Summary
Nous proposons un protocole d’essai qui peut être combiné avec des méthodes analytiques largement disponibles pour évaluer les propriétés mécaniques des connecteurs de cisaillement à utiliser dans la conception de panneaux muraux en béton isolés afin de prédire le comportement des panneaux isolés à grande échelle.
Abstract
Le présent document contient des recommandations pour la réalisation d’un essai de double cisaillement non standard adapté aux panneaux muraux sandwich en béton isolés continus et discrets (ICSWP). Un tel test standardisé n’existe pas, mais plusieurs itérations de ce test et d’autres tests similaires ont été effectuées dans la littérature avec plus ou moins de succès. De plus, les essais dans la littérature sont rarement, voire jamais, décrits en détail ou discutés en détail en ce qui concerne les essais, l’analyse des données ou les procédures de sécurité. Une configuration d’échantillon d’essai est recommandée dans le présent document, et les variantes sont discutées. Les propriétés mécaniques importantes sont identifiées à partir des données de charge par rapport au déplacement, et leur extraction est détaillée. L’utilisation de données d’essai pour la conception, par exemple pour déterminer la rigidité des connecteurs, est brièvement démontrée pour montrer comment la déviation ICSWP et le comportement à la fissuration peuvent être calculés. Le comportement de résistance des panneaux peut être déterminé à l’aide de la courbe de charge complète en fonction du déplacement ou uniquement de l’intensité maximale du connecteur. Les lacunes et les inconnues sont reconnues, et d’importants travaux futurs sont définis.
Introduction
Les panneaux muraux sandwich en béton isolé (ICSWP) comprennent une couche d’isolant placée entre deux couches de béton, souvent appelées wythes, qui fournissent en synergie un composant thermiquement et structurellement efficace pour les enveloppes de bâtiment ou les panneaux porteurs 1 (Figure 1). Pour s’adapter à l’évolution rapide de l’industrie de la construction et aux nouveaux règlements du code du bâtiment sur l’efficacité thermique, les préfabricants fabriquent des ICSWP avec des couches de béton plus minces et des couches d’isolation plus épaisses avec une résistance thermique plus élevée; De plus, les concepteurs utilisent des méthodes plus raffinées pour tenir compte de l’interaction partiellement composite des Wythes en béton afin de réduire les coûts globaux de construction tout en augmentant les performances thermiques et structurelles2. Bien que l’on sache que l’efficacité structurelle dépend en grande partie de la connexion structurelle entre les couches de béton et que plusieurs connecteurs de cisaillement exclusifs sont disponibles sur le marché, il n’existe aucun protocole d’essai normalisé dans la littérature pour examiner les propriétés mécaniques de ces connecteurs. Les connecteurs disponibles varient considérablement dans leur géométrie, leurs matériaux et leur fabrication, il est donc difficile d’obtenir une approche analytique unifiée pour déterminer leurs propriétés mécaniques. Pour cette raison, de nombreux chercheurs ont utilisé leurs propres configurations personnalisées en laboratoire qui tentent d’imiter le comportement fondamental des connecteurs aux états limites de service et de résistance 3,4,5,6,7,8,9,10. Cependant, seuls deux d’entre eux font partie d’un schéma d’évaluation des tests5,8, bien qu’ils ne soient pas utiles pour toutes les gammes de connecteurs en raison de leur grande variation de forme, de rigidité et de composition matérielle.
Figure 1 : Composition typique d’un échantillon de panneau mural sandwich. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Une méthode courante pour tester ces connecteurs est ce que l’on appelle souvent un cisaillement simple avec une rangée ou deux rangées de connecteurs, comme décrit précédemment 3,11,12, qui est souvent basé sur ASTM E488, une norme d’essai d’ancrage en béton 13. La norme ASTM E488 n’exige pas, mais implique fortement par des dessins des configurations d’essai suggérées, qu’un seul ancrage dépassant d’une base fixe de béton sera testé. Une fois les éprouvettes testées, un ensemble de courbes charge en fonction du déplacement est tracé, et les valeurs moyennes de la charge élastique ultime (Fu) et de la rigidité élastique (K0,5Fu) sont obtenues à partir de ces courbes. L’un des principaux avantages de l’utilisation de cette approche est qu’elle produit des résultats à faible variabilité et ne nécessite pas de grands espaces de laboratoire ou de nombreux capteurs14. Une approche différente consiste à charger un connecteur wythe en double cisaillement pour déterminer les propriétés mécaniques à utiliser dans la conception de ces panneaux 6,7,14,15,16. Les données résultantes sont traitées de la même manière, et les valeurs moyennes de la charge élastique ultime (Fu) et de la rigidité élastique (K0,5Fu) sont obtenues à partir des essais. Bien que cette approche de test implique l’utilisation de plus de matériau et nécessite plus de capteurs, il est anecdotique plus facile d’appliquer les conditions de charge et aux limites dans un laboratoire.
