Determinación de las propiedades mecánicas de conectores flexibles para su uso en paneles de pared de hormigón aislados

Resumen

Proponemos un protocolo de prueba que se puede combinar con métodos analíticos ampliamente disponibles para evaluar las propiedades mecánicas de los conectores de corte para su uso en el diseño de paneles de pared de hormigón aislados para predecir el comportamiento del panel aislado a gran escala.

Resumen

Este documento contiene recomendaciones para realizar una prueba de doble cizallamiento no estándar adecuada para paneles de pared sándwich de hormigón aislado continuo y discreto (ICSWP). Tal prueba estandarizada no existe, pero varias iteraciones de esta y otras pruebas similares se han realizado en la literatura con diversos grados de éxito. Además, las pruebas en la literatura rara vez, o nunca, se describen en detalle o se discuten extensamente con respecto a las pruebas, el análisis de datos o los procedimientos de seguridad. Se recomienda una configuración de muestra de prueba en este documento, y se discuten las variaciones. Se identifican propiedades mecánicas importantes a partir de los datos de carga frente a desplazamiento, y se detalla su extracción. El uso de datos de prueba para el diseño, como para determinar la rigidez de los conectores, se demuestra brevemente para mostrar cómo se puede calcular la deflexión de ICSWP y el comportamiento de agrietamiento. El comportamiento de resistencia de los paneles se puede determinar utilizando la curva de carga completa frente a desplazamiento o solo la resistencia máxima del conector. Se reconocen las deficiencias y las incógnitas, y se delinea el trabajo futuro significativo.

Introducción

Los paneles de pared sándwich de hormigón aislado (ICSWP) comprenden una capa de aislamiento colocada entre dos capas de hormigón, a menudo llamadas wythes, que proporcionan sinérgicamente un componente térmica y estructuralmente eficiente para envolventes de edificios o paneles de carga 1 (Figura 1). Para adaptarse a la industria de la construcción que cambia rápidamente y a las nuevas regulaciones del código de construcción sobre eficiencia térmica, los prefabricados están fabricando ICSWP con capas de concreto más delgadas y capas de aislamiento más gruesas con mayor resistencia térmica; Además, los diseñadores están utilizando métodos más refinados para tener en cuenta la interacción parcialmente compuesta de los wythes de hormigón para reducir los costos generales de construcción al tiempo que aumentan el rendimiento térmico y estructural². Si bien se sabe que la eficiencia estructural depende en gran medida de la conexión estructural entre las capas de concreto y que hay múltiples conectores de corte patentados disponibles en el mercado, no existe un protocolo de prueba estandarizado en la literatura para examinar las propiedades mecánicas de esos conectores. Los conectores disponibles varían ampliamente en su geometría, materiales y fabricación, por lo que es difícil obtener un enfoque analítico unificado para determinar sus propiedades mecánicas. Por esta razón, muchos investigadores han utilizado sus propias configuraciones personalizadas en el laboratorio que intentan imitar el comportamiento fundamental de los conectores en los estados límite de servicio y resistencia 3,4,5,6,7,8,9,10. Sin embargo, solo dos de ellos forman parte de un esquema de evaluación de pruebas^5,8, a pesar de que no son útiles para todas las gamas de conectores debido a su amplia variación en forma, rigidez y composición del material.

Figura 1: Composición típica de un espécimen de panel de pared sándwich. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un método común para probar estos conectores es lo que a menudo se denomina cizalladura única con una o dos filas de conectores, como se describió anteriormente 3,11,12, que a menudo se basa en ASTM E488^, un estándar de prueba de anclaje de concreto ¹³. ASTM E488 no requiere, pero implica fuertemente a través de dibujos de las configuraciones de prueba sugeridas, que se probará un solo anclaje que sobresalga de una base fija de concreto. Una vez que se prueban las muestras, se traza un conjunto de curvas de carga versus desplazamiento, y los valores promedio de la carga elástica final (F_u) y la rigidez elástica (K_0.5Fu) se obtienen de dichas curvas. Una de las principales ventajas de utilizar este enfoque es que produce resultados de baja variabilidad y no requiere grandes espacios de laboratorio o muchos sensores¹⁴. Un enfoque diferente consiste en cargar un conector wythe en doble cizallamiento para determinar las propiedades mecánicas para su uso en el diseño de esos paneles 6,7,14,15,16. Los datos resultantes se procesan de la misma manera, y los valores promedio de la carga elástica final (F_u) y la rigidez elástica (K_0.5Fu) se obtienen de las pruebas. Aunque este enfoque de prueba implica el uso de más material y necesita más sensores, es anecdóticamente más fácil aplicar las condiciones de carga y límite en un laboratorio.

