Summary
Proponiamo un protocollo di test che può essere combinato con metodi analitici ampiamente disponibili per valutare le proprietà meccaniche dei connettori a taglio da utilizzare nella progettazione di pannelli murali in calcestruzzo isolato per prevedere il comportamento del pannello isolante su vasta scala.
Abstract
Questo documento contiene raccomandazioni per l'esecuzione di una prova a doppio taglio non standard, adatta a pannelli sandwich in calcestruzzo isolato continuo e discreto (ICSWP). Tale test standardizzato non esiste, ma diverse iterazioni di questo e test simili sono state eseguite in letteratura con vari gradi di successo. Inoltre, i test in letteratura sono raramente, se non mai, descritti in dettaglio o discussi a lungo per quanto riguarda i test, l'analisi dei dati o le procedure di sicurezza. Si raccomanda una configurazione del campione di prova e vengono discusse le varianti. Importanti proprietà meccaniche sono identificate dai dati di carico rispetto allo spostamento e la loro estrazione è dettagliata. L'uso dei dati di prova per la progettazione, ad esempio per determinare la rigidità dei connettori, è brevemente dimostrato per mostrare come possono essere calcolati la deflessione ICSWP e il comportamento di fessurazione. Il comportamento di resistenza dei pannelli può essere determinato utilizzando la curva a pieno carico rispetto allo spostamento o solo la forza massima del connettore. Vengono riconosciute carenze e incognite e viene delineato un significativo lavoro futuro.
Introduction
I pannelli sandwich in calcestruzzo isolato (ICSWP) comprendono uno strato di isolamento posto tra due strati di calcestruzzo, spesso chiamati wythes, che forniscono sinergicamente un componente termicamente e strutturalmente efficiente per involucri edilizi o pannelli portanti 1 (Figura 1). Per adattarsi al settore delle costruzioni in rapida evoluzione e alle nuove normative edilizie sull'efficienza termica, i prefabbricanti stanno fabbricando ICSWP con strati di calcestruzzo più sottili e strati isolanti più spessi con maggiore resistenza termica; Inoltre, i progettisti stanno utilizzando metodi più raffinati per tenere conto dell'interazione parzialmente composita dei wythes in calcestruzzo per ridurre i costi complessivi di costruzione aumentando al contempo le prestazioni termiche e strutturali2. Mentre è noto che l'efficienza strutturale dipende in gran parte dalla connessione strutturale tra gli strati di calcestruzzo e che sul mercato sono disponibili più connettori di taglio proprietari, non esiste un protocollo di prova standardizzato in letteratura per esaminare le proprietà meccaniche di tali connettori. I connettori disponibili variano ampiamente nella loro geometria, materiali e produzione, quindi è difficile ottenere un approccio analitico unificato per determinare le loro proprietà meccaniche. Per questo motivo, molti ricercatori hanno utilizzato le proprie configurazioni personalizzate in laboratorio che cercano di imitare il comportamento fondamentale dei connettori agli stati limite di servizio e forza 3,4,5,6,7,8,9,10. Tuttavia, solo due di essi fanno parte di uno schema di valutazione dei test5,8, nonostante non siano utili per tutte le gamme di connettori a causa della loro ampia variazione di forma, rigidità e composizione del materiale.
Figura 1: Composizione tipica di un campione di pannello murale sandwich. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Un metodo comune per testare questi connettori è quello che viene spesso definito taglio singolo con una o due file di connettori, come descritto in precedenza 3,11,12, che è spesso basato su ASTM E488, uno standard di prova di ancoraggio del calcestruzzo13. L'ASTM E488 non richiede, ma implica fortemente attraverso i disegni delle configurazioni di prova suggerite, che verrà testato un singolo ancoraggio che sporge da una base fissa di calcestruzzo. Una volta testati i provini, viene tracciata una serie di curve di carico rispetto allo spostamento e da tali curve si ottengono i valori medi del carico elastico finale (Fu) e della rigidità elastica (K0,5Fu). Uno dei principali vantaggi dell'utilizzo di questo approccio è che produce risultati a bassa variabilità e non richiede grandi spazi di laboratorio o molti sensori14. Un approccio diverso consiste nel caricare un connettore wythe in doppio taglio per determinare le proprietà meccaniche da utilizzare nella progettazione di tali pannelli 6,7,14,15,16. I dati risultanti vengono elaborati nello stesso modo e i valori medi del carico elastico finale (Fu) e della rigidità elastica (K0,5Fu) vengono ottenuti dai test. Sebbene questo approccio di test implichi l'utilizzo di più materiale e richieda più sensori, è aneddotica più facile applicare le condizioni di carico e al contorno in un laboratorio.
