Détermination des propriétés mécaniques des connecteurs flexibles pour utilisation dans les panneaux muraux en béton isolés

Résumé

Nous proposons un protocole d’essai qui peut être combiné avec des méthodes analytiques largement disponibles pour évaluer les propriétés mécaniques des connecteurs de cisaillement à utiliser dans la conception de panneaux muraux en béton isolés afin de prédire le comportement des panneaux isolés à grande échelle.

Résumé

Le présent document contient des recommandations pour la réalisation d’un essai de double cisaillement non standard adapté aux panneaux muraux sandwich en béton isolés continus et discrets (ICSWP). Un tel test standardisé n’existe pas, mais plusieurs itérations de ce test et d’autres tests similaires ont été effectuées dans la littérature avec plus ou moins de succès. De plus, les essais dans la littérature sont rarement, voire jamais, décrits en détail ou discutés en détail en ce qui concerne les essais, l’analyse des données ou les procédures de sécurité. Une configuration d’échantillon d’essai est recommandée dans le présent document, et les variantes sont discutées. Les propriétés mécaniques importantes sont identifiées à partir des données de charge par rapport au déplacement, et leur extraction est détaillée. L’utilisation de données d’essai pour la conception, par exemple pour déterminer la rigidité des connecteurs, est brièvement démontrée pour montrer comment la déviation ICSWP et le comportement à la fissuration peuvent être calculés. Le comportement de résistance des panneaux peut être déterminé à l’aide de la courbe de charge complète en fonction du déplacement ou uniquement de l’intensité maximale du connecteur. Les lacunes et les inconnues sont reconnues, et d’importants travaux futurs sont définis.

Introduction

Les panneaux muraux sandwich en béton isolé (ICSWP) comprennent une couche d’isolant placée entre deux couches de béton, souvent appelées wythes, qui fournissent en synergie un composant thermiquement et structurellement efficace pour les enveloppes de bâtiment ou les panneaux porteurs 1 (Figure 1). Pour s’adapter à l’évolution rapide de l’industrie de la construction et aux nouveaux règlements du code du bâtiment sur l’efficacité thermique, les préfabricants fabriquent des ICSWP avec des couches de béton plus minces et des couches d’isolation plus épaisses avec une résistance thermique plus élevée; De plus, les concepteurs utilisent des méthodes plus raffinées pour tenir compte de l’interaction partiellement composite des Wythes en béton afin de réduire les coûts globaux de construction tout en augmentant les performances thermiques et structurelles². Bien que l’on sache que l’efficacité structurelle dépend en grande partie de la connexion structurelle entre les couches de béton et que plusieurs connecteurs de cisaillement exclusifs sont disponibles sur le marché, il n’existe aucun protocole d’essai normalisé dans la littérature pour examiner les propriétés mécaniques de ces connecteurs. Les connecteurs disponibles varient considérablement dans leur géométrie, leurs matériaux et leur fabrication, il est donc difficile d’obtenir une approche analytique unifiée pour déterminer leurs propriétés mécaniques. Pour cette raison, de nombreux chercheurs ont utilisé leurs propres configurations personnalisées en laboratoire qui tentent d’imiter le comportement fondamental des connecteurs aux états limites de service et de résistance 3,4,5,6,7,8,9,10. Cependant, seuls deux d’entre eux font partie d’un schéma d’évaluation des tests^5,8, bien qu’ils ne soient pas utiles pour toutes les gammes de connecteurs en raison de leur grande variation de forme, de rigidité et de composition matérielle.

Figure 1 : Composition typique d’un échantillon de panneau mural sandwich. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Une méthode courante pour tester ces connecteurs est ce que l’on appelle souvent un cisaillement simple avec une rangée ou deux rangées de connecteurs, comme décrit précédemment 3,11,12, qui est souvent basé sur ASTM E488^, une norme d’essai d’ancrage en béton ¹³. La norme ASTM E488 n’exige pas, mais implique fortement par des dessins des configurations d’essai suggérées, qu’un seul ancrage dépassant d’une base fixe de béton sera testé. Une fois les éprouvettes testées, un ensemble de courbes charge en fonction du déplacement est tracé, et les valeurs moyennes de la charge élastique ultime (F_u) et de la rigidité élastique (K_0,5Fu) sont obtenues à partir de ces courbes. L’un des principaux avantages de l’utilisation de cette approche est qu’elle produit des résultats à faible variabilité et ne nécessite pas de grands espaces de laboratoire ou de nombreux capteurs¹⁴. Une approche différente consiste à charger un connecteur wythe en double cisaillement pour déterminer les propriétés mécaniques à utiliser dans la conception de ces panneaux 6,7,14,15,16. Les données résultantes sont traitées de la même manière, et les valeurs moyennes de la charge élastique ultime (F_u) et de la rigidité élastique (K_0,5Fu) sont obtenues à partir des essais. Bien que cette approche de test implique l’utilisation de plus de matériau et nécessite plus de capteurs, il est anecdotique plus facile d’appliquer les conditions de charge et aux limites dans un laboratoire.

