เสาคานลึกคอนกรีตเสริมเหล็ก (ACI)

พฤติกรรมของตัวอย่างคานลึกคอนกรีตเสริมเหล็ก (RC) จำนวนห้าชิ้นได้รับการศึกษาในบทนี้ โดยประเมินความสามารถในการรับแรงและการเสียรูปโดยใช้ IDEA StatiCa และเปรียบเทียบกับความสามารถในการออกแบบที่กำหนดโดยวิธีแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) ตาม ACI 318-05 (2005) และ ACI 318-19 (2019) โดยนำผลลัพธ์ไปเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดลอง 

ตัวอย่างคานลึกชิ้นหนึ่งได้รับการคัดเลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐานสำหรับการตรวจสอบเพิ่มเติมโดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS (2023) ซึ่งรวมถึงการคำนวณและเปรียบเทียบความสัมพันธ์ระหว่างแรงกระทำและการโก่งตัว การกระจายตัวของความเค้นหลัก และรูปแบบรอยแตกร้าวกับผลที่สังเกตได้จากการทดลอง (Huizinga, 2007) นอกจากนี้ยังมีการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับผลกระทบของเหล็กเสริมเพิ่มเติมต่อความสามารถในการรับแรงของคานลึก

รูปที่ 2.45: การเปรียบเทียบความเค้นหลักที่คำนวณได้ใน Concrete ระหว่าง IDEA StatiCa และ ABAQUS

การศึกษาเชิงทดลอง

เพื่อประเมินสมรรถนะโครงสร้างของคานลึก ตัวอย่างคานลึกคอนกรีตเสริมเหล็ก (RC) จำนวนห้าชิ้น ซึ่งระบุเป็น 1A, 1B, 2A, 3A และ 3B ได้รับการตรวจสอบ ตัวอย่างเหล่านี้ออกแบบโดย Huizinga (2007) ตามข้อกำหนดแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) ของ ACI 318-05 (2005) การผลิตและการทดสอบตัวอย่างดำเนินการที่ห้องปฏิบัติการวิศวกรรมโครงสร้าง Ferguson ของมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสติน ความสม่ำเสมอของเหล็กเสริมหลักถูกรักษาไว้ในทุกตัวอย่าง ในขณะที่มีการเปลี่ยนแปลงในเหล็กเสริมผนัง ตัวอย่างได้รับการออกแบบเพื่อรับแรงในแนวดิ่งเท่านั้น โดยไม่คำนึงถึงแรงดึงในแนวนอนที่อาจเกิดขึ้น การตั้งค่าการทดสอบได้รับการลดความซับซ้อนตามนั้น โดยมุ่งเน้นเฉพาะแรงในแนวดิ่ง โดยแต่ละตัวอย่างรองรับด้วยแผ่นรองรับแรงสองแผ่น (รูปที่ 2.7 และ 2.8) ในบรรดาตัวอย่างทั้งหมด 1A ได้รับการคัดเลือกเป็นแบบจำลองพื้นฐานและนำไปวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS

รูปที่ 2.7: การตั้งค่าการทดสอบ มุมมองด้านข้างสำหรับคานลึก (Huizinga, 2007)

รูปที่ 2.13: ช่วงแรงเฉือน 1A: a) หน้าตัด และ b) มุมมองด้านข้าง (Huizinga, 2007)

การวิเคราะห์ด้วย IDEA StatiCa

วิธี CSFM ที่นำมาใช้ใน IDEA StatiCa Detail ถูกนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลองและจำลองพฤติกรรมของคานลึกคอนกรีตเสริมเหล็กทั้งห้าชิ้นที่อธิบายไว้ในหัวข้อ 2.3.2 โดยใช้กำลังอัดจริงหรือที่วัดได้ของ Concrete และกำลังครากและกำลังสูงสุดของเหล็กเสริม (ตามที่ระบุโดย Huizinga, 2007) ในการสร้างแบบจำลองตัวอย่าง 1A, 1B, 2A, 3A และ 3B

การวิเคราะห์แบบจำลองพื้นฐาน (ตัวอย่าง 1A)

