Summary
Мы предлагаем протокол испытаний, который может быть объединен с широко доступными аналитическими методами для оценки механических свойств сдвиговых соединителей для использования в проектировании изолированных бетонных стеновых панелей для прогнозирования полномасштабного поведения изолированных панелей.
Abstract
Настоящий документ содержит рекомендации по проведению нестандартного испытания с двойным сдвигом, подходящего как для непрерывных, так и для дискретных изолированных бетонных сэндвич-стеновых панелей (ICSWP). Такого стандартизированного теста не существует, но несколько итераций этого и подобных тестов были выполнены в литературе с разной степенью успеха. Кроме того, тесты в литературе редко, если вообще когда-либо, подробно описываются или подробно обсуждаются в отношении испытаний, анализа данных или процедур безопасности. В настоящем документе рекомендуется конфигурация испытательного образца и обсуждаются варианты. Важные механические свойства определяются на основе данных о нагрузке и перемещении, и их извлечение детализируется. Кратко продемонстрировано использование тестовых данных для проектирования, например для определения жесткости разъемов, чтобы показать, как можно рассчитать поведение прогиба и растрескивания ICSWP. Прочностное поведение панелей может быть определено с использованием кривой полной нагрузки против смещения или только максимальной прочности разъема. Признаются недостатки и неизвестные, и намечается значительная будущая работа.
Introduction
Изолированные бетонные сэндвич-стеновые панели (ICSWPs) представляют собой слой изоляции, размещенный между двумя бетонными слоями, часто называемыми wythes, которые синергетически обеспечивают термически и структурно эффективный компонент для строительных ограждающих конструкций или несущих панелей1 (рисунок 1). Чтобы адаптироваться к быстро меняющейся строительной отрасли и новым нормам строительных норм и правил по тепловой эффективности, сборщики изготавливают ICSWP с более тонкими бетонными слоями и более толстыми изоляционными слоями с более высоким тепловым сопротивлением; Кроме того, проектировщики используют более совершенные методы для учета частично композитного взаимодействия бетонных вырезов для снижения общих затрат на строительство при одновременном повышении тепловых и структурных характеристик2. Хотя известно, что структурная эффективность в значительной степени зависит от структурной связи между бетонными слоями и что на рынке доступно несколько запатентованных сдвиговых соединителей, в литературе не существует стандартизированного протокола тестирования для изучения механических свойств этих соединителей. Доступные соединители сильно различаются по геометрии, материалам и изготовлению, поэтому трудно получить единый аналитический подход к определению их механических свойств. По этой причине многие исследователи использовали свои собственные настраиваемые настройки в лаборатории, которые пытаются имитировать фундаментальное поведение разъемов в состоянии обслуживания и предел прочности 3,4,5,6,7,8,9,10. Тем не менее, только два из них являются частью схемы оценки тестирования 5,8, несмотря на то, что они не полезны для всех диапазонов разъемов из-за их широкого разнообразия формы, жесткости и состава материала.
Рисунок 1: Типичный состав образца сэндвич-стеновой панели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Распространенным методом тестирования этих соединителей является то, что часто называют одиночным сдвигом с одним или двумя рядами соединителей, как описано ранее 3,11,12, которое часто основано на ASTM E488, стандарте13 для испытания бетонных анкеров. ASTM E488 не требует, но сильно подразумевает через чертежи предлагаемых испытательных установок, что будет испытан один анкер, выступающий из неподвижного основания бетона. После испытания образцов строится набор кривых нагрузки и смещения, и из таких кривых получаются средние значения конечной упругой нагрузки (Fu) и упругой жесткости (K0,5Fu). Одним из основных преимуществ использования этого подхода является то, что он дает результаты с низкой изменчивостью и не требует больших лабораторных помещений или множества датчиков14. Другой подход заключается в загрузке соединителя wythe в двойном сдвиге для определения механических свойств для использования в конструкции этих панелей 6,7,14,15,16. Полученные данные обрабатываются таким же образом, а средние значения предельной упругой нагрузки (Fu) и упругой жесткости (K0,5Fu) получены в результате тестирования. Хотя этот подход к тестированию включает в себя использование большего количества материала и требует большего количества датчиков, обычно легче применять нагрузку и граничные условия в лаборатории.
