รอยแตกร้าวในคอนกรีต - ฝันร้ายของวิศวกร?

ปัญหามากมายเกี่ยวกับรอยแตกร้าว การคำนวณที่ซับซ้อน ไม่แปลกเลยหากคุณเคยตั้งคำถามกับตัวเองว่า: มันคุ้มค่าหรือเปล่า? ด้วยเครื่องมือที่ซับซ้อนและทันสมัยที่มีอยู่ในปัจจุบัน เราสามารถพูดได้อย่างโชคดีว่าคำตอบคือ „ใช่ คุ้มค่า!"

Concrete นั้นยอดเยี่ยมมากในการรับแรงอัด นั่นเป็นสิ่งที่เราทุกคนรู้ดี แต่ในโครงสร้างจริง เราไม่สามารถหลีกเลี่ยงการที่บางส่วนต้องรับแรงดึงได้ เหล็กเสริมให้ความแข็งแรงในการรับแรงดึงและความเหนียวที่สูงกว่า โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กสามารถต้านทานทั้งแรงดึงและแรงอัดได้ดี โดยมีเงื่อนไขว่าเหล็กเสริมต้องวางในตำแหน่งที่เหมาะสมและเลือกปริมาณอย่างรอบคอบ 

ความสามารถในการใช้งานสำคัญพอๆ กัน

แม้ว่าความแข็งแรงของโครงสร้างอาจดูเหมือนเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุด แต่เราไม่สามารถละเลยปัจจัยด้านความสามารถในการใช้งานได้ หลายครั้งปัจจัยเหล่านี้เป็นตัวกำหนดการทำงานและความสามารถในการใช้งานของสิ่งก่อสร้าง การโก่งตัวที่มากเกินไปอาจทำให้โครงสร้างดูไม่ปลอดภัยและยังทำให้ยากต่อการทำหน้าที่ได้อย่างเต็มที่ ในทำนองเดียวกัน หากรอยแตกร้าวเกินขีดจำกัดในแง่ของความกว้าง โครงสร้างคอนกรีตจะดูไม่สวยงาม และเหล็กเสริมก็จะเกิดการกัดกร่อนด้วยเช่นกัน

รอยแตกร้าวในคอนกรีตเป็นความท้าทายที่แยกต่างหากสำหรับวิศวกรโครงสร้างทุกคนที่ทำการออกแบบคอนกรีต ทุกอย่างจะง่ายเพียงใดหากไม่ต้องจัดการกับรอยแตกร้าว? น่าเสียดายที่รอยแตกร้าวเป็นและจะยังคงเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างคอนกรีตทุกชิ้น — อย่างน้อยในอนาคตอันใกล้ — ดังนั้นเราจึงต้องหาวิธีช่วยให้วิศวกรคำนวณกับรอยแตกร้าวในชีวิตประจำวัน เป้าหมายคือการพัฒนาเครื่องมือที่สามารถรองรับรูปทรงต่างๆ ของโครงสร้างคอนกรีตและพิจารณาตำแหน่งจริงของเหล็กเสริม ไม่ใช่เพียงแค่ชิ้นส่วนโครงสร้างที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแบบง่ายๆ วิศวกรคุ้นเคยกับการคำนวณด้วยมือแบบง่ายสำหรับคานและเสาพื้นฐาน แต่โครงสร้างสมัยใหม่มีรูปทรงหลากหลาย ดังนั้นเครื่องมือสมัยใหม่จึงต้องให้วิธีแก้ปัญหาสำหรับรูปทรงทั่วไปด้วย การคำนวณการเกิดรอยแตกร้าวและความกว้างของรอยแตกร้าวก็ไม่ใช่ข้อยกเว้น

การคำนวณรอยแตกร้าวใน CSFM

วิธีการที่เป็นนวัตกรรมของเรา วิธี Compatible Stress Field Method (CSFM) ที่นำไปใช้ใน IDEA StatiCa Concrete ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบโครงสร้างคอนกรีตในรูปทรงใดก็ได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย รวมถึง การคำนวณความกว้างของรอยแตกร้าว

สถานะขั้นสูงของวิธีการนี้อยู่บนพื้นฐานของทฤษฎีสนามแรงอัดที่ปรับปรุงแล้ว การนำ การเสริมความแข็งจากแรงดึง ไปใช้ และการแยกแยะระหว่างการแตกร้าวแบบเสถียรและไม่เสถียร ตามมาตรฐาน Eurocode และ ACI ที่ใช้บังคับ เราดำเนินการตรวจสอบสภาวะขีดจำกัดของความสามารถในการใช้งาน (SLS) ของชิ้นส่วนคอนกรีต เช่น ความกว้างของรอยแตกร้าว การเสียรูป และการตรวจสอบขีดจำกัดความเค้น

