Bepaling van de mechanische eigenschappen van flexibele connectoren voor gebruik in geïsoleerde betonnen wandpanelen

Geïsoleerde betonnen sandwichwandpanelen (ICSWP’s) bestaan uit een isolatielaag tussen twee betonlagen, vaak wythes genoemd, die synergetisch een thermisch en structureel efficiënte component vormen voor gebouwschil of dragende panelen¹ (figuur 1). Om zich aan te passen aan de snel veranderende bouwsector en de nieuwe bouwvoorschriften voor thermische efficiëntie, fabriceren prefabeurs ICSWP’s met dunnere betonlagen en dikkere isolatielagen met een hogere thermische weerstand; bovendien gebruiken ontwerpers meer verfijnde methoden om rekening te houden met de gedeeltelijk samengestelde interactie van de betonnen wythes om de totale bouwkosten te verlagen en tegelijkertijd de thermische en structurele prestaties te verhogen². Hoewel het bekend is dat structurele efficiëntie grotendeels afhangt van de structurele verbinding tussen de betonlagen en dat er meerdere gepatenteerde afschuifconnectoren op de markt beschikbaar zijn, bestaat er geen gestandaardiseerd testprotocol in de literatuur om de mechanische eigenschappen van die connectoren te onderzoeken. De beschikbare connectoren variëren sterk in hun geometrie, materialen en productie, dus het is moeilijk om een uniforme analytische benadering te verkrijgen om hun mechanische eigenschappen te bepalen. Om deze reden hebben veel onderzoekers hun eigen aangepaste opstellingen in het laboratorium gebruikt die proberen het fundamentele gedrag van de connectoren na te bootsen bij de service- en^{sterktelimiettoestanden} 3,4,5,6,7,8,9,10. Slechts twee van hen maken echter deel uit van een testevaluatieschema ^5,8, ondanks dat ze niet nuttig zijn voor alle reeksen connectoren vanwege hun grote variatie in vorm, stijfheid en materiaalsamenstelling.

Figuur 1: Typische samenstelling van een sandwichwandpaneelexemplaar. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een veelgebruikte methode voor het testen van deze connectoren is wat vaak single shear wordt genoemd met één rij of twee rijen connectoren, zoals eerder beschreven ^3,11,12, die vaak is gebaseerd op ASTM E488, een betonankerteststandaard¹³. ASTM E488 vereist niet, maar impliceert sterk door middel van tekeningen van de voorgestelde testopstellingen, dat een enkel anker dat uit een vaste basis van beton steekt, zal worden getest. Zodra de monsters zijn getest, wordt een reeks belastings- versus verplaatsingscurven uitgezet en worden de gemiddelde waarden van de uiteindelijke elastische belasting (F_u) en de elastische stijfheid (K_0,5Fu) uit dergelijke curven verkregen. Een van de belangrijkste voordelen van het gebruik van deze aanpak is dat het resultaten met een lage variabiliteit oplevert en geen grote laboratoriumruimtes of veel sensoren nodig heeft¹⁴. Een andere benadering bestaat uit het laden van een wythe connector in dubbele afschuiving om de mechanische eigenschappen te bepalen voor gebruik in het ontwerp van die panelen 6,7,14,15,16. De resulterende gegevens worden op dezelfde manier verwerkt en de gemiddelde waarden van de uiteindelijke elastische belasting (F_u) en de elastische stijfheid (K_0,5Fu) worden verkregen uit testen. Hoewel deze testaanpak meer materiaal gebruikt en meer sensoren nodig heeft, is het anekdotisch gemakkelijker om de belastings- en randvoorwaarden in een laboratorium toe te passen.

