Determinação das Propriedades Mecânicas de Conectores Flexíveis para Uso em Painéis de Parede de Concreto Isolado

Resumo

Propomos um protocolo de teste que pode ser combinado com métodos analíticos amplamente disponíveis para avaliar as propriedades mecânicas de conectores de cisalhamento para uso no projeto de painéis de parede de concreto isolados para prever o comportamento do painel isolado em grande escala.

Resumo

Este documento contém recomendações para a realização de um teste de cisalhamento duplo não padronizado adequado para painéis de parede sanduíche de concreto isolado contínuo e discreto (ICSWPs). Tal teste padronizado não existe, mas várias iterações deste e de testes similares foram realizadas na literatura em diferentes graus de sucesso. Além disso, os testes na literatura são raramente, ou nunca, descritos em detalhes ou discutidos longamente com relação aos testes, análise de dados ou procedimentos de segurança. Uma configuração de amostra de teste é recomendada neste documento, e as variações são discutidas. Propriedades mecânicas importantes são identificadas a partir dos dados de carga versus deslocamento, e sua extração é detalhada. O uso de dados de teste para o projeto, como para determinar a rigidez dos conectores, é brevemente demonstrado para mostrar como o comportamento de deflexão e rachadura do ICSWP pode ser calculado. O comportamento de resistência dos painéis pode ser determinado usando a curva de carga total versus deslocamento ou apenas a força máxima do conector. Deficiências e incógnitas são reconhecidas, e trabalhos futuros significativos são delineados.

Introdução

Os painéis de parede sanduíche de concreto isolado (ICSWPs) compreendem uma camada de isolamento colocada entre duas camadas de concreto, muitas vezes chamadas de wythes, que fornecem sinergicamente um componente térmica e estruturalmente eficiente para a construção de envelopes ou painéis de suporte de carga 1 (Figura 1). Para se adaptar à indústria da construção em rápida mudança e aos novos regulamentos do código de construção sobre eficiência térmica, os pré-moldadores estão fabricando ICSWPs com camadas de concreto mais finas e camadas de isolamento mais espessas com maior resistência térmica; além disso, os projetistas estão usando métodos mais refinados para levar em conta a interação parcialmente composta das wythes de concreto para reduzir os custos gerais de construção, aumentando o desempenho térmico e estrutural². Embora se saiba que a eficiência estrutural depende em grande parte da conexão estrutural entre as camadas de concreto e que vários conectores de cisalhamento proprietários estão disponíveis no mercado, não existe nenhum protocolo de teste padronizado na literatura para examinar as propriedades mecânicas desses conectores. Os conectores disponíveis variam muito em sua geometria, materiais e fabricação, por isso é difícil obter uma abordagem analítica unificada para determinar suas propriedades mecânicas. Por esse motivo, muitos pesquisadores usaram suas próprias configurações personalizadas em laboratório que tentam imitar o comportamento fundamental dos conectores no serviço e os estados de limite de força 3,4,5,6,7,8,9,10. No entanto, apenas dois deles fazem parte de um esquema de avaliação de testes^5,8, apesar de não serem úteis para todas as faixas de conectores devido à sua grande variação de forma, rigidez e composição de materiais.

Figura 1: Composição típica de um espécime de painel de parede sanduíche. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um método comum para testar esses conectores é o que é frequentemente chamado de cisalhamento único com uma linha ou duas fileiras de conectores, conforme descrito anteriormente 3,11,12, que geralmente é baseado no ASTM E488^, um padrão de teste de âncora de concreto ¹³. A ASTM E488 não exige, mas implica fortemente através de desenhos das configurações de teste sugeridas, que uma única âncora saliente de uma base fixa de concreto será testada. Uma vez que os corpos de prova são testados, um conjunto de curvas de carga versus deslocamento é plotado, e os valores médios da carga elástica final (F_u) e da rigidez elástica (K_0,5Fu) são obtidos a partir dessas curvas. Uma das principais vantagens do uso dessa abordagem é que ela produz resultados de baixa variabilidade e não requer grandes espaços de laboratório ou muitos sensores¹⁴. Uma abordagem diferente consiste em carregar um conector wythe em cisalhamento duplo para determinar as propriedades mecânicas para uso no projeto desses painéis 6,7,14,15,16. Os dados resultantes são processados da mesma forma, e os valores médios da carga elástica final (F_u) e da rigidez elástica (K_0,5Fu) são obtidos a partir do teste. Embora essa abordagem de teste envolva o uso de mais material e precise de mais sensores, é curiosamente mais fácil aplicar as condições de carga e limite em um laboratório.

