Yalıtımlı beton duvar panellerinde kullanılmak üzere esnek konektörlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi

Özet

Tam ölçekli yalıtımlı panel davranışını tahmin etmek için yalıtımlı beton duvar panellerinin tasarımında kullanılmak üzere kesme konektörlerinin mekanik özelliklerini değerlendirmek için yaygın olarak bulunan analitik yöntemlerle birleştirilebilen bir test protokolü öneriyoruz.

Özet

Bu belge, hem sürekli hem de ayrık yalıtımlı beton sandviç duvar panelleri (ICSWP'ler) için uygun, standart dışı, çift parçalama testi yapmak için öneriler içermektedir. Böyle bir standartlaştırılmış test mevcut değildir, ancak literatürde bu ve benzeri testlerin birkaç yinelemesi değişen derecelerde başarı ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, literatürdeki testler nadiren - eğer hiç değilse - ayrıntılı olarak tanımlanmakta veya test, veri analizi veya güvenlik prosedürleri ile ilgili olarak uzun uzadıya tartışılmaktadır. Burada bir test numunesi konfigürasyonu önerilmektedir ve varyasyonlar tartışılmaktadır. Önemli mekanik özellikler, yüke karşı yer değiştirme verilerinden tanımlanır ve bunların ekstraksiyonu detaylandırılır. Konektörlerin sertliğini belirlemek gibi tasarım için test verilerinin kullanılması, ICSWP sapması ve çatlama davranışının nasıl hesaplanabileceğini göstermek için kısaca gösterilmiştir. Panellerin mukavemet davranışı, tam yüke karşı yer değiştirme eğrisi veya yalnızca maksimum konektör mukavemeti kullanılarak belirlenebilir. Eksiklikler ve bilinmeyenler kabul edilir ve gelecekteki önemli çalışmalar tanımlanır.

Giriş

Yalıtımlı beton sandviç duvar panelleri (ICSWP'ler), genellikle wythes olarak adlandırılan iki beton katman arasına yerleştirilmiş, bina zarfları veya yük^{taşıyıcı paneller 1} için sinerjik olarak termal ve yapısal olarak verimli bir bileşen sağlayan bir yalıtım tabakasından oluşur (Şekil 1). Hızla değişen inşaat endüstrisine ve termal verimlilikle ilgili yeni bina kodu düzenlemelerine uyum sağlamak için, precasterler daha ince beton katmanlara ve daha yüksek ısı direncine sahip daha kalın yalıtım katmanlarına sahip ICSPP'ler üretmektedir; Ek olarak, tasarımcılar, termal ve yapısal performansı artırırken genel bina maliyetlerini azaltmak için beton wythes'in kısmen kompozit etkileşimini hesaba katmak için daha rafine yöntemler kullanıyorlar². Yapısal verimliliğin büyük ölçüde beton katmanlar arasındaki yapısal bağlantıya bağlı olduğu ve piyasada birden fazla tescilli kesme konektörünün mevcut olduğu bilinmekle birlikte, literatürde bu konektörlerin mekanik özelliklerini incelemek için standartlaştırılmış bir test protokolü bulunmamaktadır. Mevcut konektörler geometrilerinde, malzemelerinde ve imalatlarında büyük farklılıklar gösterir, bu nedenle mekanik özelliklerini belirlemek için birleşik bir analitik yaklaşım elde etmek zordur. Bu nedenle, birçok araştırmacı laboratuvarda, konektörlerin hizmetteki temel davranışını ve güç sınırı durumları 3,4,5,6,7,8,9,10'u taklit etmeye çalışan kendi özelleştirilmiş kurulumlarını kullanmıştır. Bununla birlikte, bunlardan sadece ikisi, şekil, sertlik ve malzeme bileşimindeki geniş varyasyonları nedeniyle tüm konektör aralıkları için yararlı olmamasına rağmen, test değerlendirme şeması ^5,8'in bir parçasıdır.