โดยใช้คุณสมบัติวัสดุที่วัดได้ที่นำเสนอในตารางที่ 2.4 และ 2.5 แบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับตัวอย่างพื้นฐานได้รับการสร้างขึ้น เพื่อตรวจสอบและปรับปรุงแบบจำลองและการจำลองโดยใช้ข้อมูลการทดลอง ตัวประกอบวัสดุสำหรับ Concrete (ϕ_c) และเหล็กเสริม (ϕ_s) ใน IDEA StatiCa ถูกกำหนดเป็น 1.0 น้ำหนักตัวเองของคานลึกและแรงกระทำที่ใช้เป็นสองประเภทของแรงกระทำที่พิจารณาในการวิเคราะห์ใน IDEA StatiCa แรงกระทำสูงสุดถูกนำเข้าสู่แบบจำลองอย่างค่อยเป็นค่อยไปด้วย 100 ขั้นตอนจากศูนย์ถึงค่าสูงสุดเพื่อให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงกระทำและการโก่งตัวของตัวอย่างคานลึก

แผ่นรองรับแรงหนา 4 นิ้ว (101.6 มม.) ถูกนำเข้าสู่แบบจำลองใต้แรงกระทำที่ใช้ ขนาดของแผ่นรองรับแรงใช้ตามค่าที่ระบุในตารางที่ 2.4 ที่นำเสนอโดย Huizinga (2007) จุดรองรับด้านซ้ายของคานลึกถูกยึดในทิศทางแนวนอน (x) และแนวดิ่ง (z) แทนจุดรองรับแบบหมุนได้ ในขณะที่จุดรองรับด้านขวาถูกยึดในทิศทางแนวดิ่ง (z) เท่านั้นเพื่อทำหน้าที่เป็นจุดรองรับแบบลูกกลิ้ง จุดรองรับแผ่นรองรับแรงแบบจุดถูกพิจารณาสำหรับทั้งปลายและขนาดของแผ่นถูกพิจารณาเป็น 16 นิ้ว คูณ 36 นิ้ว (406.4 มม. คูณ 914.4 มม.) ความหนาของแผ่นรองรับแรงที่จุดรองรับถูกพิจารณาเป็น 2 นิ้ว (50.8 มม.) ตัวประกอบแรงกระทำ 1.0 สำหรับรูปแบบแรงกระทำทั้งสอง ได้แก่ น้ำหนักตัวเองและแรงกระทำที่ใช้ ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ IDEA StatiCa โดยมุ่งเน้นที่การรวมแรงกระทำในสภาวะขีดจำกัดสูงสุด (ULS)

กระบวนการคำนวณความสามารถในการรับแรงของ IDEA StatiCa เกี่ยวข้องกับการเพิ่มแรงกระทำที่ใช้อย่างค่อยเป็นค่อยไปจนกว่าจะถึงเงื่อนไขใดเงื่อนไขหนึ่งต่อไปนี้:

1. Concrete ถึง 100% ของความสามารถในการรับแรงภายใต้แรงกระทำที่ใช้
2. เหล็กเสริมถึง 100% ของความสามารถในการรับแรงภายใต้แรงกระทำที่ใช้
3. เหล็กยึดเหนี่ยวถึง 100% ของความสามารถในการรับแรงภายใต้แรงกระทำที่ใช้

ที่แรงกระทำ 1540 kips (6850 kN) Concrete ทำงานที่ 99.6% ของความสามารถในการรับแรง ในขณะที่เหล็กเสริมอยู่ที่ 100% ของความสามารถในการรับแรง และเหล็กยึดเหนี่ยวอยู่ที่ 99.9% ของความสามารถในการรับแรง (รูปที่ 2.35) การเพิ่มแรงกระทำที่ใช้เพิ่มเติมจะเกินความสามารถของเหล็กเสริม จึงถือเป็นแรงกระทำสูงสุดโดย IDEA StatiCa ภายใต้แรงกระทำ 1540 kips (6850 kN) การโก่งตัวของตัวอย่างคานลึกภายใต้แรงกระทำถูกบันทึกเป็น 0.679 นิ้ว (17.25 มม.) รูปที่ 2.35 นำเสนอผลลัพธ์โดยละเอียดสำหรับตัวอย่างคานลึก 1A ที่ได้จาก IDEA StatiCa ภายใต้แรงกระทำสูงสุด 1540 kips (6850 kN)

