การวิเคราะห์โครงสร้างด้วยวิธี Portal Method
Portal Method คืออะไร ?
หลายท่านอาจจะคุ้นเคยกับการวิเคราะห์โครงสร้างเพื่อหาแรงภายในด้วยวิธีนี้ (Portal Method) กันบ้างแล้วนะครับ บางท่านก็อาจจะยังไม่คุ้นเคย ซึ่งวันนี้เราก็จะมาคุยเรื่องนี้กันพร้อมตัวอย่างครับ
หากพูดถึง Portal method ก็ต้องบอกว่า วิธีนี้เป็นวิธีวิเคราะห์แรงภายในคร่าวๆ (ไม่ละเอียดแม่นยำเท่ากับวิธี compatibility อื่นๆ) ที่เกิดกับโครงสร้างประเภท moment frame ที่มีแรงทางด้านข้าง (lateral loads) มากระทำ
โดยสมมติฐานของวิธีการวิเคราะห์นี้ หลักๆ จะมีอยู่ 3 ข้อด้วยกัน คือ
- Inflection point (จุดกลับของโมเมนต์จากบวกเป็นลบหรือลบเป็นบวก) ของเสา อยู่ที่ตำแหน่งกึ่งกลางความสูงชั้นของอาคาร
- Inflection point ของคานอยู่ที่ตำแหน่งกึ่งกลางของคาน
- แรงเฉือนในแนวนอน (horizontal shear) จะถูกกระจายไปยังเสาต้นใน (interior column) มีค่าเท่ากับ 2 เท่าของเสาต้นนอก
ซึ่งที่มาของสมมติฐานข้อที่ 3 มาจากการมองว่าเสาต้นในจะมีลักษณะที่เหมือนกันมี frame 2 อันมาประกอบกัน หรืออีกนัยนึง หากมองให้อาคารเป็นคานยื่นแล้ว บริเวณกึ่งกลางของอาคารก็จะมีตำแหน่งเดียวกับ neutral axis ซึ่งเป็นบริเวณที่รับ shear force มากที่สุดครับ
ในทางปฏิบัติแล้ว ก็จะเริ่มด้วยการพิจารณาที่ชั้นบนเนื่องจากจะต้องหาแรงกระทำเพื่อถ่ายลงไปที่ชั้นล่าง โดยที่เรามีสมมติฐานว่า inflection point อยู่ที่บริเวณกึ่งกลางของเสาและคาน (ตามที่ข้อที่ 1 และ 2 ด้านบน) ดังนั้นจะได้จากสมดุลแรงในแนวนอน เพราะฉะนั้นแรงเฉือนที่เกิดขึ้นในเสาแต่ละต้น
เมื่อเรารู้แรงเฉือนที่เกิดขึ้นแล้ว ก็จะหาแรงภายในที่เกิดขึ้นส่วนอื่นๆ ได้ทั้งหมด โดยเริ่มจากการพิจารณาโครงสร้างบริเวณริมสุดก่อน และไล่คำนวณแรงภายในที่เกิดขึ้นเรื่อยๆ สิ่งที่ได้จะเป็นแรงในแนวแกนและแรงเฉือน นะครับ
พอได้มาแล้ว ยังไงต่อ?? เราก็ทำคล้ายๆ เดิมครับ คือ หาแรงเฉือนที่เสาชั้นล่าง โดยแรงเฉือนนี้จะต้องพิจารณา lateral load จากชั้นบนด้วย นั่นหมายความว่าเป็นการ sum แรง 20 + 40 = 60 tons ดังที่แสดงในรูปด้านล่างนี้
ก็จะเห็นว่าแรงเฉือนเกิดขึ้นที่เสาชั้นล่าง ก็จะมีค่าที่มากขึ้นตามไปด้วย (ก็เป็นธรรมครับ เพราะรับน้ำหนักมากกว่า) จากนั้นก็ทำเหมือนเดิมครับ คือ หาแรงเฉือนและแรงในแนวแกนจากสมดุลแรงและการ take moment เราก็จะได้แรงภายในทั้งหมดที่เกิดขึ้นในโครงสร้าง
แต่ก็ยังไม่จบเพียงเท่านั้นครับ จากแรงที่ได้ เราก็นำมาหาโมเมนต์ที่เกิดขึ้น โดยที่อาจจะใช้วิธีการวิเคราะห์แบบ section method ซึ่งเป็นวิธีที่ทุกท่านน่าจะคุ้นเคยกันดี แต่ก็มีสิ่งที่ต้องระวัง คือ sign convention ของการตัด section และทิศทางของแรงที่กระทำครับ
ซึ่งหากตัด section จากซ้ายไปขวา ทิศทางของ shear ที่เป็นบวก ก็จะมีทิศลง และทิศทางของโมเมนต์ที่เป็นบวก ก็จะเป็นทิศทวนเข็มนาฬิกา ตามที่แสดงในรูปครับ จากนั้นก็ทำการหาโมเมนต์ที่คานและเสาออกมาได้ครับ
โดยสรุปแล้ว วิธีนี้ก็เป็นวิธีการวิเคราห์โครงสร้างที่เป็น moment frame ได้ค่อนข้างสะดวกนะครับ เนื่องจากสามารถคำนวณด้วยมือได้อย่างค่อนข้างตรงไปตรงมา ก็หวังว่าจะเป็นประโยชน์กับทุกท่าน
