Bestämning av de mekaniska egenskaperna hos flexibla kontakter för användning i isolerade betongväggpaneler

Summary

Vi föreslår ett testprotokoll som kan kombineras med allmänt tillgängliga analysmetoder för att bedöma de mekaniska egenskaperna hos skjuvkontakter för användning vid konstruktion av isolerade betongväggpaneler för att förutsäga fullskaligt isolerat panelbeteende.

Abstract

Detta dokument innehåller rekommendationer för att utföra ett icke-standardiserat dubbelskjuvningstest som är lämpligt för både kontinuerliga och diskreta isolerade sandwichväggpaneler i betong (ICSWP). Ett sådant standardiserat test existerar inte, men flera iterationer av detta och liknande tester har utförts i litteraturen i varierande grad av framgång. Vidare beskrivs testerna i litteraturen sällan eller aldrig i detalj eller diskuteras ingående med avseende på testning, dataanalys eller säkerhetsprocedurer. En testprovskonfiguration rekommenderas häri och variationer diskuteras. Viktiga mekaniska egenskaper identifieras från belastnings- kontra förskjutningsdata, och deras extraktion är detaljerad. Användningen av testdata för design, till exempel för att bestämma kontakternas styvhet, demonstreras kort för att visa hur ICSWP-avböjning och sprickbeteende kan beräknas. Panelernas hållfasthetsbeteende kan bestämmas med hjälp av kurvan för full belastning kontra förskjutning eller endast den maximala anslutningsstyrkan. Brister och okända erkänns, och betydande framtida arbete avgränsas.

Introduction

Isolerade sandwichväggpaneler i betong (ICSWP) består av ett isoleringsskikt placerat mellan två betongskikt, ofta kallade wythes, som synergiskt ger en termiskt och strukturellt effektiv komponent för byggnadshöljen eller bärande paneler 1 (figur 1). För att anpassa sig till den snabbt föränderliga byggbranschen och nya byggkodsregler för termisk effektivitet tillverkar precasters ICSWP med tunnare betongskikt och tjockare isoleringsskikt med högre värmebeständighet; Dessutom använder designers mer raffinerade metoder för att ta hänsyn till den delvis sammansatta interaktionen mellan betongwythes för att minska de totala byggkostnaderna samtidigt som den termiska och strukturella prestandan ökar². Även om det är känt att strukturell effektivitet till stor del beror på den strukturella kopplingen mellan betongskikten och att flera proprietära skjuvkontakter finns tillgängliga på marknaden, finns det inget standardiserat testprotokoll i litteraturen för att undersöka de mekaniska egenskaperna hos dessa kontakter. De tillgängliga kontakterna varierar mycket i geometri, material och tillverkning, så det är svårt att få ett enhetligt analytiskt tillvägagångssätt för att bestämma deras mekaniska egenskaper. Av denna anledning har många forskare använt sina egna anpassade inställningar i labbet som försöker efterlikna det grundläggande beteendet hos kontakterna vid service- och styrkagränstillstånden 3,4,5,6,7,8,9,10. Endast två av dem ingår dock i ett testutvärderingsschema^5,8, trots att de inte är användbara för alla kontaktområden på grund av deras stora variation i form, styvhet och materialsammansättning.

Figur 1: Typisk sammansättning av ett sandwichväggpanelprov. Klicka här för att se en större version av denna figur.

En vanlig metod för att testa dessa kontakter är vad som ofta kallas enkel skjuvning med antingen en rad eller två rader med kontakter, som beskrivits tidigare 3,11,12, som ofta är baserad på ASTM E488^, en teststandard för betongankare¹³. ASTM E488 kräver inte, men innebär starkt genom ritningar av de föreslagna testinställningarna, att ett enda ankare som sticker ut från en fast bas av betong kommer att testas. När proverna har testats plottas en uppsättning belastningskurvor kontra förskjutningskurvor, och medelvärdena för den ultimata elastiska belastningen (F_u) och den elastiska styvheten (K_0.5Fu) erhålls från sådana kurvor. En av de främsta fördelarna med att använda detta tillvägagångssätt är att det ger resultat med låg variabilitet och inte kräver stora laboratorieutrymmen eller många sensorer¹⁴. Ett annat tillvägagångssätt består i att ladda en wythe-kontakt i dubbel skjuvning för att bestämma de mekaniska egenskaperna för användning vid utformningen av dessa paneler 6,7,14,15,16. De resulterande uppgifterna bearbetas på samma sätt, och medelvärdena för den ultimata elastiska belastningen (F_u) och den elastiska styvheten (K_0,5Fu) erhålls från testning. Även om denna testmetod innebär att man använder mer material och behöver fler sensorer, är det anekdotiskt lättare att tillämpa belastnings- och randvillkoren i ett laboratorium.

