ความยาวยึดเหนี่ยวใน IDEA StatiCa Module รายละเอียด (เมตริก)

ก่อนอื่น มาทำความเข้าใจว่าความยาวยึดเหนี่ยวคืออะไรและใช้งานอย่างไรในทางปฏิบัติ: ACI 318-19 ใช้การคำนวณความยาวยึดเหนี่ยวเพื่อให้แน่ใจว่าเหล็กเสริมพัฒนาความแข็งแรงการออกแบบที่หน้าตัดวิกฤตโดยไม่เกิดการลื่นไถล ความยาวนี้ขึ้นอยู่กับขนาดเหล็ก ประเภท ความแข็งแรงของ Concrete การเคลือบผิวเหล็ก (เช่น อีพ็อกซี) และสภาวะการจำกัด ความยาวยึดเหนี่ยวใช้เพื่อกำหนดว่าเหล็กเสริมต้องยื่นเข้าไปในจุดรองรับหรือบริเวณต่อทาบไกลเพียงใดเพื่อให้ได้ความสามารถรับแรงดึงหรือแรงอัดเต็มที่ตามที่ออกแบบไว้ ข้อกำหนดระบุไว้ในบทที่ 25 ของ ACI 318-19

ในส่วนคำอธิบาย ACI 318-19 หัวข้อ R.25.4.1.1 อธิบายว่า "แนวคิดความยาวยึดเหนี่ยวอ้างอิงจากค่าเฉลี่ยของแรงยึดเหนี่ยวที่ทำได้ตลอดความยาวฝังของเหล็กเสริม"

ใน IDEA StatiCa Module รายละเอียด ความยาวยึดเหนี่ยวไม่ได้ถูกคำนวณโดยตรง แต่ความเค้นแรงยึดเหนี่ยวและความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยวจะถูกคำนวณโดยตรงจาก CSFM บทความต่อไปนี้จะช่วยเชื่อมโยงความเค้นแรงยึดเหนี่ยวและการคำนวณแรงกับความยาวยึดเหนี่ยวที่คำนวณตาม ACI 318 

เหล็กเสริมที่พัฒนาเต็มที่พร้อมพุกงอ

เราจะอธิบายว่าความยาวยึดเหนี่ยวทำงานอย่างไรใน Detail application โดยใช้ตัวอย่างง่ายๆ นี้ เราจะตรวจสอบเหล็กเสริมที่เลือกของคานแนวนอนที่สิ้นสุดในเสา

คานแนวนอนมีหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 400 x 200 มม. เหล็กเสริมที่พิจารณาคือเหล็ก 4 เส้น เส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม. ความแข็งแรงของ Concrete และเหล็ก พร้อมพารามิเตอร์อินพุตอื่นๆ แสดงในรูปต่อไปนี้

จากรูป สามารถประมาณได้อย่างแน่ชัดว่าเหล็กเสริมจะพัฒนาเต็มที่ที่หน้าตัดวิกฤตของคาน อย่างไรก็ตาม มาตรวจสอบสิ่งนี้กัน สำหรับพุกงอมาตรฐาน ควรใช้การคำนวณตาม ACI 318-19 หัวข้อ 25.4.3.1

ค่าของตัวประกอบ ψ นำมาจาก ACI 318-19 ตาราง 25.4.3.2 โดยใช้ค่าที่ไม่เอื้ออำนวยที่สุดสำหรับ ψ_r และ ψ_o เราพิจารณาสิ่งนี้เนื่องจาก Detail application ไม่สามารถกำหนดตัวประกอบเหล่านี้โดยตรงได้ ดังนั้นแบบจำลองจึงถูกตั้งค่าราวกับว่าตัวประกอบทั้งสองนี้มีค่าที่ไม่เอื้ออำนวยที่สุดเสมอ ซึ่งจะมีการอภิปรายเพิ่มเติมในภายหลังในบทความ

ตอนนี้มาดูว่าความสามารถรับโมเมนต์ของหน้าตัดวิกฤตของคานควรเป็นเท่าใด เราคำนวณโดยใช้สูตรง่ายๆ:

