קביעת התכונות המכניות של מחברים גמישים לשימוש בלוחות קיר בטון מבודדים

Summary

אנו מציעים פרוטוקול בדיקה שניתן לשלב עם שיטות אנליטיות זמינות באופן נרחב כדי להעריך את התכונות המכניות של מחברי גזירה לשימוש בתכנון לוחות קיר בטון מבודדים כדי לחזות התנהגות לוח מבודד בקנה מידה מלא.

Abstract

מסמך זה כולל המלצות לביצוע בדיקת גזירה כפולה לא סטנדרטית, המתאימה הן ללוחות קיר בטון מבודדים רציפים והן ללוחות קיר מבודדים בדידים (ICSWPs). מבחן סטנדרטי כזה אינו קיים, אך מספר איטרציות של בדיקה זו ודומות להן בוצעו בספרות בדרגות שונות של הצלחה. יתר על כן, הבדיקות בספרות מתוארות לעתים רחוקות – אם אי פעם – בפירוט או נדונות באריכות ביחס לבדיקות, ניתוח נתונים או נהלי בטיחות. תצורת דגימת בדיקה מומלצת כאן, ונדונים וריאציות. תכונות מכניות חשובות מזוהות מנתוני העומס לעומת התזוזה, והחילוץ שלהן מפורט. השימוש בנתוני בדיקה לצורך תכנון, כגון לקביעת קשיחות המחברים, מודגם בקצרה כדי להראות כיצד ניתן לחשב את התנהגות הסטייה והפיצוח של ICSWP. ניתן לקבוע את התנהגות החוזק של לוחות באמצעות עקומת העומס המלא לעומת התזוזה או רק באמצעות חוזק המחבר המרבי. חסרונות ובלתי ידועים מוכרים, ועבודה עתידית משמעותית מוגדרת.

Introduction

לוחות קיר סנדוויץ’ מבטון מבודד (ICSWPs) מורכבים משכבת בידוד הממוקמת בין שתי שכבות בטון, הנקראות לעתים קרובות wythes, אשר מספקות באופן סינרגטי רכיב יעיל מבחינה תרמית ומבנית עבור מעטפות בניין או לוחות נושאי עומס 1 (איור 1). כדי להסתגל לתעשיית הבנייה המשתנה במהירות ולתקנות קוד הבנייה החדשות בנושא יעילות תרמית, precasters מייצרים ICSWPs עם שכבות בטון דקות יותר ושכבות בידוד עבות יותר עם עמידות תרמית גבוהה יותר; בנוסף, המתכננים משתמשים בשיטות מעודנות יותר כדי להסביר את האינטראקציה המורכבת חלקית של הבטון כדי להפחית את עלויות הבנייה הכוללות תוך הגדלת הביצועים התרמיים והמבניים². בעוד שידוע כי היעילות המבנית תלויה במידה רבה בחיבור המבני בין שכבות הבטון וכי קיימים בשוק מספר מחברי גזירה קנייניים, לא קיים בספרות פרוטוקול בדיקה סטנדרטי לבחינת התכונות המכניות של מחברים אלה. המחברים הזמינים שונים מאוד בגיאומטריה, בחומרים ובייצור שלהם, ולכן קשה להשיג גישה אנליטית אחידה כדי לקבוע את התכונות המכניות שלהם. מסיבה זו, חוקרים רבים השתמשו בהגדרות מותאמות אישית משלהם במעבדה המנסות לחקות את ההתנהגות הבסיסית של המחברים במצבי מגבלת השירות והחוזק 3,4,5,6,7,8,9,10. עם זאת, רק שניים מהם הם חלק מתוכנית הערכת בדיקה^5,8, למרות שהם אינם שימושיים עבור כל טווחי המחברים בשל השונות הרחבה שלהם בצורה^, קשיחות והרכב החומר.

איור 1: קומפוזיציה אופיינית של דגימת לוח קיר סנדוויץ‘. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

שיטה נפוצה לבדיקת מחברים אלה היא מה שמכונה לעתים קרובות גזירה יחידה עם שורה אחת או שתי שורות של מחברים, כפי שתואר קודם לכן 3,11,12, אשר מבוסס לעתים קרובות על ASTM E488^, תקן בדיקת עוגן בטון ¹³. ASTM E488 אינו דורש, אך מרמז מאוד באמצעות שרטוטים של הגדרות הבדיקה המוצעות, כי עוגן יחיד הבולט מבסיס קבוע של בטון ייבדק. לאחר בדיקת הדגימות, משורטטת קבוצה של עקומות עומס לעומת תזוזה, והערכים הממוצעים של העומס האלסטי האולטימטיבי (F_u) והנוקשות האלסטית (K_0.5Fu) מתקבלים מעקומות כאלה. אחד היתרונות העיקריים של שימוש בגישה זו הוא שהיא מפיקה תוצאות של השתנות נמוכה ואינה מצריכה חללי מעבדה גדולים או חיישנים רבים¹⁴. גישה שונה מורכבת מטעינת מחבר wythe בגזירה כפולה כדי לקבוע את התכונות המכניות לשימוש בתכנון של לוחות אלה 6,7,14,15,16. הנתונים המתקבלים מעובדים באותו אופן, והערכים הממוצעים של העומס האלסטי האולטימטיבי (F_u) והנוקשות האלסטית (K_0.5Fu) מתקבלים מבדיקה. למרות שגישת בדיקה זו כוללת שימוש ביותר חומר וזקוקה ליותר חיישנים, קל יותר באופן אנקדוטלי ליישם את תנאי ההעמסה והגבול במעבדה.