Эти два стиля тестирования не кажутся кардинально разными, но дают разные результаты, в значительной степени основанные на их способности имитировать поведение соединителя в полномасштабной панели. Однопоперечная, однорядная испытательная установка производит защемляющее действие, как показано на рисунке 2B, C, и дополнительный опрокидывающий момент, как описано ранее14,17, который не присутствовал бы в полномасштабной панели. Двойной сдвиг лучше имитирует это полномасштабное поведение - он моделирует чистый сдвигового перевода внешних wythes относительно центрального wythes. В результате было показано, что значения двойного сдвига, используемые в аналитических методах, дают результаты, близкие к результатам, полученным при крупномасштабных испытаниях репрезентативных изолированных стеновых панелей14. На рисунке 3 показана схематическая тестовая установка для одно- и двухпоперечного тестирования разъема.
Рисунок 2: Примеры различных конфигураций тестирования разъемов, используемых в литературе. Было показано, что образцы с одним разъемом вызывают нагрузку, которая не представляет собой параллельный перевод wythes, наблюдаемый в полномасштабных панелях. (A) Двойной сдвиг с двумя разъемами; B) двойной сдвиг с одним разъемом; (C) Одинарный сдвиг с одним разъемом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Общим знаменателем выводов всех этих исследований является то, что обе методики тестирования подходят для определения механических свойств гибких соединителей, но результаты схемы испытаний с двойным сдвигом больше напоминают поведение разъема в реальной панели при изгибе. Другими словами, когда пользователь использует такие результаты тестирования в аналитической модели, они близко соответствуют результатам крупномасштабных тестов, где используются коннекторы. Важно отметить, что результаты таких испытаний подходят для моделей, которые непосредственно полагаются на механические свойства в качестве входных расчетных параметров, таких как эмпирически выведенные методы, замкнутые решения теории сэндвич-пучка и конечно-элементные модели с 2-D и 3-D пружинами 7,18,19,20.
Рисунок 3: Схематическое представление протоколов тестирования в литературе. Баран используется для перевода уайтов образцов относительно друг друга. А) Протоколы испытаний с одним сдвигом и В) с двойным сдвигом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В данной работе представлен экспериментальный протокол получения значений магистральной кривой и механических свойств изолированных стеновых панелей wythe connectors, а именно Fu и K0.5Fu. Метод основан на тестировании разъемов с использованием подхода к испытаниям с двойным сдвигом с некоторыми модификациями для устранения источников изменчивости и получения более надежных результатов. Все образцы конструируются в среде с контролируемой температурой, где они тестируются, когда бетон достигает целевой прочности на сжатие. Основным преимуществом этого протокола тестирования является то, что он может легко соблюдаться, может быть воспроизведен различными техническими специалистами и точно описывает реальное поведение соединителя wythe в реальной, изолированной бетонной стеновой панели при изгибе или изгибе и осевой силе в сочетании, как было показано в литературе.
Применение предлагаемого протокола тестирования разъемов wythe для определения механических свойств и поведения материала повысит точность результатов испытаний для промышленности изолированных бетонных стеновых панелей и уменьшит барьеры для предпринимателей, заинтересованных в создании инновационных новых соединителей. Будущее значительное увеличение строительства изолированных панелей как в откидной, так и в сборобетонной промышленности потребует лучшего использования материалов и более унифицированных методов для получения инженерных свойств панелей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Изготовление испытательного образца
- Выберите дискретный или непрерывный сдвиговой разъем для тестирования и придерживайтесь размеров образца, указанных на рисунке 4. При необходимости измените размеры на расстояние испытательного края, изменив расстояние между краями разъема.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, соблюдение руководящих принципов завода-изготовителя имеет важное значение, хотя это испытание может быть использовано для разработки этих руководящих принципов. Размеры бетона и изоляции будут продиктованы интересующим соединителем. Механические свойства, полученные в ходе испытания, действительны только для этой конкретной комбинации размеров wythe, прочности бетона, плотности и типа изоляции и соединителя. - Укажите целевую прочность бетона на сжатие, представляющего интересующую проектную ситуацию. Если вы пытаетесь смоделировать полномасштабные результаты испытаний, убедитесь, что прочность бетона такая же, как у полномасштабного образца или предполагаемой конструкции на момент тестирования. Если вы нацелены на определенный сценарий, например, минимальную прочность для подъема панели, выполните испытание на этой прочности.