มาพูดถึงวิธีการคำนวณรอยแตกร้าวของเราและพื้นฐานที่ใช้กันสักเล็กน้อย สำหรับผู้ที่สนใจคำอธิบายทางทฤษฎีฉบับสมบูรณ์ของการคำนวณและวิธีการทั้งหมด เราแนะนำให้อ่าน พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับ IDEA StatiCa Detail

CSFM แยกแยะระหว่างการเติบโตของรอยแตกร้าวแบบเสถียรและไม่เสถียร การเติบโตของรอยแตกร้าวแบบเสถียรหมายถึงรอยแตกร้าวที่กระจายอย่างสม่ำเสมอ — ตัวอย่างเช่น ตามขอบล่างของคาน ในกรณีของรอยแตกร้าวแบบเสถียรที่พัฒนาเต็มที่ จะใช้ Tension Chord Model (TCM) เพื่อคำนวณ การเสริมความแข็งจากแรงดึง  

การเติบโตของรอยแตกร้าวแบบไม่เสถียรจะพิจารณาสำหรับรอยแตกร้าวเฉพาะที่ที่เกิดจากความไม่ต่อเนื่องทางเรขาคณิต (เช่น บริเวณที่หน้าตัดเปลี่ยนแปลง มุมเว้า เป็นต้น) และบริเวณที่มีอัตราส่วนเหล็กเสริมต่ำ ในกรณีดังกล่าว รอยแตกร้าวจะไม่เสถียร และ การเสริมความแข็งจากแรงดึง จะพิจารณาโดยใช้ Pull-Out Model (POM)

แต่ ผลของการเสริมความแข็งจากแรงดึง ที่เราพูดถึงอยู่เรื่อยๆ คืออะไร? สามารถอธิบายได้ว่าเป็นผลของคอนกรีตที่รับแรงดึงระหว่างรอยแตกร้าวต่อความเค้นของเหล็กเสริม ซึ่งนำไปสู่ความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้น

เนื่องจากใน TCM การเสริมความแข็งจากแรงดึง ขึ้นอยู่กับพื้นที่เหล็กเสริมและการกำหนดให้กับแต่ละแท่งหรือชั้นของเหล็กเสริม การกำหนดพื้นผิวคอนกรีตที่เกี่ยวข้อง (ที่ทำงานร่วมกัน) ภายใต้ความเครียดที่มีประสิทธิผลจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ด้วยเหตุนี้ เราจึงนำการระบุเชิงพื้นที่อัตโนมัติของพื้นผิวคอนกรีตที่มีประสิทธิผลที่สอดคล้องกันซึ่งทำงานร่วมกันในการรับแรงดึงสำหรับการจัดวางเหล็กเสริมแบบใดก็ได้มาใช้

ระยะห่างของรอยแตกร้าว

ระยะห่างสูงสุดระหว่างรอยแตกร้าว จะคงที่ที่ค่าที่ความเค้นในคอนกรีตระหว่างรอยแตกร้าวสองรอยที่อยู่ติดกันไม่ถึงค่าความเค้นของสภาวะขีดจำกัดการเริ่มต้นของรอยแตกร้าว ด้วยวิธีนี้ การเติบโตของรอยแตกร้าวเพิ่มเติมจึงสิ้นสุดลง

ในทางกลับกัน Pull-Out Model วิเคราะห์พฤติกรรมของรอยแตกร้าวแต่ละรอยโดยไม่พิจารณาปฏิสัมพันธ์เชิงกลระหว่างรอยแตกร้าวอื่นๆ โมเดลนี้ละเลยพฤติกรรมของคอนกรีตในการรับแรงดึงและสมมติพฤติกรรมแบบ rigid-plastic อุดมคติเหมือนกันในการยึดเกาะที่ใช้ใน Tension Chord Model เนื่องจากระยะห่างของรอยแตกร้าวไม่ทราบสำหรับรูปแบบรอยแตกร้าวที่ยังพัฒนาไม่เต็มที่ ความเครียดเฉลี่ยจึงคำนวณสำหรับระดับแรงกระทำใดก็ได้ตลอดระยะห่างระหว่างจุดที่มีการเลื่อนเป็นศูนย์เมื่อแท่งเหล็กเสริมถึงความแข็งแรงในการรับแรงดึงที่รอยแตกร้าว

ความกว้างของรอยแตกร้าว

ความกว้างของรอยแตกร้าวเป็นเงื่อนไขสำคัญสำหรับสภาวะขีดจำกัดของความสามารถในการใช้งาน 