รูปที่ 2.35: คานลึก 1A ที่แรงกระทำ 1540 kips (6850 kN): a) ผลลัพธ์ IDEA StatiCa, b) มุมมอง 3D, c) การไหลของความเค้น, d) ความเค้นหลักของ Concrete (σc), e) ความเค้นในเหล็กเสริม, f) ความเครียดในเหล็กเสริม และ g) แผนภาพการโก่งตัว

การพัฒนาและวิเคราะห์แบบจำลอง ABAQUS

ในหัวข้อนี้ แบบจำลองพื้นฐานที่พัฒนาในหัวข้อ 2.4.1 (ได้แก่ ตัวอย่าง 1A) ได้รับการสร้างขึ้นใหม่โดยใช้ซอฟต์แวร์ ABAQUS (2023) สำหรับการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ (FE) และผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับผลที่ได้จาก IDEA StatiCa ในแบบจำลอง นอกเหนือจากน้ำหนักตัวเองแล้ว แรงในแนวดิ่ง 1,572.5 kips (6995.3 kN) (เพิ่มทีละ 50 kips) ถูกกระทำต่อแผ่นรองรับแรงด้านบนที่มีความหนา 4 นิ้ว (101.6 มม.) ดังแสดงในรูปที่ 2.40 เงื่อนไขขอบเขตสองประการที่คล้ายกับการทดสอบเชิงทดลองและแบบจำลอง IDEA StatiCa (ได้แก่ คานรองรับแบบอิสระ) ถูกนำมาใช้กับตัวอย่าง 1A (ดูรูปที่ 2.40 อีกครั้ง) ใน ABAQUS ขนาดเอลิเมนต์ถูกเลือกเป็น 0.5 นิ้ว (12.7 มม.) หลังจากการวิเคราะห์ความไวของตาข่ายตามปกติ ส่งผลให้มีเอลิเมนต์ทั้งหมด 89,510 เอลิเมนต์ในแบบจำลอง ความเค้น 3D แบบอิฐเชิงเส้น 8 โหนดแบบลดการอินทิเกรต (ได้แก่ C3D8R) ถูกเลือกเป็นประเภทเอลิเมนต์สำหรับ Concrete ในขณะที่เอลิเมนต์คานถูกเลือกสำหรับเหล็กเสริม

รูปที่ 2.40: การตั้งค่าแบบจำลองใน ABAQUS แสดงตำแหน่งและรายละเอียดของแรงกระทำที่ใช้และเงื่อนไขขอบเขต

ข้อจำกัดบริเวณฝังตัวถูกนำมาใช้เพื่อรวมเหล็กเสริมภายในคานลึก A1 (ดูรูปที่ 2.41) นอกจากนี้ยังกำหนดการสัมผัสระหว่างพื้นผิวทั่วไประหว่างแผ่นรองรับแรงสำหรับแรงกระทำและจุดรองรับกับตัวอย่าง Concrete ใน ABAQUS ใช้แบบจำลององค์ประกอบ Concrete Damage Plasticity (CDP) พารามิเตอร์ที่จำเป็นในการอธิบายแบบจำลองนี้ได้มาจากข้อมูลการทดลองหลังการสอบเทียบ เนื่องจากไม่ได้ระบุไว้อย่างชัดเจนในเอกสารอ้างอิง (Huizinga, 2007) สำหรับเหล็กเสริม พฤติกรรมของวัสดุถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้ความยืดหยุ่นพลาสติกแบบสองเส้นตรงอย่างง่าย พารามิเตอร์อื่น ๆ รวมถึงความหนาแน่น โมดูลัสยืดหยุ่น และอัตราส่วนปัวซอง ถูกนำมาจากไลบรารีวัสดุของ IDEA StatiCa โดยตรง การจำลองเชิงตัวเลขดำเนินการบนเครื่องเสมือนที่มี 16 โปรเซสเซอร์ (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz) และใช้เวลาประมาณ 51 นาทีในการเสร็จสิ้น ในขณะที่ IDEA StatiCa Detail เสร็จสิ้นการคำนวณในเวลาน้อยกว่าสองนาที

