断熱コンクリート壁パネルで使用するフレキシブルコネクタの機械的特性の決定

Summary

絶縁コンクリート壁パネルの設計に使用するせん断コネクタの機械的特性を評価し、本格的な断熱パネルの動作を予測するために、広く利用可能な分析方法と組み合わせることができるテストプロトコルを提案します。

Abstract

このドキュメントには、連続およびディスクリート断熱コンクリートサンドイッチ壁パネル(ICSWP)の両方に適した非標準の二重せん断試験を実行するための推奨事項が含まれています。そのような標準化されたテストは存在しませんが、このテストおよび同様のテストのいくつかの反復が文献で実行され、さまざまな程度の成功が行われています。さらに、文献中の試験は、試験、データ分析、または安全手順に関して詳細に説明されたり、詳細に議論されたりすることはめったにありません。ここでは試験片の構成が推奨されており、バリエーションについて説明します。重要な機械的特性は、荷重対変位データから特定され、それらの抽出が詳細に行われます。コネクタの剛性の決定などの設計にテストデータを使用して、ICSWPのたわみと亀裂挙動を計算する方法を簡単に示します。パネルの強度挙動は、全荷重対変位曲線、または最大コネクタ強度のみを使用して決定できます。欠点と未知数が認識され、重要な将来の作業が描かれます。

Introduction

断熱コンクリートサンドイッチ壁パネル(ICSWP)は、しばしばワイスと呼ばれる2つのコンクリート層の間に配置された断熱層で構成され、エンベロープまたは耐荷重パネルを構築するための熱的および構造的に効率的なコンポーネントを相乗的に提供します¹(図1)。急速に変化する建設業界と熱効率に関する新しい建築基準法規制に適応するために、プレキャスターは、より薄いコンクリート層とより高い熱抵抗を備えたより厚い断熱層を備えたICSWPを製造しています。さらに、設計者は、コンクリートワイスの部分的に複合的な相互作用を考慮して、熱的および構造的性能を向上させながら全体的な建築コストを削減するために、より洗練された方法を使用しています²。構造効率はコンクリート層間の構造的接続に大きく依存し、複数の独自のせん断コネクタが市場で入手可能であることが知られていますが、これらのコネクタの機械的特性を調べるための標準化されたテストプロトコルは文献に存在しません。利用可能なコネクタは、形状、材料、製造が大きく異なるため、機械的特性を決定するための統一された分析アプローチを取得することは困難です。このため、多くの研究者は、サービスと強度の制限状態³、⁴、⁵、⁶、^7、8、^9、10でコネクタの基本的な動作を模倣しようとする独自のカスタマイズされたセットアップをラボで使用しています。ただし、そのうちの2つだけがテスト評価スキーム^5,8の一部ですが、形状、剛性、および材料組成のバリエーションが大きいため、コネクタのすべての範囲に役立つわけではありません。

図1:サンドイッチ壁パネル試験片の典型的な組成。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これらのコネクタをテストするための一般的な方法は、前述のように、1列または2列のコネクタを備えたシングルせん断と呼ばれることが多い^ものです3,11,12、これは多くの場合、コンクリートアンカー試験規格¹³であるASTM E488に基づいています。ASTM E488は、提案されたテストセットアップの図面を通じて、コンクリートの固定ベースから突き出た単一のアンカーをテストすることを要求していませんが、強く示唆しています。試験片が試験されると、一連の荷重対変位曲線がプロットされ、そのような曲線から極限弾性荷重(Fu)と弾性剛性(K_0.5Fu)の平均値が取得されます。このアプローチを使用する主な利点の1つは、変動性の低い結果が得られ、大きなラボスペースや多くのセンサーを必要としないことです¹⁴。別のアプローチは、それらのパネルの設計に使用するための機械的特性を決定するために、二重せん断でワイスコネクタをロードすることからなる⁶、⁷、14^、15、16。得られたデータを同様に処理し、試験から極限弾性荷重(Fu)と弾性剛性(K_0.5Fu)の平均値を求めます。このテストアプローチでは、より多くの材料を使用し、より多くのセンサーが必要ですが、実験室で荷重と境界条件を適用する方が逸話的に簡単です。