De två teststilarna verkar inte dramatiskt olika men ger olika resultat till stor del baserat på deras förmåga att efterlikna anslutningsbeteendet i en fullskalig panel. Testinställningen med en skjuvning och en rad ger en klämningsåtgärd, som visas i figur 2B,C, och ett ytterligare vältningsmoment, som beskrivits tidigare^14,17, som inte skulle finnas i en fullskalig panel. Den dubbla skjuvningen gör ett bättre jobb med att efterlikna detta fullskaliga beteende – det modellerar den rena skjuvöversättningen av den yttre wythes i förhållande till den centrala wythe. Som ett resultat har de dubbla skjuvvärden som används i analysmetoder visat sig ge resultat som ligger närmare de som erhållits vid storskalig testning av representativa isolerade väggpaneler¹⁴. Bild 3 visar den schematiska testinställningen för enkel- och dubbelskjuvningstestning av en kontakt.

Bild 2: Exempel på olika konfigurationer för anslutningstestning som används i litteraturen. Enstaka kontaktprover har visat sig orsaka belastning som inte representerar den parallella översättningen av wythes som ses i fullskaliga paneler. A) Dubbel skjuvning med två kontakter. (B) Dubbel skjuvning med en kontakt; (C) Enkel skjuvning med en kontakt. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

En gemensam nämnare för alla dessa studiers slutsatser är att båda testmetoderna är lämpliga för att bestämma de mekaniska egenskaperna hos flexibla kontakter, men resultaten från dubbelskjuvningstestschemat liknar närmare kontaktens beteende i en riktig panel under böjning. Med andra ord, när användaren använder sådana testresultat i en analytisk modell, matchar de nära resultaten av storskaliga tester där kontakterna används. Det är viktigt att nämna att resultaten av sådan testning är lämpliga för modeller som förlitar sig på de mekaniska egenskaperna som ingångsdesignparametrar direkt, såsom empiriskt härledda metoder, slutna lösningar av sandwichstråleteorin och finita elementmodeller med 2-D- och 3-D-fjädrar 7,18,19,20.

Figur 3: Schematisk vy över testprotokollen i litteraturen. En ram används för att översätta exemplarens wythes i förhållande till varandra. (A) Testprotokoll för enkel skjuvning och (B) dubbelskjuvning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

I detta arbete presenteras ett experimentellt protokoll för att erhålla värdena på ryggradskurvan och de mekaniska egenskaperna hos isolerade väggpaneler wythe kontakter, nämligen F_u och K_0.5Fu. Metoden är baserad på att testa kontakter med hjälp av en dubbelskjuvningstestmetod med vissa modifieringar för att eliminera variabilitetskällor och ge mer tillförlitliga resultat. Alla prover är konstruerade i en temperaturkontrollerad miljö, där de testas när betongen når måltryckhållfastheten. Den största fördelen med detta testprotokoll är att det enkelt kan följas, kan replikeras av olika tekniker och beskriver noggrant det verkliga beteendet hos wythe-kontakten i en riktig, isolerad betongväggpanel under böjning eller böjning och axiell kraft kombinerad, vilket har visats i litteraturen.

Tillämpningen av det föreslagna wythe-anslutningstestprotokollet för att bestämma mekaniska egenskaper och materialbeteende kommer att förbättra noggrannheten i testresultaten för den isolerade betongväggpanelindustrin och minska hindren för företagare som är intresserade av att skapa innovativa nya kontakter. Den framtida stora ökningen av isolerad panelkonstruktion inom både tilt-up och prefabricerad betongindustri kommer att kräva bättre materialanvändning och mer enhetliga metoder för att erhålla tekniska egenskaper hos panelerna.

Protocol

1. Tillverkning av testprovet Välj den diskreta eller kontinuerliga skjuvkontakten som ska provas och fäst vid måtten på provexemplaret som anges i figur 4. Ändra måtten på testkantavståndsavstånden om det behövs genom att ändra kantavståndet för kontakten.OBS: I allmänhet är det viktigt att följa tillverkarens riktlinjer, även om detta test kan användas för att utveckla dessa riktlinjer. Betong- och isoleringsdimensionerna kommer att diktera…

Representative Results

Figur 8 och figur 9A visar en typisk belastning per kontakt jämfört med den genomsnittliga förskjutningskurvan som härrör från ett dubbelskjuvtest av en fiberförstärkt polymerkontakt (FRP) i laboratoriet. Som siffrorna visar ökar belastningen stadigt upp till den maximala punkten och sjunker sedan dramatiskt, vilket vanligtvis observeras vid de flesta tester med polymerer. Men som figur 9B antyder planar kurvan ut efter att…

Discussion

Många forskare har använt någon variant av denna typ av test för ICSWP, men detta är den första instansen av att beskriva alla enskilda steg. Litteraturen behandlar inte de kritiska stegen i testningen, inklusive sensortyper och provhantering. Den här metoden beskriver ett sätt att testa som efterliknar kopplingarnas beteende närmaret när en panel läses in i böjning i motsats till testet med en skjuvning. Det finns flera variabler för detta arbete som ännu inte har studerats. Specifikt är information relat…

Materials

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