สรุป

พฤติกรรมของคานลึกคอนกรีตเสริมเหล็ก (RC) จำนวนห้าชิ้นได้รับการศึกษาโดยใช้ IDEA StatiCa และความสามารถในการรับแรงยังถูกกำหนดโดยใช้วิธีแบบจำลองค้ำยันและตัวดึง (STM) ตามที่ระบุโดย ACI 318-05 นอกจากนี้ยังมีการวิเคราะห์เปรียบเทียบระหว่างผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลอง IDEA StatiCa สำหรับคานลึก 1A และผลที่ได้จากแบบจำลอง ABAQUS ที่เทียบเท่า ตัวอย่างได้รับการสร้างแบบจำลองและวิเคราะห์โดยใช้ IDEA StatiCa เพื่อจำลองพฤติกรรมเชิงทดลองอย่างแม่นยำ จากนั้นความสามารถในการรับแรงสูงสุดและความสัมพันธ์ระหว่างแรงกระทำและการโก่งตัวที่กำหนดโดย IDEA StatiCa ถูกเปรียบเทียบกับข้อมูลที่วัดได้

รูปที่ 2.48 เปรียบเทียบแรงกระทำที่ได้จากการทดลอง STM และ IDEA StatiCa สำหรับตัวอย่างคานลึก ผลลัพธ์ของ IDEA StatiCa สอดคล้องอย่างใกล้ชิดกับผลการทดลอง โดยมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีทั่วไปอย่าง STM ในการให้การทำนายสมรรถนะของคานลึกที่แม่นยำยิ่งขึ้น ในทุกตัวอย่าง (1A, 1B, 2A, 3A และ 3B) IDEA StatiCa แสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องที่ใกล้เคียงกับความสามารถในการรับแรงที่วัดได้ (P_max) อย่างสม่ำเสมอ ควรสังเกตว่า STM ได้รับการพัฒนาเพื่อวัตถุประสงค์ในการออกแบบและคาดว่าจะให้ผลลัพธ์ที่อยู่ในด้านปลอดภัย ในทางกลับกัน IDEA StatiCa คาดว่าจะสามารถจับค่าการตอบสนองสูงสุดที่วัดได้ของคานลึก

รูปที่ 2.48: การเปรียบเทียบแรงกระทำที่วัดได้ ที่คำนวณได้ (STM) และแรงกระทำสูงสุดจาก IDEA StatiCa สำหรับตัวอย่างคานลึก

ข้อมูลที่นำเสนอในรูปที่ 2.48 เผยให้เห็นความแตกต่างระหว่างแรงกระทำที่วัดได้และแรงกระทำที่คำนวณโดยใช้วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง (CSFM) ใน IDEA StatiCa สำหรับคานลึกทั้งห้าชิ้น ตัวอย่างเช่น คานลึก 1A แสดงความคลาดเคลื่อนประมาณ 5% ระหว่างแรงกระทำที่วัดได้และแรงกระทำที่คำนวณโดย CSFM ในทำนองเดียวกัน คานลึก 1B แสดงความเบี่ยงเบนประมาณ 11% ในคานลึก 2A ความแตกต่างระหว่างแรงกระทำที่วัดได้และแรงกระทำที่คำนวณโดย CSFM อยู่ที่ประมาณ 9% อย่างไรก็ตาม วัตถุประสงค์หลักของโปรแกรมการทดสอบคือการศึกษาความแข็งแรงรับแรงเฉือนและพฤติกรรมการใช้งานของคานลึก โดยมุ่งเน้นที่การเหนี่ยวนำให้เกิดการวิบัติจากแรงเฉือนในแต่ละช่วงแรงเฉือน