Les deux styles de test ne semblent pas radicalement différents, mais produisent des résultats différents en grande partie en fonction de leur capacité à imiter le comportement du connecteur dans un panneau à grande échelle. La configuration d’essai à cisaillement unique et à rangée unique produit une action de pincement, comme illustré à la figure 2B,C, et un moment de retournement supplémentaire, comme décrit précédemment14,17, qui ne serait pas présent dans un panneau à pleine échelle. Le double cisaillement imite mieux ce comportement à grande échelle - il modélise la translation de cisaillement pure des wythes extérieures par rapport à la wythe centrale. En conséquence, il a été démontré que les valeurs de double cisaillement utilisées dans les méthodes d’analyse produisent des résultats plus proches de ceux obtenus lors d’essais à grande échelle de panneaux muraux isolés représentatifs14. La figure 3 montre la configuration de test schématique pour les tests de cisaillement simple et double d’un connecteur.
Figure 2 : Exemples de différentes configurations de test de connecteurs utilisées dans la littérature. Il a été démontré que les échantillons à connecteur unique provoquent une charge qui ne représente pas la translation parallèle des wythes observée dans les panneaux à pleine échelle. A) Double cisaillement avec deux connecteurs; B) Double cisaillement avec un connecteur; (C) Cisaillement unique avec un connecteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Un dénominateur commun aux conclusions de toutes ces études est que les deux méthodologies d’essai sont appropriées pour déterminer les propriétés mécaniques des connecteurs flexibles, mais les résultats du schéma d’essai à double cisaillement ressemblent davantage au comportement du connecteur dans un panneau réel sous flexion. En d’autres termes, lorsque l’utilisateur utilise de tels résultats de test dans un modèle analytique, ils correspondent étroitement aux résultats de tests à grande échelle où les connecteurs sont utilisés. Il est important de mentionner que les résultats de ces essais sont appropriés pour les modèles qui s’appuient directement sur les propriétés mécaniques comme paramètres de conception d’entrée, tels que les méthodes dérivées empiriquement, les solutions de forme fermée de la théorie des faisceaux sandwich et les modèles d’éléments finis avec ressorts 2D et 3D 7,18,19,20.
Figure 3 : Vue schématique des protocoles de test dans la littérature. Un bélier est utilisé pour traduire les wythes des spécimens les uns par rapport aux autres. (A) Protocoles d’essai à cisaillement simple et (B) à double cisaillement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Dans ce travail, un protocole expérimental pour obtenir les valeurs de la courbe de l’épine dorsale et les propriétés mécaniques des connecteurs de panneaux muraux isolés, à savoir Fu et K0.5Fu, est présenté. La méthode est basée sur le test des connecteurs à l’aide d’une approche d’essai à double cisaillement avec quelques modifications pour éliminer les sources de variabilité et produire des résultats plus fiables. Tous les échantillons sont construits dans un environnement à température contrôlée, où ils sont testés lorsque le béton atteint la résistance à la compression cible. Le principal avantage de ce protocole de test est qu’il peut être facilement suivi, peut être reproduit par différents techniciens et décrit de près le comportement réel du connecteur wythe dans un panneau mural en béton réel et isolé sous flexion ou flexion et force axiale combinées, comme cela a été montré dans la littérature.
L’application du protocole d’essai de connecteurs wythe suggéré pour déterminer les propriétés mécaniques et le comportement des matériaux améliorera la précision des résultats des tests pour l’industrie des panneaux muraux en béton isolé et réduira les obstacles pour les entrepreneurs intéressés par la création de nouveaux connecteurs innovants. La forte augmentation future de la construction de panneaux isolés dans les industries du béton basculant et préfabriqué nécessitera une meilleure utilisation des matériaux et des méthodes plus unifiées pour obtenir les propriétés techniques des panneaux.
