การพิจารณาและการออกแบบ Web Tapered Section
สำหรับวิศวกรผู้ออกแบบหรือควบคุมงาน ที่ทำงานเกี่ยวกับ metal building ที่มีลักษณะการใช้งานเป็นโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้าก็น่าจะคุ้นเคยกับหน้าตัดที่เรียกกันว่า tapered section กันเป็นอย่างดี ซึ่งก็คือ หน้าตัดที่มีความลึกไม่สม่ำเสมอ (non – prismatic section) เนื่องจาก web มีความลึกที่ไม่เท่ากันตลอดทั้ง member
แล้วทำไมแนวคิดการใช้งานหน้าตัดประเภทนี้จึงเกิดขึ้น ?? ก็ต้องบอกว่า ลักษณะการใช้งานอาคารที่เป็นโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้านั้น มีการใช้งานที่ค่อนข้างแน่นอน (แทบจะไม่มีการเปลี่ยน function การใช้งานของอาคารเลยก็ว่าได้)
ซึ่งใช้เป็นที่เก็บของหรือใช้วางเครื่องจักรในการผลิต โดยที่ผู้ใช้งานอาคารมีจำนวนไม่มาก ดังนั้นวิศวกรผู้ออกแบบ ก็สามารถที่จะพิจารณาแรงกระทำภายนอก (external forces) ซึ่งก็คือ load ที่จะกระทำกับตัวอาคารได้ค่อนข้างจะแน่นอน เช่น dead load, live load, roof live load, wind load และ seismic load
โดยแรงเหล่านี้ ก็จะทำให้เกิดแรงภายใน (internal forces) …. shear force และ bending moment โดยวิศวกรผู้ออกแบบก็จะเลือก critical load combination ที่ทำให้เกิด maximum shear และ moment มาใช้ในการออกแบบต่อไป
ด้วยเหตุผลเหล่านี้แล้ว จึงเป็นที่มาของการเลือกใช้ web – tapered section กับการทำ optimization ในขั้นตอนของการออกแบบ ซึ่งพื้นฐานของอาคารประเภทนี้ ด้วย span length ที่มีความยาวค่อนข้างมาก เพราะต้องการ clear span เยอะ ๆ เพื่ออำนวยให้เกิดพื้นที่ใช้สอยของอาคารที่มากที่สุด
ดังนั้นแล้ว moment ที่เกิดขึ้นใน member ทั้ง เสา (column) และจันทัน (rafter) จะเป็นตัว control พฤติกรรมการวิบัติของ member นั้นๆ และด้วยโครงสร้างหลักของอาคารประเภทนี้เป็นแบบ rigid frame แล้ว ที่บริเวณข้อต่อระหว่างเสาและคาน ก็จะมีลักษณะการทำ connection เป็นแบบ fixed
เพื่อให้สามารถถ่ายโมเมนต์ระหว่างกันได้ moment ที่เกิดขึ้นก็จะมีลักษณะเป็น non-uniform moment distribution …. ส่งผลให้ บริเวณข้อต่อมี moment เกิดขึ้นมากเนื่องจากมี stiffness มาก ก็ทำให้ต้องเลือกหน้าตัดที่มีขนาดใหญ่เพื่อให้เพียงพอต่อการรับโมเมนต์ที่เกิดขึ้น ส่วนในตำแหน่งที่มี moment เกิดขึ้นน้อยๆ ก็เลือกหน้าตัดขนาดเล็กลง
อย่างที่ได้กล่าวไปข้างต้น ด้วยเหตุผลที่ว่า ลักษณะการใช้งานของอาคารไม่มีการเปลี่ยนแปลง ทำให้สามารถคำนวณ internal forces ที่เกิดขึ้น ได้อย่างค่อนข้างจะแน่นอน ดังนั้นแล้วการทำ optimization ด้วยการทำ web – tapered section ก็สามารถนำมาประยุกต์ช้ได้ เพื่อให้เกิดความประหยัดสูงสุดนั่นเองครับ
หลักในการพิจารณา Web Tapered Member
เล่ามาค่อนข้างยาว ก็มาเข้าเรื่องแนวคิดในการออกแบบกันบ้างครับ ซึ่งก็ต้องขอเล่าวิธีการออกแบบ web – tapered section นี้จะอยู่ใน AISC Design Guide No.25 โดยวิธีการคำนวณก็จะอ้างอิงมาจาก AISC360 ที่เราคุ้นเคยกัน แต่จะเป็น version ปี 2005 (เก่านิดนึง) ในส่วนของการหากำลังรับน้ำหนักของหน้าตัด section capacity ของ compression members และ flexural members
