit een test uitvoeren die nauw aansluit bij de situatie waarin de connector zal worden gebruikt, inclusief alle hierboven genoemde variabelen.
Figuur 4: Een typische specimenconfiguratie zoals hierin beschreven. Het exemplaar bestaat uit drie betonlagen en twee isolatielagen. Connectoren dringen de isolatielagen binnen. Nominale wapening is opgenomen in de betonlagen om broos falen bij scheurvorming te voorkomen. Onderaan is een block-out voorzien om de wythe-vertaling te vergemakkelijken; dit is echter optioneel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Specimen fabricagestappen in de aanbevolen positie. Deze stappen bootsen opzettelijk het proces na van het installeren van connectoren in een productieomgeving. Het monster wordt plat gegoten, waarbij elke laag op een opeenvolgende manier wordt geïnstalleerd. Als dit niet vóór de eerste set kan worden bereikt, is het toegestaan om ten minste 3 uur te wachten voordat u de volgende laag giet. Zie protocol punt 1 over de fabricage van het testmonster. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Dubbel-afschuiftestschema. Instrumenten worden op het niet-zichtbare gezicht geplaatst op identieke wijze als die hier. Afkortingen: LVDT = lineaire variabele differentiële transformator; PTFE = polytetrafluorethyleen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Nylon riem om het monster geplaatst. Merk op dat de riemen los zitten en alleen bedoeld zijn om te voorkomen dat het monster valt na een storing. De overdreven knijpactie wordt ook op deze foto getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Plot van een FRP-afschuifconnector en de bijbehorende kenmerken. De berekening van de secansstijfheid en de uiteindelijke sterkte van de connector worden geïdentificeerd. Afkorting: FRP = vezelversterkt polymeer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Representatieve belasting per connector versus de sliprespons van drie mogelijke uitkomsten van de test. (A) Broos gedrag, (B) ductiel gedrag en (C) semi-ductiel gedrag. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Documentatie van de beton- of connectorstoring; voorbeeldfoto's van mogelijke uitkomsten bij het testen van connectoren. (A) Connector failure shear rupture, (B) concrete punch-through en (C) concrete flexural failure met of zonder connectorruptuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Een eindig elementenmodel met behulp van balk- en veerelastiekelementen, inclusief de resultaten van de dubbele schuiftests. (A) Modelsamenstelling en (B) vergelijking van de elastische modelresultaten met een grootschalige test van Naito et al.28. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend bestand 1: "Fig 8 Data.xlsx" presenteert de gegevens in figuur 8 zoals verzameld. Kolom A bevat de tijdstempel. Kolommen B, C, D en E zijn elk van de vier LVDT-metingen. Kolom F is de load cell-meting. Kolommen G, H, I en J zijn de lvdt-waarden op nul. Kolom K is de nulbelastingscelmeting. Kolom L is de gemiddelde LVDT-waarde van elk van de kolommen G, H, I en J. De plot is ook in dit bestand gereproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 2: "Fig 9A Data.xlsx" presenteert de gegevens in figuur 9A zoals verzameld. Kolom A bevat de tijdstempel. Kolommen B, C, D en E zijn elk van de vier LVDT-metingen. Kolom F is de load cell-meting. Kolommen G, H, I en J zijn de lvdt-waarden op nul. Kolom K is de nulbelastingscelmeting. Kolom L is de gemiddelde LVDT-waarde van elk van de kolommen G, H, I en J. De plot is ook in dit bestand gereproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 3: "Fig 9B Data.xlsx" presenteert de gegevens in figuur 9B zoals verzameld. Kolom A bevat de tijdstempel. Kolommen B, C, D en E zijn elk van de vier LVDT-metingen. Kolom F is de load cell-meting. Kolommen G, H, I en J zijn de lvdt-waarden op nul. Kolom K is de nulbelastingscelmeting. Kolom L is de gemiddelde LVDT-waarde van elk van de kolommen G, H, I en J. De plot is ook in dit bestand gereproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend bestand 4: "Fig 9C Data.xlsx" presenteert de gegevens in figuur 9C zoals verzameld. Kolom A bevat de tijdstempel. Kolommen B, C, D en E zijn elk van de vier LVDT-metingen. Kolom F is de load cell-meting. Kolommen G, H, I en J zijn de lvdt-waarden op nul. Kolom K is de nulbelastingscelmeting. Kolom L is de gemiddelde LVDT-waarde van elk van de kolommen G, H, I en J. De plot is ook in dit bestand gereproduceerd. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
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. Specifiek is informatie met betrekking tot de randvoorwaarden niet goed bekend, maar kan van invloed zijn op de test. Evenzo kan de tolerantie bij het plaatsen van de belasting belangrijk zijn, net als de belastingstoepassingssnelheid. Op basis van de mechanica voor het elders geschetste dubbelschuifexemplaar10,14, is de kritische variabele de lengte van het monster.