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Protocol
1. Fabrication de l’échantillon d’essai
- Sélectionnez le connecteur de cisaillement discret ou continu à tester et respectez les dimensions de l’échantillon indiquées à la figure 4. Modifiez les dimensions pour tester les jeux de distance d’arête si nécessaire en modifiant la distance d’arête du connecteur.
REMARQUE : En règle générale, il est important de respecter les directives du fabricant, bien que ce test puisse être utilisé pour élaborer ces lignes directrices. Les dimensions du béton et de l’isolation seront dictées par le connecteur d’intérêt. Les propriétés mécaniques de l’essai ne sont valables que pour cette combinaison spécifique de dimensions, de résistance du béton, de densité et de type d’isolation et de connecteur. - Indiquer la résistance à la compression cible du béton représentatif de la situation de conception d’intérêt. Si vous essayez de modéliser les résultats d’essais en vraie grandeur, assurez-vous que la résistance du béton est la même que celle de l’échantillon grandeur nature ou de la conception prévue au moment de l’essai. Si vous ciblez un certain scénario, comme la résistance minimale pour le levage du panneau, effectuez le test à cette force.
- Fabriquez le coffrage de béton en utilisant une disposition verticale ou horizontale des couches de béton. Assurez-vous que les tests correspondent au style de construction afin que l’installation des connecteurs corresponde à la situation sur le terrain.
REMARQUE : La plupart des ICSWP en service sont fabriqués avec une disposition horizontale de chaque couche. - Perforer l’isolant en mousse (pour les attaches de type goupille) ou orienter les pièces isolantes (pour les attaches installées à soudure) et placer les connecteurs aux endroits indiqués dans les dessins standard fournis par le fabricant. Placez les connecteurs en utilisant l’orientation souhaitée par l’installation d’essai pour recueillir les propriétés (par exemple, un angle de 0° ou 90° ou autre par rapport à l’axe fort et à la charge appliquée).
REMARQUE : L’installation des connecteurs doit être conforme aux indications du fabricant/fournisseur, sauf si l’installation est une variable d’essai d’intérêt. - Placer la première couche d’armature en acier dans les coffrages pour empêcher l’échantillon de se fragiliser si les pièces de béton se fissurent pendant la manipulation ou les essais.
REMARQUE : Comme les éprouvettes se fissurent rarement en raison des charges appliquées, on ne pense pas qu’une armature légère soit nécessaire, à moins qu’on s’attende à ce qu’elle participe à l’adhérence du connecteur au béton. La figure 5 montre l’organisation des étapes 1.5 à 1.14 tout au long du processus. - Si toutes les couches de béton ne peuvent pas être placées en temps opportun avant la pose initiale du béton, coulez les couches à au moins 3 heures d’intervalle ou selon les recommandations du fabricant du connecteur.
NOTE: Les étapes 1.7 à 1.14 indiquent la mise en place consécutive du béton. - Versez le béton frais dans les coffrages et vibrez adéquatement pour éviter la formation de grands vides d’air dans le béton ou le mauvais compactage des particules.
- Placez la première couche isolante contenant les connecteurs ou poussez-les dans la mousse, selon le cas. Placez la couche isolante de manière à ce qu’elle entre en contact avec le béton frais. Pour vous assurer que le béton est consolidé autour des connecteurs, faites vibrer le connecteur avec un vibrateur interne en béton à 12 000 alternances / min, sauf indication contraire du fabricant du connecteur.
REMARQUE: Vibrer pendant 2-5 s est suffisant pour assurer la consolidation autour des connecteurs. - Placez une ancre de levage d’une capacité de 1 tonne (ou plus forte selon le poids final de l’échantillon) dans la couche intermédiaire du béton pour faciliter la manipulation.
- Placez la deuxième couche d’armature en acier dans les formes au centre de la wythe centrale.
- Versez la deuxième couche de béton frais dans les coffrages et consolidez adéquatement le béton comme décrit ci-dessus.
- Placez la deuxième couche isolante contenant les connecteurs ou installez-les dans la mousse, comme décrit à l’étape 1.4. Assurez-vous soigneusement que le béton est consolidé autour des connecteurs.
- Placez la troisième couche d’armature en acier dans les coffrages au centre de la troisième couche de béton.
- Versez la troisième et dernière couche de béton frais dans les coffrages et vibrez adéquatement.
- Fabriquer des cylindres de béton pour chaque béton utilisé dans la construction des échantillons aux fins de la documentation de la résistance à la compression.
