การทดสอบหน่วย: การยึดพุก

บทนำ 

ในบทความนี้ เราจะนำเสนอผลการศึกษาการทดสอบหน่วยที่มุ่งเน้นการตรวจสอบวิธี 3D-CSFM สำหรับพฤติกรรมการดึงหลุด (pull-out) ของพุกยึดในคอนกรีต โดยเปรียบเทียบโดยตรงกับผลการทดสอบจริง^[1] จุดเน้นของการศึกษานี้อยู่ที่การประเมินความสามารถในการทำนายของแบบจำลองเชิงตัวเลข ในการจับประเด็นสำคัญของพฤติกรรมพุกยึด รวมถึงรูปแบบการวิบัติและกำลังรับแรงสูงสุด การศึกษาของเราครอบคลุมช่วงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางพุกที่หลากหลาย ตั้งแต่ 10 มม. จนถึง 32 มม. ซึ่งสะท้อนถึงความหลากหลายที่พบในสถานการณ์วิศวกรรมจริง ทำให้เราสามารถระบุแนวโน้มที่ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลาง และประเมินความน่าเชื่อถือของวิธี 3D-CSFM ในหลายมาตราส่วนได้ ควรสังเกตว่าการจำลองทั้งหมดดำเนินการภายในวิธี 3D-CSFM ซึ่งเป็นวิธีที่นำไปใช้ใน IDEA StatiCa Module รายละเอียด โดยใช้การตั้งค่าเริ่มต้นสำหรับพารามิเตอร์ทั้งหมด 

คำจำกัดความของรูปแบบการวิบัติ

เพื่อประเมินประสิทธิภาพของวิธี 3D-CSFM ในการจำลองพุกยึดแบบฝังภายหลังด้วยกาว (post-installed bonded anchors) เราต้องพิจารณารูปแบบการวิบัติสองแบบ ได้แก่ การดึงหลุด (pull-out) ซึ่งความเค้นยึดเหนี่ยว (τ_b) เท่ากับความเค้นยึดเหนี่ยวเชิงออกแบบ (τ_bd) และ การครากของพุกเอง (yielding of the anchor itself), ซึ่งหมายถึงการถึงขีดจำกัดความเครียดหลัก

การตั้งค่าการทดสอบหน่วย

ในการศึกษานี้ พุก Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) ได้ถูกจำลองใน IDEA StatiCa Module รายละเอียด และผลลัพธ์ถูกเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดสอบจริง^[1] 

ขนาดของบล็อกคอนกรีตและเหล็กเสริมของบล็อกได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบ เพื่อลดผลกระทบใดๆ ที่อาจมีต่อพฤติกรรมการดึงหลุด จึงมั่นใจได้ถึงความถูกต้องของผลการทดสอบจริง^[1] ขนาดบล็อกคอนกรีตขนาดเดียวถูกใช้สำหรับการทดสอบหน่วยของพุกทั้งหมด (1.0x1.0x0.5 ม.; กว้างxลึกxสูง) บล็อกมีเหล็กเสริมด้วยเหล็กเส้นเกรด B 500B ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8-14 มม. โดยมี 8 ชั้นของเหล็กเส้นรอบผิวแต่ละด้าน (ยกเว้นผิวด้านล่าง ซึ่งเหล็กเสริมถูกจำลองเป็นเหล็กต่อเนื่องผ่านฐานรองรับด้านล่าง) โดยมีระยะห่างระหว่างชั้น 135.0 มม.  ค่าความปลอดภัยทั้งหมดตามที่กำหนดโดยมาตรฐานการก่อสร้างที่เกี่ยวข้องได้รับการปฏิบัติตามอย่างเคร่งครัด โดยใช้ค่า 1.0 ตลอดการคำนวณ ขนาดของรูเจาะพุกเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางของพุกเองไม่ได้ถูกพิจารณาอย่างชัดเจนในแบบจำลองการคำนวณ

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Side view of a reinforced concrete block with glued in anchor}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 View of a reinforced concrete block with highligted anchor. Diameter of anchor equals to 16 mm }}}$$

กำลังยึดเหนี่ยวของพุก ซึ่งเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการออกแบบการยึด ถูกกำหนดเป็น 15.4 MPa ตามการพิจารณาการทดสอบ^[1] และ 12.0 MPa สำหรับแบบจำลองตรวจสอบที่สอง ในทำนองเดียวกัน ตามผลการทดสอบ ความยาวการฝังตัวของพุกในบล็อกคอนกรีตถูกกำหนดอย่างสม่ำเสมอ ความยาวเพิ่มเติม 50 มม. ของพุกเหนือบล็อกคอนกรีต ซึ่งเป็นจุดที่มีการใช้แรงดึงตามแนวแกน ได้ถูกพิจารณาในแบบจำลอง ในการทดสอบนี้ พุกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม., 12 มม., 16 มม., 20 มม., 25 มม., 32 มม. ถูกเปรียบเทียบกับผลการทดสอบจริง การตั้งค่าการทดสอบสรุปไว้ในตารางที่ 2.2

ด้วยการใช้แบบจำลอง 3D-CSFM Solid Block การวิเคราะห์ครอบคลุมการตรวจสอบอย่างครบถ้วนในหลายด้าน รวมถึงลักษณะการดึงหลุดของพุก การกำหนดขีดจำกัดของแรงวิกฤต และการทำนายรูปแบบการวิบัติอย่างละเอียด 

