تحديد الخواص الميكانيكية للموصلات المرنة للاستخدام في ألواح الجدران الخرسانية المعزولة
Summary
نقترح بروتوكول اختبار يمكن دمجه مع الطرق التحليلية المتاحة على نطاق واسع لتقييم الخواص الميكانيكية لموصلات القص لاستخدامها في تصميم ألواح الجدران الخرسانية المعزولة للتنبؤ بسلوك الألواح المعزولة على نطاق واسع.
Abstract
تحتوي هذه الوثيقة على توصيات لإجراء اختبار قص مزدوج غير قياسي مناسب لكل من ألواح الجدران العازلة الخرسانية المعزولة المستمرة والمنفصلة (ICSWPs). لا يوجد مثل هذا الاختبار الموحد ، ولكن تم إجراء العديد من التكرارات لهذا الاختبار والاختبارات المماثلة في الأدبيات بدرجات متفاوتة من النجاح. علاوة على ذلك ، نادرا ما يتم وصف الاختبارات في الأدبيات بالتفصيل أو مناقشتها بإسهاب فيما يتعلق بالاختبار أو تحليل البيانات أو إجراءات السلامة. يوصى هنا بتكوين عينة الاختبار ، وتتم مناقشة الاختلافات. يتم تحديد الخواص الميكانيكية المهمة من بيانات الحمل مقابل الإزاحة ، ويتم تفصيل استخراجها. يتم توضيح استخدام بيانات الاختبار للتصميم ، مثل تحديد صلابة الموصلات ، بإيجاز لإظهار كيفية حساب انحراف ICSWP وسلوك التشقق. يمكن تحديد سلوك قوة الألواح باستخدام منحنى الحمل الكامل مقابل الإزاحة أو فقط الحد الأقصى لقوة الموصل. يتم الاعتراف بأوجه القصور والمجهول ، ويتم تحديد العمل المستقبلي الهام.
Introduction
تتكون ألواح الجدران العازلة الخرسانية المعزولة (ICSWPs) من طبقة عازلة موضوعة بين طبقتين خرسانيتين ، غالبا ما تسمى wythes ، والتي توفر بشكل تآزري مكونا فعالا حراريا وهيكليا لمظاريف المباني أو الألواح الحاملة 1 (الشكل 1). للتكيف مع صناعة البناء سريعة التغير ولوائح قانون البناء الجديدة بشأن الكفاءة الحرارية ، تقوم أجهزة العجلات المسبقة بتصنيع ICSWPs بطبقات خرسانية أرق وطبقات عزل أكثر سمكا ذات مقاومة حرارية أعلى. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم المصممون طرقا أكثر دقة لحساب التفاعل المركب جزئيا لل wythes الخرسانية لتقليل تكاليف البناء الإجمالية مع زيادة الأداء الحراري والهيكلي2. في حين أنه من المعروف أن الكفاءة الهيكلية تعتمد إلى حد كبير على الاتصال الهيكلي بين الطبقات الخرسانية وأن العديد من موصلات القص المسجلة الملكية متوفرة في السوق ، لا يوجد بروتوكول اختبار موحد في الأدبيات لفحص الخواص الميكانيكية لتلك الموصلات. تختلف الموصلات المتاحة بشكل كبير في هندستها وموادها وتصنيعها ، لذلك من الصعب الحصول على نهج تحليلي موحد لتحديد خصائصها الميكانيكية. لهذا السبب ، استخدم العديد من الباحثين إعداداتهم المخصصة في المختبر والتي تحاول تقليد السلوك الأساسي للموصلات في حالات حد الخدمة والقوة3،4،5،6،7،8،9،10. ومع ذلك ، فإن اثنين منهم فقط جزء من مخطط تقييم الاختبار 5,8 ، على الرغم من عدم فائدتهما لجميع نطاقات الموصلات نظرا لتباينها الواسع في الشكل والصلابة وتكوين المواد.
