Bestimmung der mechanischen Eigenschaften flexibler Steckverbinder für den Einsatz in isolierten Betonwandpaneelen

Isolierte Beton-Sandwichwandpaneele (ICSWPs) bestehen aus einer Dämmschicht, die zwischen zwei Betonschichten platziert ist, die oft als Wythes bezeichnet werden und synergetisch eine thermisch und strukturell effiziente Komponente für Gebäudehüllen oder tragende Paneele darstellen¹ (Abbildung 1). Um sich an die sich schnell verändernde Bauindustrie und die neuen Bauvorschriften zur thermischen Effizienz anzupassen, stellen Fertigteile ICSWPs mit dünneren Betonschichten und dickeren Dämmschichten mit höherem Wärmewiderstand her. Darüber hinaus verwenden die Planer verfeinerte Methoden, um die teilweise zusammengesetzte Interaktion der Betonwythes zu berücksichtigen, um die Gesamtbaukosten zu senken und gleichzeitig die thermische und strukturelle Leistung zu erhöhen². Obwohl bekannt ist, dass die strukturelle Effizienz weitgehend von der strukturellen Verbindung zwischen den Betonschichten abhängt und dass mehrere proprietäre Scherverbinder auf dem Markt verfügbar sind, existiert in der Literatur kein standardisiertes Prüfprotokoll, um die mechanischen Eigenschaften dieser Verbinder zu untersuchen. Die verfügbaren Steckverbinder unterscheiden sich stark in ihrer Geometrie, ihren Materialien und ihrer Fertigung, so dass es schwierig ist, einen einheitlichen analytischen Ansatz zur Bestimmung ihrer mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Aus diesem Grund haben viele Forscher ihre eigenen maßgeschneiderten Setups im Labor verwendet, die versuchen, das grundlegende Verhalten der Steckverbinder in den Betriebs- und Festigkeitsgrenzzuständen 3,4,5,6,7,8,9,10 nachzuahmen. Allerdings sind nur zwei von ihnen Teil eines Testbewertungsschemas^5,8, obwohl sie aufgrund ihrer großen Unterschiede in Form, Steifigkeit und Materialzusammensetzung nicht für alle Steckverbinderserien geeignet sind.

Abbildung 1: Typische Zusammensetzung eines Sandwich-Wandpaneelmusters. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Eine gängige Methode zum Testen dieser Steckverbinder ist das, was oft als Einzelscherung mit entweder einer Reihe oder zwei Reihen von Steckverbindern bezeichnet wird, wie zuvor 3,11,12 beschrieben, die häufig auf ASTM E488, einer Betonankerprüfnorm ^13, basiert. ASTM E488 verlangt nicht, impliziert aber durch Zeichnungen der vorgeschlagenen Testaufbauten, dass ein einzelner Anker, der aus einer festen Betonbasis herausragt, getestet wird. Nach der Prüfung der Proben wird ein Satz von Last-Weg-Kurven gezeichnet und die Durchschnittswerte der elastischen Endlast (F_u) und der elastischen Steifigkeit (K_0,5Fu) aus diesen Kurven erhalten. Einer der Hauptvorteile dieses Ansatzes besteht darin, dass er Ergebnisse mit geringer Variabilität liefert und keine großen Laborräume oder viele Sensoren erfordert¹⁴. Ein anderer Ansatz besteht darin, einen Wythe-Steckverbinder in Doppelscherung zu laden, um die mechanischen Eigenschaften für die Verwendung bei der Konstruktion der Paneele 6,7,14,15,16 zu bestimmen. Die resultierenden Daten werden auf die gleiche Weise verarbeitet, und die Durchschnittswerte der elastischen Endlast (F_u) und der elastischen Steifigkeit (K_0,5Fu) werden aus den Tests gewonnen. Obwohl dieser Testansatz mehr Material erfordert und mehr Sensoren benötigt, ist es anekdotisch einfacher, die Belastung und Randbedingungen in einem Labor anzuwenden.

