ฝาครอบเสาคอนกรีต

บทนำ 

บทความนี้กล่าวถึงการวิเคราะห์บริเวณไม่ต่อเนื่อง การสร้างแบบจำลองฝาครอบเสา ซึ่งมีทั้งความไม่ต่อเนื่องทางสถิตและทางเรขาคณิต จะถูกศึกษาโดยอาศัยการศึกษาเชิงทดลองที่ดำเนินการโดย Geevar และ Menon (2018) การศึกษาของพวกเขาประกอบด้วยการทดลองกับฝาครอบเสาที่รับแรงกระจุกตัวสี่จุด ชิ้นทดสอบได้รับการเสริมเหล็กตามกฎมาตรฐานที่ใช้ในการปฏิบัติการออกแบบ มีการทดสอบชิ้นทดสอบแปดชิ้นเพื่อตรวจสอบอิทธิพลของพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ขนาดของแผ่นรองรับแรง การจัดวางเหล็กเสริม รูปทรงเรขาคณิต และความเยื้องศูนย์ของแรงที่กระทำ เนื่องจากความเยื้องศูนย์ของการรับแรงไม่มีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อพฤติกรรมของชิ้นทดสอบในการทดลอง จึงวิเคราะห์เฉพาะชิ้นทดสอบที่มีรูปทรงเรขาคณิตคงที่และไม่มีความเยื้องศูนย์ของแรง (S1, S2, S3, S4 และ S5) ด้วย CSFM

คำจำกัดความของรูปแบบการวิบัติ

เพื่อเปรียบเทียบรูปแบบการวิบัติที่สังเกตได้จากการทดลองกับรูปแบบที่คาดการณ์โดยวิธี Compatible Stress Field Method รูปแบบการวิบัติจะถูกจำแนกดังนี้: การดัด (F) แรงเฉือน (S) และการยึดเหนี่ยว (A) ควรสังเกตว่าไม่มีการทดลองใดในบทนี้ที่แสดงให้เห็นการวิบัติของการยึดเหนี่ยว ตารางที่ 6.1 กำหนดประเภทย่อยของการวิบัติที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าการวิบัติจากการดัดและแรงเฉือนเกิดจากการวิบัติของ Concrete หรือของเหล็กเสริม แม้ว่าการครากของเหล็กเสริมจะไม่ถือเป็นการวิบัติของวัสดุ แต่ก็รวมอยู่ในประเภทย่อยของการวิบัติร่วมกับการบดอัดเสียหายของ Concrete เนื่องจากความสำคัญของการแยกแยะการวิบัติจากการบดอัดเสียหายของ Concrete โดยไม่มีการครากของเหล็กเสริม (เปราะมาก) ออกจากการวิบัติที่เกิดขึ้นหลังจากการครากของเหล็กเสริม (ซึ่งอาจแสดงความสามารถในการเสียรูปได้ในระดับหนึ่ง) 

