เสาค้ำยันคอนกรีตเสริมเหล็ก (ACI)

ในการศึกษานี้ ได้ทำการตรวจสอบพฤติกรรมของตัวอย่าง Console คอนกรีตเสริมเหล็ก (RC) จำนวนเจ็ดชิ้น โดยคำนวณกำลังและความสามารถในการเสียรูปโดยใช้ IDEA StatiCa และเปรียบเทียบกับกำลังการออกแบบที่คำนวณตามขั้นตอนของ ACI 318-19 (2019) และ AASHTO LRFD (2016) จากนั้นนำผลลัพธ์ไปเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดสอบเชิงทดลอง ตัวอย่าง Console ที่ทดสอบหนึ่งชิ้นถูกเลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐานสำหรับการตรวจสอบเพิ่มเติมผ่านซอฟต์แวร์ ABAQUS (เวอร์ชัน 2023) ซึ่งคำนวณการโก่งตัวที่จุดกึ่งกลาง การกระจายตัวของความเค้นหลัก และรูปแบบรอยแตก แล้วเปรียบเทียบกับค่าที่วัดได้ระหว่างการทดสอบ (Wilson, 2017) นอกจากนี้ยังได้ตรวจสอบอิทธิพลของเหล็กเสริมเพิ่มเติมต่อกำลังของ Console อย่างละเอียด

การศึกษาเชิงทดลอง

เพื่อประเมินสมรรถนะโครงสร้างของ Console ได้ออกแบบตัวอย่าง Console คู่จำนวนสี่ชิ้น ระบุเป็น C0 ถึง C3 โดยอิงตามข้อกำหนดแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) ของ ACI 318-19 (2014) โดย Wilson (2017) และออกแบบตัวอย่าง Console คู่อีกสามชิ้น ระบุเป็น S1, S2 และ S3 ตามข้อกำหนด STM ของ AASHTO LRFD (2016) โดย Khosravikia et al. (2018) ตัวอย่างเหล่านี้ได้รับการออกแบบ ผลิต และทดสอบที่ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมโครงสร้าง Ferguson ของมหาวิทยาลัย Texas at Austin มีการรักษาความสม่ำเสมอของเหล็กเสริมหลักในตัวอย่างทั้งสี่ชิ้นในหมวด C ในขณะที่เหล็กเสริมเพิ่มเติมมีการเปลี่ยนแปลง ในทำนองเดียวกัน ตัวอย่าง S1, S2 และ S3 มีรูปทรงเรขาคณิตเหมือนกัน แต่มีความแตกต่างทั้งในเหล็กเสริมหลักและเหล็กเสริมเพิ่มเติม ตัวอย่างทั้งเจ็ดชิ้นได้รับการออกแบบเพื่อรับแรงในแนวดิ่งเท่านั้น โดยไม่คำนึงถึงแรงดึงในแนวนอนที่อาจเกิดขึ้น ดังนั้นการตั้งค่าการทดสอบจึงถูกทำให้เรียบง่าย โดยมุ่งเน้นเฉพาะแรงในแนวดิ่ง โดยแต่ละตัวอย่างรองรับด้วยแผ่นรองรับแรงสองแผ่น ในบรรดาตัวอย่างทั้งเจ็ดชิ้น C0 ถูกเลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐานและวิเคราะห์ใน ABAQUS

ตัวอย่างทั้งสี่ชิ้น (C0, C1, C2 และ C3) ได้รับการออกแบบด้วยขนาดที่คล้ายกัน ได้แก่ ความกว้าง 14 นิ้ว (356 มม.) ความสูงรวมของ Console 24 นิ้ว (610 มม.) ความยาว Console 20 นิ้ว (508 มม.) ในแต่ละด้าน และความสูงเสาที่ยื่นออกมา 12 นิ้ว (305 มม.) รูปทรงเรขาคณิตของตัวอย่างและรายละเอียดเหล็กเสริมที่ใช้ในแต่ละตัวอย่างแสดงไว้ในรูปที่ 1.1 พารามิเตอร์การออกแบบของตัวอย่าง Console แสดงไว้ในตารางที่ 1.1 โดยสังเกตว่าตัวอย่างในรูปที่ 1.1 แสดงในทิศทางที่ใช้ทดสอบ