Los dos estilos de prueba no parecen dramáticamente diferentes, pero producen resultados diferentes en gran medida en función de su capacidad para imitar el comportamiento del conector en un panel a gran escala. La configuración de prueba de un solo cizallamiento y una sola fila produce una acción de pellizco, como se muestra en la Figura 2B, C, y un momento de vuelco adicional, como se describió anteriormente^14,17, que no estaría presente en un panel a gran escala. El doble cizallamiento hace un mejor trabajo al imitar este comportamiento a gran escala: modela la traducción de corte puro de los wythes externos en relación con el wythe central. Como resultado, se ha demostrado que los valores de doble cizallamiento empleados en los métodos analíticos producen resultados más cercanos a los obtenidos en pruebas a gran escala de paneles de pared aislados representativos¹⁴. La figura 3 muestra la configuración de prueba esquemática para la prueba de corte simple y doble de un conector.

Figura 2: Ejemplos de diferentes configuraciones de prueba de conectores empleadas en la literatura. Se ha demostrado que las muestras de conector único causan una carga que no representa la traslación paralela de wythes vista en paneles a gran escala. (A) Doble cizallamiento con dos conectores; (B) Doble cizallamiento con un conector; (C) Cizalla simple con un conector. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un denominador común de las conclusiones de todos estos estudios es que ambas metodologías de prueba son apropiadas para determinar las propiedades mecánicas de los conectores flexibles, pero los resultados del esquema de prueba de doble cizallamiento se asemejan más al comportamiento del conector en un panel real bajo flexión. En otras palabras, cuando el usuario emplea dichos resultados de prueba en un modelo analítico, coinciden estrechamente con los resultados de las pruebas a gran escala donde se utilizan los conectores. Es importante mencionar que los resultados de tales pruebas son apropiados para modelos que se basan directamente en las propiedades mecánicas como parámetros de diseño de entrada, como métodos derivados empíricamente, soluciones de forma cerrada de la teoría de vigas sándwich y modelos de elementos finitos con resortes 2-D y 3-D ^7,18,19,20.

Figura 3: Vista esquemática de los protocolos de prueba en la literatura. Se utiliza un carnero para traducir los wythes de los especímenes entre sí. (A) Protocolos de prueba de corte simple y (B) de doble cizallamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En este trabajo, se presenta un protocolo experimental para obtener los valores de la curva de la columna vertebral y las propiedades mecánicas de los conectores aislados del panel de pared, a saber, F_u y K_0.5Fu. El método se basa en probar conectores utilizando un enfoque de prueba de doble cizallamiento con algunas modificaciones para eliminar las fuentes de variabilidad y producir resultados más confiables. Todas las muestras se construyen en un ambiente de temperatura controlada, donde se prueban cuando el concreto alcanza la resistencia a la compresión objetivo. La principal ventaja de este protocolo de prueba es que se puede seguir fácilmente, puede ser replicado por diferentes técnicos y describe de cerca el comportamiento real del conector wythe en un panel de pared de hormigón real aislado bajo flexión o flexión y fuerza axial combinada, como se ha demostrado en la literatura.

La aplicación del protocolo de prueba de conectores sugerido para determinar las propiedades mecánicas y el comportamiento del material mejorará la precisión de los resultados de las pruebas para la industria de paneles de paredes de hormigón aislado y disminuirá las barreras para los empresarios interesados en crear nuevos conectores innovadores. El gran aumento futuro en la construcción de paneles aislados tanto en la industria de tilt-up como en la de prefabricados de hormigón requerirá un mejor uso de los materiales y métodos más unificados para obtener las propiedades de ingeniería de los paneles.