- Изготовьте бетонную опалубку, используя вертикальное или горизонтальное расположение бетонных слоев. Убедитесь, что тестирование соответствует стилю конструкции, чтобы установка соединителей соответствовала ситуации в полевых условиях.
ПРИМЕЧАНИЕ: Большинство действующих ICSWP изготавливаются с горизонтальным расположением каждого слоя. - Перфорируйте пенопластовую изоляцию (для штыревых стяжек) или ориентируйте изоляционные элементы (для шовных стяжек) и разместите соединители в местах, указанных в стандартных чертежах, предоставленных производителем. Разместите разъемы, используя ориентацию, которую испытательный центр желает для сбора свойств (например, 0° или 90° или другой угол к сильной оси и приложенной нагрузке).
ПРИМЕЧАНИЕ: Установка разъемов должна осуществляться в соответствии с указаниями изготовителя/поставщика, если только установка не является характеризующей испытание переменной. - Поместите первый стальной арматурный слой в формы, чтобы предотвратить разрушение образца, если бетонные куски трескаются во время обработки или испытаний.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку образцы редко трескаются из-за прилагаемых нагрузок, считается, что мягкое армирование не является необходимым, если только не ожидается, что оно будет участвовать в соединении соединителя с бетоном. На рисунке 5 показана организация шагов 1.5-1.14 в рамках процесса. - Если все слои бетона не могут быть своевременно размещены до первоначального набора бетона, отливайте слои не менее чем на 3 ч друг от друга или в соответствии с рекомендациями производителя соединителя.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этапы 1.7-1.14 указывают на последовательное укладывание бетона. - Залейте свежий бетон в формы и вибрируйте адекватно, чтобы предотвратить образование больших воздушных пустот в бетоне или плохое уплотнение частиц.
- Поместите первый изоляционный слой, содержащий соединители, или вставьте их в пену, если это необходимо. Поместите изоляционный слой так, чтобы он соприкасался со свежим бетоном. Чтобы убедиться, что бетон консолидирован вокруг соединителей, вибрируйте соединитель с внутренним бетонным вибратором со скоростью 12 000 вибраций / мин, если иное не рекомендовано производителем разъема.
ПРИМЕЧАНИЕ: Вибрации в течение 2-5 с достаточно, чтобы обеспечить консолидацию вокруг разъемов. - Поместите грузоподъемный якорь грузоподъемностью 1 тонна (или прочнее в зависимости от конечного веса образца) в среднем слое бетона для удобства обращения.
- Поместите второй стальной арматурный слой в формы в центре центра wythe.
- Вылейте второй слой свежего бетона в формы и адекватно закрепите бетон, как описано выше.
- Поместите второй изоляционный слой, содержащий соединители, или установите их в пену, как описано в шаге 1.4. Тщательно следите за тем, чтобы бетон закреплялся вокруг соединителей.
- Поместите третий слой армирования стали в формы в центре третьего слоя бетона.
- Вылейте третий и последний слой свежего бетона в формы и вибрируйте адекватно.
- Изготовьте бетонные цилиндры для каждого бетона, используемого при строительстве образцов с целью документирования прочности на сжатие.