การคำนวณความกว้างของรอยแตกร้าว ดำเนินการสำหรับแรงกระทำถาวร มีสองแบบจำลองหลักที่ใช้ได้ ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น ได้แก่ แบบจำลองการเติบโตของรอยแตกร้าวแบบเสถียรและแบบจำลองการเติบโตของรอยแตกร้าวแบบไม่เสถียร ทั้งสองแบบจำลองนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของเหล็กเสริม อัตราส่วนเหล็กเสริมที่คำนวณโดยอัตโนมัติ และต่อมาขึ้นอยู่กับ การเสริมความแข็งจากแรงดึง ของแต่ละองค์ประกอบ 1D ที่ใช้จำลองเหล็กเสริม 

ความกว้างของรอยแตกร้าวที่ตั้งฉากกับทิศทางของเหล็กเสริม „wb" คำนวณจากแบบจำลองที่กล่าวถึงข้างต้นผ่าน การเสริมความแข็งจากแรงดึง โดยใช้การอินทิเกรตความเครียดตลอดเหล็กเสริม สำหรับบริเวณที่มีการเติบโตของรอยแตกร้าวแบบเสถียร ค่าเฉลี่ยของความเครียดของเหล็กเสริมจะถูกคำนวณและอินทิเกรตตลอดระยะห่างเฉลี่ยของรอยแตกร้าว ในกรณีของการเติบโตของรอยแตกร้าวแบบไม่เสถียร ความกว้าง „wb" คำนวณจากความเค้นสูงสุดในเหล็กเสริม ซึ่งในกรณีนี้มีความน่าเชื่อถือมากกว่าความเครียดเฉลี่ย

สถานการณ์พิเศษจะพบที่มุมเว้าของโครงสร้างที่คำนวณ ในกรณีนี้ มุมจะกำหนดตำแหน่งของรอยแตกร้าวเดี่ยวที่มีพฤติกรรมแบบไม่เสถียรก่อนที่รอยแตกร้าวที่อยู่ติดกันเพิ่มเติมจะพัฒนาขึ้น รอยแตกร้าวเพิ่มเติมเหล่านี้โดยทั่วไปจะพัฒนาหลังจากช่วงความสามารถในการใช้งาน ซึ่งเป็นเหตุผลที่สมเหตุสมผลในการคำนวณความกว้างของรอยแตกร้าวในบริเวณดังกล่าวราวกับว่าเป็นแบบไม่เสถียร

สรุป

IDEA StatiCa Concrete เป็นเครื่องมือสำหรับการประเมินโครงสร้างคอนกรีตอย่างปลอดภัย รวมถึงการคำนวณรอยแตกร้าว 

แน่นอนว่าวิธีการนี้ไม่สามารถทำนายตำแหน่งที่แน่นอนของรอยแตกร้าวในอนาคตในโครงสร้างจริงได้ แต่ยังคงให้ผลลัพธ์ที่เกี่ยวข้องซึ่งสามารถเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดโดยมาตรฐานได้ วิธีการนี้โดยธรรมชาติไม่สามารถประเมินรอยแตกร้าวในบริเวณคอนกรีตที่ไม่มีเหล็กเสริมเลย โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กในรูปทรงใดก็ได้สามารถออกแบบและตรวจสอบได้ภายในระยะเวลาที่เหมาะสม

วิธีการคำนวณของ CSFM ได้รับการทดสอบและตรวจสอบอย่างละเอียดถี่ถ้วน ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตรวจสอบสามารถอ่านได้ทั้ง ในบทความนี้เกี่ยวกับการตรวจสอบองค์ประกอบโครงสร้าง หรือใน พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการตรวจสอบตาม Eurocode 

CSFM เป็นวิธีการที่โปร่งใสซึ่งให้วิศวกรโครงสร้างสามารถควบคุมพฤติกรรมของโครงสร้างได้ หากต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการและการประยุกต์ใช้ โปรดดูที่ webinar ของเราเกี่ยวกับ การออกแบบคอนกรีตเสริมเหล็กด้วย CSFM

ทดลองใช้ฟรี

คุณสามารถตรวจสอบ CSFM และการใช้งานสำหรับการคำนวณรอยแตกร้าวในโครงสร้างคอนกรีตด้วยตัวเองได้อย่างอิสระ ทดลองใช้ IDEA StatiCa Concrete เวอร์ชันล่าสุดของเราเป็นเวลา 14 วันโดยไม่มีค่าใช้จ่ายอย่างแน่นอน และแน่นอน โปรดแจ้งความคิดเห็นของคุณให้เราทราบด้วย! เรายินดีรับฟังประสบการณ์ของคุณเสมอ