Summary

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

Published: October 19, 2022
doi:

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.

Figure 1
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 (Fu) и упругой жесткости (K0,5Fu). 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 (Fu) и упругой жесткости (K0,5Fu) 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 ранее14,17, 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.

Figure 2
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.

Figure 3
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 Fu и K0.5Fu. 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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Работа, описанная выше, не финансировалась непосредственно какой-либо одной организацией или в течение одного гранта, но информация была собрана в течение многих лет исследований, спонсируемых промышленностью. С этой целью авторы благодарят своих спонсоров за последнее десятилетие и благодарны за работу в быстро развивающейся отрасли.

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.

References

  1. Collins, T. F. Precast concrete sandwich panels for tilt-up construction. Journal of the American Concrete Institute. 50 (2), 149-164 (1954).
  2. Luebke, J. . Out-of-plane behavior of concrete insulated wall panels with 2-inch, 8-inch, and 10-inch insulation. , (2021).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Tomlinson, D. . Behaviour of partially composite precast concrete sandwich panels under flexural and axial loads. , (2015).
  7. . 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)
  8. . 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)
  9. 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).
  10. Kinnane, O., West, R., Grimes, M., Grimes, J. Shear capacity of insulated precast concrete façade panels. CERI 2014 – Civil Engineering Research in Ireland. , (2014).
  11. 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).
  12. ASTM International. Standard test methods for strength of anchors in concrete elements. ASTM. , (2022).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Olsen, J., Maguire, M. Pushoff shear testing of composite sandwich panel connectors. 2016 PCI Convention and National Bridge Conference. , (2016).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Cox, B., et al. Lumped GFRP star connector system for partial composite action in insulated precast concrete sandwich panels. Composite Structures. 229, 111465 (2019).
  19. Pozo, F. . On thermal bowing of concrete sandwich wall panels with flexible shear connectors. , (2018).
  20. ASTM International. Standard practice for making and curing concrete test specimens in the field. ASTM International. , (2019).
  21. ASTM International. Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens. ASTM International. , (2018).
  22. Pozo-Lora, F., Maguire, M. Thermal bowing of concrete sandwich panels with flexible shear connectors. Journal of Building Engineering. 29, 101124 (2020).
  23. 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).
  24. Losch, E. D., et al. State of the art of precast/prestressed concrete sandwich wall panels. PCI Journal. 56 (2), 131-176 (2011).
  25. 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).
  26. Holmberg, A., Plem, E. Behaviour of Load-bearing Sandwich-type Structures. The National Swedish Institute for Building Research. , (1965).
  27. 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).
  28. 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).
  29. ASTM International. Standard practice for conducting ruggedness tests. ASTM International. , 1169-1121 (2021).

Play Video

Cite This Article
Pozo-Lora, F. F., Maguire, M. Determination of the Mechanical Properties of Flexible Connectors for Use in Insulated Concrete Wall Panels. J. Vis. Exp. (188), e64292, doi:10.3791/64292 (2022).

View Video