ПРИМЕЧАНИЕ: Этот этап может быть завершен в любое время во время изготовления образцов, но рекомендуется на полпути к размещению данной партии. Подготовка цилиндра и полевое отверждение должны осуществляться в соответствии с ASTM C3121. - Отвержьте образцы в среде с контролируемой температурой до тех пор, пока бетон не достигнет желаемой прочности. Извлеките образцы из форм, как только бетон затвердеет должным образом для подъемного оборудования.
2. Испытание образца с двойным сдвигом
ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 6 показан репрезентативный макет испытуемого образца, готового к испытанию (храповой ремень не изображен).
- Отнесите образец в лабораторию для отбора проб, когда бетон, используемый для изготовления образцов, достиг желаемой прочности.
ПРИМЕЧАНИЕ: Испытание на прочность на сжатие должно проводиться в соответствии с ASTM C3922. Температура в помещении должна оставаться относительно постоянной во время физического акта испытания, при этом температура должна составлять 25 °C ± 5 °C, а также во время тестирования и хранения образцов. Диапазон температур испытаний не предназначен для строгого контроля, поскольку свойства используемых материалов не должны значительно изменяться в зависимости от типичных комнатных температур. - Поместите две полосы политетрафторэтилена (PTFE) размером 3 мм x 100 мм x 600 мм в нижней части наружного бетона, чтобы свести к минимуму трение во время испытаний.
- Установите образец под загрузочную раму со средним слоем бетона, центрированным под загрузочным аппаратом. Используйте гидравлический таран или большую универсальную испытательную машину для нанесения нагрузки в верхней части среднего отверстия, заботясь о том, чтобы распределить нагрузку с помощью подшипниковой пластины, которая достаточно велика, чтобы предотвратить выход подшипника из строя для ожидаемых нагрузок.
- Прикрепите стальной угол к среднему утесу с помощью бетонного или каменного винта. Создайте расстояние не менее 5 мм между стальным углом и бетонной поверхностью с помощью стальных или пластиковых шайб, чтобы предотвратить иное взаимодействие угла с образцом (рисунок 6).
- Прикрепите датчики смещения к двум внешним wythes, на противоположных сторонах образца (всего четыре), чтобы измерить движение угла стали относительно их фиксированного положения на внешнем wythe.
ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуемыми датчиками смещения являются линейные дифференциальные преобразователи или потенциометры. Датчики всегда следует хранить в сухом корпусе, свободном от пыли, влаги и магнитных воздействий, чтобы предотвратить потерю калибровки. Аналоговые циферблатные датчики не рекомендуются. - Поместите нейлоновый ремешок шириной 50 мм свободно вокруг верхней части образца, чтобы неожиданный разрыв хрупкого разъема не нанес никакого ущерба окружающей среде, в том числе навредит технику и датчикам. Убедитесь, что ремешок достаточно свободен, чтобы не мешать перемещению образца, как показано на рисунке 7.
ПРИМЕЧАНИЕ: Ремешок предотвратит полное разделение wythes и облегчит извлечение образца после отказа, даже если wythes больше не разделены. Однако этот шаг (шаг 2.6) является необязательным. - Поместите тензодатчик по центру поверх средней пластины, зажатой между двумя стальными пластинами размером 20 мм x 150 мм x 150 мм. Следите за тем, чтобы стальные пластины не нависали над центром, чтобы не мешать изоляции во время деформации образца.
- Подключите датчики нагрузки и смещения к системе сбора данных (DAQ).
- Начните сбор данных, используя частоту дискретизации не менее 10 Гц, чтобы обеспечить правильную регистрацию нагрузки и смещения.