2つのスタイルのテストは劇的に異なるようには見えませんが、主にフルスケールパネルでコネクタの動作を模倣する能力に基づいて異なる結果を生成します。単せん断、単列テストのセットアップでは、図2B、Cに示すように挟み込み動作が発生し、前述の^{ように14,17}のように、実物大のパネルには存在しない追加の転倒モーメントが生成されます。ダブルせん断は、この実物大の挙動を模倣するより良い仕事をします-それは中央ワイスに対する外側のワイスの純粋なせん断移動をモデル化します。その結果、分析方法で使用される二重せん断値は、代表的な断熱壁パネル¹⁴の大規模試験で得られた結果に近い結果を生成することが示されている。図3は、コネクタの単せん断および二重せん断試験の概略テストセットアップを示しています。

図2:文献で採用されているさまざまなコネクタテスト構成の例。 シングルコネクタ試験片は、実物大のパネルに見られるワイスの平行移動を表さない荷重を引き起こすことが示されています。(A)2つのコネクタを備えた二重せん断。(B)1つのコネクタで二重せん断。(C)1つのコネクタでシングルせん断。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

これらすべての研究の結論の共通点は、両方の試験方法がフレキシブルコネクタの機械的特性を決定するのに適しているということですが、二重せん断試験スキームの結果は、曲げ下の実際のパネルでのコネクタの動作により近いです。つまり、ユーザーがこのようなテスト結果を解析モデルで採用すると、コネクタが使用される大規模なテストの結果と密接に一致します。このようなテストの結果は、経験的に導出された方法、サンドイッチビーム理論の閉形式解、2次元および3次元ばね7,18,19,20を持つ有限要素モデルなど、入力設計パラメータとして機械的特性に直接依存するモデルに適していることに言及することが重要です。

図3:文献内のテストプロトコルの概略図。ラムは、標本のワイスを互いに相対的に平行移動するために使用されます。(A)シングルせん断および(B)ダブルせん断試験プロトコル。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

この研究では、バックボーン曲線の値と絶縁壁パネルwytheコネクタの機械的特性、すなわちFu_およびK_0.5Fuを取得するための実験プロトコルが提示されます。この方法は、変動の原因を排除し、より信頼性の高い結果を生成するためにいくつかの変更を加えた二重せん断試験アプローチを使用してコネクタをテストすることに基づいています。すべてのサンプルは温度制御された環境で構築され、コンクリートが目標圧縮強度に達したときにテストされます。このテストプロトコルの主な利点は、簡単に従うことができ、さまざまな技術者が複製でき、文献で示されているように、曲げまたは曲げと軸力を組み合わせた実際の断熱コンクリート壁パネルでのワイヤコネクタの実際の動作を綿密に説明できることです。

機械的特性と材料挙動を決定するために提案されたコネクタテストプロトコルを適用することで、断熱コンクリート壁パネル業界のテスト結果の精度が向上し、革新的な新しいコネクタの作成に関心のある起業家の障壁が減少します。チルトアップとプレキャストコンクリートの両方の産業における断熱パネル構造の将来の大幅な増加は、パネルの工学的特性を得るために材料のより良い使用とより統一された方法を必要とするでしょう。

Protocol

1. 試験片の製作 図 4に示す試験片の寸法に合わせて試験するディスクリートまたは連続せん断コネクタを選択します。必要に応じて、コネクタのエッジ距離を変更して、テストエッジ距離クリアランスの寸法を修正します。注意: 一般的に、製造元のガイドラインに準拠することが重要ですが、このテストを使用してこれらのガイドラインを作成?…

Representative Results

図8と図9Aは、実験室での繊維強化ポリマー(FRP)コネクタの二重せん断試験から得られた平均変位曲線に対するコネクタあたりの典型的な荷重を示しています。図が示すように、荷重は最大点まで着実に増加し、その後劇的に低下し、これは通常、ポリマーを含むほとんどのテストで観察されます。ただし、図9Bが示すように、…

Discussion

多くの研究者は、ICSWPにこのタイプのテストのいくつかのバリエーションを使用していますが、これはすべての個々のステップの概要を説明する最初の例です。文献は、センサーの種類や試験片の取り扱いなど、試験の重要なステップについては扱っていません。この方法は、単せん断試験とは対照的に、パネルがたわみ荷重を受けたときのコネクタの動作をより厳密に模倣する試験方法を?…

Materials

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.