รูปที่ 1.1: การออกแบบตัวอย่างพร้อมรายละเอียดเหล็กเสริม (Wilson, 2017)

การคำนวณการออกแบบตามมาตรฐาน ACI 318-19

ได้ดำเนินการตรวจสอบตามมาตรฐานและคำนวณกำลังของตัวอย่าง Console โดยใช้แบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) และตรวจสอบข้อกำหนดการควบคุมรอยแตกสำหรับ Console คอนกรีตเสริมเหล็กเชิงตัวเลขตามข้อกำหนดของ ACI 318-19 ในแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง ชิ้นส่วน Concrete จะถูกแทนที่ด้วยโครงถักสมมติที่ประกอบด้วยค้ำยันรับแรงอัด Concrete และตัวดึงเหล็ก เชื่อมต่อกันที่ Node ตามข้อกำหนด STM ของ ACI 318-19 จะต้องจัดให้มีเหล็กเสริมที่เพียงพอเพื่อตอบสนองความต้องการกำลังของตัวดึงแต่ละตัว เพื่อให้มั่นใจว่าการควบคุมรอยแตกเพียงพอและป้องกันความไม่เข้ากันของความเครียดที่มากเกินไป จึงกำหนดให้มุมระหว่างแกนของค้ำยันใดๆ และตัวดึงใดๆ ที่เข้าสู่ Node ต้องมากกว่าหรือเท่ากับ 25° Node แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ Node CCC หมายถึง Node ที่ไม่มีตัวดึง (Node แรงอัด-แรงอัด-แรงอัด); Node CCT หมายถึง Node ที่มีตัวดึงหนึ่งตัว; และ Node CTT หมายถึง Node ที่มีตัวดึงสองตัวขึ้นไป

แบบจำลองโครงถักแบบจำลองค้ำยันและตัวดึงที่ใช้ในการออกแบบตัวอย่างเหล่านี้แสดงไว้ในรูปที่ 1.15 การจัดวางแนวนอนของ Node A และ A' ถูกจัดให้ตรงกับจุดศูนย์กลางของแผ่นรองรับแรง ในขณะที่ Node B และ B' ถูกวางไว้ที่จุดหนึ่งในสี่ภายในความกว้างเสา การวางตำแหน่งแนวดิ่งของ Node B และ B' ถูกกำหนดเป็นจุดกึ่งกลางของบล็อกแรงอัดสี่เหลี่ยมที่หน้าเสา กระบวนการออกแบบเกี่ยวข้องกับการตรวจสอบกำลังครากของตัวดึง AA' กำลังรับแรงอัดของค้ำยัน AB, A'B', BB', BC และ B'C' และด้านหลัง ด้านรองรับ และด้านเอียงของ Node A, A', B และ B'

รูปที่ 1.15: แบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (Wilson, 2017)

ตารางที่ 1.6 แสดงการตรวจสอบตามมาตรฐานที่ระบุสำหรับตัวอย่าง Console จาก ACI 318-19 ความสมบูรณ์ของโครงสร้างขององค์อาคาร Concrete ได้รับการประเมินอย่างเข้มงวดผ่านรายการตรวจสอบต่างๆ โดยแต่ละรายการอ้างอิงมาตรฐานอาคาร American Concrete Institute (ACI) 318-19

การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa

Console คอนกรีตเสริมเหล็กเจ็ดชิ้นที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 1.2.1 และ 1.2.2 ได้รับการสร้างแบบจำลองด้วยวิธี CSFM ที่นำมาใช้ใน IDEA StatiCa Detail เพื่อจำลองการตอบสนองของตัวอย่างเหล่านี้ กำลังอัดที่วัดได้ของ Concrete กำลังครากของเหล็กเสริม และกำลังสูงสุดของเหล็กเสริม ตามที่ Wilson (2017) นำเสนอสำหรับตัวอย่าง C0, C1, C2 และ C3 (ตารางที่ 1.3) และโดย Khosravikia et al. (2018) สำหรับตัวอย่าง S1, S2 และ S3 ได้ถูกนำมาใช้ใน IDEA StatiCa Detail