Resim 1: Sandviç duvar paneli örneğinin tipik bileşimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu konektörleri test etmek için yaygın bir yöntem, genellikle bir beton ankraj^{test standardı 13} olan ASTM E488'e dayanan daha önce açıklandığı gibi ^3,11,12 veya iki sıra konektörle tek makas olarak adlandırılan yöntemdir. ASTM E488, önerilen test kurulumlarının çizimleri yoluyla, sabit bir beton tabanından çıkıntı yapan tek bir ankrajın test edileceğini gerektirmez, ancak güçlü bir şekilde ima eder. Numuneler test edildikten sonra, bir dizi yüke karşı yer değiştirme eğrisi çizilir ve bu eğrilerden nihai elastik yükün (F_u) ve elastik sertliğin (K_0.5Fu) ortalama değerleri elde edilir. Bu yaklaşımı kullanmanın temel avantajlarından biri, düşük değişkenlik sonuçları üretmesi ve geniş laboratuvar alanları veya birçok sensör gerektirmemesidir¹⁴. Farklı bir yaklaşım, bu panellerin tasarımında kullanılacak mekanik özellikleri belirlemek için çift makaslı bir wythe konektörünün yüklenmesinden oluşur 6,7,14,15,16. Elde edilen veriler aynı şekilde işlenir ve testten nihai elastik yükün (F_u) ve elastik sertliğin (K_0.5Fu) ortalama değerleri elde edilir. Bu test yaklaşımı daha fazla malzeme kullanmayı içermesine ve daha fazla sensöre ihtiyaç duymasına rağmen, yükleme ve sınır koşullarını bir laboratuvarda uygulamak anekdotsal olarak daha kolaydır.

İki test stili önemli ölçüde farklı görünmemektedir, ancak büyük ölçüde tam ölçekli bir paneldeki konektör davranışını taklit etme yeteneklerine bağlı olarak farklı sonuçlar üretmektedir. Tek kesmeli, tek sıralı test kurulumu, Şekil 2B, C'de gösterildiği gibi bir sıkıştırma eylemi ve daha önce açıklandığı gibi ^14,17'de tam ölçekli bir panelde bulunmayan ek bir devrilme momenti üretir. Çift makas, bu tam ölçekli davranışı taklit etmek için daha iyi bir iş çıkarır - dış wythe'lerin merkezi wythe'ye göre saf kesme çevirisini modeller. Sonuç olarak, analitik yöntemlerde kullanılan çift parçalayıcı değerlerin, temsili yalıtımlı duvar panellerinin büyük ölçekli testlerinde elde edilenlere daha yakın sonuçlar ürettiği gösterilmiştir¹⁴. Şekil 3, bir konektörün tek ve çift kesme testi için şematik test kurulumunu göstermektedir.

Şekil 2: Literatürde kullanılan farklı konektör test konfigürasyonlarına örnekler. Tek konektör numunelerinin, tam ölçekli panellerde görülen wythe'lerin paralel çevirisini temsil etmeyen yüklemeye neden olduğu gösterilmiştir. (A) İki konektörlü çift makas; (B) Bir konektörle çift makas; (C) Tek konektörlü tek makas. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tüm bu çalışmaların sonuçlarının ortak paydası, her iki test metodolojisinin de esnek konektörlerin mekanik özelliklerini belirlemek için uygun olduğu, ancak çift parçalama test şeması sonuçlarının, konektörün esnek çalışma altındaki gerçek bir paneldeki davranışına daha yakından benzediğidir. Başka bir deyişle, kullanıcı bu tür test sonuçlarını analitik bir modelde kullandığında, konektörlerin kullanıldığı büyük ölçekli testlerin sonuçlarıyla yakından eşleşir. Bu tür testlerin sonuçlarının, ampirik olarak türetilmiş yöntemler, sandviç kiriş teorisinin kapalı biçimli çözümleri ve 2-D ve 3-D ^yaylı sonlu elemanlar modelleri gibi doğrudan giriş tasarım parametreleri olarak mekanik özelliklere dayanan modeller için uygun olduğunu belirtmek ^önemlidir.