I due stili di test non sembrano drammaticamente diversi, ma producono risultati diversi in gran parte basati sulla loro capacità di imitare il comportamento del connettore in un pannello a grandezza naturale. La configurazione di prova a taglio singolo e a fila singola produce un'azione di pizzicamento, come mostrato nella Figura 2B,C, e un ulteriore momento di ribaltamento, come descritto in precedenza14,17, che non sarebbe presente in un pannello a grandezza naturale. Il doppio taglio fa un lavoro migliore nell'imitare questo comportamento su larga scala: modella la traslazione di taglio puro dei wythes esterni rispetto al wythes centrale. Di conseguenza, i valori di doppio taglio impiegati nei metodi analitici hanno dimostrato di produrre risultati più vicini a quelli ottenuti nelle prove su larga scala di pannelli murali isolanti rappresentativi14. Nella Figura 3 viene illustrata la configurazione del test schematico per il test a taglio singolo e doppio di un connettore.
Figura 2: Esempi di diverse configurazioni di test dei connettori impiegate in letteratura. È stato dimostrato che i campioni di connettori singoli causano carichi che non rappresentano la traslazione parallela dei wythes osservati nei pannelli in scala reale. (A) Doppio taglio con due connettori; (B) Doppio taglio con un connettore; (C) Cesoia singola con un connettore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Un denominatore comune delle conclusioni di tutti questi studi è che entrambe le metodologie di prova sono appropriate per determinare le proprietà meccaniche dei connettori flessibili, ma i risultati dello schema di prova a doppio taglio assomigliano più da vicino al comportamento del connettore in un pannello reale sotto flessione. In altre parole, quando l'utente utilizza tali risultati di test in un modello analitico, corrispondono strettamente ai risultati dei test su larga scala in cui vengono utilizzati i connettori. È importante ricordare che i risultati di tali test sono appropriati per i modelli che si basano direttamente sulle proprietà meccaniche come parametri di progettazione di input, come metodi empiricamente derivati, soluzioni in forma chiusa della teoria del fascio sandwich e modelli agli elementi finiti con molle 2-D e 3-D 7,18,19,20.
Figura 3: Vista schematica dei protocolli di test in letteratura. Un ariete viene utilizzato per traslare i wythes degli esemplari l'uno rispetto all'altro. (A) Protocolli di prova a taglio singolo e (B) a doppio taglio. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
In questo lavoro viene presentato un protocollo sperimentale per ottenere i valori della curva dorsale e le proprietà meccaniche dei connettori a parete isolati, vale a dire Fu e K0,5Fu. Il metodo si basa sul test dei connettori utilizzando un approccio di test a doppio taglio con alcune modifiche per eliminare le fonti di variabilità e produrre risultati più affidabili. Tutti i campioni sono costruiti in un ambiente a temperatura controllata, dove vengono testati quando il calcestruzzo raggiunge la resistenza alla compressione target. Il vantaggio principale di questo protocollo di prova è che può essere facilmente seguito, può essere replicato da diversi tecnici e descrive da vicino il comportamento reale del connettore wythe in un pannello di parete in calcestruzzo coibentato reale sotto flessione o flessione e forza assiale combinati, come è stato dimostrato in letteratura.
L'applicazione del protocollo di test dei connettori wythe suggerito per determinare le proprietà meccaniche e il comportamento del materiale migliorerà l'accuratezza dei risultati dei test per l'industria dei pannelli murali in calcestruzzo isolato e ridurrà le barriere per gli imprenditori interessati a creare nuovi connettori innovativi. Il futuro grande aumento della costruzione di pannelli isolanti sia nell'industria del calcestruzzo inclinabile che in quella del calcestruzzo prefabbricato richiederà un migliore uso dei materiali e metodi più unificati per ottenere proprietà ingegneristiche dei pannelli.
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Protocol
1. Fabbricazione del campione di prova
- Selezionare il connettore a taglio discreto o continuo per testare e rispettare le dimensioni del provino indicate nella Figura 4. Se necessario, modificate le quote in base alle distanze dei bordi di prova modificando la distanza del connettore.
