Abstrak
Untuk mengurangi dampak lingkungan yang signifikan dari industri konstruksi, lantai bangunan yang dirancang sebagai cangkang beton yang bekerja terutama dalam kompresi dan yang tersegmentasi untuk prafabrikasi dan pembongkaran menawarkan alternatif yang menjanjikan untuk pelat datar tebal yang diperkuat. Prototipe OAK, cangkang beton tersegmentasi berukuran 4,5 m × 4,5 m dengan sambungan kering yang dapat dibalik untuk lantai bangunan yang dapat digunakan kembali, menawarkan potensi tersebut. Perilaku non-linier dari material beton dan sistem cangkang tersegmentasi membuat pemahaman mekanika sistem struktural seperti itu menantang untuk desain praktis. Secara khusus, tegangan tekan dan kelangsingan cangkang, bersama dengan ketidaksempurnaan fabrikasi dan perakitannya, membuatnya rentan terhadap ketidakstabilan. Artikel ini melaporkan metodologi dan hasil dari serangkaian penilaian struktural fisik pada prototipe OAK, termasuk uji material, kemudahan servis, kekokohan, dan stabilitas.
1. PENDAHULUAN
1.1 Motivasi
Industri konstruksi bertanggung jawab atas 39% emisi karbon terkait energi global, dengan 28% disebabkan oleh emisi operasional dan 11% disebabkan oleh emisi terwujud. 1 Secara khusus, produksi semen Portland, yang banyak digunakan untuk struktur beton, mewakili 7% emisi gas rumah kaca di seluruh dunia. 2 Untuk mengurangi dampak lingkungan ini, merancang dan membangun lantai beton sebagai cangkang yang bekerja secara efisien dalam kompresi, perilaku beton yang paling efisien, menawarkan penghematan yang substansial. 3 – 5 Prototipe OAK proyek ACORN, ditunjukkan pada Gambar 1 , menunjukkan jalur menuju penggunaan cangkang beton sebagai lantai bangunan yang berkelanjutan. Pengurangan sekitar 50% karbon terwujud dari cradle-to-gate yang dibandingkan dengan pelat datar biasa dicapai sebelum perbaikan dan pengoptimalan lebih lanjut. 6 Penelitian ini berkontribusi pada pengembangan solusi lantai bangunan berkubah. Lantai berkubah ubin umum dari Spanyol Abad Pertengahan hingga Amerika Serikat abad ke-19/20 dengan migrasi dan pekerjaan Guastavino. 7 , 8 Lantai seperti itu telah menginspirasi solusi lantai berkubah 3 dalam beton 4 , 5 , 9 atau hibrida ubin-beton. 10 Sementara sistem ini bersifat monolitik, lantai berkubah tersegmentasi seperti prototipe OAK memungkinkan prafabrikasi dan penggunaan ulang.
1.2 Keadaan terkini
Cangkang tersebut memiliki bentang 4,5 m, yang meliputi area persegi seluas lebih dari 20 m 2 , dengan bentuk dan segmentasi ditunjukkan pada Gambar 2 . Cangkang tersebut diselesaikan menjadi sistem lantai bangunan dengan menambahkan satu set batang pengikat eksternal untuk menahan daya dorong, dan lantai datar non-struktural untuk aksesibilitas. Bentang, yang ditentukan oleh keterbatasan ruang lab, meskipun kecil, realistis untuk aplikasi perumahan, terutama karena bentang pendek merupakan cara yang efisien untuk mengurangi karbon terkandung dalam bangunan. Karena lantai berkubah bekerja terutama dalam kompresi, sistem ini lebih mudah diskalakan daripada lantai yang bekerja dalam lenturan. OAK dihasilkan dari proses desain dan konstruksi holistik yang mengintegrasikan persyaratan arsitektur, teknik, fabrikasi, dan perakitan.