Şekil 3: Literatürdeki test protokollerinin şematik görünümü. Örneklerin wythe'lerini birbirlerine göre çevirmek için bir koç kullanılır. (A) Tek parçalama ve (B) çift kesme test protokolleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu çalışmada, omurga eğrisinin değerlerini ve yalıtımlı duvar paneli wythe konektörlerinin, yani F_u ve K_0.5Fu'nun mekanik özelliklerini elde etmek için deneysel bir protokol sunulmuştur. Yöntem, değişkenlik kaynaklarını ortadan kaldırmak ve daha güvenilir sonuçlar üretmek için bazı değişikliklerle çift parçalama testi yaklaşımı kullanarak konektörlerin test edilmesine dayanmaktadır. Tüm numuneler, beton hedef basınç dayanımına ulaştığında test edildikleri sıcaklık kontrollü bir ortamda inşa edilir. Bu test protokolünün temel avantajı, kolayca takip edilebilmesi, farklı teknisyenler tarafından çoğaltılabilmesi ve literatürde gösterildiği gibi, esnek veya esnek ve eksenel kuvvetin birleşimi altında gerçek, yalıtımlı bir beton duvar panelinde wythe konektörünün gerçek davranışını yakından tanımlamasıdır.

Mekanik özellikleri ve malzeme davranışını belirlemek için önerilen wythe konektör test protokolünün uygulanması, yalıtımlı beton duvar paneli endüstrisi için test sonuçlarının doğruluğunu artıracak ve yenilikçi yeni konektörler oluşturmak isteyen girişimciler için engelleri azaltacaktır. Hem eğimli hem de prefabrik beton endüstrilerinde yalıtımlı panel yapımında gelecekteki büyük artış, panellerin mühendislik özelliklerini elde etmek için malzemelerin daha iyi kullanılmasını ve daha birleşik yöntemler gerektirecektir.