Les deux styles de test ne semblent pas radicalement différents, mais produisent des résultats différents en grande partie en fonction de leur capacité à imiter le comportement du connecteur dans un panneau à grande échelle. La configuration d’essai à cisaillement unique et à rangée unique produit une action de pincement, comme illustré à la figure 2B,C, et un moment de retournement supplémentaire, comme décrit précédemment^14,17, qui ne serait pas présent dans un panneau à pleine échelle. Le double cisaillement imite mieux ce comportement à grande échelle - il modélise la translation de cisaillement pure des wythes extérieures par rapport à la wythe centrale. En conséquence, il a été démontré que les valeurs de double cisaillement utilisées dans les méthodes d’analyse produisent des résultats plus proches de ceux obtenus lors d’essais à grande échelle de panneaux muraux isolés représentatifs¹⁴. La figure 3 montre la configuration de test schématique pour les tests de cisaillement simple et double d’un connecteur.

Figure 2 : Exemples de différentes configurations de test de connecteurs utilisées dans la littérature. Il a été démontré que les échantillons à connecteur unique provoquent une charge qui ne représente pas la translation parallèle des wythes observée dans les panneaux à pleine échelle. A) Double cisaillement avec deux connecteurs; B) Double cisaillement avec un connecteur; (C) Cisaillement unique avec un connecteur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Un dénominateur commun aux conclusions de toutes ces études est que les deux méthodologies d’essai sont appropriées pour déterminer les propriétés mécaniques des connecteurs flexibles, mais les résultats du schéma d’essai à double cisaillement ressemblent davantage au comportement du connecteur dans un panneau réel sous flexion. En d’autres termes, lorsque l’utilisateur utilise de tels résultats de test dans un modèle analytique, ils correspondent étroitement aux résultats de tests à grande échelle où les connecteurs sont utilisés. Il est important de mentionner que les résultats de ces essais sont appropriés pour les modèles qui s’appuient directement sur les propriétés mécaniques comme paramètres de conception d’entrée, tels que les méthodes dérivées empiriquement, les solutions de forme fermée de la théorie des faisceaux sandwich et les modèles d’éléments finis avec ressorts 2D et 3D 7,18,19,20.

Figure 3 : Vue schématique des protocoles de test dans la littérature. Un bélier est utilisé pour traduire les wythes des spécimens les uns par rapport aux autres. (A) Protocoles d’essai à cisaillement simple et (B) à double cisaillement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Dans ce travail, un protocole expérimental pour obtenir les valeurs de la courbe de l’épine dorsale et les propriétés mécaniques des connecteurs de panneaux muraux isolés, à savoir F_u et K_0.5Fu, est présenté. La méthode est basée sur le test des connecteurs à l’aide d’une approche d’essai à double cisaillement avec quelques modifications pour éliminer les sources de variabilité et produire des résultats plus fiables. Tous les échantillons sont construits dans un environnement à température contrôlée, où ils sont testés lorsque le béton atteint la résistance à la compression cible. Le principal avantage de ce protocole de test est qu’il peut être facilement suivi, peut être reproduit par différents techniciens et décrit de près le comportement réel du connecteur wythe dans un panneau mural en béton réel et isolé sous flexion ou flexion et force axiale combinées, comme cela a été montré dans la littérature.

L’application du protocole d’essai de connecteurs wythe suggéré pour déterminer les propriétés mécaniques et le comportement des matériaux améliorera la précision des résultats des tests pour l’industrie des panneaux muraux en béton isolé et réduira les obstacles pour les entrepreneurs intéressés par la création de nouveaux connecteurs innovants. La forte augmentation future de la construction de panneaux isolés dans les industries du béton basculant et préfabriqué nécessitera une meilleure utilisation des matériaux et des méthodes plus unifiées pour obtenir les propriétés techniques des panneaux.

