การคำนวณออกแบบ คานคอมโพสิท Composite beam

ปกติ 1+1 ก็น่าจะต้องเท่ากับ 2 แผ่นไม้ 1 แผ่น รับแรงได้ 10 กิโลกรัม ถ้านำแผ่นไม้ 2 แผ่นมาวางซ้อนกัน ก็น่าจะรับแรงได้ 20 กิโลกรัม และหากซ้อนกัน 3 แผ่นก็ควรต้องรับแรงได้ 30 กิโลกรัม

แต่สำหรับการวิเคราะห์และออกแบบโครงสร้างอาจไม่เป็นเช่นนั้น

วิศวกรโครงสร้าง ที่เข้าใจถึงวิธีในการคำนวณหา moment of inertia ที่สะท้อน flexural stiffness และ section modulus ที่สะท้อน flexural strength จะต้องมีความเข้าใจก่อนว่า การที่ส่วน (element) ต่างๆ ที่นำมาประกอบเป็น section นั้น จะต้อง perform หรือรับแรงไปพร้อมๆ กัน ร่วมกัน “อย่างเป็นส่วนหนึ่งของกันและกัน” ไม่ได้เป็นอิสระต่อกัน

ปีก (flange) จะต้องเชื่อมต่อกับ เอว (web) อย่างสมบูรณ์ ซึ่งหากเป็น built-up section ก็จะต้องเชื่อมให้ flange และ web เป็นส่วนหนึ่งของกันและกัน ไม่ใช่ว่า flange ก็รับ normal stress และ web ก็รับ shear stress แยกกันโดยไม่ต้องเชื่อมต่อกัน … แต่การเชื่อมต่อกันระหว่าง flange กับ web จะส่งผลให้หน้าตัดมี integrity เป็นส่วนหนึ่งของกันและกัน อันส่งผลให้เกิด moment of inertia และ section modulus ของหน้าตัดที่เกิดจากการประกอบเข้าด้วยกันอย่างสมบูรณ์ของ flange และ web เพื่อให้ flange มีส่วนสำคัญในการรับ normal stress จาก moment (หาได้จาก BMD) และให้ web มีส่วนสำคัญในการรับ shear stress จาก shear force (หาได้จาก SFD)

การประกอบให้เป็นหน้าตัดที่สมบูรณ์นั้น อยากให้พิจารณาแผ่นไม้หน้า 3 จำนวน 3 แผ่น ที่มาวางซ้อนกัน หน้าตัดหนึ่งไม่มีการเชื่อมต่อแผ่นไม้หน้า 3 ทั้ง 3 แผ่นนี้ด้วยตะปู อีกหน้าตัดหนึ่งจะมีการเชื่อมต่อแผ่นไม้หน้า 3 ทั้ง 3 แผ่นด้วยตะปู จนเมื่อรับแรงดัด แผ่นไม้ทั้ง 3 แผ่นจะไม่เกิดการ slip เกิดการทำงานไปพร้อมๆ กัน อย่างเป็นส่วนหนึ่งของกันและกัน ต่างจากกรณีที่ไม่เชื่อมต่อด้วยตะปู ที่แม้ว่าจะรับแบ่งกันรับแรง แต่ก็จะรับแรงอย่างเป็นอิสระระหว่างกัน

หรืออีกนัยหนึ่ง แผ่นไม้หน้า 3 ที่มีการเชื่อมต่อแผ่นไม้ทั้ง 3 แผ่นนี้ด้วยตะปู จะไม่ได้รับแรงเป็น 3 เท่าของแผ่นไม้หน้า 3 แผ่นเดียว แต่จะรับแรงได้เป็น 9 เท่าของแผ่นไม้ 1 แผ่น ต่างจากแผ่นไม้หน้า 3 จำนวน 3 แผ่น ที่ไม่ได้เชื่อมต่อกันด้วยตะปูที่รับแรงได้ 3 เท่าของแผ่นไม้หน้า 3 แผ่นเดียว

1+1+1 = 3 สำหรับ แผ่นไม้หน้า 3 จำนวน 3 แผ่น ที่ไม่ได้เชื่อมต่อกันด้วยตะปู

1+1+1 = 9 สำหรับ แผ่นไม้หน้า 3 จำนวน 3 แผ่น ที่เชื่อมต่อกันด้วยตะปู

การเชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ของส่วนประกอบ (element) ของหน้าตัด เป็นเงื่อนไขสำคัญ โดยหลักแล้วคือการป้องกันไม่ให้เกิดการวิบัติจาก horizontal shear ซึ่งเป็น balancing couple ที่ป้องกันการ twist ของ stress block ที่เมื่อตัด section แล้ว เกิด vertical shear ด้านซ้าย และ vertical shear ด้านขวาที่เกิดในทิศทางตรงกันข้ามจาก vertical shear ทางด้านซ้าย

หลักคิดนี้ นำไปประยุกต์ใช้กับ concrete-composite steel beam ซึ่งเป็นคานเหล็กช่วงเดี่ยว simple beam ที่รับพื้นคอนกรีตด้านบน

ปกติแล้ว คานทั่วๆ ไปก็ทำหน้าที่รับพื้น คานช่วงเดี่ยวก็จะแอ่นตัว เกิด positive moment ครึ่งบนของคานรับ compression ครึ่งล่างของคานรับ tension แต่ด้วยความสามารถของคอนกรีต (พื้น) ที่รับ compression ได้ดี หากเราเชื่อมต่อคานเหล็ก steel beam กับพื้นคอนกรีตให้เป็น concrete-composite steel beam แล้ว ก็จะส่งผลให้ทั้ง stiffness (สะท้อน moment of inertia ของ composite beam) และ strength (สะท้อน section modulus ของ composite beam) เพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย

มีตัวอย่างง่ายๆ ให้พิจารณาดูเพิ่มเติมด้วยนะครับ ยังไงหากสงสัยก็สอบถามมาได้นะครับ

#การออกแบบคานคอมโพสิท #การออกแบบคานคอมโพสิท 

#WeLoveSteelConstruction