Determinación de las propiedades mecánicas de conectores flexibles para su uso en paneles de pared de hormigón aislados

Los paneles de pared sándwich de hormigón aislado (ICSWP) comprenden una capa de aislamiento colocada entre dos capas de hormigón, a menudo llamadas wythes, que proporcionan sinérgicamente un componente térmica y estructuralmente eficiente para envolventes de edificios o paneles de carga 1 (Figura 1). Para adaptarse a la industria de la construcción que cambia rápidamente y a las nuevas regulaciones del código de construcción sobre eficiencia térmica, los prefabricados están fabricando ICSWP con capas de concreto más delgadas y capas de aislamiento más gruesas con mayor resistencia térmica; Además, los diseñadores están utilizando métodos más refinados para tener en cuenta la interacción parcialmente compuesta de los wythes de hormigón para reducir los costos generales de construcción al tiempo que aumentan el rendimiento térmico y estructural². Si bien se sabe que la eficiencia estructural depende en gran medida de la conexión estructural entre las capas de concreto y que hay múltiples conectores de corte patentados disponibles en el mercado, no existe un protocolo de prueba estandarizado en la literatura para examinar las propiedades mecánicas de esos conectores. Los conectores disponibles varían ampliamente en su geometría, materiales y fabricación, por lo que es difícil obtener un enfoque analítico unificado para determinar sus propiedades mecánicas. Por esta razón, muchos investigadores han utilizado sus propias configuraciones personalizadas en el laboratorio que intentan imitar el comportamiento fundamental de los conectores en los estados límite de servicio y resistencia 3,4,5,6,7,8,9,10. Sin embargo, solo dos de ellos forman parte de un esquema de evaluación de pruebas^5,8, a pesar de que no son útiles para todas las gamas de conectores debido a su amplia variación en forma, rigidez y composición del material.

Figura 1: Composición típica de un espécimen de panel de pared sándwich. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un método común para probar estos conectores es lo que a menudo se denomina cizalladura única con una o dos filas de conectores, como se describió anteriormente 3,11,12, que a menudo se basa en ASTM E488^, un estándar de prueba de anclaje de concreto ¹³. ASTM E488 no requiere, pero implica fuertemente a través de dibujos de las configuraciones de prueba sugeridas, que se probará un solo anclaje que sobresalga de una base fija de concreto. Una vez que se prueban las muestras, se traza un conjunto de curvas de carga versus desplazamiento, y los valores promedio de la carga elástica final (F_u) y la rigidez elástica (K_0.5Fu) se obtienen de dichas curvas. Una de las principales ventajas de utilizar este enfoque es que produce resultados de baja variabilidad y no requiere grandes espacios de laboratorio o muchos sensores¹⁴. Un enfoque diferente consiste en cargar un conector wythe en doble cizallamiento para determinar las propiedades mecánicas para su uso en el diseño de esos paneles 6,7,14,15,16. Los datos resultantes se procesan de la misma manera, y los valores promedio de la carga elástica final (F_u) y la rigidez elástica (K_0.5Fu) se obtienen de las pruebas. Aunque este enfoque de prueba implica el uso de más material y necesita más sensores, es anecdóticamente más fácil aplicar las condiciones de carga y límite en un laboratorio.

Los dos estilos de prueba no parecen dramáticamente diferentes, pero producen resultados diferentes en gran medida en función de su capacidad para imitar el comportamiento del conector en un panel a gran escala. La configuración de prueba de un solo cizallamiento y una sola fila produce una acción de pellizco, como se muestra en la Figura 2B, C, y un momento de vuelco adicional, como se describió anteriormente^14,17, que no estaría presente en un panel a gran escala. El doble cizallamiento hace un mejor trabajo al imitar este comportamiento a gran escala: modela la traducción de corte puro de los wythes externos en relación con el wythe central. Como resultado, se ha demostrado que los valores de doble cizallamiento empleados en los métodos analíticos producen resultados más cercanos a los obtenidos en pruebas a gran escala de paneles de pared aislados representativos¹⁴. La figura 3 muestra la configuración de prueba esquemática para la prueba de corte simple y doble de un conector.

Figura 2: Ejemplos de diferentes configuraciones de prueba de conectores empleadas en la literatura. Se ha demostrado que las muestras de conector único causan una carga que no representa la traslación paralela de wythes vista en paneles a gran escala. (A) Doble cizallamiento con dos conectores; (B) Doble cizallamiento con un conector; (C) Cizalla simple con un conector. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Un denominador común de las conclusiones de todos estos estudios es que ambas metodologías de prueba son apropiadas para determinar las propiedades mecánicas de los conectores flexibles, pero los resultados del esquema de prueba de doble cizallamiento se asemejan más al comportamiento del conector en un panel real bajo flexión. En otras palabras, cuando el usuario emplea dichos resultados de prueba en un modelo analítico, coinciden estrechamente con los resultados de las pruebas a gran escala donde se utilizan los conectores. Es importante mencionar que los resultados de tales pruebas son apropiados para modelos que se basan directamente en las propiedades mecánicas como parámetros de diseño de entrada, como métodos derivados empíricamente, soluciones de forma cerrada de la teoría de vigas sándwich y modelos de elementos finitos con resortes 2-D y 3-D ^7,18,19,20.

Figura 3: Vista esquemática de los protocolos de prueba en la literatura. Se utiliza un carnero para traducir los wythes de los especímenes entre sí. (A) Protocolos de prueba de corte simple y (B) de doble cizallamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

En este trabajo, se presenta un protocolo experimental para obtener los valores de la curva de la columna vertebral y las propiedades mecánicas de los conectores aislados del panel de pared, a saber, F_u y K_0.5Fu. El método se basa en probar conectores utilizando un enfoque de prueba de doble cizallamiento con algunas modificaciones para eliminar las fuentes de variabilidad y producir resultados más confiables. Todas las muestras se construyen en un ambiente de temperatura controlada, donde se prueban cuando el concreto alcanza la resistencia a la compresión objetivo. La principal ventaja de este protocolo de prueba es que se puede seguir fácilmente, puede ser replicado por diferentes técnicos y describe de cerca el comportamiento real del conector wythe en un panel de pared de hormigón real aislado bajo flexión o flexión y fuerza axial combinada, como se ha demostrado en la literatura.

La aplicación del protocolo de prueba de conectores sugerido para determinar las propiedades mecánicas y el comportamiento del material mejorará la precisión de los resultados de las pruebas para la industria de paneles de paredes de hormigón aislado y disminuirá las barreras para los empresarios interesados en crear nuevos conectores innovadores. El gran aumento futuro en la construcción de paneles aislados tanto en la industria de tilt-up como en la de prefabricados de hormigón requerirá un mejor uso de los materiales y métodos más unificados para obtener las propiedades de ingeniería de los paneles.