Hoewel schijnbaar adequate resultaten zijn aangetoond voor exemplaren die 1.200 mm lang zijn, en hoewel verschillende onderzoekers veel verschillende lengtes hebben geprobeerd, is de optimale lengte niet bekend. Anekdotisch hebben de auteurs knijpgedrag gevonden op lengtes lager dan dit 1.200 mm-exemplaar, dat eerder werd aangetoond14. Het is niet bekend of het kiezen van grotere lengtes een significant verschil zal maken. Er wordt niet gedacht dat transversale dimensies van invloed zijn op het testen, tenzij randeffecten of interactie tussen de connectoren worden opgemerkt. De hier gepresenteerde aanbevelingen mogen geen randeffecten of interactie tussen de connectoren creëren op basis van de inbeddingsdimensies voor commerciële connectoren. Er moet voor worden gezorgd dat dit effect wordt geëlimineerd als individueel connectorgedrag het doel is of als het begrijpen van deze effecten door de nauwere afstand van connectoren het doel is.
Bovendien is het effect van het kraken van het monster (in de buurt van de connectoren of anderszins) niet bekend. De auteurs hebben verschillende exemplaren getest die gebarsten zijn aangekomen. In sommige gevallen leken de scheuren de test te beïnvloeden, terwijl ze dat in andere gevallen niet deden. Toekomstig werk moet ernaar streven dit beter te begrijpen. De testprotocollen van de International Code Council (ICC) bepalen ongescheurde monsters5. Het is duidelijk dat in-service ICSWP's om verschillende redenen kraken. Het is belangrijk om te begrijpen of dit van invloed is op het gedrag van de connector op het niveau van de dubbele afschuif en op het niveau van de in-service. Toekomstige testprogramma's zouden dergelijke tests kunnen uitvoeren.
In de literatuur zijn verschillende faalmodi waargenomen, maar het beton of de connector zal falen. Sommige connectoren vertrouwen op de binding van het beton aan de isolatie. In deze gevallen is het noodzakelijk dat een goede band met vers beton wordt bereikt, hoewel hier meestal weinig begeleiding voor is. De betonstoringen die in de literatuur zijn waargenomen, omvatten betonuitbraak29, waarbij de connectoren uit het beton trekken, en betonpunch-door19, waarbij de connector door het betonnen gezicht duwt. Connectorstoringen kunnen zeer variabel zijn en bestaan over het algemeen uit broze afschuifruptuur, trekruptuur, treklatminaire scheuren en plastic buigbinding10,29. Connectorstoringen moeten worden gedocumenteerd, vooral als de fouten inconsistent zijn tussen exemplaren van hetzelfde type. De toestand van de isolatiebinding moet worden opgemerkt met foto's en schriftelijke beschrijvingen in gevallen waarin de isolatie opzettelijk aan het beton is gehecht.
Hoewel het hierboven werd genoemd, verdient het extra discussie dat de wythe dikte, betonsterkte, isolatietype en connectorgeometrie die in een bepaalde test zijn getest, alleen van toepassing zijn op die specifieke combinatie. Als dunnere beton wythes worden gebruikt, kan er een punch-through storingzijn 19 van de wythes die mogelijk niet worden weergegeven in de dubbele schuiftest. Als een andere isolatiedichtheid of -type wordt gebruikt voor connectorsystemen die afhankelijk zijn van de isolatie voor enige belastingsoverdracht, zou het schijnbare mechanische gedrag van het dubbelschuifmonster anders zijn. De dikte van de isolatielaag en de geometrie van de connector spelen waarschijnlijk de grootste rollen, maar de bedoeling van deze test is om het systeemgedrag te identificeren (beton, isolatie en wythe connector die samen werken) en dat uiteindelijk uit te breiden naar volledig gedrag, ontwerp of analyse.
