Determinazione delle proprietà meccaniche dei connettori flessibili per l'uso in pannelli di pareti in calcestruzzo coibentato

Summary

Proponiamo un protocollo di test che può essere combinato con metodi analitici ampiamente disponibili per valutare le proprietà meccaniche dei connettori a taglio da utilizzare nella progettazione di pannelli murali in calcestruzzo isolato per prevedere il comportamento del pannello isolante su vasta scala.

Abstract

Questo documento contiene raccomandazioni per l’esecuzione di una prova a doppio taglio non standard, adatta a pannelli sandwich in calcestruzzo isolato continuo e discreto (ICSWP). Tale test standardizzato non esiste, ma diverse iterazioni di questo e test simili sono state eseguite in letteratura con vari gradi di successo. Inoltre, i test in letteratura sono raramente, se non mai, descritti in dettaglio o discussi a lungo per quanto riguarda i test, l’analisi dei dati o le procedure di sicurezza. Si raccomanda una configurazione del campione di prova e vengono discusse le varianti. Importanti proprietà meccaniche sono identificate dai dati di carico rispetto allo spostamento e la loro estrazione è dettagliata. L’uso dei dati di prova per la progettazione, ad esempio per determinare la rigidità dei connettori, è brevemente dimostrato per mostrare come possono essere calcolati la deflessione ICSWP e il comportamento di fessurazione. Il comportamento di resistenza dei pannelli può essere determinato utilizzando la curva a pieno carico rispetto allo spostamento o solo la forza massima del connettore. Vengono riconosciute carenze e incognite e viene delineato un significativo lavoro futuro.

Introduction

I pannelli sandwich in calcestruzzo isolato (ICSWP) comprendono uno strato di isolamento posto tra due strati di calcestruzzo, spesso chiamati wythes, che forniscono sinergicamente un componente termicamente e strutturalmente efficiente per involucri edilizi o pannelli portanti 1 (Figura 1). Per adattarsi al settore delle costruzioni in rapida evoluzione e alle nuove normative edilizie sull’efficienza termica, i prefabbricanti stanno fabbricando ICSWP con strati di calcestruzzo più sottili e strati isolanti più spessi con maggiore resistenza termica; Inoltre, i progettisti stanno utilizzando metodi più raffinati per tenere conto dell’interazione parzialmente composita dei wythes in calcestruzzo per ridurre i costi complessivi di costruzione aumentando al contempo le prestazioni termiche e strutturali². Mentre è noto che l’efficienza strutturale dipende in gran parte dalla connessione strutturale tra gli strati di calcestruzzo e che sul mercato sono disponibili più connettori di taglio proprietari, non esiste un protocollo di prova standardizzato in letteratura per esaminare le proprietà meccaniche di tali connettori. I connettori disponibili variano ampiamente nella loro geometria, materiali e produzione, quindi è difficile ottenere un approccio analitico unificato per determinare le loro proprietà meccaniche. Per questo motivo, molti ricercatori hanno utilizzato le proprie configurazioni personalizzate in laboratorio che cercano di imitare il comportamento fondamentale dei connettori agli stati limite di servizio e forza 3,4,5,6,7,8,9,10. Tuttavia, solo due di essi fanno parte di uno schema di valutazione dei test^5,8, nonostante non siano utili per tutte le gamme di connettori a causa della loro ampia variazione di forma, rigidità e composizione del materiale.

Figura 1: Composizione tipica di un campione di pannello murale sandwich. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Un metodo comune per testare questi connettori è quello che viene spesso definito taglio singolo con una o due file di connettori, come descritto in precedenza 3,11,12, che è spesso basato su ASTM E488^, uno standard di prova di ancoraggio del calcestruzzo¹³. L’ASTM E488 non richiede, ma implica fortemente attraverso i disegni delle configurazioni di prova suggerite, che verrà testato un singolo ancoraggio che sporge da una base fissa di calcestruzzo. Una volta testati i provini, viene tracciata una serie di curve di carico rispetto allo spostamento e da tali curve si ottengono i valori medi del carico elastico finale (F_u) e della rigidità elastica (K_0,5Fu). Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo di questo approccio è che produce risultati a bassa variabilità e non richiede grandi spazi di laboratorio o molti sensori¹⁴. Un approccio diverso consiste nel caricare un connettore wythe in doppio taglio per determinare le proprietà meccaniche da utilizzare nella progettazione di tali pannelli 6,7,14,15,16. I dati risultanti vengono elaborati nello stesso modo e i valori medi del carico elastico finale (F_u) e della rigidità elastica (K_0,5Fu) vengono ottenuti dai test. Sebbene questo approccio di test implichi l’utilizzo di più materiale e richieda più sensori, è aneddotica più facile applicare le condizioni di carico e al contorno in un laboratorio.