1.2.1 Desain Struktural
Desain struktural cangkang diinformasikan oleh Penemuan Bentuk Isogeometrik, Analisis Elemen Hingga, dan Optimasi Struktural Evolusioner Dua Arah. 11 Bentuknya ditentukan melalui penemuan bentuk funikular. Karena lantai seharusnya menjadi bagian dari serangkaian teluk, dukungan dorong-saja virtual ditambahkan pada batas-batas untuk memperhitungkan cangkang yang berdekatan secara simetris dalam proses penemuan bentuk. Kenaikan 590 mm di puncak memberikan rasio naik-ke-bentang sekitar 1:8, menghasilkan geometri dangkal untuk membatasi tinggi struktural, sambil memungkinkan integrasi layanan bangunan. Rasio naik-ke-bentang seperti itu mirip dengan aplikasi lantai ubin atau beton berkubah lainnya. 4 , 5 Cangkang berperilaku terutama dalam kompresi di bawah beban simetris terdistribusi, menurut analisis batas, yang sesuai dengan kasus beban utama berat sendiri dan beban mati. Distribusi tegangan dalam cangkang relatif seragam, kecuali untuk konsentrasi lokal di sepanjang tepinya, menghasilkan bentuk seperti kubah dengan kelengkungan ganda positif di mana-mana. Ketebalan cangkang berkisar antara 30 mm di puncak hingga 60 mm di sudut-sudut, tempat gaya tekan terkonsentrasi ke arah penyangga. Selain itu, satu set rusuk menguatkan dan memperkuat cangkang, menciptakan ketebalan lokal 60 mm, sama dengan ketebalan cangkang maksimum di sudut-sudut, melintasi lebar 300 mm. Secara kualitatif, rusuk mengikuti garis tegangan utama, dengan dua diagonal yang bersilangan dan empat lengkungan tepi. Cangkang disegmentasi untuk fabrikasi, pengangkutan, dan pembongkaran di luar lokasi. Untuk alasan fabrikasi, antarmuka antara segmen bersifat planar dan vertikal, bukan normal ke permukaan cangkang, untuk membantu produksi dari rangka tepi planar. Untuk mencegah kegagalan geser dalam bidang, antarmuka ini melintang terhadap tegangan tekan utama dan ortogonal terhadap rusuk. Segmen tengah memiliki bentuk segi delapan untuk menjaga kesinambungan rusuk diagonal, dan segmen tepi berbentuk trapesium sehingga gaya tekan yang dominan mengunci segmen-segmen tersebut bersama-sama. Untuk memfasilitasi ekonomi sirkular, berkat segmentasi dan kompresi dominan, sambungan antar segmen kering, tanpa mortar atau nat. Profilnya sebagai pasak geser setengah sambungan, ditunjukkan pada Gambar 3 , menyediakan interlock sebagian di luar bidang terhadap kegagalan geser. Pasak-pasak terputus sebelum ujung antarmuka untuk menghindari tumpang tindih, menyediakan interlock tambahan di dalam bidang antara segmen. Pasak geser ini tingginya rata-rata 22,5 mm dan dalamnya 18 mm. Ujung-ujungnya sedikit meruncing untuk memudahkan penyisipan. Cangkang yang dihasilkan memiliki ketebalan rata-rata 45 mm, atau 1/100 bentang, untuk berat struktural 100 kg/m 2Analisis elemen hingga elastis linier memberikan tegangan kompresi maksimum kuantil 0,95 sebesar 3,5 MPa untuk pola beban lantai yang paling tidak menguntungkan. 11
1.2.2 Fabrikasi digital
Otomasi dan robotika dimanfaatkan di luar lokasi untuk fabrikasi digital sebelum perakitan dan pembongkaran ringan di lokasi. 6 Segmen cangkang dicetak pada cetakan yang dapat dikonfigurasi ulang yang digerakkan. 12 – 18 Cetakan untuk OAK terdiri dari empat modul 1 m × 1 m untuk membentuk cetakan pin-bed 2 m × 2 m. Beton dicetak setelah cetakan digerakkan secara elektronik ke dalam konfigurasi targetnya. Cetakan ditutupi oleh bekisting fleksibel, termasuk jaringan kisi strip karbon, ditutupi dengan membran tekstil, didukung oleh kisi pin yang digerakkan. Tepi rangka kayu terbuat dari papan kayu lapis fenolik setebal 18 mm menggunakan CNC. Kunci geser setengah sambungan dibentuk dengan melapiskan tepi kayu lapis dengan profil yang berbeda. Fleksibilitas penyemprotan robot memungkinkan produksi bentuk lengkung ganda dengan ketebalan variabel dan tanpa getaran atau pemadatan tambahan. 19 – 21 Oleh karena itu, segmen cangkang dicetak menggunakan proses penyemprotan robotik otomatis dari mortar dengan tulangan serat kaca pendek. 22 , 23 Segmen dibiarkan mengeras semalaman sebelum dibuka dari cetakan keesokan harinya. Metode fabrikasi digital ini memberikan akurasi, pemadatan, keberadaan tulangan tarik, dan tidak adanya sambungan dingin. Selama uji perakitan, antarmuka kunci geser dikoreksi karena perbedaan hingga 10 mm dalam penyelarasan kunci. Segmen dirakit secara berurutan, dengan yang lebih rendah mendukung yang lebih tinggi berkat kunci setengah sambungan yang bertindak sebagai pemandu dengan penyangga perancah teleskopik. Untuk membongkar cangkang untuk berpotensi menggunakan kembali segmen pada akhir masa pakai bangunan, prosedurnya dapat dibalik dengan memasukkan kembali penyangga dan mendorong segmen cangkang.