Protocolo

1. Fabricación de la muestra de prueba

1. Seleccione el conector de corte discreto o continuo para probar y adherirse a las dimensiones de la muestra indicadas en la Figura 4. Modifique las dimensiones de las distancias de distancia del borde de prueba si es necesario cambiando la distancia del borde del conector.
   NOTA: En general, es importante cumplir con las pautas del fabricante, aunque esta prueba se puede usar para desarrollar estas pautas. El hormigón y el aislamiento con las dimensiones serán dictados por el conector de interés. Las propiedades mecánicas de la prueba solo son válidas para esta combinación específica de dimensiones, resistencia del concreto, densidad y tipo de aislamiento y conector.
2. Indique la resistencia a la compresión objetivo del concreto representativo de la situación de diseño de interés. Si intenta modelar los resultados de las pruebas a gran escala, asegúrese de que la resistencia del concreto sea la misma que la de la muestra a gran escala o el diseño previsto en el momento de la prueba. Si apunta a un determinado escenario, como la resistencia mínima para la elevación del panel, realice la prueba con esa resistencia.
3. Fabrica el encofrado de hormigón utilizando un diseño vertical u horizontal de las capas de hormigón. Asegúrese de que la prueba coincida con el estilo de construcción para que la instalación de los conectores coincida con la situación en el campo.
   NOTA: La mayoría de los ICSWP en servicio se fabrican con un diseño horizontal de cada capa.
4. Perfore el aislamiento de espuma (para bridas estilo pasador) u oriente las piezas de aislamiento (para bridas instaladas con costura) y coloque los conectores en los lugares indicados en los planos estándar proporcionados por el fabricante. Coloque los conectores utilizando la orientación que la instalación de prueba desee para reunir las propiedades (por ejemplo, un ángulo de 0° o 90° u otro ángulo con respecto al eje fuerte y la carga aplicada).
   NOTA: La instalación de los conectores debe ser la indicada por el fabricante/proveedor, a menos que la instalación sea una variable de prueba de interés.
5. Coloque la primera capa de refuerzo de acero en los formularios para evitar que la muestra falle quebradiza si las piezas de concreto se agrietan durante la manipulación o la prueba.
   NOTA: Como las muestras rara vez se agrietan debido a las cargas aplicadas, no se cree que sea necesario un refuerzo leve a menos que se espere que participe en la unión del conector al concreto. La figura 5 muestra la organización de los pasos 1.5-1.14 a través del proceso.
6. Si todas las capas de concreto no se pueden colocar de manera oportuna antes del conjunto inicial del concreto, coloque las capas con un mínimo de 3 h de separación o de acuerdo con las recomendaciones del fabricante del conector.
   NOTA: Los pasos 1.7-1.14 indican la colocación consecutiva del concreto.
7. Vierta el concreto fresco en las formas y vibre adecuadamente para evitar la formación de grandes huecos de aire en el concreto o la mala compactación de partículas.
8. Coloque la primera capa de aislamiento que contenga los conectores o empújelos en la espuma, según corresponda. Coloque la capa de aislamiento de manera que entre en contacto con el concreto fresco. Para asegurarse de que el concreto esté consolidado alrededor de los conectores, haga vibrar el conector con un vibrador interno de concreto a 12,000 vibraciones / min, a menos que el fabricante del conector recomiende lo contrario.
   NOTA: La vibración durante 2-5 s es suficiente para garantizar la consolidación alrededor de los conectores.
9. Coloque un ancla de elevación de 1 tonelada de capacidad (o más fuerte dependiendo del peso final de la muestra) en la capa media del concreto para facilitar el manejo.
10. Coloque la segunda capa de refuerzo de acero en las formas en el centro del centro wythe.
11. Vierta la segunda capa de concreto fresco en las formas y consolide adecuadamente el concreto como se describió anteriormente.
12. Coloque la segunda capa de aislamiento que contiene los conectores o instálelos en la espuma, como se describe en el paso 1.4. Asegúrese cuidadosamente de que el concreto esté consolidado alrededor de los conectores.
13. Coloque la tercera capa de refuerzo de acero en las formas en el centro de la tercera capa de concreto.
14. Vierta la tercera y última capa de concreto fresco en las formas y vibre adecuadamente.
15. Haga cilindros de concreto para cada concreto utilizado en la construcción de las muestras con el propósito de documentar la resistencia a la compresión.
    NOTA: Este paso puede completarse en cualquier momento durante la construcción de las muestras, pero se recomienda cuando se realiza la mitad de la colocación de un lote determinado. La preparación del cilindro y el curado en campo deben seguir ASTM C31²¹.
16. Cure las muestras en un ambiente de temperatura controlada hasta que el concreto haya alcanzado la resistencia deseada. Saque las muestras de las formas una vez que el concreto se haya endurecido adecuadamente para el hardware de elevación.