รูปที่ 1.16: (a) Console C0 ที่แรงกระทำ 580 kips (2578 kN), (b) การโก่งตัวของ C0 ภายใต้แรงกระทำ 580 (kips), (c) ความเค้นหลัก Concrete σ_c ของ C0 ที่แรงกระทำ 580 (kips) และ (d) ความเครียดในเหล็กเสริม 

การพัฒนาและวิเคราะห์แบบจำลอง ABAQUS

ในหัวข้อนี้ แบบจำลองพื้นฐานที่พัฒนาในหัวข้อ 1.4.1 (คือ ตัวอย่าง C0) ได้รับการสร้างขึ้นใหม่โดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS (เวอร์ชัน 2023) สำหรับการวิเคราะห์วิธี Finite Element (FE) และนำผลลัพธ์ไปเปรียบเทียบกับผลที่ได้จาก IDEA StatiCa ในแบบจำลอง นอกจากน้ำหนักตัวเองแล้ว ยังได้กำหนดแรงในแนวดิ่ง 592 kips (2633 kN) ให้กับแผ่นรองรับแรงด้านบนตามที่แสดงในรูปที่ 1.23a เงื่อนไขขอบเขตสองแบบที่คล้ายกับการทดสอบเชิงทดลองและแบบจำลอง IDEA StatiCa (คือ แบบลูกกลิ้งทางขวาและแบบอานเอียงทางซ้าย) ถูกนำไปใช้กับตัวอย่าง C0 (ดูรูปที่ 1.23b)

รูปที่ 1.23: a) การตั้งค่าแบบจำลองใน ABAQUS และ b) การนำเงื่อนไขขอบเขตสองแบบไปใช้ใน ABAQUS

พารามิเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการอธิบายแบบจำลองนี้ได้มาจากการทดสอบเชิงทดลองหลังการปรับเทียบ เนื่องจากไม่ได้ระบุไว้อย่างชัดเจนใน Ref. (Wilson, 2017) สำหรับเหล็กเสริม พฤติกรรมของวัสดุถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้ความเป็นพลาสติกแบบสองเส้นตรงอย่างง่าย พารามิเตอร์อื่นๆ ได้แก่ ความหนาแน่น โมดูลัสยืดหยุ่น และอัตราส่วนปัวซอง ถูกนำมาจากคลังวัสดุของ IDEA StatiCa Detail การจำลองเชิงตัวเลขดำเนินการบนเครื่องเสมือนที่มี 16 โปรเซสเซอร์ (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz) และใช้เวลาประมาณ 56 นาทีในการเสร็จสิ้น ในขณะที่ IDEA StatiCa Detail ทำการคำนวณเสร็จสิ้นในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที

รูปที่ 1.26, 1.27 การเปรียบเทียบทิศทางความเค้นหลักและการเคลื่อนตัวในแนวดิ่งระหว่าง IDEA StatiCa Detail และ ABAQUS 

สรุป

Console คอนกรีตเสริมเหล็กเจ็ดชิ้นได้รับการตรวจสอบโดยใช้ IDEA StatiCa และตามข้อกำหนดของวิธีแบบจำลองค้ำยันและตัวดึงตาม ACI 318-19 สำหรับ Console สี่ชิ้นที่แตกต่างกัน (C0, C1, C2, C3) และตาม AASHTO LRFD (2016) สำหรับตัวอย่าง Console สามชิ้นที่แตกต่างกัน (S1, S2, S3) นอกจากนี้ ผลลัพธ์จากแบบจำลองพื้นฐาน IDEA StatiCa (คือ Console C0) ยังถูกเปรียบเทียบกับผลจากแบบจำลอง ABAQUS ที่เทียบเท่า ตัวอย่างได้รับการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์โดยใช้ IDEA StatiCa เพื่อจับพฤติกรรมเชิงทดลองของ Console กำลังรับแรงสูงสุดของ Console และเส้นโค้งแรงเทียบกับการโก่งตัวที่จุดกึ่งกลางถูกพล็อตด้วยผลลัพธ์ที่ได้จาก IDEA StatiCa และเปรียบเทียบกับข้อมูลที่วัดได้ 