NOTA : Cette étape peut être complétée à tout moment pendant la construction des échantillons, mais elle est recommandée à mi-chemin de la mise en place d’un lot donné. La préparation des cylindres et le durcissement sur le terrain doivent être conformes à la norme ASTM C3121. - Durcir les échantillons dans un environnement à température contrôlée jusqu’à ce que le béton ait atteint la résistance désirée. Retirez les spécimens des coffrages une fois que le béton a suffisamment durci pour la quincaillerie de levage.
2. Test de l’échantillon à double cisaillement
NOTA: La figure 6 montre une disposition représentative de l’échantillon d’essai prêt à être testé (sangle à cliquet non illustrée).
- Apportez l’échantillon au laboratoire pour l’échantillonnage lorsque le béton utilisé pour fabriquer les échantillons a atteint la résistance désirée.
NOTE: Les essais de résistance à la compression doivent suivre la norme ASTM C3922. La température ambiante doit rester relativement constante pendant l’essai physique, la température suggérée étant comprise entre 25 °C ± 5 °C, et pendant l’essai et l’entreposage des échantillons. La plage de température d’essai n’est pas destinée à être rigoureusement contrôlée car les propriétés des matériaux concernés ne doivent pas varier de manière significative avec les températures ambiantes typiques. - Placer deux bandes de tampon en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 3 mm x 100 mm x 600 mm au bas des bandes extérieures en béton pour minimiser le frottement pendant les essais.
- Placer l’échantillon sous le cadre de chargement avec la couche de béton centrale centrée sous l’appareil de chargement. Utilisez un vérin hydraulique ou une grande machine d’essai universelle pour appliquer la charge au sommet de la rampe médiane, en prenant soin de répartir la charge avec une plaque d’appui suffisamment grande pour éviter une défaillance du roulement pour les charges attendues.
- Fixez l’angle d’acier à la largeur centrale avec une vis en béton ou en maçonnerie. Créer une séparation d’au moins 5 mm entre l’angle d’acier et la surface du béton à l’aide de rondelles en acier ou en plastique pour empêcher l’angle d’interagir autrement avec l’échantillon (figure 6).
- Fixez les capteurs de déplacement aux deux wythes extérieures, sur les côtés opposés de l’échantillon (quatre au total), pour mesurer le mouvement de l’angle de l’acier par rapport à leur position fixe sur la wythe extérieure.
REMARQUE: Les capteurs de déplacement recommandés sont des transducteurs différentiels variables linéaires ou des potentiomètres. Les capteurs doivent toujours être stockés dans un boîtier sec exempt de poussière, d’humidité et d’effets magnétiques pour éviter toute perte d’étalonnage. Les jauges à cadran analogiques ne sont pas recommandées. - Placez une sangle en nylon de 50 mm de large autour de la partie supérieure de l’échantillon pour vous assurer qu’une rupture inattendue du connecteur fragile ne causera aucun dommage à l’environnement, y compris des dommages au technicien et aux capteurs. Assurez-vous que la sangle est suffisamment lâche pour ne pas interférer avec le déplacement de l’échantillon, comme le montre la figure 7.
NOTE: La sangle empêchera les wythes de se séparer complètement et facilitera le retrait de l’échantillon après défaillance même si les wythes ne sont plus séparées. Toutefois, cette étape (étape 2.6) est facultative. - Placez le capteur de pesage centré sur le dessus de la mèche médiane, pris en sandwich entre deux plaques d’acier de 20 mm x 150 mm x 150 mm. Veiller à ce que les plaques d’acier ne surplombent pas la paroi centrale afin de ne pas gêner l’isolation lors de la déformation de l’échantillon.
- Branchez les capteurs de charge et de déplacement dans le système d’acquisition de données (DAQ).
- Commencez la collecte de données en utilisant une fréquence d’échantillonnage d’au moins 10 Hz pour vous assurer que la charge et le déplacement sont correctement enregistrés.
- Charger l’échantillon dans la largeur centrale jusqu’à ce que le déplacement maximal réaliste ait été atteint et que la résistance ait considérablement diminué; Après que 50% de la charge a été perdue, l’arrêt du test est recommandé, bien que cela soit arbitraire. Si des informations supplémentaires le long de la branche descendante sont souhaitées, utilisez la déformation souhaitée. Appliquer la charge d’une manière monotone et quasi statique qui est suffisamment rapide pour que le connecteur et le fluage du béton n’interfèrent pas avec les résultats de l’essai, mais pas si vite qu’il ne puisse plus être considéré comme statique, sauf si un taux de charge élevé est la variable d’essai d’intérêt.