ใน Detail application เราโหลดคานยื่นด้วยแรง 50 kN ซึ่งอยู่ห่างจากหน้าตัดวิกฤต 1.9 ม. จากผลลัพธ์ เราสามารถเห็นว่าแบบจำลองสามารถรับได้เพียง 68.9% ของแรงที่กำหนด ซึ่งหมายความว่าแรงสูงสุดที่ใช้ได้คือ 0.689 x 50 = 34.5 kN ความสามารถรับโมเมนต์ ที่กำหนดโดย Detail application จึงเป็น M_n = 34.5 x 1.9 = 65.5 kNm 

ความสามารถรับแรงที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเกิดจากการคำนวณโซนแรงอัดที่ผิวล่างของคานที่แม่นยำกว่า ดังนั้นระยะห่างของแรงอัดและแรงดึงที่เป็นผลลัพธ์จึงมากกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับการคำนวณด้วยสูตร

สิ่งสำคัญคือตัวประกอบ ϕ ตาม ACI 318 บทที่ 21 จะถูกพิจารณาในภายหลังในบทความด้วยค่า ϕ = 1.0

เหล็กเสริมที่พัฒนาบางส่วนพร้อมพุกงอ

เราได้อธิบายสถานการณ์ที่ชัดเจนโดยทั่วไปและตรวจสอบการคำนวณเมื่อชัดเจนว่าเหล็กเสริมพัฒนาเต็มที่แล้ว แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากสถานการณ์อยู่ในขอบเขต? หรือความยาวยึดเหนี่ยวจะไม่เพียงพอ? ต่อไปนี้ เราจะแสดงให้เห็นว่า IDEA StatiCa Detail application สามารถจัดการกับสถานการณ์ดังกล่าวได้อย่างไร

จากการคำนวณก่อนหน้า เราทราบว่า l_dh ตาม ACI 318-19 หัวข้อ 25.4.3.1 อยู่ที่ประมาณ 245 มม. ในตัวอย่างต่อไปนี้ เราจะวางพุกงอที่ระยะน้อยกว่า 245 มม. คือ 100 มม.

หลังจากคำนวณแบบจำลอง เราสามารถเห็นการลดลงอย่างมีนัยสำคัญของความสามารถรับแรง แบบจำลองสามารถรับได้เพียง 43.8% ของแรง ซึ่งหมายความว่า M_n = 21.9 x 1.9 = 41.6 kNm

สิ่งนี้เกิดขึ้นอย่างชัดเจนเนื่องจากเหล็กเสริมไม่ได้พัฒนาเต็มที่ที่หน้าตัดวิกฤต ตอนนี้คำถามคือจะแสดงความยาวยึดเหนี่ยวสำหรับเหล็กเสริมแต่ละเส้นในแอปพลิเคชันได้ที่ไหน หากเราดูในแท็บ Anchorage เราจะพบตัวแปร F_lim ในแถบเครื่องมือ 

F_lim คือแรงขีดจำกัด (สูงสุด) ที่สามารถถ่ายโอนได้โดยเหล็กเสริมที่จุดเฉพาะ ในรูป เราสามารถสังเกตได้ว่ามันค่อยๆ พัฒนาขึ้นจนถึงค่าสูงสุด ซึ่งสอดคล้องกับค่า A_s x f_y ระยะจากปลายเหล็กเสริมถึงค่าสูงสุดของ F_lim จึงเป็นความยาวยึดเหนี่ยว หากเราวัดระยะนี้โดยตรงในแบบจำลอง เราจะได้ประมาณ 250 มม. สำหรับกรณีนี้ (เราสามารถอนุมานจากจำนวน finite element โดยทราบว่าเหล็กเสริมฝังอยู่ในเสา 100 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ 3 finite element) ความยาวยึดเหนี่ยว l_dh ที่คำนวณตาม 25.4.3.1 อยู่ที่ประมาณ 245 มม. ดังนั้นผลลัพธ์จึงสอดคล้องกันดี 

โปรดทราบว่าพุกงอไม่ได้ถูกจำลองโดยตรงด้วย finite element ในแอปพลิเคชัน แต่ถูกแทรกเข้าไปในแบบจำลองเป็น Spring พิเศษเพื่อให้แน่ใจว่าค่า F_lim พัฒนาอย่างถูกต้อง นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมจึงไม่แสดงผลในผลลัพธ์ข้างต้น

