การทดสอบหน่วย: การทดสอบแรงเฉือนในคานที่มีเหล็กปลอกปริมาณน้อย

บทนำ 

ในบทความนี้ เราจะสำรวจการวิบัติจากแรงเฉือนในคานที่มีเหล็กปลอกปริมาณน้อย โดยจะเปรียบเทียบข้อมูลการทดลองกับแบบจำลอง 3D-CSFM Solid Block เพื่อวิเคราะห์การตอบสนองของแรง-การเสียรูป และทำนายรูปแบบการวิบัติ การทดสอบหน่วยนี้ประกอบด้วยสามตัวอย่าง ซึ่งแต่ละตัวอย่างมีปริมาณเหล็กเสริมและขนาดของคานที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ บทความนี้ยังขยายการตรวจสอบที่มีอยู่ของ 2D CSFM[1] โดยนำเสนอการตรวจสอบรูปแบบตาข่ายและจำนวนตัวอย่างอย่างละเอียดยิ่งขึ้น วิธีการที่อิงตาม CSFM ทั้งหมดดำเนินการใน IDEA StatiCa Detail application โดยใช้การตั้งค่าเริ่มต้นเป็นหลัก ข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงในภายหลังในบทความ

คำนิยามของรูปแบบการวิบัติ

เพื่อให้การเปรียบเทียบรูปแบบการวิบัติที่สังเกตได้จากการทดลองกับรูปแบบที่ทำนายโดย CSFM เป็นไปอย่างสะดวก รูปแบบการวิบัติจึงถูกจัดประเภทเป็นการวิบัติแบบดัด (F) หรือแรงเฉือน (S) แม้ว่าการครากของเหล็กเสริมจะไม่ถือเป็นการวิบัติของวัสดุโดยตรง แต่ก็รวมอยู่ในการจำแนกประเภทรูปแบบการวิบัติร่วมกับการบดอัดเสียหายของ Concrete การแยกแยะนี้มีความสำคัญในการระบุการวิบัติจากการบดอัดเสียหายของ Concrete ที่เกิดขึ้นโดยไม่มีการครากของเหล็กเสริม ซึ่งโดยทั่วไปจะเปราะมาก จากการวิบัติที่เกิดขึ้นหลังจากเหล็กเสริมคราก ซึ่งอาจแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเสียรูปในระดับหนึ่ง

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.1\qquad Definition of failure modes}}}\]

การตั้งค่าการทดสอบหน่วย

ในการทดสอบหน่วยนี้ คานทั้งหมดรองรับแบบคานธรรมดาและรับแรงกระทำเดี่ยวที่กึ่งกลางช่วง พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น ขนาดและเหล็กเสริมของคาน สามารถดูได้จากรูปที่ 2.1 ตารางนี้รวมถึงข้อมูล เช่น เส้นผ่านศูนย์กลางของเหล็กปลอก (Ø_t), ระยะห่าง (s_t), และอัตราส่วนเหล็กเสริมเชิงเรขาคณิต (ρ_t,geo) นอกจากนี้ รายละเอียดเกี่ยวกับเหล็กเสริมรับแรงดัด รวมถึงจำนวน (n_l) และเส้นผ่านศูนย์กลาง (Ø_l) ของเหล็กเสริม รวมถึงเรขาคณิตของคาน ได้แก่ ความลึกประสิทธิผล (d), อัตราส่วนความชะลูดของแรงเฉือน (a/d), และความกว้าง (b) ก็ถูกนำเสนอด้วย การทดสอบที่กำหนดชื่อว่า R 500m352 ซึ่งดำเนินการโดย Huber ในปี 2016[3] ใช้ตัวอย่างที่เสริมด้วยพุกแบบงอขาเดียว ในทางตรงกันข้าม ตัวอย่างทดสอบ A1 และ A3 ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการทดลองที่ดำเนินการโดย Vecchio และ Shim ในปี 2004[2] ใช้เหล็กปลอกปิดสองขาสำหรับเหล็กเสริม

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.1\qquad Dimensions and mode of Reinforcement: (a) R500m352, (b) A1, A3 }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.2\qquad Reinforcement Properties}}}\]