การตั้งค่าการทดลอง

รูปที่ 6.22a แสดงรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นทดสอบ ขนาดและเหล็กเสริมได้รับการออกแบบในมาตราส่วนประมาณ 1:3.5 เมื่อเทียบกับฝาครอบเสาทั่วไปที่ใช้ในการก่อสร้างสะพาน เพื่อให้มีเสถียรภาพระหว่างการทดสอบ การตั้งค่าการทดสอบถูกกลับด้านเมื่อเทียบกับการกำหนดค่าปกติของฝาเสาเข็ม ชิ้นทดสอบตั้งอยู่บนจุดรองรับแนวตั้งสี่จุด (ประกอบด้วยเซลล์วัดแรง แผ่นเหล็ก และแผ่นนีโอพรีนบาง) และรับแรงแนวตั้งที่ด้านบน (ดูรูปที่ 6.22b) แรงแนวตั้งถูกกระทำโดยไม่มีความเยื้องศูนย์กับชิ้นทดสอบ S1, S2, S3, S4 และ S5 ขนาดของแผ่นรับแรง (l_b) แตกต่างกันในการทดสอบ ดังที่ระบุในตารางที่ 6.14 การจัดวางเหล็กเสริมของชิ้นทดสอบแสดงในรูปที่ 6.22c และจำนวนและปริมาณของเหล็กเสริมมีรายละเอียดในตารางที่ 6.14 การจัดวางประกอบด้วยเหล็กเสริมหลัก (A_s1) ซึ่งได้รับการเสริมด้วยเหล็กเสริมเพิ่มเติม (A_s2) ในการทดสอบ S3, S4 และ S5 เหล็กเสริมนี้ถูกยึดเหนี่ยวอย่างสมบูรณ์นอกบริเวณที่รับแรง เหล็กเสริมยังประกอบด้วยเหล็กเสริมแนวนอนแบบกระจาย (A_h ที่มีระยะห่าง s_h) และเหล็กเสริมแนวตั้งแบบกระจาย (A_v) เหล็กเสริมแนวตั้งแบบกระจายถูกสังเกตว่าทำงานส่วนใหญ่ในแรงอัดและไม่มีประสิทธิภาพ ดังนั้น เหล็กเสริมนี้จึงไม่ถูกสร้างแบบจำลองใน CSFM ดังที่จะกล่าวถึงในบทต่อไป 

คุณสมบัติของวัสดุ

คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขด้วย CSFM แสดงอยู่ในตารางที่ 6.15 กำลัง f_t และความเครียดสูงสุด ε_u ของเหล็กเสริม รวมถึงความเครียดของคอนกรีต ɛ_c0 ไม่ได้ระบุไว้ในรายงานการทดสอบ จึงได้สมมติค่าที่สมเหตุสมผลสำหรับพารามิเตอร์เหล่านี้

การสร้างแบบจำลองด้วย CSFM

รูปทรงเรขาคณิต เหล็กเสริม จุดรองรับ และเงื่อนไขการรับแรงถูกสร้างแบบจำลองใน CSFM ตามการตั้งค่าการทดลอง รูปที่ 6.18 แสดงการสร้างแบบจำลองของฝาครอบเสา S1 สมมติว่าแผ่นนีโอพรีนที่บางมาก (10 มม.) ไม่อนุญาตให้มีการเสียรูปแนวนอนอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงใช้จุดรองรับแบบยึดแน่นในทิศทางแนวนอนและแนวตั้ง แผ่นรับแรงไม่ได้วางตลอดความหนาทั้งหมดของฝาครอบเสา (ดูรูปที่ 6.22a) ดังนั้น ความหนาในการวิเคราะห์ CSFM จึงถูกกำหนดให้เท่ากับผลรวมของความหนาของแผ่นรับแรง (กล่าวคือ สองเท่าของ l_b) โดยการพิจารณาเช่นนี้ ผลกักขังสามแกนเชิงบวกใดๆ อันเนื่องมาจากการกระจายแรงพร้อมกันทั้งในระนาบและนอกระนาบจะถูกละเลยโดยปริยาย ดังที่ได้ระบุไว้แล้ว เหล็กเสริมแนวตั้งแบบกระจาย (A_v) ไม่ถูกสร้างแบบจำลองเนื่องจากทำงานส่วนใหญ่ในแรงอัดและไม่มีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อพฤติกรรมของชิ้นทดสอบ ใช้ Tension Chord Model ในทุกกรณีเพื่อจับผลของการเสริมความแข็งจากแรงดึง (ไม่มีเหล็กเสริมที่สร้างแบบจำลองเป็นเหล็กปลอก)

สำหรับการทดสอบแต่ละครั้ง ได้ดำเนินการคำนวณเชิงตัวเลขสี่ครั้งโดยใช้พารามิเตอร์ต่อไปนี้: 