Os dois estilos de teste não parecem dramaticamente diferentes, mas produzem resultados diferentes em grande parte com base em sua capacidade de imitar o comportamento do conector em um painel em grande escala. A configuração de teste de tesoura única e linha única produz uma ação de beliscar, conforme exibido na Figura 2B,C, e um momento de virada adicional, como descrito anteriormente^14,17, que não estaria presente em um painel em escala real. O cisalhamento duplo faz um trabalho melhor de imitar esse comportamento em grande escala - ele modela a tradução de cisalhamento puro dos wythes externos em relação ao wythe central. Como resultado, os valores de duplo cisalhamento empregados em métodos analíticos demonstraram produzir resultados mais próximos daqueles obtidos em testes em larga escala de painéis de parede isolados representativos¹⁴. A Figura 3 mostra a configuração de teste esquemática para o teste de cisalhamento simples e duplo de um conector.

Figura 2: Exemplos de diferentes configurações de teste de conectores empregadas na literatura. Demonstrou-se que espécimes de conector único causam carga que não representa a tradução paralela de wythes vistos em painéis em escala real. (A) Duplo cisalhamento com dois conectores; (B) Duplo cisalhamento com um conector; (C) Cisalhamento único com um conector. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Um denominador comum das conclusões de todos esses estudos é que ambas as metodologias de teste são apropriadas para determinar as propriedades mecânicas de conectores flexíveis, mas os resultados do esquema de teste de cisalhamento duplo se assemelham mais ao comportamento do conector em um painel real sob flexão. Em outras palavras, quando o usuário emprega tais resultados de teste em um modelo analítico, eles correspondem de perto aos resultados de testes em larga escala onde os conectores são usados. É importante mencionar que os resultados de tais ensaios são apropriados para modelos que se baseiam diretamente nas propriedades mecânicas como parâmetros de projeto de entrada, como métodos derivados empiricamente, soluções de forma fechada da teoria do feixe sanduíche e modelos de elementos finitos com molas 2-D e 3-D 7,18,19,20.

Figura 3: Visão esquemática dos protocolos de teste na literatura. Um carneiro é usado para traduzir os wythes dos espécimes em relação uns aos outros. (A) Protocolos de ensaio de cisalhamento simples e (B) de duplo cisalhamento. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Neste trabalho, é apresentado um protocolo experimental para obtenção dos valores da curva de backbone e das propriedades mecânicas dos conectores wythe do painel de parede isolada, a saber, F_u e K_0,5Fu. O método é baseado em conectores de teste usando uma abordagem de teste de cisalhamento duplo com algumas modificações para eliminar fontes de variabilidade e produzir resultados mais confiáveis. Todas as amostras são construídas em um ambiente com temperatura controlada, onde são testadas quando o concreto atinge a resistência à compressão alvo. A principal vantagem deste protocolo de teste é que ele pode ser facilmente seguido, pode ser replicado por diferentes técnicos e descreve de perto o comportamento real do conector wythe em um painel de parede de concreto real e isolado sob flexão ou flexão e força axial combinada, como tem sido demonstrado na literatura.

A aplicação do protocolo de teste de conector wythe sugerido para determinar as propriedades mecânicas e o comportamento do material aumentará a precisão dos resultados dos testes para a indústria de painéis de parede de concreto isolado e diminuirá as barreiras para os empresários interessados em criar novos conectores inovadores. O futuro grande aumento na construção de painéis isolados nas indústrias de concreto inclinado e pré-moldado exigirá um melhor uso de materiais e métodos mais unificados para obter propriedades de engenharia dos painéis.

