ผนังรับแรงเฉือนที่มีช่องเปิดแบบสลับกัน

หน้าที่หลักของผนังรับแรงเฉือนคือการต้านทานแรงด้านข้างที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นดินไหว พายุลม หรือเหตุการณ์พลวัตอื่นๆ โดยการถ่ายแรงไปยังฐานรากของอาคาร ผนังรับแรงเฉือนช่วยลดความเสียหายของโครงสร้างและรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ผนังรับแรงเฉือนถูกวางไว้อย่างมีกลยุทธ์ภายในผังพื้นของอาคารเพื่อให้การกระจายแรงด้านข้างมีประสิทธิภาพ โดยทั่วไปจะอยู่ที่ขอบเขตของอาคารหรือใกล้แกนกลางของอาคาร ในอาคารสูง ผนังรับแรงเฉือนมักถูกวางไว้รอบๆ ช่องลิฟต์และบันไดเพื่อเพิ่มความแข็งและความมั่นคง ผนังรับแรงเฉือนมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ความมั่นคงของโครงสร้างที่เพิ่มขึ้น ความต้านทานแรงด้านข้างที่ดีขึ้น และความปลอดภัยโดยรวมที่เพิ่มขึ้นในระหว่างเหตุการณ์แผ่นดินไหว นอกจากนี้ ผนังรับแรงเฉือนยังสามารถมีส่วนร่วมในการออกแบบสถาปัตยกรรมโดยเปิดโอกาสให้แสดงออกอย่างสร้างสรรค์ในขณะที่ทำหน้าที่โครงสร้าง

คำอธิบายแบบจำลอง 

ได้จัดทำแบบจำลองการตรวจสอบสี่แบบสำหรับการประเมินผล สองแบบจำลองพิจารณาคุณสมบัติวัสดุเชิงลักษณะ ในขณะที่อีกสองแบบอ้างอิงจากค่าการออกแบบตาม Eurocode 1992-1-1[3] แบบจำลองการตรวจสอบเหล่านี้อ้างอิงจาก ทฤษฎีสนามความเค้นที่สอดคล้อง (CSFM)[1] และ แบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity[2]

 โปรดทราบการระบุแบบจำลองที่ให้ไว้ดังต่อไปนี้เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น: 

• Detail – Characteristic
• Detail – Design
• ABAQUS – Characteristic
• ABAQUS – Design

เรขาคณิตและวัสดุ

แบบจำลองทดสอบถูกย่อขนาดลงสี่เท่าเมื่อเทียบกับขนาดจริง ฐานรากของโครงสร้างมีขนาด 1750 มม. x 400 มม. x 350 มม. ในขณะที่ผนังมีขนาด 1250 มม. x 2600 มม. x 80 มม. ผนังถูกแบ่งออกเป็นสี่ระดับที่มีช่องเปิดแบบสลับกัน แต่ละช่องมีขนาด 250 มม. x 500 มม. Concrete ที่ใช้เป็นเกรด C35/45 และเสริมด้วย B500B ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 มม. แรงถูกถ่ายโดยใช้แผ่นเพิ่มเติมที่ทำจากเหล็กโครงสร้าง S235

รูปที่ 1) เรขาคณิต

วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง

สมมติฐาน

CSFM พิจารณาความเค้นหลักสูงสุดของ Concrete ในการรับแรงอัด (σ_c2r) และความเค้นของเหล็กเสริม (σ_sr) ที่รอยแตก โดยละเลยกำลังรับแรงดึงของ Concrete (σ_c1r = 0) ยกเว้นผลของการเสริมความแข็งต่อเหล็กเสริม การพิจารณาการเสริมความแข็งจากแรงดึงช่วยให้สามารถจำลองความเครียดเฉลี่ยของเหล็กเสริม (ε_m) ได้ ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับทฤษฎีสามารถพบได้ใน พื้นฐานทางทฤษฎี

รูปที่ 2) วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง – สมมติฐาน

แบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity (DPPM)

