การออกแบบแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงไร้คานร่วมกับเสาท่อเหล็ก : จากที่ได้เคยนำเสนอถึงหลักในการออกแบบระบบพื้นคอนกรีตอัดแรง ว่าเป็นการใส่แรงภายในให้เกิดขึ้นกับโครงสร้างในทิศทางตรงข้ามกับแรงภายในที่เกิดจากแรงภายนอกด้วยการอัดแรงให้กับลวดอัดแรง ได้โดยไม่ต้องเพิ่มขนาด เพิ่มกำลังคอนกรีต หรือปริมาณเหล็กเสริมให้มากขึ้นจากเดิม ซึ่งโดยทั่วไป การจัด profile ของลวดอัดแรงก็จะสะท้อนกับลักษณะของ bending moment diagram ของ flexural member ไม่ว่าจะเป็นคานหรือแผ่นพื้นก็ตาม หลังจากนั้นจึงทำการเทคอนกรีตและบ่มคอนกรีตจนได้กำลังตามที่กำหนด จากนั้นจึงทำการดึงลวดอัดแรง เพื่อ counter balance แรงภายในจาก structural dead load หรือน้ำหนักบรรทุกคงที่จากน้ำหนักตัวของสร้างเอง

วิศวกรผู้ออกแบบจำเป็นต้องมีการเสริมเหล็กเส้นในระบบพื้น post-tensioned slab โดยปริมาณเหล็กเสริมจะต้องเพียงพอต่อการหดตัวและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (shrinkage and temperature control) โดยเกินกว่า minimum reinforcement ที่มาตรฐานได้มีการกำหนดเอาไว้ โดยสำหรับการออกแบบให้เสาและพื้นคอนกรีตอัดแรงไร้คาน สามารถรับแรงทางด้านข้างได้ ผู้ออกแบบจำเป็นจะต้องพิจารณาให้ระบบโครงสร้างสามารถรับและถ่าย bending moment ได้ โดยรายละเอียด คุณภาคภูมิ วานิชกมลนันท์ กรรมการผู้จัดการ บจก. SNP Post Tension ได้นำเสนอไว้ในงาน SSI Steel Construction Forum 2022 หัวข้อ “การออกแบบพื้นไร้คาน ระบบอัดแรงแบบดึงภายหลัง ชนิดยึดหน่วง รับแรงด้านข้าง” ซึ่งขนาดของ bending moment สามารถหาได้จาก การทำแบบจำลอง โดยอาจพิจารณาลดทอน stiffness ของเสา และแผ่นพื้น ตามแนวทางที่ระบุในมาตรฐาน ACI 318-19

หลังจากที่ดำเนินการสร้างแบบจำลอง และวิเคราะห์โครงสร้างเสร็จเรียบร้อย จะสามารถหา bending moment และ shear ที่เกิดขึ้นที่แผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงไร้คานได้ โดยการพิจารณาคำนวณหากำลังหรือความต้านทานของแผ่นพื้น ซึ่งหากพิจารณาเฉพาะ gravity load แล้ว จะต้องคำนวณออกแบบแผ่นพื้นให้สามารถต้านทาน punching shear โดยพิจารณาจาก ความหนาแผ่นพื้นคอนกรีต กำลังรับแรงอัดของคอนกรีต และพื้นที่วิกฤต critical section ที่เกิด punching shear โดยมีค่าเท่ากับ 0.53*A_cr punching *sqrt(fc’ in ksc) แต่หากพิจารณาว่า แผ่นพื้นคอนกรีตไร้คานอัดแรงนี้จะต้องมารับแรงทางด้านข้างร่วมด้วยแล้ว ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาแรงเฉือนที่เพิ่มขึ้นจากแรงทางด้านข้างเข้ามาด้วย

และแม้ว่าแผ่นพื้นจะไม่ถูกออกแบบให้ต้องรับ/ถ่ายแรงทางด้านข้าง แต่ด้วยปัจจัยจาก compatibility ก็จะส่งผลให้วิศวกรผู้ออกแบบต้องตรวจสอบว่าแรงเฉือนที่เกิดขึ้นมีค่ามากเพียงใด โดยตรวจสอบระดับความเหนียวของโครงสร้าง (มุมการหมุนสูงสุดเมื่อเกิด collapse ต่อ มุมการหมุนเมื่อเริ่ม yield) เรียกว่า Drift-induced punching แต่หากพิจารณาให้แผ่นพื้นแป็นส่วนของระบบรับแรงด้านข้าง จำเป็นต้องพิจารณาแรงเฉือนในลักษณะ Stress-induced punching

การพิจารณา Drift ratio (story drift/story height) จะสัมพันธ์กับตัวแปรหนึ่งที่สำคัญมากเรียกว่า Gravity shear ratio ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่าง แรงเฉือนต่อกำลังรับแรงเฉือน (ที่พิจารณา factor of safety แล้ว) โดยจะพบว่าหากมีการเสริมแผ่นพื้นด้วยเหล็กปลอก (stirrups) ก็จะช่วยให้ Drift ratio (ที่สะท้อนความเหนียว) นี้เพิ่มสูงขึ้น และจะสูงมากยิ่งขึ้นไปอีกหากเสริมด้วย Headed Shear Stud Rail (HSSR) หรืออีกนัยหนึ่ง HSSR เป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยเพิ่มความเหนียวให้กับระบบแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงไร้คานได้เป็นอย่างดี

สิ่งที่ ACI ได้นำเสนอนี้ มีความสอดคล้องกับผลการทดสอบ PostConnex หรือ ระบบเสาท่อเหล็ก gravity column ที่ใช้ร่วมกับระบบพื้นคอนกรีตเทในที่ ซึ่ง บมจ. สหวิริยาสตีลอินดัสตรี ได้ทำการศึกษาร่วมกับอาจารย์จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ดร.เอกชัย อยู่ประเสริฐชัย ซึ่งท่านได้ทำการทดสอบในห้องปฏิบัติการทดสอบที่สถาบันเทคโนโลยีแห่งเอเชีย หรือ AIT โดยเป็นการทดสอบ ตัวอย่างจำลองพื้นคอนกรีตขนาด 1.50m x 1.50m x 18cm ที่มีเสาท่อเหล็กติดตั้งพร้อมชุดจุดต่อเสาท่อนล่างกับเสาท่อนบน ซึ่งประกอบไปด้วยแผ่นปิดหัวเสา (cap plate) และระบบจุดต่อ ที่มี triangular stiffener ที่ยึดเข้ากับ cap plate ด้วย high strength bolt โดยทำการทดสอบทั้งรูปแบบที่มี HSSR และ ไม่มี HSSR

ผลทดสอบ

ผลการทดสอบได้ค่าออกมาดังตาราง ซึ่งพบว่า แผ่นพื้นที่มีการเสริมกำลังด้วย HSSR ให้กำลังรับแรงที่สูงกว่า แผ่นพื้นที่ไม่มีการเสริมกำลังด้วย HSSR นอกจากนี้ หากพิจารณาถึงความเหนียวที่ได้จากการเสริม HSSR จะพบว่าระบบพื้นมีความเหนียวเพิ่มขึ้น สามารถรับแรงได้เพิ่มขึ้น เสียรูปได้เพิ่มขึ้นภายหลังจากที่แผ่นพื้นคอนกรีตเกิดการวิบัติจากการเกิด punching shear ไปเรียบร้อยแล้ว ผลการทดสอบยังให้กำลังรับแรง punching shear ของแผ่นพื้น ที่สูงว่าค่าที่ได้จากการคำนวณอยู่พอสมควร ซึ่งช่วยให้เกิดความปลอดภัยในระดับที่สูง ไม่เกิดการพังวิบัติได้ง่าย

หากท่านมีข้อสงสัย ข้อเสนอแนะ ฝากทิ้งใน inbox หรือ comment ได้นะครับ โดยท่านสามารถติดตาม VDO การบรรยายได้ทาง ช่อง YouTube Channel ของ We Love Steel Construction นะครับ ยังไงช่วยกด subscribe กด like กด share สาระความรู้ต่างๆ เพื่อเป็นกำลังใจให้กับพวกเราด้วยนะครับ

ขอบพระคุณมากครับ

ปล. ทีมงาน We Love Steel Construction ขอขอบพระคุณ คุณภาคภูมิ วานิชกมลนันท์ กรรมการผู้จัดการ บจก. SNP Post Tension ที่มาบรรยายให้ความรู้เกี่ยวกับระบบพื้นคอนกรีตไร้คานอัดแรง ในงาน SSI Steel Construction Forum 2022 ด้วยนะครับ

#การออกแบบแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงไร้คานร่วมกับเสาท่อเหล็ก