Protokol

1. Test numunesinin imalatı

1. Şekil 4'te belirtilen numunenin boyutlarını test etmek ve bunlara uymak için ayrık veya sürekli kesme konektörünü seçin. Gerekirse, konektörün kenar mesafesini değiştirerek boyutları test kenar mesafesi boşluklarına değiştirin.
   NOT: Genel olarak, üreticinin yönergelerine uymak önemlidir, ancak bu test bu yönergeleri geliştirmek için kullanılabilir. Beton ve yalıtım wythe boyutları, ilgilenilen konektör tarafından belirlenecektir. Testten elde edilen mekanik özellikler sadece wythe boyutları, beton mukavemeti, yalıtım yoğunluğu ve tipi ve konektörün bu özel kombinasyonu için geçerlidir.
2. İlgilenilen tasarım durumunun somut temsilcisinin hedef basınç dayanımını belirtin. Tam ölçekli test sonuçlarını modellemeye çalışıyorsanız, beton dayanımının test sırasında tam ölçekli numunenin veya amaçlanan tasarımın dayanımıyla aynı olduğundan emin olun. Panelin kaldırılması için minimum güç gibi belirli bir senaryoyu hedefliyorsanız, testi bu güçte gerçekleştirin.
3. Beton kalıpları, beton katmanlarının dikey veya yatay bir düzenini kullanarak imal edin. Testin yapım stiliyle eşleştiğinden emin olun, böylece konektörlerin kurulumu sahadaki durumla eşleşir.
   NOT: Hizmet içi ICSWP'lerin çoğu, her katmanın yatay düzeniyle üretilir.
4. Köpük yalıtımını delin (pim tarzı bağlar için) veya yalıtım parçalarını (dikişe monte edilmiş bağlar için) yönlendirin ve konektörleri üretici tarafından sağlanan standart çizimlerde belirtilen yerlere yerleştirin. Konektörleri, test tesisinin özellikleri toplamak istediği yönü kullanarak yerleştirin (örneğin, güçlü eksene ve uygulanan yüke 0 ° veya 90 ° veya başka bir açı).
   NOT: Konektörlerin kurulumu, kurulum ilgilenilen bir test değişkeni olmadığı sürece üretici/tedarikçi tarafından belirtildiği gibi olmalıdır.
5. Beton parçaların elleçleme veya test sırasında çatlaması durumunda numunenin kırılgan arızalanmasını önlemek için ilk çelik takviye katmanını formlara yerleştirin.
   NOT: Numuneler uygulanan yükler nedeniyle nadiren çatladığından, konektörün betona bağlanmasına katılması beklenmedikçe hafif takviyenin gerekli olduğu düşünülmemektedir. Şekil 5, süreç boyunca 1.5-1.14 arasındaki adımların organizasyonunu göstermektedir.
6. Betonun ilk setinden önce tüm beton katmanları zamanında yerleştirilemezse, katmanları en az 3 saat arayla veya konektör üreticisinin tavsiyelerine göre dökün.
   NOT: Adım 1.7-1.14, ardışık beton yerleşimini gösterir.
7. Taze betonu formlara dökün ve betonda büyük hava boşluklarının oluşumunu veya parçacıkların zayıf sıkışmasını önlemek için yeterince titreşin.
8. Konektörleri içeren ilk yalıtım katmanını yerleştirin veya uygun şekilde köpüğün içine itin. İzolasyon katmanını taze betonla temas edecek şekilde yerleştirin. Betonun konektörlerin etrafında konsolide edilmesini sağlamak için, konektörün üreticisi tarafından aksi önerilmedikçe, konektörü bir iç beton vibratörü ile 12.000 titreşim / dak'da titreştirin.
   NOT: 2-5 s titreşim, konektörlerin etrafında konsolidasyon sağlamak için yeterlidir.
9. Kullanım kolaylığı için betonun orta tabakasına 1 tonluk (veya numunenin son ağırlığına bağlı olarak daha güçlü) bir kaldırma ankrajı yerleştirin.
10. İkinci çelik takviye katmanını merkezin ortasındaki formlara yerleştirin.
11. İkinci taze beton tabakasını formlara dökün ve betonu yukarıda açıklandığı gibi yeterince birleştirin.
12. Konektörleri içeren ikinci yalıtım katmanını yerleştirin veya adım 1.4'te açıklandığı gibi köpüğün içine takın. Betonun konektörlerin etrafında konsolide edildiğinden dikkatlice emin olun.
13. Üçüncü çelik takviye katmanını, üçüncü beton katmanın ortasındaki formlara yerleştirin.
14. Üçüncü ve son taze beton tabakasını formlara dökün ve yeterince titreşin.
15. Sıkıştırma dayanımı dokümantasyonu amacıyla numunelerin yapımında kullanılan her beton için beton silindirleri yapın.
    NOT: Bu adım, numunelerin yapımı sırasında herhangi bir zamanda tamamlanabilir, ancak belirli bir partinin yerleştirilmesinin yarısına gelindiğinde önerilir. Silindir hazırlama ve saha kürleme ASTM C31^21'e uygun olmalıdır.
16. Beton istenen mukavemete ulaşana kadar numuneleri sıcaklık kontrollü bir ortamda kürleyin. Beton kaldırma donanımı için yeterince sertleştikten sonra numuneleri formlardan çıkarın.

2. Çift parçalayıcı numunenin test edilmesi

NOT: Şekil 6 , test edilmeye hazır test numunesinin temsili bir düzenini göstermektedir (cırcır kayışı resimde gösterilmemiştir).