الشكل 1: التركيب النموذجي لعينة لوحة الحائط الساندويتش. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الطريقة الشائعة لاختبار هذه الموصلات هي ما يطلق عليه غالبا القص الفردي إما بصف واحد أو صفين من الموصلات ، كما هو موضح سابقا3،11،12 ، والذي يعتمد غالبا على ASTM E488 ، وهو معيار اختبار مرساة خرسانية 13. لا يتطلب ASTM E488 ، ولكنه يعني بقوة من خلال رسومات إعدادات الاختبار المقترحة ، أنه سيتم اختبار مرساة واحدة بارزة من قاعدة ثابتة من الخرسانة. بمجرد اختبار العينات ، يتم رسم مجموعة من منحنيات الحمل مقابل الإزاحة ، ويتم الحصول على متوسط قيم الحمل المرن النهائي (Fu) والصلابة المرنة (K0.5Fu) من هذه المنحنيات. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لاستخدام هذا النهج في أنه ينتج نتائج منخفضة التباين ولا يتطلب مساحات معملية كبيرة أو العديد من أجهزة الاستشعار14. نهج مختلف يتكون من تحميل موصل wythe في القص المزدوج لتحديد الخواص الميكانيكية للاستخدام في تصميم تلك الألواح6،7،14،15،16. تتم معالجة البيانات الناتجة بنفس الطريقة ، ويتم الحصول على متوسط قيم الحمل المرن النهائي (Fu) والصلابة المرنة (K0.5Fu) من الاختبار. على الرغم من أن نهج الاختبار هذا يتضمن استخدام المزيد من المواد ويحتاج إلى المزيد من أجهزة الاستشعار ، إلا أنه من الأسهل من الناحية القصصية تطبيق ظروف التحميل والحدود في المختبر.
لا يبدو أسلوبا الاختبار مختلفين بشكل كبير ولكنهما ينتجان نتائج مختلفة تعتمد إلى حد كبير على قدرتهما على تقليد سلوك الموصل في لوحة واسعة النطاق. ينتج عن إعداد اختبار القص الواحد والصف الواحد إجراء معسر ، كما هو موضح في الشكل 2B ، C ، ولحظة انقلاب إضافية ، كما هو موضح سابقا14,17 ، والتي لن تكون موجودة في لوحة كاملة النطاق. يقوم القص المزدوج بعمل أفضل في محاكاة هذا السلوك واسع النطاق – فهو يصمم ترجمة القص النقي لل wythes الخارجية بالنسبة إلى wythes المركزية. ونتيجة لذلك ، فقد ثبت أن قيم القص المزدوج المستخدمة في الطرق التحليلية تنتج نتائج أقرب إلى تلك التي تم الحصول عليها في الاختبار واسع النطاق لألواح الجدران المعزولة التمثيلية14. يوضح الشكل 3 إعداد الاختبار التخطيطي لاختبار القص الفردي والمزدوج للموصل.
الشكل 2: أمثلة على تكوينات اختبار الموصل المختلفة المستخدمة في الأدبيات. لقد ثبت أن عينات الموصل الفردي تتسبب في تحميل لا يمثل الترجمة المتوازية لل wythes التي تظهر في اللوحات واسعة النطاق. (أ) قص مزدوج مع موصلين ؛ (ب) قص مزدوج بموصل واحد ؛ (ج) قص واحد بموصل واحد. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
القاسم المشترك لجميع استنتاجات هذه الدراسات هو أن كلتا منهجيتي الاختبار مناسبتان لتحديد الخواص الميكانيكية للموصلات المرنة ، لكن نتائج مخطط اختبار القص المزدوج تشبه إلى حد كبير سلوك الموصل في لوحة حقيقية تحت الانثناء. بمعنى آخر ، عندما يستخدم المستخدم نتائج الاختبار هذه في نموذج تحليلي ، فإنها تتطابق بشكل وثيق مع نتائج الاختبارات واسعة النطاق حيث يتم استخدام الموصلات. من المهم الإشارة إلى أن نتائج هذا الاختبار مناسبة للنماذج التي تعتمد على الخواص الميكانيكية كمعلمات تصميم المدخلات مباشرة ، مثل الطرق المشتقة تجريبيا ، والحلول المغلقة لنظرية شعاع الساندويتش ، ونماذج العناصر المحدودة ذات النوابض 2-D و 3-D7،18،19،20.
الشكل 3: عرض تخطيطي لبروتوكولات الاختبار في الأدبيات. يتم استخدام الكبش لترجمة wythes من العينات بالنسبة لبعضها البعض. (أ) بروتوكولات اختبار القص الأحادي و (ب) بروتوكولات اختبار القص المزدوج. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
في هذا العمل ، يتم تقديم بروتوكول تجريبي للحصول على قيم منحنى العمود الفقري والخواص الميكانيكية لموصلات لوحة الحائط المعزولة ، وهي Fu و K0.5Fu. تعتمد الطريقة على اختبار الموصلات باستخدام نهج اختبار القص المزدوج مع بعض التعديلات للقضاء على مصادر التباين وتحقيق نتائج أكثر موثوقية. يتم إنشاء جميع العينات في بيئة يتم التحكم في درجة حرارتها ، حيث يتم اختبارها عندما تصل الخرسانة إلى قوة الضغط المستهدفة. الميزة الرئيسية لبروتوكول الاختبار هذا هي أنه يمكن اتباعه بسهولة ، ويمكن تكراره بواسطة فنيين مختلفين ، ويصف عن كثب السلوك الحقيقي لموصل wythe في لوحة حائط خرسانية حقيقية معزولة تحت الانثناء أو الانثناء والقوة المحورية مجتمعة ، كما هو موضح في الأدبيات.
سيؤدي تطبيق بروتوكول اختبار موصل wythe المقترح لتحديد الخواص الميكانيكية وسلوك المواد إلى تعزيز دقة نتائج الاختبار لصناعة ألواح الجدران الخرسانية المعزولة وتقليل الحواجز أمام رواد الأعمال المهتمين بإنشاء موصلات جديدة مبتكرة. ستتطلب الزيادة الكبيرة المستقبلية في بناء الألواح المعزولة في كل من صناعات الخرسانة المائلة والخرسانة سابقة الصب استخداما أفضل للمواد وطرقا أكثر توحيدا للحصول على الخصائص الهندسية للألواح.
Protocol
Representative Results
Discussion
استخدم العديد من الباحثين بعض الاختلافات في هذا النوع من الاختبارات ل ICSWP ، ولكن هذا هو المثال الأول لتحديد جميع الخطوات الفردية. لا تتناول الأدبيات الخطوات الحاسمة في الاختبار ، بما في ذلك أنواع أجهزة الاستشعار ومعالجة العينات. تصف هذه الطريقة طريقة اختبار تحاكي بشكل أوثق سلوك الموصلات ع…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
لم يتم تمويل العمل الموصوف أعلاه مباشرة من قبل منظمة واحدة أو على مدار منحة واحدة ، ولكن تم جمع المعلومات على مدى سنوات من البحث الذي ترعاه الصناعة. تحقيقا لهذه الغاية ، يشكر المؤلفون رعاتهم على مدار العقد الماضي وهم ممتنون للعمل في صناعة سريعة التطور.
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. |
Riferimenti
- Collins, T. F. Precast concrete sandwich panels for tilt-up construction. Journal of the American Concrete Institute. 50 (2), 149-164 (1954).
- Luebke, J. . Out-of-plane behavior of concrete insulated wall panels with 2-inch, 8-inch, and 10-inch insulation. , (2021).
- Einea, A., Salmon, D. C., Tadros, M. K., Culp, T. A new structurally and thermally efficient precast sandwich panel system. PCI journal. 39 (4), 90-101 (1994).
- Frankl, B., Lucier, G., Rizkalla, S., Blaszak, G., Harmon, T. Structural behavior of insulated prestressed concrete sandwich panels reinforced with FRP grid. Proceedings of the Fourth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE2008). 2224, (2008).
- Naito, C., Hoemann, J., Beacraft, M., Bewick, B. Performance and characterization of shear ties for use in insulated precast concrete sandwich wall panels. Journal of Structural Engineering. 138 (1), 52-61 (2012).
- Tomlinson, D. . Behaviour of partially composite precast concrete sandwich panels under flexural and axial loads. , (2015).