Protocole

1. Fabrication de l’échantillon d’essai

1. Sélectionnez le connecteur de cisaillement discret ou continu à tester et respectez les dimensions de l’échantillon indiquées à la figure 4. Modifiez les dimensions pour tester les jeux de distance d’arête si nécessaire en modifiant la distance d’arête du connecteur.
   REMARQUE : En règle générale, il est important de respecter les directives du fabricant, bien que ce test puisse être utilisé pour élaborer ces lignes directrices. Les dimensions du béton et de l’isolation seront dictées par le connecteur d’intérêt. Les propriétés mécaniques de l’essai ne sont valables que pour cette combinaison spécifique de dimensions, de résistance du béton, de densité et de type d’isolation et de connecteur.
2. Indiquer la résistance à la compression cible du béton représentatif de la situation de conception d’intérêt. Si vous essayez de modéliser les résultats d’essais en vraie grandeur, assurez-vous que la résistance du béton est la même que celle de l’échantillon grandeur nature ou de la conception prévue au moment de l’essai. Si vous ciblez un certain scénario, comme la résistance minimale pour le levage du panneau, effectuez le test à cette force.
3. Fabriquez le coffrage de béton en utilisant une disposition verticale ou horizontale des couches de béton. Assurez-vous que les tests correspondent au style de construction afin que l’installation des connecteurs corresponde à la situation sur le terrain.
   REMARQUE : La plupart des ICSWP en service sont fabriqués avec une disposition horizontale de chaque couche.
4. Perforer l’isolant en mousse (pour les attaches de type goupille) ou orienter les pièces isolantes (pour les attaches installées à soudure) et placer les connecteurs aux endroits indiqués dans les dessins standard fournis par le fabricant. Placez les connecteurs en utilisant l’orientation souhaitée par l’installation d’essai pour recueillir les propriétés (par exemple, un angle de 0° ou 90° ou autre par rapport à l’axe fort et à la charge appliquée).
   REMARQUE : L’installation des connecteurs doit être conforme aux indications du fabricant/fournisseur, sauf si l’installation est une variable d’essai d’intérêt.
5. Placer la première couche d’armature en acier dans les coffrages pour empêcher l’échantillon de se fragiliser si les pièces de béton se fissurent pendant la manipulation ou les essais.
   REMARQUE : Comme les éprouvettes se fissurent rarement en raison des charges appliquées, on ne pense pas qu’une armature légère soit nécessaire, à moins qu’on s’attende à ce qu’elle participe à l’adhérence du connecteur au béton. La figure 5 montre l’organisation des étapes 1.5 à 1.14 tout au long du processus.
6. Si toutes les couches de béton ne peuvent pas être placées en temps opportun avant la pose initiale du béton, coulez les couches à au moins 3 heures d’intervalle ou selon les recommandations du fabricant du connecteur.
   NOTE: Les étapes 1.7 à 1.14 indiquent la mise en place consécutive du béton.
7. Versez le béton frais dans les coffrages et vibrez adéquatement pour éviter la formation de grands vides d’air dans le béton ou le mauvais compactage des particules.
8. Placez la première couche isolante contenant les connecteurs ou poussez-les dans la mousse, selon le cas. Placez la couche isolante de manière à ce qu’elle entre en contact avec le béton frais. Pour vous assurer que le béton est consolidé autour des connecteurs, faites vibrer le connecteur avec un vibrateur interne en béton à 12 000 alternances / min, sauf indication contraire du fabricant du connecteur.
   REMARQUE: Vibrer pendant 2-5 s est suffisant pour assurer la consolidation autour des connecteurs.
9. Placez une ancre de levage d’une capacité de 1 tonne (ou plus forte selon le poids final de l’échantillon) dans la couche intermédiaire du béton pour faciliter la manipulation.
10. Placez la deuxième couche d’armature en acier dans les formes au centre de la wythe centrale.
11. Versez la deuxième couche de béton frais dans les coffrages et consolidez adéquatement le béton comme décrit ci-dessus.
12. Placez la deuxième couche isolante contenant les connecteurs ou installez-les dans la mousse, comme décrit à l’étape 1.4. Assurez-vous soigneusement que le béton est consolidé autour des connecteurs.
13. Placez la troisième couche d’armature en acier dans les coffrages au centre de la troisième couche de béton.
14. Versez la troisième et dernière couche de béton frais dans les coffrages et vibrez adéquatement.
15. Fabriquer des cylindres de béton pour chaque béton utilisé dans la construction des échantillons aux fins de la documentation de la résistance à la compression.
    NOTA : Cette étape peut être complétée à tout moment pendant la construction des échantillons, mais elle est recommandée à mi-chemin de la mise en place d’un lot donné. La préparation des cylindres et le durcissement sur le terrain doivent être conformes à la norme ASTM C31²¹.
16. Durcir les échantillons dans un environnement à température contrôlée jusqu’à ce que le béton ait atteint la résistance désirée. Retirez les spécimens des coffrages une fois que le béton a suffisamment durci pour la quincaillerie de levage.