1.2.3 Perilaku mekanis
Pemahaman tentang perilaku struktural struktur cangkang tersegmentasi seperti OAK sangat penting untuk memprediksi perilakunya dan memvalidasi penerapannya. Struktur monolitik dan tersegmentasi memiliki perilaku struktural dan mekanisme kegagalan yang berbeda, dengan kualitas desain dan fabrikasi sambungan menjadi kunci kinerja yang terakhir. 9 , 24 Berkat penemuan bentuk funicular, cangkang terutama berperilaku dalam kompresi di bawah kasus beban desain utama. Oleh karena itu, perilaku dominan kompresi dan kelangsingannya menjadikan tekuk sebagai pendorong desain. Memang, desain cangkang adalah masalah stabilitas, karena tegangan kompresi biasanya jauh lebih rendah daripada kekuatan beton. Selain itu, penyimpangan dari bentuk kompresi saja memiliki pengaruh yang kuat pada perilaku dan stabilitas strukturalnya, terutama untuk cangkang dangkal dengan kelengkungan rendah. 25 , 26 Meskipun demikian, kelengkungan ganda memberikan beberapa jalur beban kompresi serta kekakuan terhadap tekuk, bahkan untuk kasus beban non-funicular. Prototipe OAK dicetak pada bekisting fleksibel, yang menyebabkan ketidaksempurnaan yang lebih besar daripada bekisting kaku. Ketidaksempurnaan tambahan juga disebabkan oleh proses perakitan karena sifat statisnya yang tak tentu. Sebagai cangkang tersegmentasi dengan sambungan kering, OAK memiliki kemiripan dengan kubah batu, yang sangat sensitif terhadap pergerakan pada penyangganya seperti penyebaran dan penurunan diferensial, 27 , 28 yang dapat menyebabkan masalah kekokohan. Namun, ukuran segmen cangkang yang lebih besar dibandingkan dengan batu bata kubah tidak memungkinkan perbandingan langsung. Selain itu, berbagai kasus beban sekunder yang dialami oleh lantai berpotensi menyebabkan ketegangan dan tekukan, retak, dan penurunan ketahanan tekuk cangkang. Di luar kapasitas menahan beban, kenyamanan pengguna sangat penting untuk lantai bangunan. Memang, kemudahan servis adalah pendorong desain yang biasa untuk lantai datar, termasuk lendutan dan getaran. 29 Semua aspek ini harus dinilai secara fisik pada prototipe skala nyata untuk mendapatkan kepercayaan pada sistem struktural untuk aplikasi lantai bangunan.
1.3 Pernyataan masalah, tujuan penelitian dan garis besarnya
Keyakinan diperlukan untuk menerapkan sistem struktur baru ini sebagai lantai bangunan. Tujuan dari artikel ini adalah untuk melakukan penilaian struktur fisik pada prototipe OAK untuk memahami perilaku mekanisnya dan mengidentifikasi kekuatan dan kelemahan, dengan uji material, kemudahan servis, kekokohan, dan stabilitas. Uji struktur fisik pada prototipe OAK ini harus memberikan pemahaman tentang kinerja kualitatif dan kuantitatif struktur untuk aplikasi lantai bangunan. Pengujian tersebut mencakup uji material standar untuk Beton Bertulang Serat Kaca (GFRC), penilaian kemudahan servis sederhana terhadap kekakuan, uji kekokohan dengan penyangga yang menyebar, dan uji stabilitas struktur hingga gagal. Cangkang dirancang melalui penemuan bentuk funikular agar hanya berperilaku dalam kompresi di bawah beban permukaan, yang terdiri dari beban berat sendiri dan beban permanen non-struktural. Pengujian untuk funikular harus mengarah pada kegagalan karena penghancuran beton, yang berlaku juga untuk cangkang monolitik, tidak secara khusus untuk cangkang tersegmentasi. Namun, lantai bangunan mengalami berbagai kasus beban non-funikular yang akan menyebabkan ketegangan dan tekukan pada cangkang. Oleh karena itu, beban titik non-funicular di puncak cangkang dipilih untuk menilai pengaruh kapasitas tarik rendah beton dan antarmuka setengah sambungan kering yang saling mengunci. Puncak cangkang dipilih sebagai lokasi beban titik karena situasi simetrisnya untuk menyelidiki potensi bifurkasi dan kegagalan asimetris karena ketidaksempurnaan. Studi mendatang tentang pemodelan numerik sistem struktural ini perlu menangkap mode kegagalan ini untuk validasi. Lantai aksesibilitas yang diratakan yang diperlukan untuk penggunaan praktis telah dihilangkan untuk pengujian.
Percobaan fisik yang disajikan dalam artikel ini melengkapi publikasi sebelumnya tentang desain struktur komputasional, 11 penilaian konstruksi berkelanjutan, 6 penyemprotan beton robotik, 23 dan analisis elemen hingga lengkungan dan kubah dengan antarmuka sambungan kering. 30 Kontribusi ini bersatu dalam proyek ACORN, yang bertujuan untuk merancang dan membangun sistem lantai berkubah rendah karbon yang dapat digunakan kembali dengan aplikasi praktis.
2 UJI MATERIAL
2.1 Metodologi
GFRC disemprotkan, memberikan pemadatan, dengan serat memastikan keuletan dan tulangan tarik. 23 Serat kaca pendek dan bubur disemprotkan secara bersamaan, dengan rasio massa serat terhadap beton sebesar 5%. Serat berasal dari roving dari Fiber Technologies, dengan penampang yang terdiri dari 200 filamen dengan diameter 18 μm dan kekuatan tarik 1,5 GPa. Serat dipotong sepanjang 25 mm. Campuran beton, yang dirancang oleh Power-Sprays untuk GFRC semprot canggih, menggunakan pasir kering kiln dengan ukuran butiran maksimum 1,0 mm, kandungan semen tinggi dengan rasio pasir:semen 1:1, dan aditif untuk pengawetan, kemampuan alir, dan kemampuan pompa, dengan jumlah unit yang berbeda ditunjukkan pada Tabel 1 . Jumlah air dikontrol selama pencampuran untuk mendapatkan uji kemerosotan mortar antara 3 (diameter 125 mm) dan 4 (diameter 145 mm) sesuai dengan BS EN 1170-1:1998 .