De precisie en vooringenomenheid van deze test zijn niet bekend, noch is er een interlaboratorium round-robin studie geweest om dit aan te pakken. De auteurs zijn van mening dat dit moet worden gedaan, omdat deze test binnen de industrie sterk nodig is voor kwaliteitscontroledoeleinden en de ontwikkeling van een ICSWP-teststandaard. Een rigoureuze robuustheidsstudie30 , rekening houdend met de hierboven genoemde factoren of andere factoren, moet ook worden uitgevoerd.
De auteurs doen verschillende aanbevelingen voor een succesvolle test. Zodra een test is begonnen, mag de test niet worden gestopt, omdat dit kan leiden tot een onbekende hoeveelheid permanente schade aan de connector, wat resulteert in een herstart met onjuiste gegevens. Alle defecten van het monster moeten vóór en na de test correct worden opgemerkt. Voorafgaand aan de test moet een grondige sensorcontrole worden uitgevoerd. Een slecht functionerende (d.w.z. niet-lezende) verplaatsingssensor kan artefacten creëren in de gemiddelde sensoraflezing die wordt gebruikt voor de backbone-curve.
Goede persoonlijke beschermingsmiddelen zijn van het grootste belang omdat deze test aanzienlijke belasting en broos falen met zich mee kan brengen. De aanbevolen veiligheidsuitrusting omvat laarzen met stalen tenen en mogelijk middenvoetsbeenbeschermers, een helm, oogbescherming, handschoenen, lange duurzame broeken en gehoorbescherming. Zorg ervoor dat u niet te dicht bij het monster staat, omdat een broos defect ervoor kan zorgen dat de loadcel en de plaat onder een hoek van het monster vallen. Onverwachte storingen kunnen om verschillende redenen optreden, waaronder broze connectoren, onjuist geïnstalleerde connectoren of onjuiste belastingsplaatsing, wat resulteert in een lagerstoring.
Er zijn geen bekende beperkingen aan de techniek, maar kortere exemplaren zullen waarschijnlijk conservatieve schattingen van sterkte en stijfheid produceren om de redenen die in de inleiding worden beschreven. Bij meer wijdverbreid gebruik kunnen de beperkingen echter duidelijk worden. De toekomstige toepassingen voor deze methode omvatten het bestuderen van aanvullende parameters zoals de afhankelijkheid van de belastingssnelheid, het cyclische gedrag en het kruipgedrag van flexibele wythe-connectoren.
BESCHIKBAARHEID VAN GEGEVENS:
Alle gegevens die ten grondslag liggen aan de resultaten van deze studie zijn beschikbaar in hun oorspronkelijke bestandsformaat als onderdeel van dit manuscript. Aanvullende bestanden worden geüpload voor de gegevens in figuur 8 en figuur 9A-C. Deze bestanden zijn gelabeld met het bijbehorende figuurnummer in .xlsx-indeling.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het hierboven beschreven werk werd niet rechtstreeks gefinancierd door een enkele organisatie of in de loop van een enkele subsidie, maar de informatie werd verzameld gedurende jaren van door de industrie gesponsord onderzoek. Daartoe bedanken de auteurs hun sponsors van het afgelopen decennium en zijn ze dankbaar om te werken in een snel evoluerende industrie.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Collins, T. F. Precast concrete sandwich panels for tilt-up construction. Journal of the American Concrete Institute. 50 (2), 149-164 (1954).
- Luebke, J. Out-of-plane behavior of concrete insulated wall panels with 2-inch, 8-inch, and 10-inch insulation. , University of Nebraska-Lincoln. Master's thesis (2021).
- Einea, A., Salmon, D. C., Tadros, M. K., Culp, T. A new structurally and thermally efficient precast sandwich panel system. PCI journal. 39 (4), 90-101 (1994).
- Frankl, B., Lucier, G., Rizkalla, S., Blaszak, G., Harmon, T. Structural behavior of insulated prestressed concrete sandwich panels reinforced with FRP grid. Proceedings of the Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008). 2224, Zurich, Switzerland. https://www.iifc.org/proceedings/CICE_2008/papers/2.C.2.pdf (2008).
- AC422 - Semicontinuous Fiber-reinforced Grid Connectors Used in Combination with Rigid Insulation in Concrete Sandwich Panel Construction). ICC Evaluation Service. , Los Angeles, CA. Available from: www.icc-es.org (2010).
- Naito, C., Hoemann, J., Beacraft, M., Bewick, B. Performance and characterization of shear ties for use in insulated precast concrete sandwich wall panels. Journal of Structural Engineering. 138 (1), 52-61 (2012).