NOTA: In generale, è importante rispettare le linee guida del produttore, sebbene questo test possa essere utilizzato per sviluppare queste linee guida. Le dimensioni del calcestruzzo e dell'isolamento saranno dettate dal connettore di interesse. Le proprietà meccaniche del test sono valide solo per questa specifica combinazione di dimensioni, resistenza del calcestruzzo, densità e tipo di isolamento e connettore. - Indicare la resistenza alla compressione target del rappresentante concreto della situazione progettuale di interesse. Se si tenta di modellare i risultati delle prove in scala reale, assicurarsi che la resistenza del calcestruzzo sia la stessa di quella del campione in scala reale o del progetto previsto al momento della prova. Se si sceglie come target un determinato scenario, ad esempio la resistenza minima per il sollevamento del pannello, eseguire il test a tale forza.
- Fabbricare la cassaforma in calcestruzzo utilizzando un layout verticale o orizzontale degli strati di calcestruzzo. Assicurarsi che il test corrisponda allo stile di costruzione in modo che l'installazione dei connettori corrisponda alla situazione sul campo.
NOTA: La maggior parte degli ICSWP in servizio sono fabbricati con un layout orizzontale di ogni livello. - Perforare l'isolamento in schiuma (per le fascette a perno) o orientare i pezzi isolanti (per i legami installati con cuciture) e posizionare i connettori nelle posizioni indicate nei disegni standard forniti dal produttore. Posizionare i connettori utilizzando l'orientamento desiderato dall'impianto di prova per raccogliere le proprietà (ad esempio, un angolo di 0° o 90° o altro rispetto all'asse forte e al carico applicato).
NOTA: l'installazione dei connettori deve essere quella indicata dal produttore/fornitore a meno che l'installazione non sia una variabile di prova di interesse. - Posizionare il primo strato di rinforzo in acciaio nelle forme per evitare che il provino si rompa se i pezzi di calcestruzzo si rompono durante la manipolazione o il test.
NOTA: Poiché i provini raramente si rompono a causa dei carichi applicati, non si ritiene necessario un rinforzo delicato a meno che non si preveda che partecipi al legame del connettore al calcestruzzo. Nella Figura 5 viene illustrata l'organizzazione dei passaggi 1.5-1.14 attraverso il processo. - Se tutti gli strati di calcestruzzo non possono essere posizionati in modo tempestivo prima del set iniziale del calcestruzzo, gettare gli strati a almeno 3 ore di distanza o secondo le raccomandazioni del produttore del connettore.
NOTA: i passaggi 1.7-1.14 indicano il posizionamento consecutivo del calcestruzzo. - Versare il calcestruzzo fresco nelle forme e vibrare adeguatamente per evitare la formazione di grandi vuoti d'aria nel calcestruzzo o la scarsa compattazione delle particelle.
- Posizionare il primo strato isolante contenente i connettori o spingerli nella schiuma, a seconda dei casi. Posizionare lo strato isolante in modo che entri in contatto con il calcestruzzo fresco. Per garantire che il calcestruzzo sia consolidato attorno ai connettori, far vibrare il connettore con un vibratore interno per calcestruzzo a 12.000 alternanze/min, salvo diversa indicazione del produttore del connettore.
NOTA: la vibrazione per 2-5 s è sufficiente per garantire il consolidamento attorno ai connettori. - Posizionare un'ancora di sollevamento della capacità di 1 tonnellata (o più forte a seconda del peso finale del campione) nello strato intermedio del calcestruzzo per facilitare la movimentazione.
- Posizionare il secondo strato di rinforzo in acciaio nelle forme al centro del centro della posizione.
- Versare il secondo strato di calcestruzzo fresco nelle forme e consolidare adeguatamente il calcestruzzo come descritto sopra.
- Posizionare il secondo strato isolante contenente i connettori o installarli nella schiuma, come descritto al punto 1.4. Assicurarsi attentamente che il calcestruzzo sia consolidato attorno ai connettori.
- Posizionare il terzo strato di rinforzo in acciaio nelle forme al centro del terzo strato di calcestruzzo.
- Versare il terzo e ultimo strato di calcestruzzo fresco nelle forme e vibrare adeguatamente.
- Realizzare cilindri di calcestruzzo per ogni calcestruzzo utilizzato nella costruzione dei provini ai fini della documentazione della resistenza alla compressione.