ในรูปที่ 1.30 แสดงการเปรียบเทียบแรงที่ได้จากการทดสอบ วิธีแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) และ IDEA StatiCa สำหรับตัวอย่าง C ผลลัพธ์เน้นให้เห็นถึงประสิทธิภาพของ P_{IDEA StatiCa} ในการสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับผลการทดสอบ ซึ่งเหนือกว่าวิธีดั้งเดิมเช่น STM ในการให้การทำนายสมรรถนะของ Console ที่ใกล้เคียงความเป็นจริง ในตัวอย่างทั้งหมด (C0, C1, C2 และ C3) P_{IDEA StatiCa} แสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับกำลังรับแรงสูงสุดจากการทดสอบ (P_max) อย่างสม่ำเสมอ คุณสมบัติของตัวอย่าง C0 และ C2 เหมือนกัน แต่ตัวอย่าง C0 ถูกทดสอบด้วยอัตราส่วน a_v /d ที่มากกว่า ซึ่งแสดงให้เห็นถึงผลของอัตราส่วน a_v /d ต่อกำลังรับแรงของ Console โดยกำลังของ Console แปรผกผันกับอัตราส่วน a_v /d

รูปที่ 1.30: การเปรียบเทียบแรงที่วัดได้ แรงที่คำนวณได้ (STM) และแรงสูงสุดจาก IDEA StatiCa สำหรับตัวอย่าง C

โดยสรุป ในตัวอย่าง Console ทั้งเจ็ดชิ้น (C0 ถึง C3 และ S1 ถึง S3) แรงสูงสุดที่ IDEA StatiCa ทำนายได้นั้นสูงกว่า STM อย่างสม่ำเสมอ และสอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับผลการทดสอบ ยกเว้นตัวอย่าง S1 และ S3 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สำหรับ S1 และ S3 แรงสูงสุดที่ได้จาก IDEA StatiCa เกินค่าที่วัดได้ 1.5% และ 3.1% ตามลำดับ โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์จากการทดสอบเชิงทดลอง แบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) IDEA StatiCa และ ABAQUS มีความสอดคล้องกันในระดับที่ยอมรับได้

เกี่ยวกับสมรรถนะของ IDEA StatiCa เห็นได้ชัดว่าผลลัพธ์สามารถเทียบเคียงได้กับ ABAQUS ซึ่งแสดงให้เห็นว่า IDEA StatiCa สามารถจำลองและวิเคราะห์พฤติกรรมโครงสร้างได้อย่างแม่นยำ ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของซอฟต์แวร์สำหรับงานวิเคราะห์และออกแบบทางวิศวกรรมได้รับการยืนยันจากความสามารถในการให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกับเครื่องมือที่ได้รับการยอมรับอย่าง ABAQUS อย่างไรก็ตาม ควรตรวจสอบความถูกต้องและความน่าเชื่อถือสำหรับการประยุกต์ใช้งานเฉพาะด้านโดยการตรวจสอบผลลัพธ์จากซอฟต์แวร์ใดๆ กับข้อมูลเชิงทดลองหรือวิธีเชิงตัวเลขทางเลือกเสมอ การปรับปรุงและตรวจสอบแบบจำลองการวิเคราะห์เพิ่มเติมสามารถเพิ่มความแม่นยำของการทำนาย ซึ่งจะช่วยให้กระบวนการวิเคราะห์และออกแบบโครงสร้างมีความแข็งแกร่งยิ่งขึ้น