NOTE: Cela indiquerait que le test devrait durer de l’ordre de 5 minutes à peut-être plusieurs heures. Des résultats adéquats ont été obtenus en utilisant une pompe manuelle hydraulique d’une durée d’essai de l’ordre de 5 à 10 minutes. - Arrêtez l’acquisition de données et rétractez l’appareil d’application de charge à sa position initiale.
- Retirez tous les capteurs et rangez-les dans un endroit sûr, comme indiqué ci-dessus.
- Déplacez l’échantillon testé dans une zone propre et séparez les trois couches de béton pour identifier le type de défaillance : rupture du béton, rupture de cisaillement du connecteur ou autre. Notez le mode de défaillance, la qualité de la liaison d’isolation et toute autre information visuelle pertinente. N’oubliez pas de prendre des photos.
3. Analyse des données et communication des résultats
REMARQUE : Cette section décrit l’analyse des données pour évaluer plusieurs propriétés techniques qui ont été utilisées dans la littérature. D’autres propriétés techniques peuvent être intéressantes, et l’utilité des données ne se limite pas aux propriétés ci-dessous.
- Transférez les fichiers de données résultant des tests du DAQ vers l’ordinateur/dossier où l’analyse des données est effectuée.
- Tracer la moyenne des quatre capteurs de déplacement sur l’abscisse avec la charge du connecteur en ordonnée (définie comme la charge mesurée divisée par le nombre de connecteurs).
REMARQUE : L’utilisateur de la méthode expérimentale doit examiner les données pour détecter tout capteur défectueux ou toute mesure peu fiable avant de faire la moyenne et de les rapporter. - Trouvez la charge maximale et son déplacement correspondant à l’aide de la fonction appropriée du logiciel d’analyse de données et stockez ces valeurs sous forme F u et δu, respectivement.
- Divisez la charge maximale par 2 pour obtenir la demi-force maximale, F0,5Fu, et trouvez son déplacement correspondant δ0,5.
- Trouvez la rigidité élastique (K 0,5Fu) du connecteur en divisant la force demi-maximale, F 0,5Fu, par le déplacement à la demi-force maximale, δ 0,5. Si le F0,5Fu n’est pas dans la partie généralement élastique de l’essai, sélectionnez une charge inférieure qui se trouve manifestement dans la région et indiquez le nombre. Si une valeur inférieure est utilisée, assurez-vous de documenter la fraction de Fu et l’amplitude de force correspondante.
REMARQUE: Actuellement, l’extrémité de la ligne K0.5Fu est utilisée par certains concepteurs comme limite supérieure pour les forces de service dans le connecteur. - Rapportez les résultats moyens de cinq échantillons pour chaque marque, type ou résistance du béton échantillonné.
REMARQUE : Les résultats rapportés ne sont valides que pour la combinaison spécifique de béton, d’isolant, de résistance du béton et de connecteur sélectionnée.
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Representative Results
Les figures 8 et 9A montrent une charge typique par connecteur par rapport à la courbe de déplacement moyenne résultant d’un essai de double cisaillement d’un connecteur en polymère renforcé de fibres (PRF) en laboratoire. Comme le montrent les figures, la charge augmente régulièrement jusqu’au point maximal, puis diminue considérablement, ce qui est généralement observé dans la plupart des essais impliquant des polymères. Cependant, comme le suggère la figure 9B, la courbe s’aplatit lorsque la charge maximale est atteinte si un connecteur métallique ductile est échantillonné, ce qui donne deux résultats possibles pour le diagramme de charge en fonction du déplacement : une rupture ductile ou fragile (figure 9A, B). Bien que certains connecteurs en PRF dans la littérature aient présenté une certaine ductilité (figure 9C), celle-ci est très faible par rapport aux connecteurs en métaux ductiles. Les données de la figure 8 sont présentées dans le fichier supplémentaire 1. Les données pour chaque sous-figure de la figure 9 sont présentées dans le fichier supplémentaire 2, le fichier supplémentaire 3 et le fichier supplémentaire 4.