- Загрузите образец в центр до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное реалистичное смещение и прочность существенно не снизится; после того, как 50% нагрузки было потеряно, рекомендуется прекратить испытание, хотя это произвольно. Если требуется дополнительная информация вдоль нисходящей ветви, используйте любую желаемую деформацию. Применяйте нагрузку монотонным, квазистатическим способом, который достаточно быстрый, чтобы соединитель и бетонная ползучесть не мешали результатам испытаний, но не настолько быстро, чтобы его больше нельзя было считать статическим, если только высокая скорость нагрузки не является переменной тестирования, представляющей интерес.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это будет означать, что тест должен занимать от 5 минут до, возможно, нескольких часов. Адекватные результаты были получены при использовании гидравлического ручного насоса с продолжительностью испытания порядка 5-10 мин. - Остановите сбор данных и уберите устройство приложения нагрузки в исходное положение.
- Снимите все датчики и храните их в надежном месте, как указано выше.
- Переместите тестируемый образец в чистую зону и разделите три слоя бетона, чтобы определить тип разрушения: прорыв бетона, разрыв сдвига соединителя или другие. Запишите режим отказа, качество изоляционной связи и любую другую соответствующую визуальную информацию. Не забывайте фотографировать.
3. Анализ данных и отчетность о результатах
ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе описывается анализ данных для оценки нескольких инженерных свойств, которые использовались в литературе. Другие инженерные свойства могут представлять интерес, и полезность данных не ограничивается свойствами ниже.
- Перенесите файлы данных, полученные в результате тестирования, из DAQ на компьютер/папку, где выполняется анализ данных.
- Постройте среднее значение четырех датчиков смещения на абсциссе с нагрузкой разъема на ординату (определяемой как измеренная нагрузка, деленная на количество разъемов).
ПРИМЕЧАНИЕ: Пользователь экспериментального метода должен просмотреть данные по любым неисправным датчикам или ненадежным измерениям до их усреднения и представления отчетности. - Найдите максимальную нагрузку и соответствующее ей смещение с помощью соответствующей функции программного обеспечения для анализа данных и сохраните эти значения как Fu и δu соответственно.
- Разделите максимальную нагрузку на 2, чтобы получить половину максимальной силы, F0,5Fu, и найдите ее соответствующее смещение δ0,5.
- Найдите упругую жесткость (K0,5Fu) разъема, разделив половинную максимальную силу, F0,5Fu, на смещение при половинной максимальной силе, δ0,5. Если F0.5Fu не находится в обычно упругой части испытания, выберите более низкую нагрузку, которая, очевидно, находится в регионе, и сообщите число. Если используется более низкое значение, обязательно задокументируйте дробь Fu и соответствующую величину силы.
ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящее время конец линии K0.5Fu используется некоторыми проектировщиками в качестве верхнего предела для рабочих сил в разъеме. - Сообщите о средних результатах пяти образцов для каждой марки, типа или прочности бетона.
ПРИМЕЧАНИЕ: Представленные результаты действительны только для конкретной комбинации бетона wythe, изоляции wythe, прочности бетона и выбранного соединителя.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 8 и рисунке 9A показана типичная нагрузка на разъем по сравнению со средней кривой смещения, полученной в результате испытания двойного сдвига разъема из армированного волокном полимера (FRP) в лаборатории. Как показано на рисунках, нагрузка неуклонно увеличивается до максимальной точки, а затем резко падает, что обычно наблюдается в большинстве испытаний с участием полимеров. Однако, как следует из рисунка 9B , кривая сглаживается после достижения максимальной нагрузки, если отбирается пластичный металлический соединитель, что дает два возможных результата для графика нагрузки и смещения: пластичный или хрупкий отказ (рисунок 9A, B). Хотя некоторые разъемы FRP в литературе демонстрировали определенную пластичность (рисунок 9C), она очень мала по сравнению с разъемами, изготовленными из пластичных металлов. Данные для рисунка 8 представлены в дополнительном файле 1. Данные для каждого подзначения на рисунке 9 представлены в дополнительном файле 2, дополнительном файле 3 и дополнительном файле 4.
