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

Summary

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.

Abstract

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.

Protocol

1. Fabrication de l’échantillon d’essai 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 él…

Representative Results

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 …

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.