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Protocolo

1. Fabricação da amostra de teste

1. Seleccione o conector de cisalhamento discreto ou contínuo a ensaiar e siga as dimensões da amostra indicadas na figura 4. Modifique as dimensões para as folgas de distância da borda de teste, se necessário, alterando a distância da borda do conector.
   NOTA: Geralmente, a adesão às diretrizes do fabricante é importante, embora esse teste possa ser usado para desenvolver essas diretrizes. As dimensões de concreto e isolamento serão ditadas pelo conector de interesse. As propriedades mecânicas do teste são válidas apenas para esta combinação específica de dimensões wythe, resistência do concreto, densidade e tipo de isolamento e conector.
2. Indicar a resistência à compressão alvo do concreto representativa da situação de projeto de interesse. Se tentar modelar os resultados dos ensaios em grande escala, certifique-se de que a resistência do betão é a mesma que a do provete à escala real ou do projecto pretendido no momento do ensaio. Se estiver visando um determinado cenário, como a força mínima para a elevação do painel, execute o teste nessa força.
3. Fabrice a fôrma de concreto usando um layout vertical ou horizontal das camadas de concreto. Certifique-se de que o teste corresponda ao estilo de construção para que a instalação dos conectores corresponda à situação em campo.
   NOTA: A maioria dos ICSWPs em serviço é fabricada com um layout horizontal de cada camada.
4. Perfurar o isolamento de espuma (para gravatas em estilo de pino) ou orientar as peças de isolamento (para laços instalados na costura) e colocar os conectores nos locais indicados nos desenhos padrão fornecidos pelo fabricante. Coloque os conectores usando a orientação que a instalação de teste deseja para reunir as propriedades (por exemplo, um ângulo de 0° ou 90° ou outro ângulo para o eixo forte e a carga aplicada).
   NOTA: A instalação dos conectores deve ser conforme indicado pelo fabricante/fornecedor, a menos que a instalação seja uma variável de teste de interesse.
5. Coloque a primeira camada de reforço de aço nas formas para evitar que a amostra falhe quebradiça se as peças de concreto racharem durante o manuseio ou teste.
   NOTA: Como os corpos de prova raramente racham devido a cargas aplicadas, não se pensa que a armadura suave seja necessária, a menos que se espere que participe da ligação do conector ao concreto. A Figura 5 mostra a organização das etapas 1.5-1.14 ao longo do processo.
6. Se todas as camadas de concreto não puderem ser colocadas em tempo hábil antes do conjunto inicial do concreto, fundir as camadas a uma distância mínima de 3 h ou de acordo com as recomendações do fabricante do conector.
   NOTA: As etapas 1.7-1.14 indicam a colocação consecutiva do concreto.
7. Despeje o concreto fresco nas formas e vibre adequadamente para evitar a formação de grandes vazios de ar no concreto ou a compactação pobre de partículas.
8. Coloque a primeira camada de isolamento que contém os conectores ou empurre-os para dentro da espuma, conforme apropriado. Coloque a camada de isolamento para que ela entre em contato com o concreto fresco. Para garantir que o concreto seja consolidado ao redor dos conectores, vibre o conector com um vibrador interno de concreto a 12.000 vibrações/min, a menos que recomendado de outra forma pelo fabricante do conector.
   NOTA: Vibrar por 2-5 s é suficiente para garantir a consolidação em torno dos conectores.
9. Coloque uma âncora de elevação de capacidade de 1 tonelada (ou mais forte, dependendo do peso final da amostra) na camada intermediária do concreto para facilitar o manuseio.
10. Coloque a segunda camada de reforço de aço nas formas no centro do centro wythe.
11. Despeje a segunda camada de concreto fresco nas formas e consolide adequadamente o concreto conforme descrito acima.
12. Coloque a segunda camada de isolamento que contém os conectores ou instale-os na espuma, conforme descrito na etapa 1.4. Certifique-se cuidadosamente de que o concreto esteja consolidado em torno dos conectores.
13. Coloque a terceira camada de armadura de aço nas formas no centro da terceira camada de concreto.
14. Despeje a terceira e última camada de concreto fresco nas formas e vibre adequadamente.
15. Faça cilindros de concreto para cada concreto usado na construção dos corpos de prova para fins de documentação de resistência à compressão.
    NOTA: Esta etapa pode ser concluída a qualquer momento durante a construção dos espécimes, mas é recomendada na metade da colocação de um determinado lote. A preparação do cilindro e a cura em campo devem seguir a norma ASTM C31²¹.
16. Curar os corpos de prova em um ambiente com temperatura controlada até que o concreto atinja a resistência desejada. Tire os espécimes das formas uma vez que o concreto tenha endurecido adequadamente para o hardware de elevação.

