Behavior of Reinforced Concrete Pile Caps Designed by Strut-and-Tie Models Method

Abstract

The research aimed to investigate the behavior of reinforced concrete pile foundations, specifically those designed using the strut and tie model (STM), with 2 and 4 piles. Three main factors were studied: 1) the length-to-depth ratio of effective moment arm, 2) the design of anchorage zones, and 3) the ratio of the cross-sectional area of the cap to that of the pile.Scaled laboratory experiments were conducted to simulate foundation designs at a 1:2 scale. Findings revealed that a lower ratio of a/d (0.75) reduced foundation settlement due to better force distribution. Conversely, higher ratios (from 1.00 to 1.50) increased settlement by elongating the lever arm. Increasing the ratio c/p aided force distribution, thus reducing settlement. Diverse anchorage zone designs resulted in varied structural stiffness and stability. Both 2 and 4-pile reinforced concrete foundations, whether reinforced with bundled (B) or distributed (G) reinforcement, exhibited tendencies towards shear failure. For 2-pile foundations, slight cracking occurred at approximately 11.3% of the ultimate load, with yield crack at 58% of the ultimate load. Similarly, 4-pile foundations experienced minimal cracking at around 11.0% of the ultimate load, with yield crack at 56.66% of the ultimate load. Experimental and ACI318M-14 design comparisons showed higher experimental compressive and tensile strengths in many cases, indicating conservative design practices.

สำหรับงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาเกี่ยวกับพฤติกรรมการวิบัติของฐานรากเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก จำนวน 2 ต้น และ 4 ต้น ที่ออกแบบด้วยวิธีโครงข้อหมุนแบบจำลอง หรือวิธี STM โดยมีการศึกษาถึงผลกระทบจาก 3 ปัจจัยหลัก ได้แก่ 1) ช่วงความยาวของแรงเฉือนต่อความลึกประสิทธิผล 2) การออกแบบจุดยึดรั้ง และ 3) อัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดเสาตอม่อและเสาเข็ม โดยในการทดลอง จะจำลองการออกแบบฐานรากในห้องปฏิบัติการให้มีขนาดมาตราส่วน 1 : 2 ของขนาดโครงสร้างจริง จากผลการวิจัยพบว่าอัตราส่วน a/d ที่น้อย (0.75) ช่วยลดการแอ่นตัวของฐานราก เนื่องจากการกระจายแรงที่ดีกว่า ในขณะที่อัตราส่วนที่เพิ่มขึ้น (จาก 1.00 ถึง 1.50) ทำให้ระยะช่วงแรงเฉือนยาวขึ้นส่งผลให้การแอ่นตัวเพิ่มขึ้น ในขณะที่อัตราส่วน c/p ที่เพิ่มขึ้นช่วยให้การกระจายแรง ส่งผลให้การแอ่นตัวของฐานรากลดลงส่วนผลของการออกแบบจุดยึดรั้งที่แตกต่างกันส่งผลให้โครงสร้างมีความแข็งแรงและความมั่นคงมากขึ้น การแตกร้าวของฐานรากเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีจำนวน 2 ต้นและ 4 ต้นที่ได้รับการเสริมเหล็กแบบกระจุก (B) และแบบกระจาย (G) มีแนวโน้มแสดงพฤติกรรมการแตกร้าวประเภท Shear Failure ในทุกรูปแบบ สำหรับฐานรากเสาเข็ม 2 ต้นแสดงการแตกร้าวเล็กน้อยที่ระดับกำลังรับน้ำหนักประมาณร้อยละ 11.3 ของกำลังสูงสุด และการแตกร้าวที่จุดยืดหยุ่นสูงสุด (Yield Crack) ร้อยละ 58 ของกำลังสูงสุด ในขณะที่ฐานรากเสาเข็ม 4 ต้นแสดงการแตกร้าวเล็กน้อยที่ระดับกำลังรับน้ำหนักประมาณร้อยละ 11.0 และการแตกร้าวที่จุดยืดหยุ่นสูงสุดเท่ากับร้อยละ 56.66 ของกำลังสูงสุด และความสัมพันธ์ระหว่างกำลังของท่อนแรงอัดและท่อนแรงดึงจากการทดลองในห้องปฏิบัติการและการออกแบบตาม ACI318M-14 พบว่าในหลายกรณี ค่ากำลังของท่อนแรงอัดและท่อนแรงดึงจากการทดลองมีค่าสูงกว่าที่คำนวณตามทฤษฎีการออกแบบ