Определение механических свойств гибких соединителей для использования в изолированных бетонных стеновых панелях

Summary

Мы предлагаем протокол испытаний, который может быть объединен с широко доступными аналитическими методами для оценки механических свойств сдвиговых соединителей для использования в проектировании изолированных бетонных стеновых панелей для прогнозирования полномасштабного поведения изолированных панелей.

Abstract

Настоящий документ содержит рекомендации по проведению нестандартного испытания с двойным сдвигом, подходящего как для непрерывных, так и для дискретных изолированных бетонных сэндвич-стеновых панелей (ICSWP). Такого стандартизированного теста не существует, но несколько итераций этого и подобных тестов были выполнены в литературе с разной степенью успеха. Кроме того, тесты в литературе редко, если вообще когда-либо, подробно описываются или подробно обсуждаются в отношении испытаний, анализа данных или процедур безопасности. В настоящем документе рекомендуется конфигурация испытательного образца и обсуждаются варианты. Важные механические свойства определяются на основе данных о нагрузке и перемещении, и их извлечение детализируется. Кратко продемонстрировано использование тестовых данных для проектирования, например для определения жесткости разъемов, чтобы показать, как можно рассчитать поведение прогиба и растрескивания ICSWP. Прочностное поведение панелей может быть определено с использованием кривой полной нагрузки против смещения или только максимальной прочности разъема. Признаются недостатки и неизвестные, и намечается значительная будущая работа.

Introduction

Изолированные бетонные сэндвич-стеновые панели (ICSWPs) представляют собой слой изоляции, размещенный между двумя бетонными слоями, часто называемыми wythes, которые синергетически обеспечивают термически и структурно эффективный компонент для строительных ограждающих конструкций или несущих панелей¹ (рисунок 1). Чтобы адаптироваться к быстро меняющейся строительной отрасли и новым нормам строительных норм и правил по тепловой эффективности, сборщики изготавливают ICSWP с более тонкими бетонными слоями и более толстыми изоляционными слоями с более высоким тепловым сопротивлением; Кроме того, проектировщики используют более совершенные методы для учета частично композитного взаимодействия бетонных вырезов для снижения общих затрат на строительство при одновременном повышении тепловых и структурных характеристик². Хотя известно, что структурная эффективность в значительной степени зависит от структурной связи между бетонными слоями и что на рынке доступно несколько запатентованных сдвиговых соединителей, в литературе не существует стандартизированного протокола тестирования для изучения механических свойств этих соединителей. Доступные соединители сильно различаются по геометрии, материалам и изготовлению, поэтому трудно получить единый аналитический подход к определению их механических свойств. По этой причине многие исследователи использовали свои собственные настраиваемые настройки в лаборатории, которые пытаются имитировать фундаментальное поведение разъемов в состоянии обслуживания и предел прочности 3,4,5,6,7,8,9,10. Тем не менее, только два из них являются частью схемы оценки тестирования ^5,8, несмотря на то, что они не полезны для всех диапазонов разъемов из-за их широкого разнообразия формы, жесткости и состава материала.

Рисунок 1: Типичный состав образца сэндвич-стеновой панели. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Распространенным методом тестирования этих соединителей является то, что часто называют одиночным сдвигом с одним или двумя рядами соединителей, как описано ранее ^3,11,12, ^{которое} часто основано на ASTM E488, стандарте¹³ для испытания бетонных анкеров. ASTM E488 не требует, но сильно подразумевает через чертежи предлагаемых испытательных установок, что будет испытан один анкер, выступающий из неподвижного основания бетона. После испытания образцов строится набор кривых нагрузки и смещения, и из таких кривых получаются средние значения конечной упругой нагрузки (F_u) и упругой жесткости (K_0,5Fu). Одним из основных преимуществ использования этого подхода является то, что он дает результаты с низкой изменчивостью и не требует больших лабораторных помещений или множества датчиков¹⁴. Другой подход заключается в загрузке соединителя wythe в двойном сдвиге для определения механических свойств для использования в конструкции этих панелей 6,7,14,15,16. Полученные данные обрабатываются таким же образом, а средние значения предельной упругой нагрузки (F_u) и упругой жесткости (K_0,5Fu) получены в результате тестирования. Хотя этот подход к тестированию включает в себя использование большего количества материала и требует большего количества датчиков, обычно легче применять нагрузку и граничные условия в лаборатории.

Эти два стиля тестирования не кажутся кардинально разными, но дают разные результаты, в значительной степени основанные на их способности имитировать поведение соединителя в полномасштабной панели. Однопоперечная, однорядная испытательная установка производит защемляющее действие, как показано на рисунке 2B, C, и дополнительный опрокидывающий момент, как описано ранее^14,17, который не присутствовал бы в полномасштабной панели. Двойной сдвиг лучше имитирует это полномасштабное поведение – он моделирует чистый сдвигового перевода внешних wythes относительно центрального wythes. В результате было показано, что значения двойного сдвига, используемые в аналитических методах, дают результаты, близкие к результатам, полученным при крупномасштабных испытаниях репрезентативных изолированных стеновых панелей¹⁴. На рисунке 3 показана схематическая тестовая установка для одно- и двухпоперечного тестирования разъема.

Рисунок 2: Примеры различных конфигураций тестирования разъемов, используемых в литературе. Было показано, что образцы с одним разъемом вызывают нагрузку, которая не представляет собой параллельный перевод wythes, наблюдаемый в полномасштабных панелях. (A) Двойной сдвиг с двумя разъемами; B) двойной сдвиг с одним разъемом; (C) Одинарный сдвиг с одним разъемом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Общим знаменателем выводов всех этих исследований является то, что обе методики тестирования подходят для определения механических свойств гибких соединителей, но результаты схемы испытаний с двойным сдвигом больше напоминают поведение разъема в реальной панели при изгибе. Другими словами, когда пользователь использует такие результаты тестирования в аналитической модели, они близко соответствуют результатам крупномасштабных тестов, где используются коннекторы. Важно отметить, что результаты таких испытаний подходят для моделей, которые непосредственно полагаются на механические свойства в качестве входных расчетных параметров, таких как эмпирически выведенные методы, замкнутые решения теории сэндвич-пучка и конечно-элементные модели с 2-D и 3-D пружинами 7,18,19,20.

Рисунок 3: Схематическое представление протоколов тестирования в литературе. Баран используется для перевода уайтов образцов относительно друг друга. А) Протоколы испытаний с одним сдвигом и В) с двойным сдвигом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

В данной работе представлен экспериментальный протокол получения значений магистральной кривой и механических свойств изолированных стеновых панелей wythe connectors, а именно F_u и K_0.5Fu. Метод основан на тестировании разъемов с использованием подхода к испытаниям с двойным сдвигом с некоторыми модификациями для устранения источников изменчивости и получения более надежных результатов. Все образцы конструируются в среде с контролируемой температурой, где они тестируются, когда бетон достигает целевой прочности на сжатие. Основным преимуществом этого протокола тестирования является то, что он может легко соблюдаться, может быть воспроизведен различными техническими специалистами и точно описывает реальное поведение соединителя wythe в реальной, изолированной бетонной стеновой панели при изгибе или изгибе и осевой силе в сочетании, как было показано в литературе.

Применение предлагаемого протокола тестирования разъемов wythe для определения механических свойств и поведения материала повысит точность результатов испытаний для промышленности изолированных бетонных стеновых панелей и уменьшит барьеры для предпринимателей, заинтересованных в создании инновационных новых соединителей. Будущее значительное увеличение строительства изолированных панелей как в откидной, так и в сборобетонной промышленности потребует лучшего использования материалов и более унифицированных методов для получения инженерных свойств панелей.

Protocol

1. Изготовление испытательного образца Выберите дискретный или непрерывный сдвиговой разъем для тестирования и придерживайтесь размеров образца, указанных на рисунке 4. При необходимости измените размеры на расстояние испытательного края, изменив расст…

Representative Results

На рисунке 8 и рисунке 9A показана типичная нагрузка на разъем по сравнению со средней кривой смещения, полученной в результате испытания двойного сдвига разъема из армированного волокном полимера (FRP) в лаборатории. Как показано на рисунках, нагрузка неу?…

Discussion

Многие исследователи использовали некоторые вариации этого типа теста для ICSWP, но это первый случай описания всех отдельных шагов. В литературе не рассматриваются критические этапы тестирования, включая типы датчиков и обработку образцов. Этот метод описывает способ тестирования, кот…

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.