• ขนาดตาข่าย ซึ่งมี 10 (ค่าเริ่มต้นสำหรับตัวอย่างนี้โดยเฉพาะ) และ 20 finite elements ตามหน้าตัด A-A ดังที่กำหนดในรูปที่ 6.22c 
• การพิจารณาหรือไม่พิจารณาผลของการเสริมความแข็งจากแรงดึง โดยค่าเริ่มต้น การเสริมความแข็งจากแรงดึง (TS) จะถูกพิจารณาใน CSFM (ใช้ Tension Chord Model สำหรับเหล็กเสริมทุกเส้นในกรณีนี้โดยเฉพาะ)
• ขีดจำกัดความเครียดสำหรับการบดอัดเสียหายของคอนกรีต (ε_cu2) ซึ่งถูกกำหนดเป็น 2‰ และ 3.5‰ (ค่าเริ่มต้นที่ใช้ในการวิเคราะห์อื่นๆ ในบทนี้)

พารามิเตอร์ที่ใช้ในการคำนวณเชิงตัวเลขแต่ละครั้งสรุปไว้ในตารางที่ 6.16 แบบจำลอง M0 สอดคล้องกับการตั้งค่าเริ่มต้นใน CSFM

การเปรียบเทียบกับผลการทดลอง

บทความนี้นำเสนอการเปรียบเทียบระหว่างแรงสูงสุดและรูปแบบการวิบัติที่ได้จาก CSFM และผลการทดลองที่ศึกษา 

รูปแบบการวิบัติและแรงสูงสุด

ตารางที่ 6.17 สรุปแรงสูงสุดที่วัดได้จากการทดสอบ (P_u,exp) และที่ทำนายโดย CSFM (P_u,calc) รวมถึงรูปแบบการวิบัติที่เกี่ยวข้อง แรงสูงสุด P_u สอดคล้องกับค่าเฉลี่ยของแรงปฏิกิริยาสี่จุด (กล่าวคือ หนึ่งในสี่ของแรงรวมที่กระทำ) ตารางที่ 6.17 ยังให้ค่าเฉลี่ยและสัมประสิทธิ์การแปรผัน (CoV) ของอัตราส่วนระหว่างแรงสูงสุดที่วัดได้และที่คำนวณได้สำหรับแบบจำลองเชิงตัวเลขแต่ละแบบ อัตราส่วนที่มากกว่าหนึ่งแสดงถึงการทำนายที่ปลอดภัย ในขณะที่อัตราส่วนที่น้อยกว่าหนึ่งแสดงถึงการประมาณแรงสูงสุดที่ไม่ปลอดภัย 

ในการวิเคราะห์เชิงตัวเลขทั้งหมด การวิบัติเกิดจากการบดอัดเสียหายของคอนกรีต (ดูตารางที่ 6.17) ในการทดลอง การวิบัติยังเกิดจากการบดอัดเสียหายของคอนกรีตเช่นกัน แต่เกิดขึ้นก่อนหน้าด้วยการครากเล็กน้อยของเหล็กเสริมหลัก (A_s1) ซึ่งไม่จำกัดแรงสูงสุด แม้ว่าการครากของเหล็กเสริมจะไม่ถูกจับโดย CSFM แต่ก็ไม่มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณภาพของผลลัพธ์ แบบจำลองเริ่มต้น M0 นำไปสู่การทำนายกำลังที่ไม่ปลอดภัยเล็กน้อย (เฉลี่ย 4%) ควรสังเกตว่าการทำนายไม่ปลอดภัยอย่างชัดเจนสำหรับชิ้นทดสอบ S5 โดยไม่คำนึงถึงพารามิเตอร์เชิงตัวเลขที่พิจารณา ผลลัพธ์ที่ไม่น่าพอใจจาก CSFM อาจอธิบายได้บางส่วนจากข้อเท็จจริงที่ว่ากำลังที่ได้จากการทดลองต่ำผิดปกติ แม้ว่า S5 จะคล้ายกับ S4 แต่มีปริมาณเหล็กเสริมตามขวางมากกว่า 50% และแผ่นรับแรงใหญ่กว่า 20% กำลังของมันก็ยังต่ำกว่า S4 อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งอาจเป็นผลการทดลองที่ผิดปกติหรือเป็นเพียงผลจากการกระจายตัวขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นที่คาดหวังในการวิบัติแบบอัดของค้ำยัน 