สมมติฐาน

Concrete Damage Plasticity (ต่อไปนี้เรียกว่า CDP) อ้างอิงจากเงื่อนไข Drucker-Prager plasticity แบบจำลองนี้เหมาะสำหรับวัสดุที่มีแรงเสียดทานภายใน เช่น ดินหรือ Concrete กำลังรับแรงดึงน้อยกว่ากำลังรับแรงอัด และส่วนไฮโดรสแตติกของเทนเซอร์ความเค้นมีบทบาทในการพัฒนาพื้นผิว plasticity ภายใต้ความเค้นทั่วไป เงื่อนไข plasticity มีพื้นผิวเป็นกรวยหมุน แบบจำลองวัสดุสำหรับความเค้นอัดและความเค้นดึงยังพิจารณาพฤติกรรมหลังจุดวิกฤต ซึ่งควบคุมโดยพารามิเตอร์ความเสียหาย โดยมีค่าตั้งแต่ศูนย์ถึงหนึ่ง (สำหรับความแข็งแบบยืดหยุ่นใกล้ศูนย์ของ Concrete ในการรับแรงอัดหรือแรงดึงในสภาวะหลังจุดวิกฤต) ยิ่งพารามิเตอร์ความเสียหายมีค่ามากเท่าใด องค์ประกอบก็ยิ่งถูกละเมิดมากขึ้นและไม่มีส่วนร่วมในความแข็ง

แบบจำลองวัสดุแกนเดียวในการรับแรงอัดและแรงดึงสำหรับ Concrete อ้างอิงจากทฤษฎีของ Thorenfeldt[4] ข้อมูลนำเข้าทั้งหมดเป็นค่าการออกแบบที่เป็นไปตามแนวทางความน่าเชื่อถือของ EN 1992-1-1[3] แบบจำลองวัสดุของเหล็กเสริม B500B ถูกนำมาพิจารณาพร้อมกับการเสริมความแข็งจากแรงดึง ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับทฤษฎี

รูปที่ 3) แบบจำลองวัสดุในการรับแรงอัด (ซ้าย), พื้นผิว Drucker-Prager plasticity (กลาง), แบบจำลองวัสดุในการรับแรงดึง (ขวา)

แบบจำลองเชิงตัวเลข 

วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง – IDEA StatiCa Detail

แบบจำลองเชิงตัวเลขประกอบด้วยองค์ประกอบระนาบ Concrete 2 มิติ และแท่งเหล็กเสริม 1 มิติที่เชื่อมต่อกันผ่านองค์ประกอบ MPC และ bond กับส่วน Concrete แบบจำลองรวมอุปกรณ์รองรับสองชิ้นในรูปแบบแผ่นเหล็ก แผ่นบนขนาด 350 x 80 x 20 มม. รับแรงในแนวดิ่ง 50 kN เป็นขั้นตอนแรกของกระบวนการโหลด แผ่นที่สองขนาด 350 x 80 x 50 มม. ใช้เป็นขั้นตอนที่สองสำหรับการโหลดด้านข้างในระนาบผนัง เพื่อให้การกระจายแรงกระจุกตัวสม่ำเสมอระหว่างการโหลดผนัง แบบจำลองถูกยึดแน่น โดยจำกัดองศาอิสระ Tx, Tz และ Ry และสมมติเงื่อนไขความเค้นระนาบ 2 มิติ

รูปที่ 4) แบบจำลองเชิงตัวเลขใน IDEA StatiCa Detail (กระบวนการโหลด)

แบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity

แบบจำลองเชิงตัวเลขประกอบด้วยองค์ประกอบหกหน้า 3 มิติที่เสริมด้วยแท่งที่ถูกจำกัดอย่างแข็งภายในบริเวณ Concrete ที่รองรับ Concrete และเหล็กเสริมอัดแรงประกอบด้วยองค์ประกอบ T3D2 ที่ส่งผ่านเฉพาะผลในแนวแกน การเกิดการลื่นไถลระหว่างส่วนประกอบ Concrete และเหล็กเสริมถูกจำกัดอย่างสมบูรณ์โดยข้อจำกัดแบบแข็ง การลื่นไถลถูกจำลองผ่านการอ่อนตัวของแรงดึงใน Concrete ซึ่งนำไปสู่การลบองค์ประกอบเมื่อถึงความเสียหาย 70% ในสภาวะหลังจุดวิกฤต แนวทางนี้ในระดับหนึ่งคำนึงถึงแบบจำลองการยึดเกาะหรือผล dowel คุณสมบัติของแบบจำลองและแผ่นสอดคล้องกับสมมติฐาน CSFM อย่างแม่นยำ

รูปที่ 5) แบบจำลองเชิงตัวเลขใน ABAQUS (กระบวนการโหลด)

การวิเคราะห์

กระบวนการโหลดเกี่ยวข้องกับการเพิ่มการเสียรูปในทิศทางด้านข้างแบบค่อยเป็นค่อยไปเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการโหลดแบบ monotonic การโหลดแบบวัฏจักรไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาในการวิเคราะห์นี้

แนวทางเชิงตัวเลขมีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างผลลัพธ์จากมุมมองของการวิเคราะห์ CSFM ใช้ทฤษฎีการเสียรูปขนาดเล็กและรวมการวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นของวัสดุ ในทางตรงกันข้าม แบบจำลอง Drucker-Prager และ ABAQUS ใช้การวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตและวัสดุ ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่าเมื่อจัดการกับการเสียรูปขนาดใหญ่

ความไวต่อตาข่าย

การวิเคราะห์ความไวให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการแบ่งส่วน การกำหนดค่าเริ่มต้นสำหรับ CSFM เกี่ยวข้องกับตัวคูณตาข่ายเท่ากับหนึ่ง ซึ่งเป็นไปตามกฎการรวมองค์ประกอบอย่างน้อยสี่องค์ประกอบบนขอบที่เล็กที่สุดในแบบจำลอง จากนั้นแบบจำลองทั้งหมดถูกแบ่งตาข่ายตามกฎนี้ กลยุทธ์เดียวกันนี้ถูกใช้สำหรับแบบจำลองใน ABAQUS 

วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง – IDEA StatiCa Detail

ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าค่าความผิดพลาดเฉลี่ยระหว่างตัวคูณตาข่าย 0.5 และ 2.0 คือ 7% ซึ่งนำไปสู่แนวทางเชิงตัวเลขที่มีความไวต่ำ

รูปที่ 6 ความไวต่อตาข่าย IDEA StatiCa Detail

แบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity

การใช้องค์ประกอบหกหน้า 3 มิติส่งผลให้แรงสูงสุดเกือบเท่ากันเมื่อใช้ตัวคูณตาข่าย 1.0 และ 2.0 ความคลาดเคลื่อนในแรงสูงสุดที่อนุญาตอยู่ที่ 1.3% ซึ่งบ่งชี้ว่าเป็นผลลัพธ์ที่ไม่ไวต่อตาข่าย แบบจำลองพิจารณามุม dilatation 30 องศาสำหรับวัตถุประสงค์การวิเคราะห์ 

รูปที่ 7) ความไวต่อตาข่าย ABAQUS

ผลลัพธ์ 

ควรทราบข้อมูลต่อไปนี้: ค่าที่ให้ไว้ เช่น ความเค้นหลักในการรับแรงอัด การเสียรูป ความเค้นสูงสุดในการรับแรงอัดและแรงดึงบนแท่งเหล็กเสริม และตำแหน่งของความเสียหาย ถูกแสดงในรูปต่อไปนี้ ค่าทั้งหมดนำเสนอสำหรับตัวคูณตาข่าย 1.0 ซึ่งถูกใช้เป็นพารามิเตอร์การตรวจสอบใน CSFM[1] และนำไปใช้กับผลลัพธ์ Drucker-Prager ใน ABAQUS[2] มุม dilation ที่ใช้บนพื้นผิว Drucker-Prager plasticity ถูกกำหนดไว้ที่ 30 องศา ผลลัพธ์จะนำเสนอสำหรับคุณสมบัติวัสดุเชิงลักษณะและค่าการออกแบบที่ประเมินตาม Eurocode 1992-1[3]