Proses robotik dirancang untuk menyemprot lapisan bawah dan atas segmen dengan bubur saja, untuk melapisi serat sepenuhnya agar ikatan dengan beton berjalan dengan baik. Lintasan penyemprotan berturut-turut disejajarkan dalam arah berbeda untuk membuat material dengan isotropi dalam bidang pada skala komponen. Segmen-segmen tersebut dicetak dari kelompok yang berbeda pada hari yang berbeda karena harus diawetkan semalaman dalam cetakan, yang menyebabkan variasi pada sifat material. Evaluasi sifat mekanis campuran beton yang disemprot, yang dirinci dalam 6 , berasal dari empat uji kompresi pada kubus 40 mm dan dua uji lentur pada prisma 325 mm × 50 mm × 40 mm, dengan bentang 300 mm, sesuai dengan BS EN 1170-5:1998. 31 Pengujian dilakukan 28 hari setelah pengecoran dan pada hari uji stabilitas struktur pada set spesimen yang disemprot pada hari yang sama dengan setiap segmen cangkang.
Pengujian kompresi dilakukan dengan menggunakan mesin Instron Universal Testing System 150 kN untuk memperoleh gaya dan ekstensometer laser untuk memperoleh deformasi:
Kekuatan kompresi
dengan
kekuatan puncak, dan
Dan
dimensi lebar dan kedalaman minimum kubus dan sel beban;
Regangan aksial kompresi
dengan
deformasi aksial diukur dengan ekstensometer laser, dan
tinggi 40 mm;
Kekakuan kompresi
.
Pengujian lentur dilakukan dengan menggunakan mesin Instron Universal Testing System 30 kN untuk mendapatkan hasil sebagai berikut:
Kekuatan tarik pada saat terjadi retak
dengan
kekuatan ketika non-linieritas muncul, dan
Dan
lebar dan tinggi prisma masing-masing;
Kekuatan tarik saat terjadi kegagalan
dengan
kekuatan puncak, dan
Dan
lebar dan tinggi prisma masing-masing;
Regangan aksial di tengah bentang pada sisi bawah prisma dalam lenturan sebelum terjadi non-linieritas
dengan
deformasi aksial diukur dengan ekstensometer laser,
kedalaman 40 mm, dan
rentang 300 mm 31 ;
Kekakuan lentur sebelum non-linearitas terjadi
.
2.2 Hasil
Menunjukkan beberapa spesimen setelah kegagalan kompresi dan tekukan.
Beton memiliki kepadatan nominal 2000 kg/m 3 , sebagai mortar tanpa agregat besar. Tabel 2 memberikan hasil uji material, termasuk rata-rata dan simpangan baku pada berbagai spesimen, pada hari ke-28 dan pada hari pengujian. Sifat mekanis meningkat secara signifikan, sekitar 20%, dari hari ke-28 hingga hari pengujian. Kekuatan tekan
berada pada kisaran mutu beton C45/55, dengan kekakuan tekan yang lebih rendah
dari kurangnya agregat besar. Namun, kekuatan tarik ketika retak muncul
dan pada kegagalan f t,mor secara signifikan lebih tinggi berkat penguatan serat. Uji pencucian pada akhir sesi penyemprotan memberikan kandungan serat aktual berkisar antara 4% dan 11%, rata-rata lebih tinggi dari target 5%, karena proses kalibrasi manual yang terlibat dan variabilitas tekanan udara dari kompresor yang digunakan. Kurva tegangan-regangan untuk spesimen segmen tengah yang diuji pada hari penilaian stabilitas ditunjukkan pada Gambar 5. Material tersebut memiliki perilaku non-linier, dengan keuletan yang disediakan oleh serat pendek. Spesimen pertama-tama mengalami penghancuran lokal karena permukaan awalnya kasar sebelum pembebanan yang tepat. Hanya bagian linier setelah non-linieritas awal yang dipertimbangkan untuk mengukur kekakuan elastis, diukur sebagai kemiringan tertinggi. Variasi besar antara kurva disebabkan oleh distribusi serat yang tidak merata di seluruh spesimen dan konsentrasi tegangan. Beberapa kurva menunjukkan perilaku yang sangat lunak karena terlepasnya target ekstensometer laser.
3 UJI STRUKTURAL
3.1 Metodologi
Cangkang dimuat menggunakan aktuator pengumpanan utama cincin servo-hidrolik yang dipasang pada rangka baja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7. Beban diterapkan dengan kontrol perpindahan di puncak cangkang pada bantalan plester yang diratakan dan pelat baja setebal 50 mm di atas area seluas 300 mm × 300 mm. Grout ditambahkan pada penyangga untuk memastikan kontak antara cangkang dan penyangga baja, meskipun adhesi harus dicegah. Oleh karena itu, pelat logam setebal 1 mm disisipkan secara vertikal dan horizontal antara cangkang dan penyangga sebelum grouting. Mode kegagalan cangkang diharapkan berupa tekuk, dengan ketidakstabilan yang dipicu oleh dislokasi antarmuka dengan gerakan kuasi-kaku dari segmen itu sendiri. Oleh karena itu, perpindahan, sebagai lawan dari regangan, dipantau. Perpindahan 3D pada cangkang 4,5 m × 4,5 m ditangkap menggunakan serangkaian LED (Gambar 8a ) pada satu sisi cangkang, berkat dua sistem kamera pengukur dinamis medan besar LED dengan akurasi 0,1 mm (model NDI Certus Optotrack), sementara transduser vertikal tambahan mengukur perpindahan vertikal di sepanjang tepi cangkang yang berlawanan (Gambar 8b ). Untuk menilai validitas hipotesis perpindahan kuasi-kaku, perpindahan relatif dalam suatu segmen dihitung. Instrumentasi tambahan untuk menangkap deformasi dianggap tidak praktis pada permukaan cangkang yang melengkung dan bertekstur.