שני סגנונות הבדיקה אינם נראים שונים באופן דרמטי אלא מפיקים תוצאות שונות במידה רבה בהתבסס על יכולתם לחקות את התנהגות המחבר בלוח בקנה מידה מלא. מערך הבדיקה בעל ההטיה הבודדת והשורה הבודדת מייצר פעולת צביטה, כפי שמוצג באיור 2B,C, ומומנט התהפכות נוסף, כפי שתואר קודם לכן^14,17, שלא יהיה קיים בפאנל בקנה מידה מלא. הגזירה הכפולה עושה עבודה טובה יותר בחיקוי התנהגות בקנה מידה מלא זה – היא מדגימה את תרגום הגזירה הטהורה של הוויתים החיצוניים ביחס לוויט המרכזי. כתוצאה מכך, ערכי הגזירה הכפולה המשמשים בשיטות אנליטיות הוכחו כמניבים תוצאות קרובות יותר לאלה המתקבלות בבדיקות בקנה מידה גדול של לוחות קיר מבודדים מייצגים¹⁴. איור 3 מציג את מערך הבדיקה הסכמטית עבור בדיקות גזירה בודדות וכפולות של מחבר.

איור 2: דוגמאות לתצורות שונות של בדיקת מחברים שנעשה בהן שימוש בספרות. הוכח כי דגימות מחברים בודדים גורמות להעמסה שאינה מייצגת את התרגום המקביל של wythes הנראים בלוחות בקנה מידה מלא. (A) גזירה כפולה עם שני מחברים; (B) גזירה כפולה עם מחבר אחד; (C) גזירה יחידה עם מחבר אחד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

מכנה משותף לכל מסקנות המחקרים הללו הוא ששתי מתודולוגיות הבדיקה מתאימות לקביעת התכונות המכניות של מחברים גמישים, אך תוצאות סכמת הבדיקה הכפולה דומות יותר להתנהגות המחבר בלוח אמיתי תחת כיפוף. במילים אחרות, כאשר המשתמש משתמש בתוצאות בדיקה כאלה במודל אנליטי, הן תואמות באופן הדוק את התוצאות של בדיקות בקנה מידה גדול שבהן נעשה שימוש במחברים. חשוב להזכיר כי תוצאות בדיקות כאלה מתאימות למודלים המסתמכים על התכונות המכניות כפרמטרים של תכנון קלט באופן ישיר, כגון שיטות נגזרות אמפירית, פתרונות סגורים של תורת קרן הכריך, ומודלים של אלמנטים סופיים עם קפיצים דו-ממדיים ותלת-ממדיים 7,18,19,20.

איור 3: מבט סכמטי על פרוטוקולי הבדיקה בספרות. איל משמש לתרגום הדגימות ביחס זו לזו. (A) פרוטוקולי בדיקה של גזירה בודדת ו-(B) של גזירה כפולה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

בעבודה זו, פרוטוקול ניסיוני לקבלת הערכים של עקומת עמוד השדרה ואת התכונות המכניות של מחברים wythe לוח קיר מבודד, כלומר F_u ו- K_0.5Fu, מוצג. השיטה מבוססת על בדיקת מחברים באמצעות גישת בדיקת הטיה כפולה עם כמה שינויים כדי לחסל מקורות השתנות ולהפיק תוצאות אמינות יותר. כל הדגימות בנויות בסביבה מבוקרת טמפרטורה, שם הן נבדקות כאשר הבטון מגיע לחוזק דחיסת היעד. היתרון העיקרי של פרוטוקול בדיקה זה הוא שניתן לעקוב אחריו בקלות, ניתן לשכפל אותו על ידי טכנאים שונים, ומתאר מקרוב את ההתנהגות האמיתית של מחבר wythe בלוח קיר בטון אמיתי ומבודד תחת כיפוף או כיפוף וכוח צירי משולבים, כפי שהוכח בספרות.

היישום של פרוטוקול בדיקת מחבר wythe המוצע לקביעת התכונות המכניות והתנהגות החומרים ישפר את דיוק תוצאות הבדיקה עבור תעשיית לוחות קיר הבטון המבודדים ויפחית את המחסומים עבור יזמים המעוניינים ליצור מחברים חדשים וחדשניים. הגידול הגדול העתידי בבניית לוחות מבודדים הן בתעשיות ההטיה והן בתעשיות הבטון הטרומי ידרוש שימוש טוב יותר בחומרים ושיטות מאוחדות יותר להשגת תכונות הנדסיות של הלוחות.

Protocol

1. ייצור דגימת הבדיקה בחרו את מחבר ההטיה הבדיד או הרציף כדי לבדוק ולדבוק במידות הדגימה המצוינות באיור 4. שנה את המידות למרווחי מרחק קצה הבדיקה במידת הצורך על-ידי שינוי מרחק הקצה של המחבר.הערה: באופן כללי, חשוב להקפיד על הנחיות היצרן, אם כי ניתן להשתמש בבדיקה ז…

Representative Results

איור 8 ואיור 9A מראים עומס אופייני לכל מחבר לעומת עקומת התזוזה הממוצעת הנובעת מבדיקת גזירה כפולה של מחבר פולימר מחוזק בסיבים (FRP) במעבדה. כפי שמתארים הנתונים, העומס עולה בהתמדה עד לנקודה המקסימלית ואז יורד באופן דרמטי, מה שנצפה בדרך כלל ברוב הבדיקות המערבות פ?…

Discussion

חוקרים רבים השתמשו בווריאציה מסוימת של סוג זה של בדיקה עבור ICSWP, אך זהו המקרה הראשון של תיאור כל השלבים הבודדים. הספרות אינה מתייחסת לשלבים הקריטיים בבדיקות, כולל סוגי חיישנים וטיפול בדגימות. שיטה זו מתארת אופן בדיקה המחקה באופן הדוק יותר את התנהגות המחברים כאשר לוח נטען בכיפוף לעומת מבחן ?…

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.