ความเค้นหลักในการรับแรงอัด

ความแตกต่างหลักระหว่างผลลัพธ์ CSFM และผลลัพธ์ Drucker-Prager เกี่ยวข้องกับการจัดการความเค้น ผลลัพธ์ Drucker-Prager รวมแรงดันการกักขัง ซึ่งมีความสามารถในการยกระดับความเค้นหลักต่ำสุดภายใต้แรงอัดอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้วัสดุสามารถรับระดับความเค้นสูงได้ ในทางตรงกันข้าม ผลลัพธ์ CSFM กำหนดกำลังแกนเดียวเชิงลักษณะหรือค่าการออกแบบสูงสุดของวัสดุ ซึ่งช่วยให้เปรียบเทียบกับไลบรารีวัสดุมาตรฐานได้ง่าย การกระจายความเค้นในผลลัพธ์ต่างๆ แสดงให้เห็นความแตกต่างที่เห็นได้ชัดในบริเวณที่ผลการกักขังมีความเด่นชัด

รูปที่ 8) a) ความเค้นหลักในการรับแรงอัด – เชิงลักษณะ (ABAQUS); b) ความเค้นหลักในการรับแรงอัด – เชิงลักษณะ (IDEA StatiCa); c) ความเค้นหลักในการรับแรงอัด – ค่าการออกแบบ (ABAQUS); d) ความเค้นหลักในการรับแรงอัด – ค่าการออกแบบ (IDEA StatiCa)

ความเค้นในเหล็กเสริม

ความเค้นที่เกิดขึ้นในแท่งเหล็กเสริมให้ข้อมูลที่มีคุณค่าเกี่ยวกับความสอดคล้องของผลลัพธ์และบริเวณเฉพาะที่มีความเค้นสูงกระจุกตัว

รูปที่ 9) a) ความเค้นในแท่ง – เชิงลักษณะ (ABAQUS); b) ความเค้นในแท่ง – เชิงลักษณะ (IDEA StatiCa); c) ความเค้นในแท่ง – ค่าการออกแบบ (ABAQUS); d) ความเค้นในแท่ง – ค่าการออกแบบ (IDEA StatiCa)

การเสียรูป

การเสียรูปเป็นหลักฐานว่าความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตมีผลกระทบน้อยมาก เนื่องจากความสอดคล้องที่รับประกันโดยผลลัพธ์ CSFM และการวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นของวัสดุ ซึ่งบ่งชี้ว่าสำหรับตัวอย่างผนังเฉพาะนี้ ผลอันดับสองจะไม่ส่งผลต่อพฤติกรรมของโครงสร้าง

รูปที่ 10) a) การเสียรูปรวม – เชิงลักษณะ (ABAQUS); b) การเสียรูปรวม – เชิงลักษณะ (IDEA StatiCa); c) การเสียรูปรวม – ค่าการออกแบบ (ABAQUS); d) การเสียรูปรวม – ค่าการออกแบบ (IDEA StatiCa)

กราฟแรง-การเสียรูป

การแสดงผลเชิงกราฟอธิบายการตอบสนองที่ซับซ้อนของผนังต่อแรงด้านข้างได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลลัพธ์ CSFM บ่งชี้การลดลงของกำลังรับแรงประมาณ 16% สำหรับคุณสมบัติวัสดุเชิงลักษณะ และ 7% สำหรับคุณสมบัติวัสดุค่าการออกแบบ ความแตกต่างเหล่านี้เกิดจากการรวมพฤติกรรมแรงดึงของ Concrete ในแบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity ความเบี่ยงเบน 16% และ 7% ที่สังเกตได้ในผลลัพธ์ CSFM อยู่ในขอบเขตความปลอดภัยที่ยอมรับได้