3.2 Hasil
3.2.1 Kemudahan Servis
Defleksi biasanya dinilai sebagai persyaratan kemudahan servis. Kriteria defleksi dinyatakan sebagai fraksi bentang.
untuk beban dalam Keadaan Batas Kemudahan Servis (
). Secara klasik, fraksi rentang berkisar antara 1/200 dan 1/500, tergantung pada penggunaan lantai tertentu dan elemen yang ada di bawahnya. Meskipun desain lantai datar biasanya didorong oleh batas lendutan, karena kekakuannya yang rendah terhadap beban melintang, struktur cangkang sangat kaku saat bekerja terutama dalam kompresi, dan lendutan terbatas. Oleh karena itu, kekakuan cangkang di bawah beban titik non-funicular, bukan lendutan di bawah beban seragam, diukur. Gambar 9 menunjukkan kurva beban-perpindahan di lokasi dongkrak hidrolik dari uji struktural, yang dirinci lebih lanjut di bagian berikutnya. Kemiringan bagian awal linier kurva memberikan kekakuan 2,0 kN/mm.
Nilai ini diukur berdasarkan kekakuan pelat beton datar menggunakan Analisis Elemen Hingga Elastis Linier dengan Karamba3D. 32 Pelat beton ekuivalen dianalisis dengan sistem statika yang sama, ditopang di sudut dan diberi beban di bagian tengah; bentang 4,5 m yang sama; modulus lentur yang sama dari uji material
dari 13 GPa, rasio Poisson konkret standar
sebesar 0,15, dan modulus geser G yang dihasilkan sebesar 5,7 GPa; ketebalannya disesuaikan untuk memperoleh kekakuan yang sama sebesar 2,0 kN/mm, yang dicapai untuk nilai ketebalan 11,5 cm. Berat yang dihasilkan sebesar 288 kg/m 2 kemudian sekitar 2,9 kali lebih tinggi daripada berat cangkang, untuk kinerja kekakuan yang setara.
3.2.2 Ketahanan
Uji struktur pertama menyebabkan keruntuhan tiba-tiba cangkang setelah penyangga tergelincir saat dorongan lateral mengatasi hambatan gesekan, yang menyoroti sensitivitas sistem ini terhadap penyangga yang menyebar. Pergeseran penyangga dimungkinkan karena toleransi antara baut dan lubangnya dan karena baut dipretensi di bawah apa yang diperlukan untuk mengatasi dorongan melalui gesekan. Kurva beban-perpindahan di lokasi dongkrak di puncak cangkang ditunjukkan pada Gambar 9. Penyangga bergerak dalam langkah-langkah kecil, seperti yang ditunjukkan oleh penurunan beban, sebelum penyebaran dan keruntuhan cangkang secara tiba-tiba. Begitu penyangga bergerak secara signifikan, segmen-segmen tersebut tidak lagi bersentuhan dan saling menopang, yang menyebabkan kegagalan segmen-segmen yang terputus. Gambar 10 menunjukkan tahap-tahap utama kegagalan, dengan keruntuhan dua segmen sudut yang berlawanan terlebih dahulu dan kemudian keruntuhan segmen-segmen yang tersisa.
Setiap penyangga bergerak keluar sekitar 25 mm di setiap sudut dalam arah diagonal, atau 18 mm dalam arah ortogonal tepi cangkang, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 11. Total sebaran 36 mm di sepanjang tepi, atau 50 mm di sepanjang diagonal, diukur setelah keruntuhan akhir, karena sebaran terus meningkat pada tahap perantara yang berbeda, seperti yang terlihat pada Gambar 18 saat membandingkan posisi penyangga dengan rangka tetap. Batas atas kegagalan diperkirakan dengan mempertimbangkan lengkungan sederhana dengan profil batas dan segmentasi cangkang. Ketiga segmen dianggap sebagai blok kaku dengan antarmuka rata. Kegagalan terjadi ketika penyangga menyebar sementara segmen berputar di antarmuka mereka, lebih rendah, dan sejajar dengan penyangga. Sebaran maksimum kemudian adalah 44 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12 , 1,2 kali lebih tinggi dari 36 mm yang diukur secara eksperimental. Selain itu, efek geometri setengah sambungan, potensi deformasi segmen, dan ketidaksempurnaan fabrikasi dari model yang dirancang dapat memengaruhi estimasi ini. Penyebaran maksimum yang diukur dengan cara yang sama tetapi sepanjang diagonal adalah 144 mm, sekitar 3 kali lebih tinggi daripada 50 mm yang diukur secara eksperimental, menjelaskan keruntuhan tepi cangkang terlebih dahulu, sebelum diagonal cangkang.