La figure 10 montre deux modes de défaillance possibles qui peuvent se produire lors d’essais à double cisaillement. La première et la plus souhaitable est la défaillance du connecteur, qui implique uniquement une rupture de cisaillement sans éclat de béton. Le deuxième mode de défaillance est une percée de béton combinée à une fracture du connecteur, ce qui pourrait indiquer que le connecteur est trop solide pour l’épaisseur du béton ou que le béton n’est pas assez solide pour que le connecteur atteigne la résistance maximale. Le dernier mode de défaillance est une rupture de traction du béton sur les surfaces extérieures. Ce mode de défaillance se produit généralement lorsque le connecteur est loin de se rompre mais que la contrainte de traction sur la bordure extérieure dépasse celle du béton.
Les données d’essai peuvent être utilisées dans un modèle d’éléments finis qui utilise des ressorts comme connecteur numérique analogique23,24, ou elles peuvent être utilisées avec d’autres méthodes basées sur la mécanique telles que les calculs de cisaillement-débit25,26,27. De tels résultats ont été abondamment démontrés dans d’autres articles cités ci-dessus, mais un exemple est reproduit à la figure 11 pour l’exhaustivité de ce travail. Il est important de mentionner que ces résultats dépendent d’autres propriétés, telles que le type et l’épaisseur de l’isolant, la résistance à la compression du béton et la profondeur d’encastrement des connecteurs9. Par conséquent, l’installation d’essai doit effectuer un test qui correspond étroitement à la situation dans laquelle le connecteur sera utilisé, y compris toutes les variables mentionnées ci-dessus.
Figure 4 : Configuration typique de l’échantillon telle que décrite dans le présent document. L’échantillon se compose de trois couches de béton et de deux couches isolantes. Les connecteurs pénètrent dans les couches isolantes. L’armature nominale est incluse dans les couches de béton pour éviter une rupture fragile en cas de fissuration. Un blocage est prévu en bas pour faciliter la traduction de wythe; toutefois, cette option est facultative. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Étapes de fabrication de l’échantillon dans la position recommandée. Ces étapes imitent intentionnellement le processus d’installation des connecteurs dans un environnement de production. L’échantillon est coulé à plat, chaque couche étant installée de manière successive. Si cela ne peut pas être accompli avant le premier set, il est permis d’attendre au moins 3 h avant de couler la couche suivante. Voir la section 1 du protocole sur la fabrication de l’échantillon d’essai. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Schéma d’essai à double cisaillement. Les instruments sont placés sur la face non visible de la même manière que ceux d’ici. Abréviations : LVDT = transformateur différentiel variable linéaire; PTFE = polytétrafluoroéthylène. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Sangle en nylon placée autour de l’échantillon. Notez que les sangles sont desserrées et uniquement destinées à empêcher l’échantillon de tomber après défaillance. L’action de pincement exagérée est également exposée sur cette photo. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Tracé d’un connecteur de cisaillement en PRF et caractéristiques correspondantes. Le calcul de la rigidité sécante et de la résistance ultime du connecteur est identifié. Abréviation : FRP = polymère renforcé de fibres. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : Charge représentative par connecteur par rapport à la réponse au glissement de trois résultats possibles des essais. (A) comportement fragile, (B) comportement ductile et (C) comportement semi-ductile. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : Documentation de la défaillance du béton ou du connecteur; exemples de photos des résultats possibles lors de l’essai des connecteurs. (A) rupture de cisaillement de défaillance du connecteur, (B) perforation du béton, et (C) défaillance de flexion du béton avec ou sans rupture du connecteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 11 : Modèle par éléments finis utilisant des éléments élastiques à poutre et à ressort, y compris les résultats des essais de double cisaillement. (A) la composition du modèle, et (B) la comparaison des résultats du modèle élastique avec un essai à grande échelle de Naito et al.28. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Fichier supplémentaire 1 : « Données de la figure 8 .xlsx » présente les données présentées à la figure 8 telles qu’elles ont été collectées. La colonne A contient l’horodatage. Les colonnes B, C, D et E sont chacune des quatre lectures LVDT. La colonne F est la lecture du capteur de pesage. Les colonnes G, H, I et J sont les lectures LVDT mises à zéro. La colonne K est la lecture du capteur de pesage à zéro. La colonne L est la lecture moyenne LVDT de chacune des colonnes G, H, I et J. L’intrigue est également reproduite dans ce fichier. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Le fichier supplémentaire 2 : « Données de la figure 9A .xlsx » présente les données de la figure 9A telles qu’elles ont été collectées. La colonne A contient l’horodatage. Les colonnes B, C, D et E sont chacune des quatre lectures LVDT. La colonne F est la lecture du capteur de pesage. Les colonnes G, H, I et J sont les lectures LVDT mises à zéro. La colonne K est la lecture du capteur de pesage à zéro. La colonne L est la lecture moyenne LVDT de chacune des colonnes G, H, I et J. L’intrigue est également reproduite dans ce fichier. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Le fichier supplémentaire 3 : « Données de la figure 9B .xlsx » présente les données de la figure 9B telles qu’elles ont été collectées. La colonne A contient l’horodatage. Les colonnes B, C, D et E sont chacune des quatre lectures LVDT. La colonne F est la lecture du capteur de pesage. Les colonnes G, H, I et J sont les lectures LVDT mises à zéro. La colonne K est la lecture du capteur de pesage à zéro. La colonne L est la lecture moyenne LVDT de chacune des colonnes G, H, I et J. L’intrigue est également reproduite dans ce fichier. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Le fichier supplémentaire 4 : « Données de la figure 9C .xlsx » présente les données de la figure 9C telles qu’elles ont été collectées. La colonne A contient l’horodatage. Les colonnes B, C, D et E sont chacune des quatre lectures LVDT. La colonne F est la lecture du capteur de pesage. Les colonnes G, H, I et J sont les lectures LVDT mises à zéro. La colonne K est la lecture du capteur de pesage à zéro. La colonne L est la lecture moyenne LVDT de chacune des colonnes G, H, I et J. L’intrigue est également reproduite dans ce fichier. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
De nombreux chercheurs ont utilisé une variante de ce type de test pour l’ICSWP, mais c’est la première fois qu’il décrit toutes les étapes individuelles. La documentation ne traite pas des étapes critiques des essais, y compris les types de capteurs et la manipulation des échantillons. Cette méthode décrit une méthode de test qui imite plus étroitement le comportement des connecteurs lorsqu’un panneau est chargé en flexion par opposition au test de cisaillement unique. Il y a plusieurs variables pour ce travail qui n’ont pas encore été étudiées. Plus précisément, l’information relative aux conditions aux limites n’est pas bien connue, mais pourrait avoir une incidence sur l’essai. De même, la tolérance sur le placement de la charge pourrait être importante, tout comme le taux d’application de la charge. D’après la mécanique de l’échantillon à double cisaillement décrit ailleurs10,14, la variable critique est la longueur de l’échantillon.
Bien que des résultats apparemment adéquats aient été obtenus pour des spécimens de 1 200 mm de haut, et bien que plusieurs chercheurs aient essayé de nombreuses longueurs différentes, la longueur optimale n’est pas connue. De manière anecdotique, les auteurs ont trouvé un comportement de pincement à des longueurs inférieures à ce spécimen de 1 200 mm, qui a été démontré précédemment14. On ne sait pas si le choix de plus grandes longueurs fera une différence significative. Les dimensions transversales ne sont pas censées affecter les tests, sauf si des effets de bord ou une interaction entre les connecteurs sont notés. Les recommandations présentées ici ne doivent pas créer d’effets de bord ou d’interaction entre les connecteurs en fonction des dimensions d’incorporation des connecteurs commerciaux. Il faut veiller à éliminer cet effet si le comportement individuel des connecteurs est l’objectif ou si l’objectif est de comprendre ces effets grâce à un espacement plus étroit des connecteurs.
De plus, l’effet de fissuration de l’échantillon (près des connecteurs ou autre) n’est pas connu. Les auteurs ont testé plusieurs spécimens qui sont arrivés fissurés. Dans certains cas, les fissures semblaient affecter le test, alors que dans d’autres, elles ne l’ont pas fait. Les travaux futurs devraient s’efforcer de mieux comprendre cela. Les protocoles d’essai du Conseil international du code (ICC) stipulent des échantillons non fissurés5. De toute évidence, les ICSWP en service se fissurent pour diverses raisons. Il est important de comprendre si cela affecte le comportement du connecteur au niveau du double cisaillement et au niveau du service. Les futurs programmes de test pourraient effectuer de tels tests.
Différents modes de défaillance ont été observés dans la littérature, mais le béton ou le connecteur échouera. Certains connecteurs reposent sur l’adhérence du béton à l’isolant. Dans ces cas, il est impératif qu’un bon lien avec du béton frais soit atteint, bien qu’il y ait généralement peu de conseils pour cela. Les défaillances du béton observées dans la littérature comprennent l’éclatement du béton29, où les connecteurs sortent du béton, et le bétonperforé 19, où le connecteur pousse à travers la face du béton. Les défaillances de connecteur peuvent être très variables et consistent généralement en une rupture de cisaillement fragile, une rupture de traction, une déchirure laminaire en traction et une charnière en flexion plastique10,29. La défaillance du connecteur doit être documentée, en particulier si les défaillances ne sont pas uniformes entre des échantillons du même type. L’état de la liaison isolante doit être noté avec des photographies et des descriptions écrites dans les cas où l’isolant est intentionnellement collé au béton.