รูปที่ 11) กราฟแรง-การเสียรูป

บทสรุป

การศึกษาเน้นย้ำบทบาทสำคัญของผนังรับแรงเฉือนในการต้านทานแรงด้านข้างจากเหตุการณ์พลวัต เช่น แผ่นดินไหวและพายุลม ซึ่งช่วยให้มั่นใจในความมั่นคงและความปลอดภัยของโครงสร้าง ผนังรับแรงเฉือนที่วางไว้อย่างมีกลยุทธ์ภายในการออกแบบอาคารช่วยกระจายแรงด้านข้าง โดยเฉพาะในโครงสร้างสูง โดยมักจะอยู่รอบๆ ช่องลิฟต์และบันได

การวิเคราะห์ใช้แบบจำลองการตรวจสอบสี่แบบที่อ้างอิงจากทั้งค่าเชิงลักษณะและค่าการออกแบบตาม Eurocode 1992-1-1 โดยใช้ วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง (CSFM)[1] และแบบจำลอง Drucker-Prager Plasticity (DPPM)[2] การศึกษาเกี่ยวข้องกับแบบจำลองที่ย่อขนาดและข้อกำหนดทางเรขาคณิตและวัสดุโดยละเอียด พร้อมสมมติฐานที่ปรับแต่งสำหรับแต่ละวิธีการวิเคราะห์

CSFM มุ่งเน้นที่ความเค้นหลักสูงสุดของ Concrete และความเค้นของเหล็กเสริม โดยละเลยกำลังรับแรงดึงของ Concrete ยกเว้นผลการเสริมความแข็งจากแรงดึง ในทางตรงกันข้าม DPPM พิจารณาแรงเสียดทานภายใน กำลังรับแรงดึงและแรงอัด และพฤติกรรมหลังจุดวิกฤตผ่านพารามิเตอร์ความเสียหาย แบบจำลองเชิงตัวเลขสำหรับทั้งสองวิธีถูกสร้างขึ้น โดยมีแนวทางที่แตกต่างกันในการโหลดและข้อจำกัด

การวิเคราะห์ความไวต่อตาข่ายบ่งชี้ความไวต่ำสำหรับทั้งสองวิธี โดยมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยที่สังเกตได้ในการกระจายความเค้นและการเสียรูป ผลลัพธ์เน้นให้เห็นความแตกต่างในการจัดการความเค้น โดยเฉพาะกับแรงดันการกักขังใน DPPM และแสดงให้เห็นว่าความไม่เชิงเส้นทางเรขาคณิตมีผลกระทบน้อยมากต่อการเสียรูป

โดยรวมแล้ว กราฟแรง-การเสียรูปแสดงให้เห็นการตอบสนองของผนังต่อแรงด้านข้าง โดยผลลัพธ์ CSFM บ่งชี้ความเบี่ยงเบนที่ยอมรับได้จาก DPPM ซึ่งยืนยันความแข็งแกร่งของทั้งสองแนวทางในการรับประกันความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้แรงด้านข้าง

เอกสารอ้างอิง

[1] IDEA StatiCa. (n.d.). พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับ IDEA StatiCa Detail. สืบค้นเมื่อ 30 พฤษภาคม 2024, จาก https://www.ideastatica.com/support-center/theoretical-background-for-idea-statica-detail

[2] คู่มือผู้ใช้การวิเคราะห์ Abaqus. คู่มือผู้ใช้การวิเคราะห์ Abaqus [ออนไลน์] www: https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/docs/v6.6/books/usb/default.htm?startat=pt05ch18s05abm36.html

[3] EN 1992-1-1 Eurocode 2: การออกแบบโครงสร้าง Concrete — ส่วนที่ I: กฎทั่วไปและกฎสำหรับอาคาร คณะกรรมการมาตรฐานยุโรป, 2002.

[4] Massone, L. M.; และคณะ Shear-Flexure Interaction for Structural Walls, 2006. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/284079633_Shear-flexure_interaction_for_structural_walls (เข้าถึงเมื่อ 1 มกราคม 2006).