NOTA: Questa fase può essere completata in qualsiasi momento durante la costruzione dei campioni, ma è consigliata a metà del posizionamento di un determinato lotto. La preparazione del cilindro e la polimerizzazione sul campo devono seguire la norma ASTM C3121. - Polimerizzare i campioni in un ambiente a temperatura controllata fino a quando il calcestruzzo ha raggiunto la resistenza desiderata. Estrarre i campioni dalle forme una volta che il calcestruzzo si è indurito adeguatamente per l'hardware di sollevamento.
2. Prova del campione a doppio taglio
NOTA: La figura 6 mostra una disposizione rappresentativa della provetta pronta per essere sottoposta a prova (cinghia a cricchetto non illustrata).
- Portare il campione in laboratorio per il campionamento quando il calcestruzzo utilizzato per fabbricare i campioni ha raggiunto la resistenza desiderata.
NOTA: le prove di resistenza alla compressione devono seguire la norma ASTM C3922. La temperatura ambiente deve rimanere relativamente costante durante l'atto fisico della prova, con la temperatura suggerita per essere 25 °C ± 5 °C, e durante la prova e la conservazione dei campioni. L'intervallo di temperatura di prova non deve essere rigorosamente controllato in quanto le proprietà dei materiali coinvolti non dovrebbero variare in modo significativo con le temperature ambiente tipiche. - Posizionare due strisce di cuscinetto in politetrafluoroetilene (PTFE) da 3 mm x 100 mm x 600 mm nella parte inferiore delle strisce esterne in calcestruzzo per ridurre al minimo l'attrito durante il test.
- Impostare il campione sotto il telaio di carico con lo strato di cemento centrale centrato sotto l'apparato di carico. Utilizzare un pistone idraulico o una grande macchina di prova universale per applicare il carico nella parte superiore del centro strada, avendo cura di distribuire il carico con una piastra portante sufficientemente grande da evitare un cedimento del cuscinetto per i carichi previsti.
- Fissare l'angolo in acciaio al centro con una vite in calcestruzzo o muratura. Creare una separazione di almeno 5 mm tra l'angolo di acciaio e la superficie del calcestruzzo utilizzando rondelle in acciaio o plastica per evitare che l'angolo interagisca altrimenti con il campione (Figura 6).
- Collegare i sensori di spostamento ai due wythes esterni, sui lati opposti del provino (quattro in totale), per misurare il movimento dell'angolo di acciaio rispetto alla loro posizione fissa sul wythes esterno.
NOTA: I sensori di spostamento consigliati sono trasduttori differenziali variabili lineari o potenziometri. I sensori devono essere sempre conservati in una custodia asciutta priva di polvere, umidità ed effetti magnetici per evitare la perdita di calibrazione. Gli indicatori analogici non sono consigliati. - Posizionare una cinghia di nylon larga 50 mm intorno alla parte superiore del campione per garantire che una rottura inaspettata del connettore fragile non causi danni all'ambiente circostante, incluso danneggiare il tecnico e i sensori. Assicurarsi che la cinghia sia sufficientemente allentata da non interferire con lo spostamento del campione, come mostrato nella Figura 7.
NOTA: La cinghia impedirà la completa separazione dei wythes e faciliterà la rimozione del campione dopo il cedimento, anche se i wythes non sono più separati. Tuttavia, questo passaggio (passaggio 2.6) è facoltativo. - Posizionare la cella di carico centrata sulla parte superiore della parte centrale, inserita tra due piastre di acciaio da 20 mm x 150 mm x 150 mm. Assicurarsi che le piastre di acciaio non sporgano dal centro in modo da non interferire con l'isolamento durante la deformazione del campione.
- Collegare i sensori di carico e spostamento al sistema di acquisizione dati (DAQ).
- Avviare la raccolta dei dati utilizzando una frequenza di campionamento di almeno 10 Hz per garantire che il carico e lo spostamento siano registrati correttamente.
- Caricare il provino al centro fino a raggiungere lo spostamento massimo realistico e la forza è diminuita notevolmente; Dopo aver perso il 50% del carico, si consiglia di interrompere il test, sebbene ciò sia arbitrario. Se si desiderano ulteriori informazioni lungo il ramo discendente, utilizzare qualsiasi deformazione desiderata. Applicare il carico in modo monotono, quasi statico, abbastanza veloce da non interferire con i risultati del test ma non così veloce da non poter più essere considerato statico, a meno che una velocità di carico elevata non sia la variabile di prova di interesse.