I due stili di test non sembrano drammaticamente diversi, ma producono risultati diversi in gran parte basati sulla loro capacità di imitare il comportamento del connettore in un pannello a grandezza naturale. La configurazione di prova a taglio singolo e a fila singola produce un’azione di pizzicamento, come mostrato nella Figura 2B,C, e un ulteriore momento di ribaltamento, come descritto in precedenza^14,17, che non sarebbe presente in un pannello a grandezza naturale. Il doppio taglio fa un lavoro migliore nell’imitare questo comportamento su larga scala: modella la traslazione di taglio puro dei wythes esterni rispetto al wythes centrale. Di conseguenza, i valori di doppio taglio impiegati nei metodi analitici hanno dimostrato di produrre risultati più vicini a quelli ottenuti nelle prove su larga scala di pannelli murali isolanti rappresentativi¹⁴. Nella Figura 3 viene illustrata la configurazione del test schematico per il test a taglio singolo e doppio di un connettore.

Figura 2: Esempi di diverse configurazioni di test dei connettori impiegate in letteratura. È stato dimostrato che i campioni di connettori singoli causano carichi che non rappresentano la traslazione parallela dei wythes osservati nei pannelli in scala reale. (A) Doppio taglio con due connettori; (B) Doppio taglio con un connettore; (C) Cesoia singola con un connettore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Un denominatore comune delle conclusioni di tutti questi studi è che entrambe le metodologie di prova sono appropriate per determinare le proprietà meccaniche dei connettori flessibili, ma i risultati dello schema di prova a doppio taglio assomigliano più da vicino al comportamento del connettore in un pannello reale sotto flessione. In altre parole, quando l’utente utilizza tali risultati di test in un modello analitico, corrispondono strettamente ai risultati dei test su larga scala in cui vengono utilizzati i connettori. È importante ricordare che i risultati di tali test sono appropriati per i modelli che si basano direttamente sulle proprietà meccaniche come parametri di progettazione di input, come metodi empiricamente derivati, soluzioni in forma chiusa della teoria del fascio sandwich e modelli agli elementi finiti con molle 2-D e 3-D 7,18,19,20.

Figura 3: Vista schematica dei protocolli di test in letteratura. Un ariete viene utilizzato per traslare i wythes degli esemplari l’uno rispetto all’altro. (A) Protocolli di prova a taglio singolo e (B) a doppio taglio. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

In questo lavoro viene presentato un protocollo sperimentale per ottenere i valori della curva dorsale e le proprietà meccaniche dei connettori a parete isolati, vale a dire F_u e K_0,5Fu. Il metodo si basa sul test dei connettori utilizzando un approccio di test a doppio taglio con alcune modifiche per eliminare le fonti di variabilità e produrre risultati più affidabili. Tutti i campioni sono costruiti in un ambiente a temperatura controllata, dove vengono testati quando il calcestruzzo raggiunge la resistenza alla compressione target. Il vantaggio principale di questo protocollo di prova è che può essere facilmente seguito, può essere replicato da diversi tecnici e descrive da vicino il comportamento reale del connettore wythe in un pannello di parete in calcestruzzo coibentato reale sotto flessione o flessione e forza assiale combinati, come è stato dimostrato in letteratura.

L’applicazione del protocollo di test dei connettori wythe suggerito per determinare le proprietà meccaniche e il comportamento del materiale migliorerà l’accuratezza dei risultati dei test per l’industria dei pannelli murali in calcestruzzo isolato e ridurrà le barriere per gli imprenditori interessati a creare nuovi connettori innovativi. Il futuro grande aumento della costruzione di pannelli isolanti sia nell’industria del calcestruzzo inclinabile che in quella del calcestruzzo prefabbricato richiederà un migliore uso dei materiali e metodi più unificati per ottenere proprietà ingegneristiche dei pannelli.

Protocol

1. Fabbricazione del campione di prova Selezionare il connettore a taglio discreto o continuo per testare e rispettare le dimensioni del provino indicate nella Figura 4. Se necessario, modificate le quote in base alle distanze dei bordi di prova modificando la distanza del connettore.NOTA: In generale, è importante rispettare le linee guida del produttore, sebbene questo test possa essere utilizzato per sviluppare queste linee guida. Le dimensioni del calcestr…

Representative Results

La Figura 8 e la Figura 9A mostrano un carico tipico per connettore rispetto alla curva di spostamento media risultante da un test a doppio taglio di un connettore in polimero rinforzato con fibre (FRP) in laboratorio. Come mostrano le figure, il carico aumenta costantemente fino al punto massimo e poi diminuisce drasticamente, che è tipicamente osservato nella maggior parte dei test che coinvolgono i polimeri. Tuttavia, come suggerisce la …

Discussion

Molti ricercatori hanno utilizzato alcune varianti di questo tipo di test per ICSWP, ma questo è il primo caso di delineare tutti i singoli passaggi. La letteratura non affronta le fasi critiche dei test, compresi i tipi di sensori e la gestione dei campioni. Questo metodo descrive un modo di test che imita più da vicino il comportamento dei connettori quando un pannello viene caricato in flessione rispetto al test a taglio singolo. Ci sono diverse variabili per questo lavoro che devono ancora essere studiate. In parti…

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.