คุณสมบัติวัสดุ

คุณสมบัติวัสดุของคอนกรีต เหล็กเสริม และพุกที่ใช้ในการวิเคราะห์ CSFM สรุปไว้ในตารางที่ 2.2 ความเค้นครากตัว ($f_{yk}$) และความเค้นสูงสุด ($k \times f_{yk}$) ของเหล็กเสริม รวมถึงกำลังรับแรงอัด ($f_{ck}$) ความเครียดพลาสติก ($\epsilon_{c2}$) และความเครียดพลาสติกขีดจำกัด ($\epsilon_{cu2}$) ของคอนกรีต ถูกเลือกตามเงื่อนไขที่ระบุไว้ในหมายเหตุการทดลอง กำลังยึดเหนี่ยว (Bond Strength) ยังถูกระบุโดยผู้ผลิตในเอกสารประกอบผลิตภัณฑ์ที่ให้มา

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement B 500B, (b) Stress-strain diagram of concrete C30/37 }}}$$

การเปรียบเทียบกับผลการทดสอบจริง 

ส่วนนี้เปรียบเทียบผลการทดสอบจริงจากผู้ผลิตกับแรงสูงสุดและรูปแบบการวิบัติที่ทำนายโดยวิธี 3D-CSFM กรณีตัวอย่างของแรงดึงหลุดสูงสุด 6 กรณี ซึ่งสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางพุกที่แตกต่างกัน ถูกจับคู่เปรียบเทียบกับผลลัพธ์จากวิธี 3D-CSFM นอกจากนี้ ยังมีการกำหนดรูปแบบการวิบัติเฉพาะสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางพุกแต่ละขนาด

รูปแบบการวิบัติและแรงสูงสุด

ตารางที่ 2.4 นำเสนอสรุปที่ครบถ้วนของแรงสูงสุดที่บันทึกได้จากการทดสอบจริง (P_u,exp) และแรงสูงสุดที่ทำนายโดยวิธี 3D-CSFM (P_u,3D-CSFM) พร้อมกับรูปแบบการวิบัติที่สอดคล้องกัน อัตราส่วนที่เกินหนึ่งบ่งชี้ว่าการทำนายของแบบจำลองมีค่าสูงกว่าค่าที่วัดได้อย่างระมัดระวัง (conservative) ดังที่เห็นได้ในตารางที่ 2.4 รูปแบบการวิบัติหลักที่ทำนายโดยการวิเคราะห์ด้วยวิธี 3D-CSFM ทั้งหมดสอดคล้องกับผลการทดสอบจริง แม้ว่าจะมีความคลาดเคลื่อนบางประการในชนิดย่อยของรูปแบบการวิบัติเฉพาะสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้น การทำนายของวิธี 3D-CSFM โดยทั่วไปมีความแม่นยำ โดยมีแนวโน้มระมัดระวังเล็กน้อย ซึ่งบ่งชี้จากอัตราส่วนที่มากกว่า 100% สำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้น 

นอกจากนี้ ค่าของ ($P_{u,bar}$) และ ($P_{u,bond}$) ถูกคำนวณและเพิ่มเข้าไปในตาราง

$P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}$

$P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}$

โดยที่ ($A_{bar}$) คือพื้นที่หน้าตัดของพุก ($C_{bar}$) คือเส้นรอบวงของพุก และ ($l_{bar}$) คือความยาวของพุกในคอนกรีต

จะเห็นได้จากค่าที่นำเสนอข้างต้นว่า การทดลองนี้ถูกออกแบบมาเพื่อพิสูจน์ว่าตัวประมวลผล (solver) สามารถคำนวณรูปแบบการวิบัติแบบผสมของ Pull-out และ YA ได้อย่างถูกต้อง

นอกจากนี้ แบบจำลองเดียวกันที่มีกำลังยึดเหนี่ยว ($\tau_{bd} = 12.0 MPa$) ถูกคำนวณและเปรียบเทียบกับค่า ($P_{u,bond}$) ที่กำหนดโดยการวิเคราะห์เชิงคำนวณ

รูปที่ 1.4 ยืนยันผลลัพธ์ที่ระบุไว้ในตารางที่ 2.4 โดยแสดงให้เห็นว่ากำลังสูงสุดของความเค้นยึดเหนี่ยวเกิดขึ้นเช่นเดียวกับความเครียดขีดจำกัด ซึ่งส่งผลให้รูปแบบการวิบัติถูกระบุว่าเป็น Pull-out และ YA

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Anchor 16 mm: Strain check value (left) and Bond stress (right) }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Anchor 32 mm: Stress flow view }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Anchor 25 mm: Stress in the reinforcement }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Anchor 20 mm: Strain in the reinforcement }}}$$

สรุปผล 

การเปรียบเทียบระหว่างข้อมูลการทดสอบจริง^[1] และเวอร์ชันเบต้าของวิธี 3D-CSFM แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่น่าพอใจ ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจากการประเมินเบื้องต้นนี้ประกอบด้วย:

• ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งได้ถูกยืนยันสำหรับพุกทุกขนาด เห็นได้ชัดจากรูปแบบการวิบัติที่สังเกตได้ในแบบจำลองและค่าของแรงสูงสุด 
• แม้ว่าวิธี 3D-CSFM จะยังอยู่ในระยะเบต้า แต่ความสอดคล้องกับผลการทดสอบจริงแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ใช้สอยที่มีศักยภาพ ความสอดคล้องนี้ให้การยืนยันในระดับหนึ่งถึงประสิทธิภาพของเครื่องมือ แม้ว่าควรตีความด้วยความระมัดระวัง เนื่องจากยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา

เอกสารอ้างอิง 

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Available from: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf