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窗戶有斜向鋼筋比較不會裂?

關於這個問題,一定困擾許多建築設計者,
為了避免窗台附近的牆面開裂

建築設計以特地於窗台附近鋼筋網部分,加上斜向鋼筋,
目的為了控制裂縫,


可是地震搖一搖,窗台附近依然裂,原因為什麼呢? 

WHY? WHY?  WHY?

大家對這問題仍然一頭霧水,由於沒有人實務討論的問題原因
就讓
Dr. 樂樂長 利用數值分析,看看到底發生什麼事情了。 


以下文章將會有兩個主要分析CASE
 

CASE(1)斜向鋼筋對於窗戶抗裂分析
        (1-1)"為何窗戶總是在特定位置產生裂縫之果"
        (1-2)"斜向鋼筋是否能達到控制縫生成的效果"
 
CASE(2)樂土與一般水泥砂漿對於窗戶周圍應力影響

 




 

進入討論結果之前Dr. 樂樂長  依據實際的牆面定義數值模型的條件

 
牆壁尺寸:長6m ,寬:0.21m,高:3m
表層砂漿厚度: 2 cm
混凝土牆壁厚度:19 cm
窗戶尺寸:長1.3m,高:1.1m
鋼筋號數:#3號


數值分析模型如以下所示


數值模



 左圖無斜向鋼筋,右圖有斜向鋼筋之數值模型圖形





CASE(1)斜向鋼筋對於窗戶抗裂分析


 (1-1)"為何窗戶總是在特定位置產生裂縫之果"

 

從這(1-1)文章,將告訴大家,為何窗戶總是在特定的地方產生裂縫,
看結果之前,我們要先有裂縫生成的觀念,其主要原因有三。

 
第一種:應力集中,在角落區域容易產生應力集中,易產生開裂。

 第二種:拉力開裂,混凝土與水泥砂漿為脆性材料,
                       可承受壓力但不能承受拉力。

 第三種:差異變位,混凝土與水泥砂漿非延展性材料,
                       差異變位易造成開裂。





上圖為最大主應力(Max Principal Stress)之應力雲彩圖
黑色部分代表拉力,而顏色由藍色紅色代表壓力越來越高

(1)窗台右上與左下,有兩個高應力的地方,應力為紅色甚至到白色,
裂縫的產生原因是應力集中


(2)窗台左上與右下,則為拉力區,應力為黑色 
 水泥砂漿可受壓力,不能承受拉力,
 裂縫的產生為應力集中原因力開裂







上圖為Y方向之變位圖,
我們看到窗台與牆壁兩側,顏色產生呈現圓弧狀變化,
也就是Y方向之變位有差異性的分布,產生裂縫。

 因此,窗台與牆壁兩側,皆有變位差異的區域,
 裂縫的產生原因是差異變位


 




 Dr. 樂樂長實際觀察辦公室的牆壁與窗台的裂縫對應數值分析。
窗戶裂縫位置






牆壁裂縫位置 


看到這邊,
大家可以起身看看家裡牆壁的裂縫是不是也產生在這些區域呢?



 

 (1-2)"斜向鋼筋是否能達到控制縫生成的效果"

 
以下有兩張圖,左圖無斜向鋼筋,右圖為有加斜向鋼筋,
應力雲彩圖觀察
斜向鋼筋對於水泥砂漿之牆壁應力分布並沒有差異






接下來,單看鋼筋的應力圖之變化,
左圖無斜向鋼筋,右圖有斜向鋼筋。
鋼筋應力圖,大致一樣,
也再度證明斜向鋼筋並不會影響應力雲彩圖的分布。



以上牆壁與鋼筋應力圖,
發現斜向鋼筋對於控制裂縫生成是有限的。
主要原因是鋼筋雖然嵌入水泥砂漿,
但是應力同時由鋼筋,混凝土牆面,水泥砂漿三個連續體傳遞應力,
並不會因為加入斜向鋼筋,大幅度改變改變應力傳遞方式
因此牆面之裂縫仍會產生。




CASE(2)樂土與一般水泥砂漿對於窗戶應力影響

樂樂長先前就提出
水泥砂漿越強承受力量越大的概念,
 建議表層砂漿應選用較低強度的砂漿,避免牆壁的開裂
(http://www.wretch.cc/blog/lotos/1397042)


 在此,想進一步使用更接近真實鋼筋混凝土牆壁之數值模型,
 探討 表層水泥砂漿強度高低,對於水泥砂漿表層應力的影響。




左圖為一般水泥砂漿,右層為樂土水泥砂漿,
由應力圖觀察,使用樂土水泥砂漿的牆壁,
整體
應力區域(藍色)較大。

"強度越高的材料,承受力量越大"

 白話來說就是
"能力越強,責任越大"


 
Dr. 樂樂長 從以上兩個研究,
分享個人心得與結論:


 結論(一)

斜向鋼筋並不會改變混凝土牆面的應力分布
無法有效改善牆壁開裂的情況

 


  結論(二)

  低強度水泥砂漿強度明顯降低混凝土牆面的應力分布
 有效改善牆面開的情況。
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