Kegagalan seperti itu merupakan risiko umum dalam konstruksi batu, yang terjadi karena penurunan diferensial atau keretakan struktur yang menopang kubah. Berbeda dengan batu, di mana garis dorong harus tetap berada dalam ketebalan batu untuk stabilitas, 33 cangkang beton bertulang serat ini terbuat dari segmen besar dengan antarmuka kering yang lebih sedikit, sehingga garis dorong hanya perlu disisipkan melalui dua sambungan dan dua penyangga saat berfokus pada stabilitas sebelum mempertimbangkan masalah kekuatan, termasuk tekukan dan keretakan saat garis dorong berada di luar ketebalan segmen cangkang.
Dalam praktiknya, kekakuan kepala kolom dan keberadaan ikatan harus mencegah penyebaran tumpuan tersebut. Meskipun cangkang yang berdekatan dalam bangunan multi-teluk juga akan memberikan beberapa hambatan tambahan melalui daya dorongnya, hal ini tidak boleh diandalkan untuk menghindari keruntuhan yang tidak proporsional. Namun, pengujian ini menyoroti pentingnya merancang substruktur yang kaku dan menyediakan solusi yang kuat untuk cangkang tersegmentasi tersebut dengan perpindahan yang lebih kecil daripada yang diukur.
Karena keruntuhan itu disebabkan oleh ketidakstabilan antara elemen-elemen kaku, cangkang itu tidak rusak parah kecuali untuk serangkaian retakan kecil. Retakan utama, ditunjukkan pada Gambar 13 , berada pada dua segmen sudut yang berlawanan yang jatuh terlebih dahulu, sendirian, ke tanah, yang mengarah ke retakan pada intrados ke arah ujung. Retakan ini melintang terhadap arah kompresi utama sepanjang diagonal. Lokasi kualitatif dari semua retakan karena pengujian pertama ini ditunjukkan pada Gambar 14. Lebar retakan berada pada urutan 1 mm. Kerusakan tambahan termasuk spalling superfisial dari lapisan pelapis bebas serat dan kerusakan kecil pada kunci geser. Oleh karena itu, cangkang diperbaiki dan dipasang kembali untuk diuji ulang, dengan selip dari dukungan dicegah oleh pra-ketegangan yang lebih kuat ke lantai yang kuat, di atas persyaratan untuk menahan dorongan melalui gesekan.
3.2.3 Stabilitas
Cangkang diperbaiki dengan mengikuti prosedur yang sama dengan perbaikan tuts selama uji perakitan awal. Grout ditambahkan untuk mencocokkan kembali segmen yang berdekatan. Untuk mempertahankan sifat tersegmentasi, segmen bawah dilindungi dengan lembaran plastik saat memasang grouting pada setiap antarmuka. Lembaran plastik dilepas setelah proses pengerasan. Proses ini memberikan kecocokan kembali di sepanjang antarmuka sambil mempertahankan perilaku mekanis tersegmentasi asli. Cangkang dilengkapi dengan LED dan transduser sebelum memindai ekstradonya untuk menandai posisi sebenarnya, dengan yang jelas ditandai pada Gambar 15 untuk pemrosesan data selanjutnya, termasuk pendaftaran dan penyelarasan titik awan dan jaring yang berbeda. Pemindaian dilakukan dengan fotogrametri menggunakan MeshRoom. 34
Kurva beban-perpindahan baru di lokasi dongkrak ditunjukkan pada Gambar 9. Kapasitas beban pertama kali meningkat secara kuasi-linier sebelum mencapai puncaknya dan kemudian mengalami pelunakan regangan hingga runtuh. Kapasitas beban maksimum cangkang adalah 42 kN, yang terjadi pada lendutan 25 mm (L/180). Kegagalan terjadi untuk lendutan yang lebih tinggi dari L/250 biasa yang digunakan untuk mendesain lantai. Namun, kurangnya duktilitas yang mengakibatkan kegagalan getas menyoroti perlunya memikirkan kembali perincian sambungan sistem tersegmentasi ini untuk mencegah kegagalan mendadak. Kegagalan terjadi dari kombinasi fenomena yang disorot pada Gambar 16. Retakan utama muncul pada pemisahan segmen tengah, yang memulai perilaku tekuk tembus hingga kapasitas tarik terlampaui dan retakan muncul dan menyebar. Perpindahan segmen tengah yang retak menyebabkan perpindahan besar segmen batas, termasuk retakan lebih lanjut. Namun, keruntuhan akhir terutama terjadi karena dislokasi antarmuka dan segmen-segmen bergoyang secara asimetris satu sama lain, kehilangan dukungan diri di antara mereka. Meskipun retakan dari uji kekokohan melemahkan cangkang sampai batas tertentu, retakan baru yang muncul pertama kali berada di segmen tengah, ditunjukkan pada Gambar 17 , terlepas dari retakan lama, ditunjukkan pada Gambar 13 , dan kekakuan awal dari kedua pengujian itu sama hingga 5 kN ketika dukungan mulai menyebar pada pengujian pertama (Gambar 9 ). Gambar 18 mengilustrasikan kegagalan asimetris dengan tumpang tindih dua gambar, dari cangkang yang telah dimuat sebelumnya berwarna biru dan dari cangkang pra-runtuh berwarna merah, untuk secara kualitatif menunjukkan gerakan ke atas dan ke bawah yang berbeda dengan besaran yang berbeda. Beban titik simetris memicu bifurkasi yang mengarah ke kegagalan asimetris ini, yang harus ditangkap melalui pemodelan numerik dalam studi mendatang. Pembebanan asimetris dengan offset beban titik ke bagian cangkang yang runtuh ke bawah akan memulai mode defleksi yang sama. Dalam praktiknya, massa tambahan dari lantai yang diratakan akan memberikan stabilitas tambahan terhadap jenis kegagalan ini, mirip dengan timbunan puing di dekat penopang pada konstruksi kubah Abad Pertengahan. 35
Menangkap perilaku seperti itu memerlukan pemodelan tingkat lanjut dari ketidakstabilan struktural karena sifat cangkang yang tersegmentasi. Seperti yang dinyatakan dalam Nuh et al., kegagalan material 30 akan terjadi pada 4300 kN, nilai yang tidak realistis yang tidak mempertimbangkan masalah stabilitas. Pemodelan elemen hingga volumetrik dengan sambungan kering menyebabkan beban kegagalan sekitar 65 kN untuk geometri yang dirancang dan 105 kN untuk geometri yang dibangun, yang lebih tebal. Sebuah studi sensitivitas menunjukkan bahwa ketidaksempurnaan sambungan, dalam urutan besarnya beberapa milimeter, menjelaskan kapasitas menahan beban dan kekakuan yang terlalu tinggi ini. Hasil ini menyoroti perlunya sambungan berkualitas tinggi untuk mencapai beban yang lebih tinggi yang lebih dekat dengan yang dijanjikan oleh pemodelan numerik.