1. Numuneleri imal etmek için kullanılan beton istenen mukavemete ulaştığında numuneyi numune almak üzere laboratuvara götürün.
   NOT: Basınç dayanımı testi ASTM C39^22'ye uygun olmalıdır. Oda sıcaklığı, fiziksel test eylemi sırasında, sıcaklığın 25 ° C ± 5 ° C olması ve numunelerin test edilmesi ve depolanması sırasında nispeten sabit kalmalıdır. Test sıcaklığı aralığının, ilgili malzemelerin özellikleri tipik oda sıcaklıklarına göre önemli ölçüde değişmemesi gerektiğinden, titizlikle kontrol edilmesi amaçlanmamıştır.
2. Test sırasında sürtünmeyi en aza indirmek için dış beton wythes'in altına iki adet 3 mm x 100 mm x 600 mm politetrafloroetilen (PTFE) ped şeridi yerleştirin.
3. Numuneyi, yükleme aparatının altında ortalanmış orta beton tabakası ile yükleme çerçevesinin altına yerleştirin. Orta wythe'nin tepesine yükleme uygulamak için bir hidrolik koç veya büyük bir üniversal test makinesi kullanın, yükü beklenen yükler için bir rulman arızasını önlemek için yeterince büyük bir yatak plakası ile yaymaya özen gösterin.
4. Çelik açıyı orta kapıya bir beton veya duvar vidası ile takın. Açının numune ile başka türlü etkileşime girmesini önlemek için çelik veya plastik rondelalar kullanarak çelik açı ile beton yüzey arasında en az 5 mm'lik bir ayrım oluşturun (Şekil 6).
5. Yer değiştirme sensörlerini, numunenin zıt taraflarındaki iki dış wythe'ye (toplamda dört) takın ve çelik açının dış wythe'deki sabit konumlarına göre hareketini ölçün.
   NOT: Önerilen deplasman sensörleri lineer değişken diferansiyel transdüserler veya potansiyometrelerdir. Kalibrasyon kaybını önlemek için sensörler her zaman toz, nem ve manyetik etkilerden arındırılmış kuru bir kutuda saklanmalıdır. Analog kadran göstergeleri önerilmez.
6. Beklenmeyen kırılgan bir konektör kırılmasının teknisyene ve sensörlere zarar vermek de dahil olmak üzere çevreye herhangi bir zarar vermemesini sağlamak için numunenin üst kısmına gevşek bir şekilde 50 mm genişliğinde bir naylon kayış yerleştirin. Kayışın, Şekil 7'de gösterildiği gibi, numune yer değiştirmesini engellemeyecek kadar gevşek olduğundan emin olun.
   NOT: Kayış, wythe'lerin tamamen ayrılmasını önleyecek ve wythes artık ayrılmamış olsa bile arızadan sonra numunenin çıkarılmasını kolaylaştıracaktır. Ancak, bu adım (adım 2.6) isteğe bağlıdır.
7. Yük hücresini, ortalanmış olarak ortalanmış iki adet 20 mm x 150 mm x 150 mm çelik plaka arasına sıkıştırın. Çelik plakaların, numunenin deformasyonu sırasında yalıtıma müdahale etmemek için merkez wythe'yi sarkmadığından emin olun.
8. Yük ve yer değiştirme sensörlerini veri toplama sistemine (DAQ) takın.
9. Yükün ve yer değiştirmenin doğru şekilde kaydedildiğinden emin olmak için en az 10 Hz'lik bir örnekleme hızı kullanarak veri toplamaya başlayın.
10. Maksimum gerçekçi yer değiştirmeye ulaşılana ve mukavemet önemli ölçüde düşene kadar numuneyi merkeze yükleyin; yükün% 50'si kaybolduktan sonra, bu keyfi olsa da, testin durdurulması önerilir. Azalan dal boyunca ek bilgi isteniyorsa, istenen herhangi bir deformasyonu kullanın. Yüklemeyi, konektörün ve beton sürünmesinin test sonuçlarına müdahale etmeyeceği kadar hızlı, ancak yüksek bir yük oranı ilgilenilen test değişkeni olmadığı sürece, artık statik olarak kabul edilemeyecek kadar hızlı olmayan monotonik, yarı statik bir şekilde uygulayın.
    NOT: Bu, testin 5 dakika ila belki birkaç saat arasında sürmesi gerektiğini gösterir. Test süresi 5-10 dakika olan bir hidrolik el pompası kullanılarak yeterli sonuçlar bulunmuştur.
11. Veri toplamayı durdurun ve yük uygulama aparatını orijinal konumuna geri çekin.
12. Tüm sensörleri çıkarın ve yukarıda belirtildiği gibi güvenli bir yerde saklayın.
13. Test edilen numuneyi temiz bir alana taşıyın ve arıza türünü belirlemek için üç beton katmanını ayırın: beton kopması, konektör kesme hatası veya diğer. Hata modunu, yalıtım bağının kalitesini ve diğer ilgili görsel bilgileri kaydedin. Fotoğraf çekmeyi unutmayın.