NOTA: Ciò indicherebbe che il test dovrebbe durare nell'ordine di 5 minuti a forse diverse ore. Risultati adeguati sono stati trovati utilizzando una pompa manuale idraulica con una durata del test nell'ordine di 5-10 min. - Arrestare l'acquisizione dei dati e ritrarre l'apparato di applicazione del carico nella posizione originale.
- Rimuovere tutti i sensori e conservarli in un luogo sicuro, come indicato sopra.
- Spostare il campione testato in un'area pulita e separare i tre strati di calcestruzzo per identificare il tipo di cedimento: rottura del calcestruzzo, rottura del taglio del connettore o altro. Registrare la modalità di guasto, la qualità del legame isolante e qualsiasi altra informazione visiva pertinente. Ricordati di scattare fotografie.
3. Analisi dei dati e rendicontazione dei risultati
NOTA: in questa sezione viene descritta l'analisi dei dati per valutare diverse proprietà ingegneristiche utilizzate in letteratura. Altre proprietà ingegneristiche possono essere di interesse e l'utilità dei dati non è limitata alle proprietà seguenti.
- Trasferire i file di dati risultanti dal test dal DAQ al computer/cartella in cui viene eseguita l'analisi dei dati.
- Tracciare la media dei quattro sensori di spostamento sulle ascisse con il carico del connettore sull'ordinata (definito come il carico misurato diviso per il numero di connettori).
NOTA: L'utente del metodo sperimentale deve esaminare i dati per eventuali sensori difettosi o misurazioni inaffidabili prima di calcolarne la media e segnalarli. - Trova il carico massimo e il suo spostamento corrispondente utilizzando la funzione appropriata del software di analisi dei dati e memorizza questi valori come F u e δ u, rispettivamente.
- Dividere il carico massimo per 2 per ottenere la forza semimassima, F0,5Fu, e trovare lo spostamento corrispondente δ0,5.
- Trova la rigidità elastica (K 0,5Fu) del connettore dividendo la forza semimassima, F 0,5Fu, per lo spostamento alla forza semimassima δ 0,5. Se l'F0.5Fu non è nella parte generalmente elastica del test, selezionare un carico inferiore che si trova ovviamente nella regione e riportare il numero. Se viene utilizzato un valore inferiore, assicurarsi di documentare la frazione di Fu e la corrispondente grandezza di forza.
NOTA: Attualmente, la fine della linea K0.5Fu viene utilizzata da alcuni progettisti come limite superiore per le forze di servizio nel connettore. - Riportare i risultati medi di cinque campioni per ogni marca, tipo o resistenza del calcestruzzo campionato.
NOTA: i risultati riportati sono validi solo per la combinazione specifica di calcestruzzo, isolamento, resistenza del calcestruzzo e connettore selezionato.
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Representative Results
La Figura 8 e la Figura 9A mostrano un carico tipico per connettore rispetto alla curva di spostamento media risultante da un test a doppio taglio di un connettore in polimero rinforzato con fibre (FRP) in laboratorio. Come mostrano le figure, il carico aumenta costantemente fino al punto massimo e poi diminuisce drasticamente, che è tipicamente osservato nella maggior parte dei test che coinvolgono i polimeri. Tuttavia, come suggerisce la figura 9B, la curva si appiattisce dopo il raggiungimento del carico massimo se viene campionato un connettore metallico duttile, fornendo così due possibili risultati per il diagramma carico rispetto a spostamento: un guasto duttile o fragile (Figura 9A,B). Sebbene alcuni connettori FRP in letteratura abbiano mostrato una certa duttilità (Figura 9C), questo è molto piccolo rispetto ai connettori fatti di metalli duttili. I dati per la Figura 8 sono presentati nel file supplementare 1. I dati per ciascuna sottofigura nella Figura 9 sono presentati nel file supplementare 2, nel file supplementare 3 e nel file supplementare 4.