คุณสมบัติของวัสดุ

คุณสมบัติของวัสดุของ Concrete, เหล็กเสริม, และพุกที่ใช้ในการวิเคราะห์ CSFM มีรายละเอียดในตารางที่ 1.3 คุณสมบัติของวัสดุส่วนใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการป้อนข้อมูลเข้า CSFM ถูกระบุไว้ในรายงานของการทดลองที่กำหนด ค่าที่ไม่ได้ระบุไว้อย่างชัดเจนและจึงถูกสมมติขึ้นจะถูกทำเครื่องหมายในตาราง

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.3\qquad Material Properties}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.2\qquad Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement, (b) Stress-strain diagram of concrete}}}\]

การสร้างแบบจำลองด้วย 3D-CSFM

พารามิเตอร์วัสดุและเหล็กเสริมที่ใช้ในการวิเคราะห์ทั้ง 2D และ 3D CSFM ได้มาจากตารางที่ 1.2 และตารางที่ 1.3 ตามลำดับ ใน 3D-CSFM คานถูกสร้างแบบจำลองโดยใช้คลาสแบบจำลอง solid block ใน IDEA StatiCa Detail การโหลดบนคานถูกกระทำที่กึ่งกลางช่วงเป็นแรงกระทำบนพื้นผิวในพื้นที่ 0.2 ม. คูณ b (ความกว้างของคาน) โดยแรงลัพธ์กระทำตามข้อมูลการทดลอง เงื่อนไขการรองรับของคานถูกสร้างแบบจำลองเป็นแบบรองรับธรรมดา โดยใช้การรองรับพื้นผิวขนาด 0.15 ม. คูณ 0.30 ม. การกำหนดค่านี้ออกแบบมาเพื่อจำลองเงื่อนไขการตั้งค่าการทดลองอย่างแม่นยำและให้การจำลองพฤติกรรมของคานภายใต้แรงกระทำที่สมจริง

ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ พารามิเตอร์เกือบทั้งหมด รวมถึงขนาดตาข่าย ถูกรักษาไว้ตามการตั้งค่าเริ่มต้นใน IDEA StatiCa Detail อย่างไรก็ตาม มีการปรับเปลี่ยนเฉพาะสำหรับการสร้างแบบจำลองเหล็กปลอก: "Pull-Out model" ถูกใช้อย่างชัดเจนแทนที่ "Tension Chord model" เริ่มต้น แบบจำลองนี้ถูกนำไปใช้โดยอัตโนมัติในแบบจำลอง 2D-CSFM ภายใต้คลาส Beam สำหรับเหล็กปลอก การปรับเปลี่ยนนี้ถูกนำมาใช้เพื่อให้การคำนวณเหล็กปลอกในประเภทแบบจำลอง 3D-CSFM Solid Block ภายในโหมด developer ของ IDEA StatiCa Detail มีความแม่นยำ การปรับเปลี่ยนนี้มีความสำคัญในการปรับการจำลองให้สอดคล้องกับพฤติกรรมทางกายภาพที่สังเกตได้ในการตั้งค่าการทดลอง โดยเฉพาะในวิธีที่เหล็กปลอกรับแรงกระทำในแบบจำลอง

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Tension Chord model และ Pull-Out model ใน พื้นฐานทางทฤษฎี

ตัวประกอบบางส่วนทั้งหมดใน IDEA StatiCa Detail ถูกตั้งค่าเป็น 1.0 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3\qquad Loads in IDEA StatiCa Detail: (a) 3D-CSFM: A1 - Vecchio and Shim (2004), (b) 2D-CSFM: R500m352 - Huber (2016)}}}\]