2. Ensaio da amostra de duplo cisalhamento

NOTA: A figura 6 mostra uma disposição representativa da amostra de ensaio pronta a ser ensaiada (correia de catraca não retratada).

1. Leve a amostra ao laboratório para amostragem quando o concreto usado para fabricar as amostras tiver atingido a resistência desejada.
   NOTA: O ensaio de resistência à compressão deve seguir a norma ASTM C39²². A temperatura ambiente deve permanecer relativamente constante durante o ato físico de ensaio, sendo sugerida a temperatura de 25 °C ± 5 °C, e durante o ensaio e armazenamento dos provetes. A faixa de temperatura de teste não se destina a ser rigorosamente controlada, pois as propriedades dos materiais envolvidos não devem variar significativamente com as temperaturas ambientes típicas.
2. Coloque duas tiras de almofada de politetrafluoroetileno (PTFE) de 3 mm x 100 mm x 600 mm na parte inferior das wythes externas de concreto para minimizar o atrito durante o teste.
3. Coloque o corpo de prova sob a estrutura de carga com a camada média de concreto centralizada sob o aparelho de carga. Use um aríete hidráulico ou uma grande máquina de teste universal para aplicar a carga na parte superior do meio wythe, tomando o cuidado de espalhar a carga com uma placa de rolamento que seja suficientemente grande para evitar uma falha no rolamento para as cargas esperadas.
4. Prenda o ângulo de aço ao wythe do meio com um parafuso de concreto ou alvenaria. Criar uma separação de pelo menos 5 mm entre o ângulo de aço e a superfície de concreto usando arruelas de aço ou plástico para evitar que o ângulo interaja de outra forma com a amostra (Figura 6).
5. Fixar os sensores de deslocamento às duas wythes exteriores, em lados opostos da amostra (quatro no total), para medir o movimento do ângulo de aço em relação à sua posição fixa na wythe exterior.
   NOTA: Os sensores de deslocamento recomendados são transdutores diferenciais lineares variáveis ou potenciômetros. Os sensores devem sempre ser armazenados em um estojo seco e livre de poeira, umidade e efeitos magnéticos para evitar a perda de calibração. Medidores de discagem analógicos não são recomendados.
6. Coloque uma correia de nylon de 50 mm de largura frouxamente ao redor da parte superior da amostra para garantir que uma quebra inesperada do conector quebradiço não cause nenhum dano ao ambiente, incluindo danos ao técnico e aos sensores. Certifique-se de que a correia esteja solta o suficiente para não interferir no deslocamento da amostra, como mostra a Figura 7.
   NOTA: A precinta impedirá a separação completa das wythes e facilitará a remoção da amostra após a falha, mesmo que as wythes não estejam mais separadas. No entanto, esta etapa (etapa 2.6) é opcional.
7. Coloque a célula de carga centralizada no topo da wythe do meio, entre duas chapas de aço de 20 mm x 150 mm x 150 mm. Certifique-se de que as chapas de aço não sobreponham o centro wythe para não interferir com o isolamento durante a deformação da amostra.
8. Conecte os sensores de carga e deslocamento ao sistema de aquisição de dados (DAQ).
9. Inicie a coleta de dados usando uma taxa de amostragem de pelo menos 10 Hz para garantir que a carga e o deslocamento sejam registrados corretamente.
10. Carregar o provete no centro até que o deslocamento realista máximo tenha sido atingido e a resistência tenha caído substancialmente; após 50% da carga ter sido perdida, recomenda-se a interrupção do teste, embora isso seja arbitrário. Se informações adicionais ao longo do ramo descendente forem desejadas, use qualquer deformação desejada. Aplique o carregamento de forma monotônica e quase estática que seja rápida o suficiente para que o conector e a fluência do concreto não interfiram nos resultados do teste, mas não tão rápido que não possa mais ser considerado estático, a menos que uma alta taxa de carga seja a variável de teste de interesse.
    NOTA: Isso indicaria que o teste deve levar na ordem de 5 min a talvez várias horas. Resultados adequados foram encontrados usando uma bomba manual hidráulica com uma duração de teste na ordem de 5-10 min.
11. Pare a aquisição de dados e retraia o aparelho de aplicação de carga para a posição original.
12. Remova todos os sensores e guarde-os em um local seguro, como indicado acima.
13. Mova a amostra testada para uma área limpa e separe as três camadas de concreto para identificar o tipo de falha: fuga de concreto, falha de cisalhamento do conector ou outra. Registre o modo de falha, a qualidade da ligação de isolamento e qualquer outra informação visual pertinente. Lembre-se de tirar fotografias.

