Определение механических свойств гибких соединителей для использования в изолированных бетонных стеновых панелях

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

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 (F_u) и упругой жесткости (K_0,5Fu). 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 (F_u) и упругой жесткости (K_0,5Fu) 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 ранее^14,17, 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 F_u и K_0.5Fu. 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.

протокол

1. Изготовление испытательного образца

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. Залейте свежий бетон в формы и вибрируйте адекватно, чтобы предотвратить образование больших воздушных пустот в бетоне или плохое уплотнение частиц.
8. 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.
9. Поместите грузоподъемный якорь грузоподъемностью 1 тонна (или прочнее в зависимости от конечного веса образца) в среднем слое бетона для удобства обращения.
10. Поместите второй стальной арматурный слой в формы в центре центра wythe.
11. Вылейте второй слой свежего бетона в формы и адекватно закрепите бетон, как описано выше.
12. 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.
13. Поместите третий слой армирования стали в формы в центре третьего слоя бетона.
14. Вылейте третий и последний слой свежего бетона в формы и вибрируйте адекватно.
15. 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.
16. 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).

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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).
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Подключите датчики нагрузки и смещения к системе сбора данных (DAQ).
9. Начните сбор данных, используя частоту дискретизации не менее 10 Гц, чтобы обеспечить правильную регистрацию нагрузки и смещения.
10. 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.
11. Остановите сбор данных и уберите устройство приложения нагрузки в исходное положение.
12. Снимите все датчики и храните их в надежном месте, как указано выше.
13. 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.

1. Перенесите файлы данных, полученные в результате тестирования, из DAQ на компьютер/папку, где выполняется анализ данных.
2. 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.
3. Найдите максимальную нагрузку и соответствующее ей смещение с помощью соответствующей функции программного обеспечения для анализа данных и сохраните эти значения как F_u и δ_u соответственно.
4. Разделите максимальную нагрузку на 2, чтобы получить половину максимальной силы, F_0,5Fu, и найдите ее соответствующее смещение δ_0,5.
5. Найдите упругую жесткость (K_0,5Fu) разъема, разделив половинную максимальную силу, F_0,5Fu, на смещение при половинной максимальной силе, δ_0,5. Если F_0.5Fu 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 F_u и соответствующую величину силы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В настоящее время конец линии K_0.5Fu используется некоторыми проектировщиками в качестве верхнего предела для рабочих сил в разъеме.
6. 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.

Результаты

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 неу?...

Обсуждение

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, кот...

Материалы

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.