2. Test de l’échantillon à double cisaillement

NOTA: La figure 6 montre une disposition représentative de l’échantillon d’essai prêt à être testé (sangle à cliquet non illustrée).

1. Apportez l’échantillon au laboratoire pour l’échantillonnage lorsque le béton utilisé pour fabriquer les échantillons a atteint la résistance désirée.
   NOTE: Les essais de résistance à la compression doivent suivre la norme ASTM C39²². La température ambiante doit rester relativement constante pendant l’essai physique, la température suggérée étant comprise entre 25 °C ± 5 °C, et pendant l’essai et l’entreposage des échantillons. La plage de température d’essai n’est pas destinée à être rigoureusement contrôlée car les propriétés des matériaux concernés ne doivent pas varier de manière significative avec les températures ambiantes typiques.
2. Placer deux bandes de tampon en polytétrafluoroéthylène (PTFE) de 3 mm x 100 mm x 600 mm au bas des bandes extérieures en béton pour minimiser le frottement pendant les essais.
3. Placer l’échantillon sous le cadre de chargement avec la couche de béton centrale centrée sous l’appareil de chargement. Utilisez un vérin hydraulique ou une grande machine d’essai universelle pour appliquer la charge au sommet de la rampe médiane, en prenant soin de répartir la charge avec une plaque d’appui suffisamment grande pour éviter une défaillance du roulement pour les charges attendues.
4. Fixez l’angle d’acier à la largeur centrale avec une vis en béton ou en maçonnerie. Créer une séparation d’au moins 5 mm entre l’angle d’acier et la surface du béton à l’aide de rondelles en acier ou en plastique pour empêcher l’angle d’interagir autrement avec l’échantillon (figure 6).
5. Fixez les capteurs de déplacement aux deux wythes extérieures, sur les côtés opposés de l’échantillon (quatre au total), pour mesurer le mouvement de l’angle de l’acier par rapport à leur position fixe sur la wythe extérieure.
   REMARQUE: Les capteurs de déplacement recommandés sont des transducteurs différentiels variables linéaires ou des potentiomètres. Les capteurs doivent toujours être stockés dans un boîtier sec exempt de poussière, d’humidité et d’effets magnétiques pour éviter toute perte d’étalonnage. Les jauges à cadran analogiques ne sont pas recommandées.
6. Placez une sangle en nylon de 50 mm de large autour de la partie supérieure de l’échantillon pour vous assurer qu’une rupture inattendue du connecteur fragile ne causera aucun dommage à l’environnement, y compris des dommages au technicien et aux capteurs. Assurez-vous que la sangle est suffisamment lâche pour ne pas interférer avec le déplacement de l’échantillon, comme le montre la figure 7.
   NOTE: La sangle empêchera les wythes de se séparer complètement et facilitera le retrait de l’échantillon après défaillance même si les wythes ne sont plus séparées. Toutefois, cette étape (étape 2.6) est facultative.
7. Placez le capteur de pesage centré sur le dessus de la mèche médiane, pris en sandwich entre deux plaques d’acier de 20 mm x 150 mm x 150 mm. Veiller à ce que les plaques d’acier ne surplombent pas la paroi centrale afin de ne pas gêner l’isolation lors de la déformation de l’échantillon.
8. Branchez les capteurs de charge et de déplacement dans le système d’acquisition de données (DAQ).
9. Commencez la collecte de données en utilisant une fréquence d’échantillonnage d’au moins 10 Hz pour vous assurer que la charge et le déplacement sont correctement enregistrés.
10. Charger l’échantillon dans la largeur centrale jusqu’à ce que le déplacement maximal réaliste ait été atteint et que la résistance ait considérablement diminué; Après que 50% de la charge a été perdue, l’arrêt du test est recommandé, bien que cela soit arbitraire. Si des informations supplémentaires le long de la branche descendante sont souhaitées, utilisez la déformation souhaitée. Appliquer la charge d’une manière monotone et quasi statique qui est suffisamment rapide pour que le connecteur et le fluage du béton n’interfèrent pas avec les résultats de l’essai, mais pas si vite qu’il ne puisse plus être considéré comme statique, sauf si un taux de charge élevé est la variable d’essai d’intérêt.
    NOTE: Cela indiquerait que le test devrait durer de l’ordre de 5 minutes à peut-être plusieurs heures. Des résultats adéquats ont été obtenus en utilisant une pompe manuelle hydraulique d’une durée d’essai de l’ordre de 5 à 10 minutes.
11. Arrêtez l’acquisition de données et rétractez l’appareil d’application de charge à sa position initiale.
12. Retirez tous les capteurs et rangez-les dans un endroit sûr, comme indiqué ci-dessus.
13. Déplacez l’échantillon testé dans une zone propre et séparez les trois couches de béton pour identifier le type de défaillance : rupture du béton, rupture de cisaillement du connecteur ou autre. Notez le mode de défaillance, la qualité de la liaison d’isolation et toute autre information visuelle pertinente. N’oubliez pas de prendre des photos.