На рисунке 10 показаны два возможных режима отказа, которые могут возникнуть при тестировании с двойным сдвигом. Первым и самым желательным является выход из строя соединителя, который предполагает исключительно сдвиговой разрыв без бетонного сползания. Второй режим отказа представляет собой прорыв бетона в сочетании с разрушением соединителя, что может свидетельствовать о том, что соединитель слишком прочный для толщины бетона или что бетон недостаточно прочный, чтобы соединитель достиг максимальной прочности. Конечным режимом разрушения является разрыв бетона при растяжении на наружных поверхностях. Этот режим отказа обычно возникает, когда соединительный разъем далек от разрыва, но напряжение растяжения на внешней поверхности превышает напряжение бетона.
Данные испытаний могут быть использованы в конечно-элементной модели, которая использует пружины в качестве аналогового числового разъема 23,24, или они могут быть использованы с другими методами, основанными на механике, такими как расчеты сдвигового потока 25,26,27. Такие результаты были обильно продемонстрированы в других работах, упомянутых выше, но пример воспроизводится на рисунке 11 для полноты этой работы. Важно отметить, что эти результаты зависят от других свойств, таких как тип и толщина изоляции, прочность бетона на сжатие и глубина встраивания соединителей9. Поэтому испытательный центр должен провести тест, который точно соответствует ситуации, в которой будет использоваться разъем, включая все переменные, упомянутые выше.
Рисунок 4: Типичная конфигурация образца, описанная в настоящем описании. Образец состоит из трех бетонных слоев и двух изоляционных слоев. Соединители проникают в изоляционные слои. Номинальная арматура включена в бетонные слои для предотвращения хрупкого разрушения в случае растрескивания. Внизу предусмотрен блок-аут для облегчения перевода wythe; однако это необязательно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Этапы изготовления образца в рекомендуемом положении. Эти шаги намеренно имитируют процесс установки соединителей в рабочей среде. Образец отливается плоско, причем каждый слой устанавливается последовательно. Если это не может быть достигнуто до первого сета, допустимо подождать не менее 3 ч, прежде чем забрасывать следующий слой. См. раздел протокола 1 о изготовлении испытательного образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Схема испытаний с двойным сдвигом. Инструменты размещаются на невидимом лице так же, как и здесь. Сокращения: LVDT = линейный переменный дифференциальный трансформатор; PTFE = политетрафторэтилен. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Нейлоновый ремешок, размещенный вокруг образца. Обратите внимание, что ремни свободны и предназначены только для предотвращения падения образца после отказа. Преувеличенное защемляющее действие также демонстрируется на этой фотографии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: График разъема сдвига FRP и соответствующие функции. Определен расчет жесткости секанса и предел прочности разъема. Аббревиатура: FRP = армированный волокном полимер. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Репрезентативная нагрузка на разъем по сравнению с реакцией на проскальзывание трех возможных результатов тестирования. (A) Хрупкое поведение, (B) пластичное поведение и (C) полупластичное поведение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Документирование отказа бетона или соединителя; образцы фотографий возможных результатов при испытании соединителей. (A) Разрыв сдвига соединительной трубы, (B) прорыв бетона и (C) разрушение изгиба бетона с разрывом соединителя или без него. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 11: Конечно-элементная модель с использованием балочных и пружинных упругих элементов, включая результаты испытаний на двойной сдвиг. (A) Состав модели и (B) сравнение результатов упругой модели с крупномасштабным испытанием naito et al.28. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1: "Fig 8 Data.xlsx" представляет собранные данные, показанные на рисунке 8 . Столбец A содержит метку времени. Столбцы B, C, D и E являются каждым из четырех показаний LVDT. Столбец F — это показания тензодатчика. Столбцы G, H, I и J являются обнуленными показаниями LVDT. Столбец K представляет собой обнуленное показание тензодатчика. Столбец L — это среднее значение LVDT каждого из столбцов G, H, I и J. Сюжет воспроизводится и в этом файле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2: "Рис.9A Data.xlsx" представляет собранные данные, показанные на рисунке 9A . Столбец A содержит метку времени. Столбцы B, C, D и E являются каждым из четырех показаний LVDT. Столбец F — это показания тензодатчика. Столбцы G, H, I и J являются обнуленными показаниями LVDT. Столбец K представляет собой обнуленное показание тензодатчика. Столбец L — это среднее значение LVDT каждого из столбцов G, H, I и J. Сюжет воспроизводится и в этом файле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3: "Fig 9B Data.xlsx" представляет собранные данные, показанные на рисунке 9B . Столбец A содержит метку времени. Столбцы B, C, D и E являются каждым из четырех показаний LVDT. Столбец F — это показания тензодатчика. Столбцы G, H, I и J являются обнуленными показаниями LVDT. Столбец K представляет собой обнуленное показание тензодатчика. Столбец L — это среднее значение LVDT каждого из столбцов G, H, I и J. Сюжет воспроизводится и в этом файле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4: "Fig 9C Data.xlsx" представляет собранные данные, показанные на рисунке 9C . Столбец A содержит метку времени. Столбцы B, C, D и E являются каждым из четырех показаний LVDT. Столбец F — это показания тензодатчика. Столбцы G, H, I и J являются обнуленными показаниями LVDT. Столбец K представляет собой обнуленное показание тензодатчика. Столбец L — это среднее значение LVDT каждого из столбцов G, H, I и J. Сюжет воспроизводится и в этом файле. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Многие исследователи использовали некоторые вариации этого типа теста для ICSWP, но это первый случай описания всех отдельных шагов. В литературе не рассматриваются критические этапы тестирования, включая типы датчиков и обработку образцов. Этот метод описывает способ тестирования, который более точно имитирует поведение разъемов, когда панель загружается в изгибе, в отличие от теста с одним сдвигом. Есть несколько переменных для этой работы, которые еще предстоит изучить. В частности, информация, связанная с граничными условиями, не очень хорошо известна, но может повлиять на тест. Аналогичным образом, допуск на размещение нагрузки может иметь важное значение, равно как и коэффициент приложения нагрузки. Основываясь на механике образца с двойным сдвигом, описанной в другом месте10,14, критической переменной является длина образца.
Хотя, казалось бы, адекватные результаты были показаны для образцов высотой 1 200 мм, и хотя несколько исследователей попробовали много разных длин, оптимальная длина неизвестна. Как ни странно, авторы обнаружили поведения сжатия на длинах ниже, чем этот образец 1 200 мм, который был продемонстрирован ранее14. Неизвестно, будет ли выбор больших длин иметь какое-либо существенное значение. Считается, что поперечные размеры не влияют на тестирование, если не отмечены краевые эффекты или взаимодействие между разъемами. Рекомендации, представленные здесь, не должны создавать краевые эффекты или взаимодействие между соединителями на основе размеров встраивания для коммерческих разъемов. Следует позаботиться об устранении этого эффекта, если целью является поведение отдельных соединителей или если целью является понимание этих эффектов через более близкое расстояние между соединителями.
Кроме того, эффект растрескивания образца (вблизи соединителей или иным образом) не известен. Авторы протестировали несколько образцов, которые прибыли треснувшими. В некоторых случаях трещины, казалось, влияли на тест, в то время как в других они этого не делали. Будущая работа должна быть направлена на то, чтобы лучше понять это. Протоколы испытаний Международного совета по кодексу (ICC) предусматривают неразрывные образцы5. Очевидно, что находящиеся в эксплуатации ICSWPs трескаются по разным причинам. Важно понимать, влияет ли это на поведение соединителя на уровне двойного сдвига и на уровне обслуживания. Будущие программы тестирования могут выполнять такое тестирование.