3. Analisar os dados e relatar os resultados

NOTA: Esta seção descreve a análise de dados para avaliar várias propriedades de engenharia que têm sido usadas na literatura. Outras propriedades de engenharia podem ser de interesse, e a utilidade dos dados não se limita às propriedades abaixo.

1. Transfira os arquivos de dados resultantes do teste do DAQ para o computador/pasta onde a análise de dados é realizada.
2. Plote a média dos quatro sensores de deslocamento na abscissa com a carga do conector na ordenada (definida como a carga medida dividida pelo número de conectores).
   NOTA: O usuário do método experimental deve revisar os dados para quaisquer sensores defeituosos ou medições não confiáveis antes de calculá-los e relatá-los.
3. Encontre a carga máxima e seu deslocamento correspondente usando a função apropriada do software de análise de dados e armazene esses valores como F u e δ _u, respectivamente.
4. Divida a carga máxima por 2 para obter a força semi-máxima, F_0,5Fu, e encontre seu deslocamento correspondente δ_0,5.
5. Encontre a rigidez elástica (K 0,5Fu) do conector dividindo a força semi-máxima, F 0,5Fu, pelo deslocamento na força semi-máxima, δ _0,5. Se o F_0,5Fu não estiver na parte geralmente elástica do teste, selecione uma carga mais baixa que esteja obviamente na região e informe o número. Se um valor mais baixo for usado, certifique-se de documentar a fração de F_u e a magnitude correspondente da força.
   NOTA: Atualmente, o final da linha K_0.5Fu é usado por alguns projetistas como um limite superior para forças de serviço no conector.
6. Relate os resultados médios de cinco amostras para cada marca, tipo ou resistência do concreto amostrado do conector.
   NOTA: Os resultados relatados são válidos apenas para a combinação específica de wythe de concreto, wythe de isolamento, resistência do concreto e conector selecionado.

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Resultados

A Figura 8 e a Figura 9A mostram uma carga típica por conector versus a curva de deslocamento média resultante de um teste de cisalhamento duplo de um conector de polímero reforçado com fibra (FRP) em laboratório. Como os números mostram, a carga aumenta de forma constante até o ponto máximo e, em seguida, cai drasticamente, o que é tipicamente observado na maioria dos testes envolvendo polímeros. No entanto, como sugere a Figura 9B, a curva se achata ...

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Discussão

Muitos pesquisadores usaram alguma variação desse tipo de teste para o ICSWP, mas esta é a primeira instância de delinear todas as etapas individuais. A literatura não aborda as etapas críticas nos testes, incluindo tipos de sensores e manuseio de amostras. Esse método descreve uma maneira de teste que imita mais de perto o comportamento dos conectores quando um painel é carregado em flexão em oposição ao teste de cisalhamento único. Existem várias variáveis para este trabalho que ainda precisam ser estudad...

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Materiais

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.