De twee teststijlen lijken niet dramatisch verschillend, maar produceren verschillende resultaten, grotendeels gebaseerd op hun vermogen om het connectorgedrag na te bootsen in een volledig paneel. De single-shear, single-row testopstelling produceert een knijpactie, zoals weergegeven in figuur 2B, C, en een extra omkeermoment, zoals eerder beschreven^14,17, dat niet aanwezig zou zijn in een paneel op ware grootte. De dubbele afschuiving doet het beter om dit gedrag op ware grootte na te bootsen – het modelleert de zuivere afschuifvertaling van de buitenste wythes ten opzichte van de centrale wythe. Als gevolg hiervan is aangetoond dat de dubbele schuifwaarden die in analytische methoden worden gebruikt, resultaten opleveren die dichter bij die van grootschalige tests van representatieve geïsoleerde wandpanelen^{liggen 14}. Figuur 3 toont de schematische testopstelling voor het testen van een connector met enkele en dubbele afschuiving.

Figuur 2: Voorbeelden van verschillende connectortestconfiguraties die in de literatuur worden gebruikt. Van exemplaren met één connector is aangetoond dat ze belasting veroorzaken die niet de parallelle vertaling van wythes vertegenwoordigt die in panelen op ware grootte wordt gezien. (A) Dubbele afschuiving met twee connectoren; B) dubbele afschuiving met één connector; (C) Enkele afschuif met één connector. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Een gemene deler van de conclusies van al deze studies is dat beide testmethoden geschikt zijn voor het bepalen van de mechanische eigenschappen van flexibele connectoren, maar de resultaten van het dubbelschuiftestschema lijken meer op het gedrag van de connector in een echt paneel onder buiging. Met andere woorden, wanneer de gebruiker dergelijke testresultaten in een analytisch model gebruikt, komen ze nauw overeen met de resultaten van grootschalige tests waarbij de connectoren worden gebruikt. Het is belangrijk om te vermelden dat de resultaten van dergelijke tests geschikt zijn voor modellen die rechtstreeks afhankelijk zijn van de mechanische eigenschappen als inputontwerpparameters, zoals empirisch afgeleide methoden, gesloten oplossingen van de sandwichbundeltheorie en eindige elementenmodellen met 2D- en 3D-veren 7,18,19,20.

Figuur 3: Schematische weergave van de testprotocollen in de literatuur. Een ram wordt gebruikt om de wythes van de exemplaren ten opzichte van elkaar te vertalen. (A) Single-shear en (B) double-shear testprotocollen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In dit werk wordt een experimenteel protocol gepresenteerd voor het verkrijgen van de waarden van de ruggengraatcurve en de mechanische eigenschappen van geïsoleerde wandpanelen, namelijk F_u en K_0.5Fu. De methode is gebaseerd op het testen van connectoren met behulp van een dubbele afschuiftestbenadering met enkele wijzigingen om bronnen van variabiliteit te elimineren en betrouwbaardere resultaten te produceren. Alle monsters worden geconstrueerd in een temperatuurgecontroleerde omgeving, waar ze worden getest wanneer het beton de beoogde druksterkte bereikt. Het belangrijkste voordeel van dit testprotocol is dat het gemakkelijk kan worden gevolgd, door verschillende technici kan worden gerepliceerd en het echte gedrag van de wythe-connector nauwkeurig beschrijft in een echt, geïsoleerd betonnen wandpaneel onder buiging of buiging en axiale kracht gecombineerd, zoals is aangetoond in de literatuur.

De toepassing van het voorgestelde wythe connector-testprotocol voor het bepalen van de mechanische eigenschappen en het materiaalgedrag zal de nauwkeurigheid van de testresultaten voor de geïsoleerde betonnen wandpaneelindustrie verbeteren en de barrières verminderen voor ondernemers die geïnteresseerd zijn in het creëren van innovatieve nieuwe connectoren. De toekomstige grote toename van geïsoleerde paneelconstructies in zowel de kantel- als prefabbetonindustrie vereist een beter gebruik van materialen en meer uniforme methoden om technische eigenschappen van de panelen te verkrijgen.