Nella Figura 10 vengono illustrate due possibili modalità di guasto che possono verificarsi nei test a doppio taglio. Il primo e il più desiderabile è il guasto del connettore, che comporta esclusivamente una frattura di taglio senza scheggia di cemento. La seconda modalità di guasto è un breakout del calcestruzzo combinato con una frattura del connettore, che potrebbe essere indicativo che il connettore è troppo forte per lo spessore del calcestruzzo o che il calcestruzzo non è abbastanza forte per il connettore per raggiungere la massima resistenza. La modalità di guasto finale è una rottura di trazione concreta sulle superfici esterne. Questa modalità di guasto si verifica di solito quando il connettore è lontano dalla rottura ma la tensione di trazione sul wythe esterno supera quella del calcestruzzo.
I dati di prova possono essere utilizzati in un modello ad elementi finiti che utilizza molle come connettore numerico analogico23,24, oppure possono essere utilizzati con altri metodi basati sulla meccanica come i calcoli del flusso di taglio25,26,27. Tali risultati sono stati abbondantemente dimostrati in altri articoli sopra citati, ma un esempio è riprodotto nella Figura 11 per la completezza di questo lavoro. È importante ricordare che questi risultati dipendono da altre proprietà, come il tipo e lo spessore dell'isolamento, la resistenza alla compressione del calcestruzzo e la profondità di incorporamento dei connettori9. Pertanto, l'impianto di prova deve condurre un test che corrisponda strettamente alla situazione in cui verrà impiegato il connettore, comprese tutte le variabili sopra menzionate.
Figura 4: Una tipica configurazione del campione come descritto nel presente documento. Il campione è costituito da tre strati di calcestruzzo e due strati isolanti. I connettori penetrano negli strati isolanti. Il rinforzo nominale è incluso negli strati di calcestruzzo per prevenire guasti fragili in caso di fessurazioni. Un blocco è previsto in basso per facilitare la traduzione di wythe; tuttavia, questo è facoltativo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Fasi di fabbricazione del campione nella posizione consigliata. Questi passaggi imitano intenzionalmente il processo di installazione dei connettori in un ambiente di produzione. Il campione viene colato piatto, con ogni strato installato in modo successivo. Se ciò non può essere eseguito prima della prima serie, è consentito attendere almeno 3 ore prima di lanciare lo strato successivo. Vedere la sezione 1 del protocollo sulla fabbricazione del campione di prova. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Schema di prova a doppio taglio. Gli strumenti sono posizionati sulla faccia non visibile in modo identico a quelli qui. Abbreviazioni: LVDT = trasformatore differenziale variabile lineare; PTFE = politetrafluoroetilene. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Cinghia di nylon posizionata attorno al campione. Si noti che le cinghie sono allentate e hanno solo lo scopo di evitare che il campione cada dopo il cedimento. L'azione di pizzicamento esagerata è mostrata anche in questa foto. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 8: Grafico di un connettore di taglio FRP e delle caratteristiche corrispondenti. Vengono identificati il calcolo della rigidità secante e la resistenza finale del connettore. Abbreviazione: FRP = polimero rinforzato con fibre. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 9: Carico rappresentativo per connettore rispetto alla risposta allo slittamento di tre possibili risultati del test . (A) comportamento fragile, (B) comportamento duttile e (C) comportamento semiduttile. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 10: Documentazione del cedimento del calcestruzzo o del connettore; foto di esempio dei possibili risultati durante il test dei connettori. (A) rottura del taglio del connettore, (B) perforazione del calcestruzzo e (C) rottura della flessione del calcestruzzo con o senza rottura del connettore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 11: Un modello agli elementi finiti che utilizza elementi elastici a trave e molla, compresi i risultati delle prove di doppio taglio . (A) Composizione del modello, e (B) confronto dei risultati del modello elastico con un test su larga scala di Naito et al.28. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
File supplementare 1: "Fig. 8 Data.xlsx" presenta i dati mostrati nella Figura 8 così come raccolti. La colonna A contiene il timestamp. Le colonne B, C, D ed E sono ciascuna delle quattro letture LVDT. La colonna F è la lettura della cella di carico. Le colonne G, H, I e J sono le letture LVDT azzerate. La colonna K è la lettura della cella di carico azzerata. La colonna L è la lettura LVDT media di ciascuna delle colonne G, H, I e J. La trama è riprodotta anche in questo file. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 2: "Fig. 9A Data.xlsx" presenta i dati mostrati nella Figura 9A come raccolti. La colonna A contiene il timestamp. Le colonne B, C, D ed E sono ciascuna delle quattro letture LVDT. La colonna F è la lettura della cella di carico. Le colonne G, H, I e J sono le letture LVDT azzerate. La colonna K è la lettura della cella di carico azzerata. La colonna L è la lettura LVDT media di ciascuna delle colonne G, H, I e J. La trama è riprodotta anche in questo file. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 3: "Fig. 9B Data.xlsx" presenta i dati mostrati nella Figura 9B così come raccolti. La colonna A contiene il timestamp. Le colonne B, C, D ed E sono ciascuna delle quattro letture LVDT. La colonna F è la lettura della cella di carico. Le colonne G, H, I e J sono le letture LVDT azzerate. La colonna K è la lettura della cella di carico azzerata. La colonna L è la lettura LVDT media di ciascuna delle colonne G, H, I e J. La trama è riprodotta anche in questo file. Clicca qui per scaricare questo file.