- Tomlinson, D. Behaviour of partially composite precast concrete sandwich panels under flexural and axial loads. , Queen's University. Canada. PhD thesis (2015).
- ICC Evaluation Service. AC320 - Fiber-reinforced Polymer Composite or Unreinforced Polymer Connectors Anchored in Concrete. , Los Angeles, CA. Available from: https://shop.iccsafe.org/es-acceptance-criteria/ac320-fiber-reinforced-polymer-composite-or-unreinforced-polymer-connectors-anchored-in-concrete-approved-oct-2015-editorially-revised-sept-2017-pdf-download.html (2015).
- Olsen, J., Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Maguire, M. Developing a General Methodology for Evaluating Composite Action in Insulated Wall Panels. Report to PCI. Precast/Prestressed Concrete Institute. , Chicago, IL. Available from: https://digitalcommons.usu.edu/cee_facpub/3531 (2017).
- Gombeda, M. J., Naito, C. J., Quiel, S. E. Development and performance of a ductile shear tie for precast concrete insulated wall panels. Journal of Building Engineering. 28, 101084 (2020).
- Kinnane, O., West, R., Grimes, M., Grimes, J. Shear capacity of insulated precast concrete façade panels. CERI 2014 - Civil Engineering Research in Ireland. , Queen's University. Belfast, UK. (2014).
- Jiang, H., Guo, Z., Liu, J., Liu, H. The shear behavior of precast concrete sandwich panels with W-shaped SGFRP shear connectors. KSCE Journal of Civil Engineering. 22 (10), 3961-3971 (2018).
- ASTM International. Standard test methods for strength of anchors in concrete elements. ASTM. , E488M-22 (2022).
- Syndergaard, P., Tawadrous, R., Al-Rubaye, S., Maguire, M. Comparing testing methods of partially composite sandwich wall panel glass fiber-reinforced polymer connectors. Journal of Composites for Construction. 26 (1), (2022).
- Woltman, G., Tomlinson, D., Fam, A. Investigation of various GFRP shear connectors for insulated precast concrete sandwich wall panels. Journal of Composites for Construction. 17 (5), 711-721 (2013).
- Olsen, J., Maguire, M. Pushoff shear testing of composite sandwich panel connectors. 2016 PCI Convention and National Bridge Conference. , Paper 1233 (2016).
- Gombeda, M. J., Naito, C. J., Quiel, S. E. Flexural performance of precast concrete insulated wall panels with various configurations of ductile shear ties. Journal of Building Engineering. 33, 101574 (2021).
- Bai, F., Davidson, J. S. Composite beam theory for pretensioned concrete structures with solutions to transfer length and immediate prestress losses. Engineering Structures. 126, 739-758 (2016).
- Cox, B., et al. Lumped GFRP star connector system for partial composite action in insulated precast concrete sandwich panels. Composite Structures. 229, 111465 (2019).
- Pozo, F. On thermal bowing of concrete sandwich wall panels with flexible shear connectors. , Utah State University. Master's thesis (2018).
- ASTM International. Standard practice for making and curing concrete test specimens in the field. ASTM International. , ASTM C31/C31M-19a (2019).
- ASTM International. Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens. ASTM International. , ASTM C39/C39M-18 (2018).
- Pozo-Lora, F., Maguire, M. Thermal bowing of concrete sandwich panels with flexible shear connectors. Journal of Building Engineering. 29, 101124 (2020).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Thomas, R. J., Maguire, M. Generalized beam-spring model for predicting elastic behavior of partially composite concrete sandwich wall panels. Engineering Structures. 198, 109533 (2019).
- Losch, E. D., et al. State of the art of precast/prestressed concrete sandwich wall panels. PCI Journal. 56 (2), 131-176 (2011).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Maguire, M. Iterative and simplified sandwich beam theory for partially composite concrete sandwich wall panels. Journal of Structural Engineering. 147 (10), 4021143 (2021).
- Holmberg, A., Plem, E. Behaviour of Load-bearing Sandwich-type Structures. The National Swedish Institute for Building Research. , Sweden. (1965).
- Naito, C. J., et al. Precast/prestressed concrete experiments performance on non-load bearing sandwich wall panels. Air Force Research Laboratory. Materials and Manufacturing Directorate. , (2011).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Olsen, J., Maguire, M. Evaluating elastic behavior for partially composite precast concrete sandwich wall panels. PCI Journal. 63 (5), 71-88 (2018).
- ASTM International. Standard practice for conducting ruggedness tests. ASTM International. , 1169-1121 (2021).