3. Analyse des données et communication des résultats

REMARQUE : Cette section décrit l’analyse des données pour évaluer plusieurs propriétés techniques qui ont été utilisées dans la littérature. D’autres propriétés techniques peuvent être intéressantes, et l’utilité des données ne se limite pas aux propriétés ci-dessous.

1. Transférez les fichiers de données résultant des tests du DAQ vers l’ordinateur/dossier où l’analyse des données est effectuée.
2. Tracer la moyenne des quatre capteurs de déplacement sur l’abscisse avec la charge du connecteur en ordonnée (définie comme la charge mesurée divisée par le nombre de connecteurs).
   REMARQUE : L’utilisateur de la méthode expérimentale doit examiner les données pour détecter tout capteur défectueux ou toute mesure peu fiable avant de faire la moyenne et de les rapporter.
3. Trouvez la charge maximale et son déplacement correspondant à l’aide de la fonction appropriée du logiciel d’analyse de données et stockez ces valeurs sous forme F u et δ_u, respectivement.
4. Divisez la charge maximale par 2 pour obtenir la demi-force maximale, F_0,5Fu, et trouvez son déplacement correspondant δ_0,5.
5. Trouvez la rigidité élastique (K 0,5Fu) du connecteur en divisant la force demi-maximale, F 0,5Fu, par le déplacement à la demi-force maximale, δ _0,5. Si le F_0,5Fu n’est pas dans la partie généralement élastique de l’essai, sélectionnez une charge inférieure qui se trouve manifestement dans la région et indiquez le nombre. Si une valeur inférieure est utilisée, assurez-vous de documenter la fraction de F_u et l’amplitude de force correspondante.
   REMARQUE: Actuellement, l’extrémité de la ligne K_0.5Fu est utilisée par certains concepteurs comme limite supérieure pour les forces de service dans le connecteur.
6. Rapportez les résultats moyens de cinq échantillons pour chaque marque, type ou résistance du béton échantillonné.
   REMARQUE : Les résultats rapportés ne sont valides que pour la combinaison spécifique de béton, d’isolant, de résistance du béton et de connecteur sélectionnée.

Résultats

Les figures 8 et 9A montrent une charge typique par connecteur par rapport à la courbe de déplacement moyenne résultant d’un essai de double cisaillement d’un connecteur en polymère renforcé de fibres (PRF) en laboratoire. Comme le montrent les figures, la charge augmente régulièrement jusqu’au point maximal, puis diminue considérablement, ce qui est généralement observé dans la plupart des essais impliquant des polymères. Cependant, comme le s...

Discussion

De nombreux chercheurs ont utilisé une variante de ce type de test pour l’ICSWP, mais c’est la première fois qu’il décrit toutes les étapes individuelles. La documentation ne traite pas des étapes critiques des essais, y compris les types de capteurs et la manipulation des échantillons. Cette méthode décrit une méthode de test qui imite plus étroitement le comportement des connecteurs lorsqu’un panneau est chargé en flexion par opposition au test de cisaillement unique. Il y a plusieurs variables pour ...

matériels

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.