File supplementare 4: "Fig. 9C Data.xlsx" presenta i dati mostrati nella Figura 9C così come raccolti. La colonna A contiene il timestamp. Le colonne B, C, D ed E sono ciascuna delle quattro letture LVDT. La colonna F è la lettura della cella di carico. Le colonne G, H, I e J sono le letture LVDT azzerate. La colonna K è la lettura della cella di carico azzerata. La colonna L è la lettura LVDT media di ciascuna delle colonne G, H, I e J. La trama è riprodotta anche in questo file. Clicca qui per scaricare questo file.
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Discussion
Molti ricercatori hanno utilizzato alcune varianti di questo tipo di test per ICSWP, ma questo è il primo caso di delineare tutti i singoli passaggi. La letteratura non affronta le fasi critiche dei test, compresi i tipi di sensori e la gestione dei campioni. Questo metodo descrive un modo di test che imita più da vicino il comportamento dei connettori quando un pannello viene caricato in flessione rispetto al test a taglio singolo. Ci sono diverse variabili per questo lavoro che devono ancora essere studiate. In particolare, le informazioni relative alle condizioni al contorno non sono ben note ma potrebbero influenzare il test. Allo stesso modo, la tolleranza sul posizionamento del carico potrebbe essere importante, così come la velocità di applicazione del carico. Sulla base della meccanica per il provino a doppio taglio delineata altrove10,14, la variabile critica è la lunghezza del campione.
Mentre risultati apparentemente adeguati sono stati mostrati per esemplari alti 1.200 mm, e sebbene diversi ricercatori abbiano provato molte lunghezze diverse, la lunghezza ottimale non è nota. Aneddoticamente, gli autori hanno trovato un comportamento di pizzicamento a lunghezze inferiori a questo campione di 1.200 mm, che è stato dimostrato in precedenza14. Non è noto se la scelta di lunghezze maggiori farà una differenza significativa. Le quote trasversali non influiscono sul test, a meno che non si notino effetti sui bordi o interazioni tra i connettori. Le raccomandazioni presentate qui non devono creare effetti di bordo o interazione tra i connettori in base alle dimensioni di incorporamento per i connettori commerciali. È necessario prestare attenzione per eliminare questo effetto se l'obiettivo è il comportamento dei singoli connettori o se l'obiettivo è comprendere questi effetti attraverso una spaziatura più ravvicinata dei connettori.
Inoltre, l'effetto della fessurazione del campione (vicino ai connettori o in altro modo) non è noto. Gli autori hanno testato diversi esemplari che sono arrivati screpolati. In alcuni casi, le crepe sembravano influenzare il test, mentre in altri no. Il lavoro futuro dovrebbe sforzarsi di capire meglio questo. I protocolli di test dell'International Code Council (ICC) stabiliscono campioni non incrinati5. Chiaramente, gli ICSWP in servizio si rompono per vari motivi. È importante capire se ciò influisce sul comportamento del connettore a livello di doppia cesoia e a livello di servizio. I futuri programmi di test potrebbero eseguire tali test.
In letteratura sono state osservate diverse modalità di guasto, ma il calcestruzzo o il connettore falliranno. Alcuni connettori si basano sul legame del calcestruzzo all'isolamento. In questi casi, è imperativo che venga raggiunto un buon legame con calcestruzzo fresco, anche se di solito ci sono poche indicazioni per questo. I cedimenti del calcestruzzo osservati in letteratura includono il breakout del calcestruzzo29, dove i connettori estraggono dal calcestruzzo, e il punch-through del calcestruzzo19, dove il connettore spinge attraverso la faccia del calcestruzzo. I guasti dei connettori possono essere molto variabili e generalmente consistono in rottura di taglio fragile, rottura a trazione, strappo laminare a trazione e cerniera a flessione plastica10,29. Il guasto del connettore deve essere documentato, in particolare se gli errori sono incoerenti tra campioni dello stesso tipo. La condizione di legame isolante deve essere annotata con fotografie e descrizioni scritte nei casi in cui l'isolamento è intenzionalmente legato al calcestruzzo.