เราสามารถเห็นด้วยว่า F_lim ที่หน้าตัดวิกฤตคือ 118.1 kN หากเราแทนที่รายการ A_s x f_y ด้วย F_lim ในสูตรการคำนวณ M_n เราจะได้ความสามารถรับโมเมนต์เชิงทฤษฎี ซึ่งสอดคล้องกับผลลัพธ์จากแอปพลิเคชัน

เหล็กเสริมที่พัฒนาบางส่วนพร้อมปลายตรง

ในตัวอย่างก่อนหน้า เหล็กเสริมสิ้นสุดด้วยพุกงอ 90° เสมอ ตอนนี้เราจะแสดงให้เห็นว่าสถานการณ์เป็นอย่างไรหากเหล็กเสริมสิ้นสุดโดยไม่มีพุกงอ (ปลายตรง) ในกรณีนี้ ความยาวยึดเหนี่ยวจะคำนวณตาม ACI 318-19 หัวข้อ 25.4.2.3 ใน Detail application เราคงความยาวฝังไว้ที่ 100 มม. และสถานการณ์มีลักษณะดังนี้:

ความยาวยึดเหนี่ยวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเป็นมากกว่าสองเท่า ความสามารถรับแรงของแบบจำลองลดลงเหลือประมาณครึ่งหนึ่งของแบบจำลองที่มีพุกงอ และน้อยกว่าหนึ่งในสามของแบบจำลองที่มีเหล็กเสริมพัฒนาเต็มที่

เราสามารถสังเกตได้ด้วยว่าค่าเริ่มต้นของ F_lim อยู่ที่ประมาณ 30% ของค่าสูงสุดสำหรับแบบจำลองพุกงอ และเป็น 0% อย่างสมเหตุสมผลสำหรับแบบจำลองปลายอิสระ

บทสรุป (สรุปหลักการปฏิบัติที่สำคัญ):

บทความนี้แสดงให้เห็นว่า ความยาวยึดเหนี่ยว ตามที่กำหนดใน ACI 318-19 ถูกนำไปใช้งานและแสดงผลในทางปฏิบัติใน IDEA StatiCa Module รายละเอียดอย่างไร ความยาวยึดเหนี่ยวคือความยาวฝังที่จำเป็นของเหล็กเสริมเพื่อให้ได้ความแข็งแรงเต็มที่โดยไม่เกิดการลื่นไถล และขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น รูปทรงเหล็ก ความแข็งแรงของ Concrete และประเภทการยึดเหนี่ยว ซอฟต์แวร์จำลองพฤติกรรมนี้โดยใช้ตัวแปร F_lim ซึ่งแสดงให้เห็นว่าแรงพัฒนาตลอดเหล็กเสริมอย่างไร ผู้ใช้สามารถตรวจสอบโดยตรงว่าเหล็กเสริมพัฒนาเต็มที่หรือไม่โดยการเปรียบเทียบความยาวฝังกับความยาวยึดเหนี่ยวที่ต้องการ ซึ่งได้มาจากข้อกำหนด ACI ตัวอย่างในทางปฏิบัติในบทความแสดงให้เห็นว่าการพัฒนาที่ไม่เพียงพอ (เช่น ความยาวฝังที่สั้นกว่าหรือไม่มีพุกงอ) ลดความสามารถรับแรงลงอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งสะท้อนออกมาอย่างแม่นยำในผลลัพธ์ของซอฟต์แวร์ ดังนั้น IDEA StatiCa Module รายละเอียด จึงช่วยให้วิศวกรสามารถตรวจสอบประสิทธิภาพการยึดเหนี่ยวและปรับแต่งการออกแบบเหล็กเสริมตามพฤติกรรมจริง เพื่อเพิ่มความปลอดภัยและการปฏิบัติตามมาตรฐาน 

การจำลองความยาวยึดเหนี่ยวอ้างอิงโดยตรงจากความแข็งแรงของแรงยึดเหนี่ยว พื้นฐานทางทฤษฎี ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการนำไปใช้งาน

คำอธิบายในบทความนี้ใช้ได้กับแบบจำลอง Detail ทั้งประเภท 2D และ 3D