2. Prueba de la muestra de doble cizallamiento

NOTA: La figura 6 muestra un diseño representativo de la muestra de prueba lista para ser probada (la correa de trinquete no se muestra en la imagen).

1. Lleve la muestra al laboratorio para su muestreo cuando el concreto utilizado para fabricar las muestras haya alcanzado la resistencia deseada.
   NOTA: Las pruebas de resistencia a la compresión deben seguir ASTM C39²². La temperatura ambiente debe permanecer relativamente constante durante el acto físico de la prueba, con la temperatura sugerida de 25 °C ± 5 °C, y durante la prueba y el almacenamiento de las muestras. El rango de temperatura de prueba no está destinado a ser controlado rigurosamente, ya que las propiedades de los materiales involucrados no deben variar significativamente con las temperaturas ambiente típicas.
2. Coloque dos tiras de almohadilla de politetrafluoroetileno (PTFE) de 3 mm x 100 mm x 600 mm en la parte inferior de los tejidos exteriores de concreto para minimizar la fricción durante la prueba.
3. Coloque la muestra debajo del marco de carga con la capa de concreto central centrada debajo del aparato de carga. Utilice un ariete hidráulico o una máquina de prueba universal grande para aplicar la carga en la parte superior del medio wythe, teniendo cuidado de distribuir la carga con una placa de cojinete que sea lo suficientemente grande como para evitar una falla del rodamiento para las cargas esperadas.
4. Fije el ángulo de acero al centro con un tornillo de hormigón o mampostería. Cree una separación de al menos 5 mm entre el ángulo de acero y la superficie del concreto utilizando arandelas de acero o plástico para evitar que el ángulo interactúe con la muestra (Figura 6).
5. Acople los sensores de desplazamiento a los dos wythes exteriores, en lados opuestos de la muestra (cuatro en total), para medir el movimiento del ángulo del acero en relación con su posición fija en el wythe exterior.
   NOTA: Los sensores de desplazamiento recomendados son transductores o potenciómetros diferenciales variables lineales. Los sensores siempre deben almacenarse en una carcasa seca que esté libre de polvo, humedad y efectos magnéticos para evitar la pérdida de calibración. No se recomiendan los medidores de marcación analógicos.
6. Coloque una correa de nylon de 50 mm de ancho alrededor de la parte superior de la muestra para asegurarse de que una rotura inesperada del conector frágil no cause ningún daño al entorno, incluido el daño al técnico y los sensores. Asegúrese de que la correa esté lo suficientemente suelta como para no interferir con el desplazamiento de la muestra, como se muestra en la Figura 7.
   NOTA: La correa evitará que los wythes se separen por completo y facilitará la extracción de la muestra después de la falla, incluso si los wythes ya no están separados. Sin embargo, este paso (paso 2.6) es opcional.
7. Coloque la célula de carga centrada en la parte superior del medio wythe, intercalada entre dos placas de acero de 20 mm x 150 mm x 150 mm. Asegúrese de que las placas de acero no sobresalgan del centro para no interferir con el aislamiento durante la deformación de la muestra.
8. Conecte los sensores de carga y desplazamiento al sistema de adquisición de datos (DAQ).
9. Comience la recopilación de datos utilizando una frecuencia de muestreo de al menos 10 Hz para garantizar que la carga y el desplazamiento se registren correctamente.
10. Cargue la muestra en el centro hasta que se haya alcanzado el desplazamiento realista máximo y la fuerza haya disminuido sustancialmente; Después de que se haya perdido el 50% de la carga, se recomienda detener la prueba, aunque esto es arbitrario. Si se desea información adicional a lo largo de la rama descendente, utilice cualquier deformación deseada. Aplique la carga de una manera monótona y casi estática que sea lo suficientemente rápida como para que el conector y la fluencia del concreto no interfieran con los resultados de la prueba, pero no tan rápido como para que ya no pueda considerarse estática, a menos que una alta tasa de carga sea la variable de interés de prueba.
    NOTA: Esto indicaría que la prueba debería tomar en el orden de 5 minutos a quizás varias horas. Se han encontrado resultados adecuados utilizando una bomba manual hidráulica con una duración de prueba del orden de 5-10 min.
11. Detenga la adquisición de datos y retraiga el aparato de aplicación de carga a la posición original.
12. Retire todos los sensores y guárdelos en un lugar seguro, como se indicó anteriormente.
13. Mueva la muestra probada a un área limpia y separe las tres capas de concreto para identificar el tipo de falla: ruptura de concreto, falla de corte del conector u otra. Registre el modo de falla, la calidad de la unión de aislamiento y cualquier otra información visual pertinente. Recuerde tomar fotografías.