Sebbene sia stato menzionato sopra, merita un'ulteriore discussione il fatto che lo spessore del calcestruzzo, la resistenza del calcestruzzo, il tipo di isolamento e la geometria del connettore testati in un dato test sono applicabili solo a quella specifica combinazione. Se vengono utilizzati wythes di calcestruzzo più sottili, potrebbe esserci un guasto perforante19 dei wythes che potrebbero non essere rappresentati nella prova di doppio taglio. Se viene utilizzata una densità o un tipo di isolamento diverso per i sistemi di connettori che si basano sull'isolamento per un certo trasferimento di carico, il comportamento meccanico apparente del provino a doppio taglio sarebbe diverso. Lo spessore dello strato isolante e la geometria del connettore probabilmente svolgono i ruoli più importanti, ma l'intenzione di questo test è identificare il comportamento del sistema (calcestruzzo, isolamento e connettore wythe che agiscono insieme) e, in definitiva, estenderlo al comportamento, alla progettazione o all'analisi su vasta scala.
La precisione e la parzialità di questo test non sono note, né c'è stato alcuno studio round-robin interlaboratorio per affrontare questo. Gli autori ritengono che questo dovrebbe essere fatto in quanto questo test è fortemente necessario all'interno del settore per scopi di controllo della qualità e lo sviluppo di uno standard di test ICSWP. Dovrebbe essere intrapreso anche uno studio rigoroso sulla robustezza30 considerando i fattori sopra menzionati o altri fattori.
Gli autori fanno diverse raccomandazioni per un test di successo. Una volta iniziato un test, il test non deve essere interrotto, poiché ciò potrebbe causare una quantità sconosciuta di danni permanenti al connettore, con conseguente riavvio che fornisce dati errati. Tutti i difetti del campione devono essere adeguatamente annotati prima e dopo la prova. Prima del test deve essere eseguito un controllo approfondito del sensore. Un sensore di spostamento malfunzionante (cioè non di lettura) può creare artefatti nella lettura media del sensore utilizzata per la curva della dorsale.
Un adeguato equipaggiamento di protezione individuale è fondamentale perché questo test può comportare un carico significativo e un guasto fragile. L'equipaggiamento di sicurezza consigliato include stivali con punta in acciaio e, possibilmente, protezioni per metatarsi, un elmetto, protezione per gli occhi, guanti, pantaloni lunghi e resistenti e protezione per le orecchie. Prestare attenzione a non stare troppo vicino al provino poiché un guasto fragile può causare la caduta della cella di carico e del gruppo piastra ad angolo rispetto al campione. Un guasto imprevisto può verificarsi per diversi motivi, tra cui connettori fragili, connettori installati in modo errato o posizionamento errato del carico, con conseguente guasto del cuscinetto.
Non ci sono limitazioni note alla tecnica, ma è probabile che campioni più corti producano stime prudenti di resistenza e rigidità per le ragioni descritte nell'introduzione. Tuttavia, con un uso più diffuso, le limitazioni possono diventare evidenti. Le applicazioni future di questo metodo includono lo studio di parametri aggiuntivi come la dipendenza dalla velocità di carico, il comportamento ciclico e il comportamento di scorrimento dei connettori wythe flessibili.
DISPONIBILITÀ DEI DATI:
Tutti i dati alla base dei risultati di questo studio sono disponibili nel loro formato di file originale come parte di questo manoscritto. I file supplementari vengono caricati per i dati contenuti nella Figura 8 e nella Figura 9A-C. Questi file sono etichettati con il numero di figura corrispondente in .xlsx formato.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Il lavoro sopra descritto non è stato finanziato direttamente da una singola organizzazione o nel corso di una singola sovvenzione, ma le informazioni sono state raccolte in anni di ricerca sponsorizzata dall'industria. A tal fine, gli autori ringraziano i loro sponsor dell'ultimo decennio e sono grati di lavorare in un settore in rapida evoluzione.
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).