Transduser digunakan untuk mengukur perpindahan vertikal relatif dari enam titik di tepi cangkang yang berlawanan dengan kamera LED. Posisi di bidang transduser ditunjukkan pada Gambar 15. Perpindahan positif transduser berhubungan dengan gerakan ke bawah menurut konvensi. Gerakan absolut transduser, ditunjukkan pada Gambar 19 , menyoroti gerakan asimetris ke atas dan ke bawah dalam kisaran 5 mm sebelum runtuh. Menguranginya menghasilkan gerakan vertikal relatif dari sambungan antara segmen tepi, ditunjukkan pada Gambar 20 , yang selanjutnya menyoroti kegagalan asimetris, dengan segmen tengah berputar sehingga ujung kirinya turun (T2–T1 berwarna biru) dan ujung kanannya ke atas (T3–T4 berwarna oranye) relatif terhadap segmen yang berdekatan, dalam kisaran 2 mm sebelum runtuh, sesuai dengan rekaman kamera. Pada Gambar 21 , gerakan relatif yang diplot pada lokasi transduser yang sesuai di sepanjang tepi cangkang menggambarkan dislokasi pada antarmuka, dengan visualisasi perpindahan profil atas. Profil ditampilkan dengan faktor skala 100, untuk 20 tahap perantara yang dipilih pada langkah waktu yang sama (bukan langkah beban yang sama), sebagai gradien warna dari awal pengujian dengan warna biru hingga keruntuhan dengan warna merah. Segmen tengah awalnya menurun, kemudian menunjukkan rotasi berlawanan arah jarum jam kecil sebelum rotasi searah jarum jam yang lebih besar dan kegagalan.
Karena ukuran cangkang yang besar dan kendala pada kedalaman dan lebar penglihatan kamera (hingga 3,0 m × 2,4 m), dua sistem kamera pengukur dinamis medan besar LED digunakan untuk menangkap sekitar seperempat cangkang masing-masing. Dari 51 LED yang diposisikan pada cangkang dan ditunjukkan pada Gambar 6 , 33 dilacak dengan kuat, dipisahkan menjadi dua set independen, satu per kamera, yang tidak berbagi kerangka referensi yang sama. Prosedur untuk mendaftarkan dua set LED bersama-sama dirinci dalam Lampiran A. Gambar 22 menunjukkan perpindahan LED pada cangkang, dari posisi pra-muat ke posisi pra-runtuh, ditingkatkan dengan faktor skala 50, tumpang tindih dengan pemindaian transparan ekstrados cangkang. Runtuhnya asimetris, dengan segmen kanan dan tengah umumnya turun dan segmen depan dan kiri umumnya naik sebelum runtuh, yang menyebabkan dislokasi segmen. Titik stasioner di kiri dan kanan depan adalah pasangan LED yang diposisikan pada penyangga baja tetap.
Deformasi cangkang di dalam dan antar segmen dinilai dengan menghitung pseudo-strain dengan deformasi tak berdimensi
jarak antara pasangan LED antara beban awal dan beban puncak
dengan
jarak sebelum deformasi dan
yang setelah deformasi. Sepasang LED dibuat untuk menghasilkan triangulasi guna membandingkan deformasi intra dan inter-segmen. Deformasi ini diukur pada ekstrados cangkang. Perpanjangan positif menurut konvensi. Deformasi dibandingkan dengan batas regangan sebelum hancur dan retak, menurut hasil uji material di Bagian 2 , dengan
‰
untuk kompresi dan
‰
untuk ketegangan, dengan
kekuatan kompresi,
kekuatan tarik ketika retakan muncul, dan
kekakuan aksial. Gambar 23 menunjukkan hasil dengan kompresi berwarna biru dan ketegangan berwarna merah. Semua nilai di luar
Dan
Batasan ditunjukkan dengan warna biru terang dan merah, masing-masing, dengan gradien warna biru-hitam-merah bi-linear dengan warna hitam untuk deformasi nol. Segmen batas menunjukkan nilai deformasi yang umumnya rendah, kecuali untuk ujung segmen sudut kiri depan. Segmen tengah menunjukkan kompresi pada ekstradosnya saat membengkok ke bawah di bawah beban titik. Deformasi tertinggi muncul di antar-segmen, pada sambungan, dibandingkan dengan deformasi intra-segmen, yang memvalidasi hipotesis mode kegagalan benda kaku semu.