ความแตกต่างระหว่างการวิเคราะห์ CSFM ต่างๆ สามารถวิเคราะห์ได้ง่ายโดยใช้อัตราส่วนของแรงสูงสุดจากการทดลองต่อแรงสูงสุดที่คำนวณได้ (P_u,exp/P_u,calc) การเปลี่ยนแปลงขนาดตาข่ายและการพิจารณาหรือไม่พิจารณาการเสริมความแข็งจากแรงดึงไม่มีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อแรงสูงสุด (การเปลี่ยนแปลงต่ำกว่า 5%; ดูรูปที่ 6.24a-b) แม้ว่าการพิจารณาการเสริมความแข็งจากแรงดึงอาจส่งผลต่อผลลัพธ์ในการวิบัติแบบบดอัดเสียหายของคอนกรีตที่มีเหล็กเสริมตามขวาง (เนื่องจากลดความเครียดของเหล็กเสริมและเพิ่มกำลังอัดประสิทธิผลตามลำดับ) แต่ไม่ใช่กรณีนี้เนื่องจากความเครียดตามขวางยังคงเล็กมากและกำลังอัดแทบไม่ได้รับผลกระทบจากตัวประกอบการอ่อนตัวจากแรงอัด อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์มีความไวต่อความเครียดสูงสุดในแรงอัดของคอนกรีตที่พิจารณา (ε_cu2) การพิจารณาความเครียดสูงสุด 2‰ (แบบจำลอง M3) แทนที่จะเป็น 3.5‰ ในแบบจำลองเริ่มต้น ทำให้ได้การลดลงสูงสุด 10% ของแรงสูงสุดที่ทำนาย (ดูรูปที่ 6.24c) 

รูปที่ 6.25a แสดงผลลัพธ์สนามความเค้นต่อเนื่อง (ความเค้นหลักแบบอัด (σ_c) และความเค้นในเหล็ก (σ_sr) ที่รอยแตกร้าว) สำหรับชิ้นทดสอบ S1 โดยมีการทำเครื่องหมายรูปแบบการวิบัติและตำแหน่งที่ทำนายไว้ ผลลัพธ์เหล่านี้คำนวณโดยใช้พารามิเตอร์เชิงตัวเลขเริ่มต้น M0 รูปแบบรอยแตกร้าวที่สังเกตได้ที่แรงสูงสุดแสดงในรูปที่ 6.25b ตำแหน่งที่ทำนายว่าคอนกรีตจะเกิดการบดอัดเสียหายสอดคล้องกับการสังเกตจากการทดลอง 

บทสรุป

สามารถพบความสอดคล้องที่ดีระหว่างผลลัพธ์จาก CSFM และการสังเกตจากการทดลองสำหรับกรณีของบริเวณไม่ต่อเนื่องที่วิเคราะห์ในบทความนี้ สามารถสรุปข้อสรุปต่อไปนี้ได้:

• การวิเคราะห์ CSFM โดยใช้พารามิเตอร์เชิงตัวเลขเริ่มต้นให้การประมาณแรงสูงสุดและรูปแบบการวิบัติที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการวิบัติแบบอัดเฉพาะที่ในค้ำยันไม่สามารถทำนายได้ด้วยความแม่นยำเดียวกับการวิบัติที่กำลังถูกจำกัดโดยการครากของเหล็กเสริม ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่คาดได้ ซึ่งได้รับการชดเชยในมาตรฐานการออกแบบโดยสัมประสิทธิ์ความปลอดภัยที่สูงกว่าสำหรับคอนกรีตในแรงอัดเมื่อเทียบกับเหล็กเสริม
• การเปลี่ยนแปลงขนาดตาข่ายและการพิจารณาหรือไม่พิจารณาการเสริมความแข็งจากแรงดึงไม่มีอิทธิพลอย่างมีนัยสำคัญต่อแรงสูงสุดในกรณีนี้