Beam / Girder (คาน)
การออกแบบคานเหล็ก
การออกแบบคานเหล็ก: หลายสิบปีที่ผ่านมา วิศวกรโครงสร้างในสหรัฐอเมริกาเวลาที่จะออกแบบโครงสร้างเหล็ก นอกจากจะอ้างอิงมาตรฐานการออกแบบของ American Institute of Steel Construction หรือ #AISC แล้ว ยังอ้างอิงข้อมูลสนับสนุนการออกแบบจาก AISC ที่เรียกว่า AISC Manual for Steel Construction เล่มนี้จะเสียค่าใช้จ่าย และค่อนข้างแพงพอสมควร กล่าวคือ มาตรฐานการออกแบบที่เรียกว่า AISC Specification ฉบับ AISC 360 นั้น จะจัดทำในรูปแบบ pdf แล้วเปิดให้ download ฟรี ไม่เสียค่าใช้จ่าย แต่สำหรับ Manual แล้ว จะมีราคาเล่มละ $400 สำหรับ non member และ $250 สำหรับ member ซึ่งเรียกได้ว่า แพงพอสมควร
AISC 360 นั้น เราได้นำเสนอไปพอสมควร โดยสำหรับประเทศไทย วสท. ได้จัดทำ มาตรฐานการออกแบบอาคารโครงสร้างเหล็กรูปพรรณ EIT 011038 ซึ่งได้อ้างอิง AISC 360 เป็นหลัก แต่สำหรับ AISC Manual for Steel Construction นั้น ยังไม่มีหน่วยงานที่จัดทำขึ้นมา เพราะรายละเอียดค่อนข้างมาก และต้องใช้ข้อมูลอ้างอิงจากหน่วยงานสนับสนุน ทั้ง งานเชื่อม งาน bolt งานผลิตภัณฑ์ ไปจนกระทั่งงานในส่วนของ fabrication & erection ที่เป็นมาตรฐานเดียวกัน ซึ่งยังไม่เกิดขึ้นกับ common practice ในบ้านเรา
ใน AISC Manual for Steel Construction นั้นส่วนที่เป็นประโยชน์มากๆ กับวิศวกรผู้ออกแบบ คือ #ตารางช่วยออกแบบ หรือ #DesignTable และ #ชาร์ทช่วยออกแบบ หรือ #DesignChart ทั้งสำหรับ #คาน #Beam #เสา #Column #จุดต่อ #Connection ในหลากหลายรูปแบบการใช้งาน โดยสำหรับ คานและเสา ก็จะอ้างอิงผลิตภัณฑ์ตาม ASTM Standard ซึ่งจะไม่ตรงกับมาตรฐานผลิตภัณฑ์เหล็กโครงสร้างของประเทศไทย ที่อ้างอิงมาตรฐานของสำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม มอก.1227 ที่ไปยึดโยงกับ Japan Industrial Standard หรือ #JIS ของประเทศญี่ปุ่น
อย่างไรก็ดี แม้ว่าผลิตภัณฑ์เหล็กโครงสร้างรูปพรรณจะแตกต่างกัน แต่ concept ในการพัฒนา design chart สำหรับการออกแบบคานโครงสร้างเหล็ก แม้ว่าจะต่างเกรด ต่างขนาดมิติ (nomenclature) กันบ้าง ก็ไม่ได้แตกต่างกัน (ด้วยมาตรฐานการออกแบบของไทยกับอเมริกาไม่ต่างกัน ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่า EIT 011038 ของเรา ไปอ้างอิงกับ AISC 360) โดยขั้นตอนในการพิจารณามีดังนี้
1) จำแนกหน้าตาและประเภทหน้าตัดก่อนว่า เป็น compact (C) non compact (NC) หรือ slender (S) โดยพิจารณาอัตราส่วนความชะลูดของ element ที่เรียกว่า b/t (ใช้สัญลักษณ์ lamda) ไม่ให้เกินค่าที่กำหนดในตารางบทที่ 2 หรือ Chapter B โดยต้องตรวจสอบทั้ง flange และ web ของ beam เนื่องจาก ลักษณะของ stress เมื่อคานรับแรง มันแตกต่างกัน
สิ่งที่จะได้จากขั้นตอน 1) คือ flange เป็น compact flange หรือ non compact flange หรือ slender flange และ web เป็น compact web หรือ non compact web หรือ slender web เพื่อจะได้เลือกสมการในการคำนวณ moment capacity สำหรับ limit state ที่เกี่ยวข้องกับ #การโก่งเดาะเฉพาะที่ #LB #LocalBuckling ได้อย่างถูกต้อง (ถูกสมการ)
หรือหากไปอ้างอิง Chapter F: Design of Members for Flexure แล้ว ก็จะอ้างอิงได้อย่างถูกต้องว่าจะไปดูสมการใน ส่วนย่อยอะไร เช่น F2 F3 F4 เป็นต้น (ตัวสมการจะแตกต่างกัน) โดยต้องไปพิจารณาร่วมกับข้อ 2)
2) พิจารณาการค้ำยันทางข้าง (lateral bracing of beam) ตรงนี้ วิศวกรผู้ออกแบบต้องกำหนดอย่างมั่นใจไปก่อนว่า ด้วยลักษณะทางกายภาพของอาคารที่เราจะก่อสร้าง เราจะมีระบบที่สามารถค้ำยันคานเหล็กของเรา ไม่ให้เกิดการโก่งเดาะแบบบิดออกทางข้าง ที่เรียกว่า #LTB หรือ #LateralTorsionalBuckling ได้มากน้อยเพียงใด เช่น หากเรามีคานเหล็กรับ positive moment แล้วมีพื้นคอนกรีตด้านบน วิศวกรจะพออนุมานได้ว่า คานเหล็กของเรามี lateral bracing เป็นแบบ panel bracing ตลอดแนวยาวของคาน หรืออาจกล่าวได้ว่า ระยะปราศจากค้ำยัน หรือ #UnbracedLength เป็น ศูนย์ (0) คือย้ำยันมีตลอดแนว ด้วยลักษณะทางกายภาพแบบนี้ ก็จะไม่เกิด #LTB เป็นต้น
ส่วนว่า bracing แข็งแรงดีเพียงพอไหมนั้น (ตอนแรกเราสมมติไปว่าเพียงพอ) ก็ต้องมาเช็คในภายหลัง อ้างอิง Appendix 6: Stability Bracing เช่นหากไม่ได้เป็นแผ่นพื้นคอนกรีต แต่เป็น metal sheet บางๆ จะพอหรือไม่อย่างไร เป็นต้น
3) ประกอบร่าง beam curve โดยหากพิจารณา 1) พอจะตอบได้ว่า กว่า 90% ของเหล็กรูปพรรณรีดร้อน H-shape ที่อเมริกาเรียกว่า wide flange section จะเป็นหน้าตัดที่ compact ทั้ง web และ flange แทบไม่มีโอกาสเกิดการวิบัติแบบ #LB #LocalBuckling (ส่วนใหญ่ #LB มันเกิดกับ built-up section พวก plate girder งานสะพาน หรือ PEB เป็นต้น)
ดังนั้น beam curve จึงมักแสดงออกแบบ 3 zone คือ
A: No LTB ค้ำยันเพียงพอ ไม่เกิด lateral torsional buckling
B: Inelastic LTB ค้ำยันน้อยไปหน่อย เกิด lateral torsional buckling แบบ inelastic กล่าวคือ เมื่อ buckling แล้วจะมีบางส่วนบาง element รับ normal stress เกินกว่า Fy เกิด plastic deformation คานเหล็กจะเสียรูปถาวร โดยจะเป็นความสัมพันธ์ที่ linear (เค้า simplify นะครับ ไม่ใช่ linear จริงๆ) ระหว่าง unbraced length กับ moment capacity
C: elastic LTB ค้ำยันน้อยมากๆ เกิด elastic LTB เมื่อ buckle แล้ว คานเหล็กจะไม่มีส่วนใดเลยที่รับ normal stress เกินกว่า Fy เมื่อถอนแรงออกก็จะไม่เกิดการผิดรูป เสียรูปถาวร พฤติกรรมการวิบัติเป็นไปตาม Euler’s Theory (เป็น hyperbola ยิ่ง unbraced length มาก moment capacity ยิ่งน้อย)
ทั้งนี้ วิศวกรผู้ออกแบบต้องทำความเข้าใจเพิ่มเติมนิดหากต้องการเห็นภาพที่กระจ่างขึ้นว่า ทำไม มันมีแค่บาง element เท่านั้น ที่เกิด normal stress เกินกว่า Fy ตรงนี้ อธิบายได้ด้วยพฤติกรรมที่เกิดจากการผลิต ที่เรียกว่า #ความเค้นคงค้าง หรือ #residualstress
นอกจากนี้ ใน Beam curve จะพบกว่ามีการกำหนด Cb = 1 เป็นฐานไว้ก่อน เหตุเพราะการวิเคราะห์ค่า Cb จะต้องพิจารณา “ฝั่งของแรงกระทำ” เป็นหลัก (ในขณะที่ moment capacity ที่กล่าวถึงก่อนหน้า พิจารณา “ฝั่งของระบบโครงสร้าง” ทั้งขนาดมิติคาน เกรดเหล็ก เป็นต้น) โดยการหา moment gradient จาก structural analysis เพื่อ optimize ขนาดของคาน หากการค้ำยันทางข้าง ไม่เพียงพอ เกิด lateral torsional buckling
นัยยะของ Cb นั้น จะพิจารณาระดับของ normal stress ตลอดความยาวของคาน ซึ่งจะแปรเปลี่ยนไปตามระดับ moment (เพราะ Moment, M = stress * I/y) กรณีที่ extreme สุดย่อมเป็นกรณีที่เกิด constant moment
ทั้งหมดนี้ จะมีการนำเสนอใน งานสัมมนา #การออกแบบโครงสร้างเหล็กขั้นพื้นฐาน (Steel Design – Basic Level) จัดโดยสถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย วันศุกร์ที่ 26 มกราคมนี้ โดยผู้เข้าร่วมสัมมนาจะได้รับ CPD ตามหลักเกณฑ์ของสภาวิศวกร
#การออกแบบคานเหล็ก #การออกแบบคานเหล็ก
#WeLoveSteelConstruction
สำหรับช่องทางการประชาสัมพันธ์กิจกรรมต่าง ๆ และข้อมูลข่าวสาร ความรู้ ในรูปแบบอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ เหล็กเพื่องานก่อสร้าง ของทางบริษัทฯ ยังมี Facebook Page และ Youtube Channel และ Line Officail Account ชื่อ “WeLoveSteelConstruction” นอกจากนี้ทาง บริษัทฯ ยังมีงานสัมมนาประจำปีที่มีเนื้อหาการบรรยายดี ๆ เกี่ยวข้องกับงานก่อสร้างด้วยเหล็ก รายละเอียดสามารถคลิกตามลิ้งค์ข้างล่างได้เลยครับ
#WeLoveSteelConstruction_Facebook
Metee Suwannason
Tags :