แต่การออกแบบหน้าตัดประเภทนี้ ก็จะมีข้อจำกัดเล็กน้อยอย่างที่ได้แสดงไว้ด้านล่างนี้
1. Fy ของเหล็กต้อง ≤ 55 ksi หรือประมาณ 3,850 ksc
2. เกรดเหล็กของ web และ flange จะต้องเท่ากัน (homogeneous members)
3. องศาของ web ที่มีรูปแบบ tapered จะต้องมีมุมอยู่ระหว่าง 0 – 15 องศา
4. Flange จะต้องมีความหนา มากกว่าหรือเท่ากับ web เสมอ
**และที่สำคัญจุดที่สามารถเกิด critical stress นอกจากจะเป็นตำแหน่งที่มีขนาดหน้าตัดเล็กที่สุดแล้ว (บริเวณbottom end) ตำแหน่งที่ h/tw = 131 ก็เป็นอีกจุดหนึ่งที่ต้องพิจารณา เนื่องจากเป็น slenderness limit ของ web ที่จะไม่เกิดการลดทอนกำลังเนื่องจากความชะลูด
Limit state ที่ต้องคำนึงถึง ก็ไม่ได้แตกต่างอะไรกับเสาและคานธรรมดา เช่น
การออกแบบเสา – limit state คือ
(1.) in – plane buckling
(2.) out – of – plane buckling
การออกแบบคาน – limit state คือ
(1.) yielding
(2.) compression flange local buckling
(3.) lateral torsional buckling
(4.) tension flange yielding
ความแตกต่างระหว่าง Prismatic and Non-Prismatic Sections
แต่ส่วนที่จะมีความแตกต่างก็คือ วิธีการออกแบบ …… โดยการออกแบบของ web – tapered section สำหรับเสา (ในตัวอย่าง) จะแบ่งการพิจารณาเป็น 2 กรณีหลัก คือ การวิบัติเนื่องจากการโก่งเดาะรอบแกนหลัก (in – plane buckling) และการวิบัติเนื่องจากการโก่งเดาะรอบแกนรอง (out – of – plane buckling)
สำหรับการพิจารณา in – plane buckling หากดูจากภาพแล้ว จะเห็นว่าในแกนหลักไม่มีการค้ำยันใดๆ จาก girt เลย จึงทำให้การพิจารณา stress ที่หน้าตัด จะต้องพิจารณาที่
(1.) ด้านบนสุดของเสา (top end of the column)
(2.) ด้านล่างสุดของเสา (bottom end of the column)
(3.) ที่ตำแหน่ง h/tw = 131
โดยเริ่มจากการหาตำแหน่งเทียบเท่า (equivalent depth) ของหน้าตัดก่อน เพื่อหาค่า moment of inertia และค่า elastic flexural buckling strength อ้างอิงไว้ก่อนค่าหนึ่ง เพื่อนำไปใช้ในการคำนวณหาพฤติกรรมของเสา (เสายาวปานกลาง หรือ เสายาว) จาก Fy/Fe <= 2.25
และหาค่ากำลังน้ำหนักของเสาในแต่ละตำแหน่งเทียบกับ stress ที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่งนั้นๆ โดยที่กำลังรับน้ำหนักของเสาจะพิจารณาถึงความชะลูดของ elements ด้วย (element ในที่นี้คือ web และ flange)
ส่วน out – of – plane buckling ก็จะพิจารณาแตกต่างกันเล็กน้อย เนื่องจากในแกนรอง เสามีการค้ำยันจาก girt ที่พาดไปตามด้านลึกของอาคาร (ในตัวอย่างสมมติว่ามี girt เพียง 1 ตัว) ก็จำแบ่งการพิจารณาเป็น 2 ส่วนหลัก คือ
ช่วงของ member ที่อยู่ด้านบนของ girt (upper unbraced length) และช่วงที่อยู่ด้านล่างของ girt (lower unbraced length) และแบ่งการพิจารณา member ในแต่ละช่วงออกแบบ 3 ส่วนด้วยกัน คือ บน กลาง ล่าง และก็ทำการหากำลังรับน้ำหนักของตำแหน่งนั้นๆ เทียบกับแรงที่เกิดขึ้น แต่ใข้ section properties และความยาว L ของแกนรองในการคำนวณ