Selain gerakan tembus dan retak pada segmen tengah, perilaku kuasi-kaku dari segmen lain sebelum kegagalan menunjukkan pentingnya sambungan dalam integritas struktural cangkang tersegmentasi ketika mempertimbangkan pembebanan non-funicular. Oleh karena itu, pemodelan numerik dengan Analisis Elemen Hingga memerlukan model material non-linier dengan pemodelan kontak, yang dapat ditingkatkan dengan pendekatan volumetrik untuk menangkap sifat saling mengunci dari sambungan. Metode seperti itu, yang diterapkan dan disajikan dalam 30 menghasilkan beban keruntuhan yang diprediksi sebesar 70 kN, dengan mempertimbangkan geometri sebenarnya. Perbedaan sebesar 67% dengan beban sebenarnya ini ditafsirkan sebagai pengaruh ketidaksempurnaan sambungan pada kontak antara segmen. Ukuran ketidaksempurnaan dinilai secara visual dalam urutan beberapa milimeter rata-rata dan diperoleh secara numerik sebesar 3–4 mm ketika memperkenalkan ketidaksempurnaan ini melalui toleransi penetrasi dalam model kontak agar sesuai dengan kekakuan dan kekuatan uji eksperimental. 30
4 DISKUSI
Uji material dan struktural memberikan penilaian perilaku mekanis sistem struktur saat ini sekaligus menyoroti langkah-langkah untuk studi di masa mendatang. Mengenai kemudahan servis, cangkang menunjukkan kekakuan elastis yang setara dengan pelat datar yang 2,9 kali lebih tebal di bawah beban titik non-funicular, yang menunjukkan kekakuan cangkang yang tinggi untuk aplikasi lantai. Mengenai kekokohan, cangkang mengalami kegagalan dengan segmen-segmen yang kehilangan kontak pada antarmukanya untuk penyebaran dukungan luar sebesar 0,4% dari bentang. Pengujian ini memberikan wawasan tentang sensitivitas terhadap perpindahan batas untuk menginformasikan desain sub-struktur yang cukup kaku, yang perlu disediakan oleh kolom dan/atau ikatan dalam praktiknya. Mengenai stabilitas, cangkang menampilkan mode kegagalan hibrida di bawah beban non-funicular terkonsentrasi dengan retak, dislokasi, dan tekuk pada beban 2,1 kali massa cangkang. Pengujian ini menekankan perilaku kompleks sistem dengan berbagai fenomena yang akan ditangkap untuk pemodelan numerik, khususnya pemodelan kontak sambungan. Mode kegagalan menyoroti perbaikan pada desain sambungan pada antarmuka segmen struktur diskret ini untuk meningkatkan kapasitas struktural, kekokohan, dan stabilitasnya. Pertama, uji kekokohan menunjukkan bahwa sistem dapat memperoleh manfaat dari sambungan dengan beberapa kapasitas tarik untuk menghindari ketergantungan yang besar pada kekakuan ikatan tarik dan/atau kepala kolom jika terjadi keruntuhan progresif karena gerakan penyangga atau ledakan, misalnya. Ini dapat dicapai melalui pasca-ketegangan (tidak terikat) untuk memberikan perilaku daktail. Kedua, uji stabilitas menunjukkan bahwa sistem dapat memperoleh manfaat dari presisi yang lebih tinggi dalam pembuatan sambungan untuk membatasi dislokasi. Ini dapat dicapai dengan menambahkan manufaktur subtraktif dalam proses fabrikasi digital.
5 KESIMPULAN
Artikel ini menyajikan metode dan hasil penilaian struktur fisik dari rangka beton tersegmentasi berukuran 4,5 m × 4,5 m. Sebagai sistem lantai bangunan, material, kemudahan servis, kekokohan, dan stabilitas dinilai untuk memahami bagaimana sistem struktur tersebut berperilaku. Rangka beton tersebut terbukti kuat dan kaku di bawah beban titik pusat. Meskipun demikian, berbagai skenario pembebanan yang lebih luas harus diuji di masa mendatang. Selain itu, kekokohan harus diatasi dengan memikirkan kembali desain sambungan, dan ketidaksempurnaan fabrikasi harus dikurangi untuk lebih meningkatkan perilaku mekanis rangka. Material beton harus dioptimalkan untuk mengurangi kepadatan karbon yang terkandung dan dengan demikian total karbon yang terkandung dari sistem struktur 6 dengan pengurangan kekuatan yang dapat diterima, karena stabilitas adalah pendorong desain sambil mempertahankan sifat reologi yang diperlukan untuk proses penyemprotan. 23 Penilaian tambahan untuk mengevaluasi lebih lanjut kesesuaian rangka beton tersegmentasi sebagai lantai bangunan meliputi getaran, akustik, dan ketahanan api, dengan kondisi batas semi-kaku yang realistis.