Bien qu’il ait été mentionné ci-dessus, il mérite une discussion supplémentaire sur le fait que l’épaisseur du béton, la résistance du béton, le type d’isolation et la géométrie du connecteur testés dans un essai donné ne s’appliquent qu’à cette combinaison spécifique. Si des wythes en béton plus minces sont utilisées, il pourrait y avoir une défaillance de perforation19 des wythes qui pourrait ne pas être représentée dans l’essai de double cisaillement. Si une densité ou un type d’isolation différent est utilisé pour les systèmes de connecteurs qui dépendent de l’isolant pour un certain transfert de charge, le comportement mécanique apparent de l’échantillon à double cisaillement serait différent. L’épaisseur de la couche d’isolation et la géométrie du connecteur jouent probablement les rôles les plus importants, mais l’intention de ce test est d’identifier le comportement du système (béton, isolation et connecteur agissant ensemble) et, en fin de compte, l’étendre au comportement, à la conception ou à l’analyse à grande échelle.
La précision et le biais de ce test ne sont pas connus, et il n’y a pas eu d’étude interlaboratoires interlaboratoires pour résoudre ce problème. Les auteurs croient que cela devrait être fait car ce test est fortement nécessaire dans l’industrie à des fins de contrôle de la qualité et d’élaboration d’une norme d’essai ICSWP. Une étude rigoureuse de robustesse30 tenant compte des facteurs mentionnés ci-dessus ou d’autres facteurs devrait également être entreprise.
Les auteurs font plusieurs recommandations pour un test réussi. Une fois qu’un test a commencé, le test ne doit pas être arrêté, car cela pourrait entraîner une quantité inconnue de dommages permanents au connecteur, entraînant un redémarrage fournissant des données incorrectes. Tous les défauts de l’échantillon doivent être correctement notés avant et après l’essai. Une vérification approfondie du capteur doit être effectuée avant le test. Un capteur de déplacement défectueux (c’est-à-dire qui ne lit pas) peut créer des artefacts dans la lecture moyenne du capteur utilisée pour la courbe de base.
Un équipement de protection individuelle approprié est primordial, car ce test peut impliquer une charge importante et une défaillance fragile. L’équipement de sécurité recommandé comprend des bottes à embout d’acier et, éventuellement, des protecteurs métatarsiens, un casque de sécurité, une protection oculaire, des gants, un pantalon long et durable et une protection auditive. Il faut veiller à ne pas se tenir trop près de l’échantillon, car une rupture fragile peut faire tomber le capteur de pesage et la plaque à un angle de l’échantillon. Une défaillance inattendue peut se produire pour plusieurs raisons, notamment des connecteurs fragiles, des connecteurs mal installés ou un mauvais placement de la charge, entraînant une défaillance du roulement.
Il n’y a pas de limites connues à la technique, mais des échantillons plus courts sont susceptibles de produire des estimations prudentes de la résistance et de la rigidité pour les raisons décrites dans l’introduction. Cependant, avec une utilisation plus répandue, les limites peuvent devenir apparentes. Les applications futures de cette méthode comprennent l’étude de paramètres supplémentaires tels que la dépendance au taux de charge, le comportement cyclique et le comportement de fluage des connecteurs wythe flexibles.
DISPONIBILITÉ DES DONNÉES :
Toutes les données sous-jacentes aux résultats de cette étude sont disponibles dans leur format de fichier original dans le cadre de ce manuscrit. Des fichiers supplémentaires sont téléchargés pour les données contenues dans la figure 8 et la figure 9A-C. Ces fichiers sont étiquetés avec le numéro de chiffre correspondant dans .xlsx format.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Les travaux décrits ci-dessus n’ont pas été financés directement par un seul organisme ou au cours d’une seule subvention, mais l’information a été recueillie au cours d’années de recherche parrainée par l’industrie. À cette fin, les auteurs remercient leurs commanditaires de la dernière décennie et sont reconnaissants de travailler dans une industrie en évolution rapide.
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
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