Load capacity of steel-aluminium brackets under static and cyclic laboratory tests

The aim of the research is the laboratory investigation of steel-aluminium brackets employed to fasten lightweight curtain walls to building facilities. Static pressure, suction forces, and cyclic loads parallel to end plates (horizontal - to simulate wind influence) were applied in the study. The steel-aluminium brackets were tested on a reinforced concrete substrate made of C30/37 concrete class to simulate the real working conditions. Laboratory tests were performed to failure of the brackets or damage of anchoring fastened to the concrete elements. Additionally, the tensile capacity of stainless steel bolt connections screwed in aluminium profile was determined. The uniaxial tensile tests were performed for three length variants of the anchorage: 28 mm, 14 mm, and 7 mm of the stainless steel bars screw-in in threading aluminium profiles. In the course of cyclic tests, a hinge formed in the location of bolt connections made the change of the working character of steel-aluminium brackets. The cyclic tests also showed the danger of the strap aluminium profile displacement due to improper connection with the main aluminium profile. The paper is intended to provide scientists, civil engineers, and designers with an experimental assessment of mechanical properties of steel-aluminium brackets under static and cyclic loads.

Przedmiotem przedstawionych w artykule badań laboratoryjnych są konsole stalowo-aluminiowe, które są stosowane jako elementy łącznikowe fasad słupowo-ryglowych z konstrukcją budynku. Blacha podstawy konsoli wykonana jest ze stali S355, która jest połączona z profilem aluminiowym ze stopu aluminium EN AW-6060 T66 [7] trzema nierdzewnymi śrubami A2-70 M8x35 (DIN 7991). Pomiędzy blachą podstawy a profilem aluminiowym zastosowana jest przekładka z EPDM-u. Konsole stalowo-aluminiowe poddawane były statycznym próbom obciążenia siłami parcia i ssania, które symulowały obciążenia wiatrem. Konsola w trakcie badań zamocowana była do elementów żelbetowych wykonanych z betonu C30/37 dwoma kotwami sworzniowymi M10 z kontrolowanym momentem dokręcenia. Wyznaczone siły niszczące dla obciążeń pochodzących od parcia (21.6 +/- 0.9 kN) i ssania (-22.3 +/- 0.7 kN) mają podobne wartości, przy czym o nośności konsoli na obciążenia pochodzące od ssania decydowała nośność zakotwienia (które uległo zniszczeniu przy tym poziomie obciążenia). Oprócz badań statycznych przeprowadzono badania cykliczne, w których obciążenie przykładane było naprzemiennie jako parcie i ssanie dla następujących poziomów obciążenia: L1 (+5/-5 kN), L2 (+10/-10 kN), L3 (+15/-15 kN), L4 (+20/-20 kN). Dla każdego poziomu obciążenia konsole poddawane były 50 cyklom obciążenia. Trzy z badanych konsol uległy zniszczeniu podczas badań cyklicznych przy poziomie L3 oraz dwie konsole przy przekroczeniu obciążenia +15 kN (początek poziomu L4). Na podstawie badań cyklicznych stwierdzono możliwość wysuwania się dolnego profili aluminiowego, który jest dołączany do głównego profilu za pomocą dwóch wkrętów. W celu wyeliminowania przemieszczania się dolnego profilu zalecono połączenie trzema blachowkrętami samowiercącymi z łebkiem walcowym ze stali nierdzewnej 5.5x3.8 (DIN7504N). Przeprowadzone badania wytrzymałościowe potwierdziły możliwość przeniesienia projektowanych obciążeń w zakresie +5 - -5 kN. Jednym z elementów decydujących o nośności konsoli stalowo-aluminiowej jest nośność połączenia wkręconych w nagwintowany profil aluminiowy śrub M8. W celu oszacowania nośności tego połączenia wykonano testy jednoosiowego rozciągania połączenia pręta M8 wkręcanego w nagwintowany profil aluminiowy na określone długości (28 mm, 14 mm i 7 mm). Nośność tego połącznia jest proporcjonalna do długości wkręcania pręta/śruby w profil aluminiowy. Oszacowania na tej podstawie nośność konsoli jest wyższa niż otrzymana na podstawie badań wytrzymałościowych. Wynika to z faktu, iż na połączenie śrubowe oddziaływają nie tylko obciążenia rozciągające, ale także ścinające i zginające.