3. Analizar los datos y reportar los resultados

NOTA: Esta sección describe el análisis de datos para evaluar varias propiedades de ingeniería que se han utilizado en la literatura. Otras propiedades de ingeniería pueden ser de interés, y la utilidad de los datos no se limita a las propiedades a continuación.

1. Transfiera los archivos de datos resultantes de las pruebas desde el DAQ a la computadora / carpeta donde se realiza el análisis de datos.
2. Trazar el promedio de los cuatro sensores de desplazamiento en la abscisa con la carga del conector en la ordenada (definida como la carga medida dividida por el número de conectores).
   NOTA: El usuario del método experimental debe revisar los datos en busca de sensores defectuosos o mediciones poco fiables antes de promediarlos e informarlos.
3. Encuentre la carga máxima y su desplazamiento correspondiente utilizando la función adecuada del software de análisis de datos y almacene estos valores como F_u y δ_u, respectivamente.
4. Divida la carga máxima entre 2 para obtener la fuerza media máxima, F_0.5Fu, y encuentre su desplazamiento correspondiente δ_0.5.
5. Encuentra la rigidez elástica (K 0.5Fu) del conector dividiendo la fuerza media máxima, F_0.5Fu, por el desplazamiento a la fuerza semimáxima, δ_0.5. Si el F_0.5Fu no está en la parte generalmente elástica de la prueba, seleccione una carga más baja que obviamente esté en la región e informe el número. Si se utiliza un valor más bajo, asegúrese de documentar la fracción de F_u y la magnitud de fuerza correspondiente.
   NOTA: Actualmente, el extremo de la línea K_0.5Fu es utilizado por algunos diseñadores como un límite superior para las fuerzas de servicio en el conector.
6. Informe los resultados promedio de cinco muestras para cada marca, tipo o resistencia del concreto muestreado.
   NOTA: Los resultados informados son válidos solo para la combinación específica de concreto wythe, aislamiento wythe, resistencia del concreto y conector seleccionado.

Resultados

La Figura 8 y la Figura 9A muestran una carga típica por conector frente a la curva de desplazamiento promedio resultante de una prueba de doble cizallamiento de un conector de polímero reforzado con fibra (FRP) en el laboratorio. Como muestran las figuras, la carga aumenta constantemente hasta el punto máximo y luego disminuye drásticamente, lo que generalmente se observa en la mayoría de las pruebas con polímeros. Sin embargo, como sugiere la Figura 9B, ...

Discusión

Muchos investigadores han utilizado alguna variación de este tipo de prueba para ICSWP, pero esta es la primera instancia de delinear todos los pasos individuales. La literatura no aborda los pasos críticos en las pruebas, incluidos los tipos de sensores y el manejo de muestras. Este método describe una forma de prueba que imita más de cerca el comportamiento de los conectores cuando un panel se carga en flexión en comparación con la prueba de corte único. Hay varias variables para este trabajo que aún no se han ...

Materiales

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.