3. Verilerin analiz edilmesi ve sonuçların raporlanması

NOT: Bu bölümde, literatürde kullanılan çeşitli mühendislik özelliklerini değerlendirmek için veri analizi açıklanmaktadır. Diğer mühendislik özellikleri ilgi çekici olabilir ve verilerin kullanışlılığı aşağıdaki özelliklerle sınırlı değildir.

1. DAQ'tan test sonucunda ortaya çıkan veri dosyalarını, veri analizinin gerçekleştirildiği bilgisayara/klasöre aktarın.
2. Apsisteki dört yer değiştirme sensörünün ortalamasını, ordinat üzerindeki konektör yüküyle (ölçülen yükün konektör sayısına bölünmesiyle tanımlanır) çizin.
   NOT: Deneysel yöntemin kullanıcısı, ortalamasını almadan ve raporlamadan önce hatalı sensörler veya güvenilmez ölçümler için verileri gözden geçirmelidir.
3. Veri analiz yazılımının uygun işlevini kullanarak maksimum yükü ve buna karşılık gelen yer değiştirmeyi bulun ve bu değerleri sırasıyla F u ve δ _u olarak saklayın.
4. Yarı maksimum kuvvet olan F_0.5Fu'yu elde etmek için maksimum yükü 2'ye bölün ve karşılık gelen yer değiştirmesini_0.5 δ bulun.
5. Konektörün elastik sertliğini (K 0,5Fu), yarı maksimum kuvvet olan F_0,5Fu'yu, yarı maksimum kuvvetteki yer değiştirmeye bölerek δ _0,5'e bölünerek bulun. F_0.5Fu testin genel olarak elastik kısmında değilse, bölgede açıkça bulunan daha düşük bir yük seçin ve sayıyı bildirin. Daha düşük bir değer kullanılıyorsa, F_{u'nun fraksiyonunu} ve buna karşılık gelen kuvvet büyüklüğünü belgelediğinizden emin olun.
   NOT: Şu anda, K_0,5Fu hattının sonu, bazı tasarımcılar tarafından konektördeki servis kuvvetleri için bir üst sınır olarak kullanılmaktadır.
6. Örneklenen her konektör markası, türü veya beton dayanımı için beş numunenin ortalama sonuçlarını raporlayın.
   NOT: Bildirilen sonuçlar yalnızca seçilen beton wythe, yalıtım wythe, beton mukavemeti ve konektörün belirli kombinasyonu için geçerlidir.

Sonuçlar

Şekil 8 ve Şekil 9A, laboratuvarda fiber takviyeli polimer (FRP) konektörünün çift kesme testinden kaynaklanan ortalama yer değiştirme eğrisine karşı konektör başına tipik bir yükü göstermektedir. Rakamlarda gösterildiği gibi, yük maksimum noktaya kadar istikrarlı bir şekilde artar ve daha sonra polimerleri içeren çoğu testte tipik olarak gözlenen dramatik bir şekilde düşer. Bununla birlikte, Şekil 9B'nin

Tartışmalar

Birçok araştırmacı, ICSWP için bu tür bir testin bazı varyasyonlarını kullanmıştır, ancak bu, tüm bireysel adımların ana hatlarını çizmenin ilk örneğidir. Literatür, sensör tipleri ve numune işleme dahil olmak üzere testteki kritik adımları ele almamaktadır. Bu yöntem, tek kesme testinin aksine bir panel eğme ile yüklendiğinde konektörlerin davranışını daha yakından taklit eden bir test yöntemini açıklar. Bu çalışma için henüz çalışılmamış birkaç değişken vardır. Öz...

Malzemeler

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.