Die beiden Testarten scheinen sich nicht dramatisch zu unterscheiden, führen jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen, die hauptsächlich auf ihrer Fähigkeit basieren, das Verhalten des Steckverbinders in einem vollständigen Panel nachzuahmen. Der einreihige Scher- und einreihige Testaufbau erzeugt eine Einklemmaktion, wie in Abbildung 2B, C dargestellt, und ein zusätzliches Umkippmoment, wie zuvor^14,17 beschrieben^, das in einem maßstabsgetreuen Panel nicht vorhanden wäre. Die Doppelscherung ahmt dieses Verhalten in vollem Maßstab besser nach – sie modelliert die reine Scherverschiebung der äußeren Striche relativ zum zentralen Wythe. Infolgedessen hat sich gezeigt, dass die in analytischen Methoden verwendeten Doppelscherwerte zu Ergebnissen führen, die denen näher kommen, die in großflächigen Tests repräsentativer isolierter Wandpaneele¹⁴ erzielt wurden. Abbildung 3 zeigt den schematischen Testaufbau für die Einzel- und Doppelscherprüfung eines Steckverbinders.

Abbildung 2: Beispiele für verschiedene Steckverbindertestkonfigurationen, die in der Literatur verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass einzelne Steckverbinderproben eine Belastung verursachen, die nicht die parallele Übersetzung von Wythes darstellt, die in Full-Scale-Panels zu sehen ist. (A) Doppelscherung mit zwei Anschlüssen; (B) Doppelscherung mit einem Stecker; (C) Einzelscherung mit einem Stecker. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Ein gemeinsamer Nenner aller Schlussfolgerungen dieser Studien ist, dass beide Testmethoden geeignet sind, die mechanischen Eigenschaften flexibler Steckverbinder zu bestimmen, aber die Ergebnisse des Doppelscher-Testschemas ähneln eher dem Verhalten des Steckverbinders in einer realen Platte unter Biegung. Mit anderen Worten, wenn der Benutzer solche Testergebnisse in einem analytischen Modell verwendet, stimmen sie eng mit den Ergebnissen von groß angelegten Tests überein, bei denen die Konnektoren verwendet werden. Es ist wichtig zu erwähnen, dass die Ergebnisse solcher Tests für Modelle geeignet sind, die sich direkt auf die mechanischen Eigenschaften als Eingabedesignparameter stützen, wie empirisch abgeleitete Methoden, geschlossene Lösungen der Sandwichstrahltheorie und Finite-Elemente-Modelle mit 2-D- und 3-D-Federn 7,18,19,20.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Prüfprotokolle in der Literatur. Ein Widder wird verwendet, um die Wythes der Proben relativ zueinander zu übersetzen. (A) Einfachscher- und (B) Doppelscherprüfprotokolle. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

In dieser Arbeit wird ein experimentelles Protokoll zur Ermittlung der Werte der Backbone-Kurve und der mechanischen Eigenschaften von isolierten Wandpaneel-Wythe-Steckverbindern, nämlich F_u und K_0,5Fu, vorgestellt. Die Methode basiert auf dem Testen von Steckverbindern mit einem Doppelschertestansatz mit einigen Modifikationen, um Variabilitätsquellen zu eliminieren und zuverlässigere Ergebnisse zu erzielen. Alle Proben werden in einer temperaturkontrollierten Umgebung gebaut, wo sie getestet werden, wenn der Beton die Zieldruckfestigkeit erreicht. Der Hauptvorteil dieses Prüfprotokolls besteht darin, dass es leicht verfolgt werden kann, von verschiedenen Technikern repliziert werden kann und das tatsächliche Verhalten des Wythe-Steckers in einer echten, isolierten Betonwandplatte unter Biegung oder Biegung und Axialkraft kombiniert genau beschreibt, wie in der Literatur gezeigt wurde.

Die Anwendung des vorgeschlagenen Wythe-Steckverbinderprüfprotokolls zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften und des Materialverhaltens wird die Genauigkeit der Testergebnisse für die Isolierbetonwandplattenindustrie verbessern und die Barrieren für Unternehmer verringern, die an der Entwicklung innovativer neuer Steckverbinder interessiert sind. Die zukünftige starke Zunahme des isolierten Paneelbaus sowohl in der Kipp- als auch in der Betonfertigteilindustrie erfordert eine bessere Materialnutzung und einheitlichere Methoden, um die technischen Eigenschaften der Paneele zu erhalten.