- . AC320 – Fiber-reinforced Polymer Composite or Unreinforced Polymer Connectors Anchored in Concrete Available from: https://shop.iccsafe.org/es-acceptance-criteria/ac320-fiber-reinforced-polymer-composite-or-unreinforced-polymer-connectors-anchored-in-concrete-approved-oct-2015-editorially-revised-sept-2017-pdf-download.html (2015)
- . Developing a General Methodology for Evaluating Composite Action in Insulated Wall Panels. Report to PCI. Precast/Prestressed Concrete Institute Available from: https://digitalcommons.usu.edu/cee_facpub/3531 (2017)
- Gombeda, M. J., Naito, C. J., Quiel, S. E. Development and performance of a ductile shear tie for precast concrete insulated wall panels. Journal of Building Engineering. 28, 101084 (2020).
- Kinnane, O., West, R., Grimes, M., Grimes, J. Shear capacity of insulated precast concrete façade panels. CERI 2014 – Civil Engineering Research in Ireland. , (2014).
- Jiang, H., Guo, Z., Liu, J., Liu, H. The shear behavior of precast concrete sandwich panels with W-shaped SGFRP shear connectors. KSCE Journal of Civil Engineering. 22 (10), 3961-3971 (2018).
- ASTM International. Standard test methods for strength of anchors in concrete elements. ASTM. , (2022).
- Syndergaard, P., Tawadrous, R., Al-Rubaye, S., Maguire, M. Comparing testing methods of partially composite sandwich wall panel glass fiber-reinforced polymer connectors. Journal of Composites for Construction. 26 (1), (2022).
- Woltman, G., Tomlinson, D., Fam, A. Investigation of various GFRP shear connectors for insulated precast concrete sandwich wall panels. Journal of Composites for Construction. 17 (5), 711-721 (2013).
- Olsen, J., Maguire, M. Pushoff shear testing of composite sandwich panel connectors. 2016 PCI Convention and National Bridge Conference. , (2016).
- Gombeda, M. J., Naito, C. J., Quiel, S. E. Flexural performance of precast concrete insulated wall panels with various configurations of ductile shear ties. Journal of Building Engineering. 33, 101574 (2021).
- Bai, F., Davidson, J. S. Composite beam theory for pretensioned concrete structures with solutions to transfer length and immediate prestress losses. Engineering Structures. 126, 739-758 (2016).
- Cox, B., et al. Lumped GFRP star connector system for partial composite action in insulated precast concrete sandwich panels. Composite Structures. 229, 111465 (2019).
- Pozo, F. . On thermal bowing of concrete sandwich wall panels with flexible shear connectors. , (2018).
- ASTM International. Standard practice for making and curing concrete test specimens in the field. ASTM International. , (2019).
- ASTM International. Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens. ASTM International. , (2018).
- Pozo-Lora, F., Maguire, M. Thermal bowing of concrete sandwich panels with flexible shear connectors. Journal of Building Engineering. 29, 101124 (2020).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Thomas, R. J., Maguire, M. Generalized beam-spring model for predicting elastic behavior of partially composite concrete sandwich wall panels. Engineering Structures. 198, 109533 (2019).
- Losch, E. D., et al. State of the art of precast/prestressed concrete sandwich wall panels. PCI Journal. 56 (2), 131-176 (2011).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Maguire, M. Iterative and simplified sandwich beam theory for partially composite concrete sandwich wall panels. Journal of Structural Engineering. 147 (10), 4021143 (2021).
- Holmberg, A., Plem, E. Behaviour of Load-bearing Sandwich-type Structures. The National Swedish Institute for Building Research. , (1965).
- Naito, C. J., et al. Precast/prestressed concrete experiments performance on non-load bearing sandwich wall panels. Air Force Research Laboratory. Materials and Manufacturing Directorate. , (2011).
- Al-Rubaye, S., Sorensen, T., Olsen, J., Maguire, M. Evaluating elastic behavior for partially composite precast concrete sandwich wall panels. PCI Journal. 63 (5), 71-88 (2018).
- ASTM International. Standard practice for conducting ruggedness tests. ASTM International. , 1169-1121 (2021).