В литературе наблюдались различные режимы отказа, но либо бетон, либо соединитель выйдут из строя. Некоторые соединители полагаются на связь бетона с изоляцией. В этих случаях крайне важно, чтобы была достигнута хорошая связь со свежим бетоном, хотя обычно для этого мало указаний. Бетонные провалы, наблюдаемые в литературе, включают бетонный прорыв29, где соединители выходят из бетона, и бетонный прорыв19, где соединитель проталкивается через бетонную поверхность. Отказы соединителей могут сильно варьироваться и, как правило, состоят из хрупкого разрыва сдвига, разрыва растяжения, разрыва ламинара при растяжении и пластикового изгиба шарнира10,29. Неисправность соединителя должна быть задокументирована, особенно если неисправности не согласуются между образцами одного и того же типа. Состояние изоляционной связи должно быть отмечено фотографиями и письменными описаниями в тех случаях, когда изоляция намеренно приклеена к бетону.
Хотя это было упомянуто выше, заслуживает дополнительного обсуждения, что толщина, прочность бетона, тип изоляции и геометрия соединителя, проверенные в любом данном испытании, применимы только к этой конкретной комбинации. Если используются более тонкие бетонные вырезы, может произойти пробивной отказ19 wythes, который не может быть представлен в испытании с двойным сдвигом. Если для соединительных систем, которые полагаются на изоляцию для некоторой передачи нагрузки, используется другая плотность или тип изоляции, очевидное механическое поведение образца с двойным сдвигом будет отличаться. Толщина изоляционного слоя и геометрия соединителя, вероятно, играют наибольшую роль, но цель этого теста состоит в том, чтобы определить поведение системы (бетон, изоляция и соединитель wythe, действующие вместе) и, в конечном счете, распространить его на полномасштабное поведение, дизайн или анализ.
Точность и предвзятость этого теста неизвестны, и не было никакого межлабораторного кругового исследования для решения этой проблемы. Авторы считают, что это должно быть сделано, поскольку этот тест крайне необходим в отрасли для целей контроля качества и разработки стандарта тестирования ICSWP. Следует также провести тщательное исследование прочности30 с учетом факторов, упомянутых выше, или других факторов.
Авторы дают несколько рекомендаций для успешного тестирования. После начала теста тест не следует останавливать, так как это может привести к неизвестному количеству необратимых повреждений разъема, что приведет к перезапуску, обеспечивающему неправильные данные. Все дефекты образца должны быть должным образом отмечены до и после испытания. Перед тестированием следует провести тщательную проверку датчика. Неисправный (т.е. не считывающий) датчик смещения может создавать артефакты в среднем показании датчика, используемого для кривой магистрали.
Надлежащие средства индивидуальной защиты имеют первостепенное значение, потому что это испытание может включать значительную нагрузку и хрупкий отказ. Рекомендуемое защитное оборудование включает в себя сапоги со стальными носками и, возможно, протекторы плюсневой кости, каску, защиту глаз, перчатки, длинные прочные брюки и защиту ушей. Следует соблюдать осторожность, чтобы не стоять слишком близко к образцу, так как хрупкий отказ может привести к падению тензодатчика и пластинчатого узла под углом от образца. Неожиданный сбой может произойти по нескольким причинам, включая хрупкие разъемы, неправильно установленные разъемы или неправильное размещение нагрузки, что приводит к выходу из строя подшипника.
Нет никаких известных ограничений для метода, но более короткие образцы, вероятно, дадут консервативные оценки прочности и жесткости по причинам, изложенным во введении. Однако при более широком использовании ограничения могут стать очевидными. Будущие приложения этого метода включают изучение дополнительных параметров, таких как зависимость скорости нагрузки, циклическое поведение и поведение ползучести гибких соединителей wythe.
ДОСТУПНОСТЬ ДАННЫХ:
Все данные, лежащие в основе результатов этого исследования, доступны в оригинальном формате файла как часть этой рукописи. Для данных, содержащихся на рисунке 8 и рисунке 9A-C, загружаются дополнительные файлы. Эти файлы помечены соответствующим номером рисунка в .xlsx формате.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Работа, описанная выше, не финансировалась непосредственно какой-либо одной организацией или в течение одного гранта, но информация была собрана в течение многих лет исследований, спонсируемых промышленностью. С этой целью авторы благодарят своих спонсоров за последнее десятилетие и благодарны за работу в быстро развивающейся отрасли.
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).