การตอบสนองของแรง-การเสียรูป

การเปรียบเทียบระหว่างวิธีเชิงตัวเลขและข้อมูลการทดลองสามารถแสดงให้เห็นได้ในรูปที่ 2.4 ในรูปนี้ ข้อมูลการทดลองแสดงด้วยเส้นประสีดำ ในขณะที่ 2D-CSFM แสดงด้วยเส้นทึบสีน้ำเงิน และ 3D-CSFM แสดงด้วยเส้นทึบสีแดง กราฟแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างวิธีเชิงตัวเลขและข้อมูลการทดลอง ซึ่งบ่งชี้ว่าการจำลองสามารถจับพฤติกรรมที่สังเกตได้ในการทดลองทางกายภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความสอดคล้องนี้แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองเชิงตัวเลขมีความแข็งแกร่งและให้พื้นฐานที่เชื่อถือได้สำหรับการวิเคราะห์การตอบสนองของโครงสร้างภายใต้เงื่อนไขที่ทดสอบ

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.4\qquad Load-Deformation Respons: (a) R500m352, (b) A1, (c) A3}}}\]

การเปรียบเทียบแรงวิกฤตสามารถดูได้จากรูปที่ 2.5 และเปอร์เซ็นต์ความสอดคล้องจากตารางที่ 1.4 สำหรับทุกตัวอย่างมีความสอดคล้องกับผลการทดลองอย่างสม่ำเสมอ

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.5\qquad Critical Load: (a) R500m352, (b) A1, (c) A3}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.4\qquad Critical Load comparison}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.5\qquad Critical Load and Failure mode type comparison}}}\]

บทสรุป 

ในการทดสอบหน่วยนี้ มีการเปรียบเทียบระหว่างพฤติกรรมการทดลองและการจำลอง CSFM ทั้งในรูปแบบ 2D และ 3D ของคานที่มีเหล็กเสริมปริมาณน้อย ข้อมูลเชิงลึกสำคัญจากบทความ ได้แก่:

• การจำลอง CSFM ทั้ง 2D และ 3D สอดคล้องกับข้อมูลการทดลองอย่างใกล้ชิด แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการทำนายพฤติกรรมโครงสร้างของคานที่มีเหล็กเสริมน้อยได้อย่างแม่นยำ
• การใช้การสร้างแบบจำลอง solid block ใน 3D และเทคนิคการสร้างแบบจำลอง 2D ที่เทียบเท่ามีประสิทธิภาพในการแสดงเงื่อนไขจริงของคานภายใต้แรงกระทำ ดังที่ได้รับการยืนยันจากความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกับผลการทดลอง
• ผลลัพธ์ของการตอบสนองของแรง-การเสียรูป การเปรียบเทียบแรงวิกฤต และการทำนายรูปแบบการวิบัติแสดงให้เห็นถึงความสอดคล้องอย่างแข็งแกร่งกับผลการทดลอง ความสอดคล้องที่แข็งแกร่งนี้เน้นย้ำถึงประสิทธิภาพและความแม่นยำของการจำลอง CSFM ในการสร้างแบบจำลองพฤติกรรมจริงของคานภายใต้เงื่อนไขการโหลดต่างๆ
• แม้ว่า 3D-CSFM ยังอยู่ในระยะเบต้า แต่ความสอดคล้องกับผลการทดลองเน้นย้ำถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ ความสอดคล้องนี้ให้การตรวจสอบความถูกต้องบางส่วนของประสิทธิภาพของเครื่องมือ แม้ว่าควรตีความด้วยความระมัดระวังเนื่องจากอยู่ในระยะการพัฒนา

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.6\qquad Stress field results R500m352}}}\]

เอกสารอ้างอิง 

[1] - Kaufmann, W., J. Mata-Falcón, M. Weber, T. Galkovski, D. Thong Tran, J. Kabelac, M. Konecny, J. Navratil, M. Cihal, and P. Komarkova. 2020. "Compatible Stress Field Design Of Structural Concrete. Berlin, Germany."AZ Druck und Datentechnik GmbH, ISBN 978-3-906916-95-8.

[2] - Vecchio, F.J., and W. Shim. 2004. "Experimental and Analytical Reexamination of Classic Concrete Beam Tests." Journal of Structural Engineering 130 (3): 460–69.

[3] - Huber, P. 2016. "Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit bestehender Stahlbeton- und Spannbetonbrücken." PhD thesis, Wien: TU Wien, Faculty of Civil Engineering.