Main reference ของการ ออกแบบ baseplate ที่บ้านเรายึดถือปฏิบัติคือ แนวทางการออกแบบของ AISC design guide 1 ซึ่งอัพเดทมีเวอร์ชั่นล่าสุดออกมาได้ไม่นานนะครับ

หลักในการพิจารณานั้นไม่ยากเลย คือเริ่มต้นมองจากหน้าที่ ของ base plate ก่อนว่า เป็นส่วนประกอบในการรองเสา เพื่อถ่ายแรงจากเสาเข้าสู่ตอม่อ แรงที่มาจากเสานี้ถ้ามีเฉพาะ แรงอัดในเสา (axial compression) base plate ก็จะ กระจายแรงอัดนี้ลงสู่ต่อม่อคอนกรีตที่รองรับ

เหตุผลว่าทำไมต้องการกระจายแรงอัด ง่ายๆ เลยคือเพราะขนาดพื้นที่หน้าตัดเสาเหล็ก (cross section area of steel column) มันน้อย ส่งผลทำให้คอนกรีตรองรับซึ่งมีกำลัง (fc’) น้อยกว่ากำลังของเหล็ก (Fy) ไม่สามารถรับได้ เกิดการแตกของคอนกรีต (concrete crushing) จากการกด (bearing) base plate จึงเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้การการจายแรงอัดจากเสามีพื้นที่มากขึ้น เกิด stress ที่กระทำต่อคอนกรีตตอม่อลดน้อยลง (gross area of base plate >>> gross area of steel column cross section)

ประเด็นถัดมาคือพฤติกรรมที่ตามมาเมื่อเกิดการกระจายแรงเข้าสู่ base plate มีลักษณะเป็นอย่างไร … ตรงนี้ต้องพิจารณา action = reaction นะครับ คือแรงอัดจากเสาจะไปเท่ากับแรงปฏิกิริยาที่ตอม่อคอนกรีตกระทำกับ base plate ซึ่งจะส่งผลให้ ลักษณะของแรงกระทำที่ base plate เป็น uniform (area) load

การพิจารณาหากำลังรับแรงของ base plate จึงต้องพิจารณาว่า uniform (area) load ที่กระทำกับ base plate นี้จะส่งผลให้ base plate เกิดการวิบัติในรูปแบบใดได้บ้าง ซึ่งรูปแบบหลักๆ ที่ base plate จะวิบัติคือ

“Yield” = Flexural bending

ใช่ครับ ฟังดูแปลกๆ แต่ถ้าจะให้เข้าใจต้องนึกภาพกลับหัว นึกภาพว่า base plate = คานยื่น มี uniform load กระทำ แล้วมี fixed support ที่แถวๆ ตำแหน่ง column face

ในมุมดังกล่าว จะเห็นว่า

– ยิ่ง base plate ขนาดใหญ่ unform load ยิ่งน้อย (เพราะถูกหารด้วย area ของ base plate ที่มาก) แต่ก็ยิ่งจะทำให้ระยะ cantilevered length มากขึ้นตามไปด้วย ทำให้ base plate ต้องหนามากๆ

– ยิ่ง base plate ขนาดเล็ก unform load ยิ่งมาก (เพราะถูกหารด้วย area ของ base plate ที่น้อยลง) ระยะ cantilevered length น้อยลง base plate ไม่ต้องหนามาก … แต่ปัญหาคือ คอนกรีตจะรับไหวไหม เพราะกระจายแรงลงฐานรองรับคอนกรีตได้ไม่มากนัก

ที่นำเสนอข้างต้นเป็นส่วนของการพิจารณา gravity column ที่ไม่มี moment ถ่ายลงสู่ base plate ซึ่งในฐานะผู้ออกแบบ หลายๆ ครั้งท่านก็ทำ finite element กำหนดให้ column base ของท่านเป็น pin joint โดยแม้ว่าจะมี small lateral load (เช่นกรณี notional load แรงด้านข้างเสมือน) ท่านก็จะสามารถพิจารณาว่าแรงดังกล่าวจะถ่ายผ่าน diaphragm (floor plate แผ่นพื้น เป็นต้น) ไปยัง lateral system เช่นปล่องลิฟท์หรือบันไดหนีไฟ เป็นต้น

แต่ในบางกรณี ท่านอยากให้ฐานเสารับ moment เพื่อไปลดขนาดคานด้านบนลง ดังนั้น moment ที่เกิดขึ้นกับฐานเสาก็ย่อมต้องถ่าย “ผ่าน base plate” ลงสู่ตอม่อคอนกรีต

ในกรณีนี้ จะมีการพิจารณาแยกออกมานะครับ ระหว่าง

(1) Small moment โมเมนต์ขนาดเล็ก

(2) Large moment โมเมนต์ขนาดใหญ่

เส้นแบ่งระหว่าง Small vs. Large นั้น ไม่ได้อยู่ที่ว่า โมเมนต์จะมีค่ากี่กิโลกรัมเมตร นะครับ แต่แบ่งที่พฤติกรรมของ base plate และสลักสมอ หรือ anchor rod ที่เกิดขึ้นว่า “ขนาดของโมเมนต์จะไปทำให้สลักสมอเกิดแรงดึง” หรือไม่

ถ้าไม่เกิดแรงดึงใน anchor rod เป็น small moment

ถ้าเกิดแรงดึงใน anchor rod เป็น large moment

วิธีการพิจารณา

แรงอัดแนวแกนเยื้องศูนย์ = แรงอัดแนวแกนตรงศูนย์ (Pr) + โมเมนต์ (Mr)

ระยะเยื้องศูนย์ (e) = Mr/Pr

จากหลักสมดุลของแรง (Sigma M = 0) จะสามารถหาค่าระยะเยื้องศูนย์ที่มากที่สุดที่ไม่ทำให้ amchor rod เกิด tension ระยะเยื้องศูนย์นี้เรียกว่า e_critical ซึ่งเท่ากับ N/2 – Y/2 โดย N = ความกว้างของ base plate ส่วน Y นี้ เป็นระยะที่สะท้อน พื้นที่รับแรงอัด (มองเป็น uniform bearing) ของ concrete footing ที่กระทำกับ base plate

ค่า Y นี้ มองไปอาจดูเหมือนเป็นการ trial & error นะครับ แต่อย่างไรก็ดี มาตรฐานได้แนะนำว่า “เอ้อ ทำไมไม่พิจารณาที่จุดสูงสุดเลยล่ะ” จุดสูงสุดที่ว่านี้เป็นจุดที่สะท้อนการวิบัติของคอนกรีต หรือ “Y น้อยสุดเท่าไหร่ที่ทำให้คอนกรีตตอม่อเกิดการวิบัติแบบ crushing” หรืออีกนัยหนึ่งเป็นการตรวจสอบที่ limit concrete ว่า “ถ้าคอนกรีตตอม่อยังไม่วิบัติ จะเกิดแรงดึงใน anchor rod ไหม”

จาก Y * pressure (=q) = Pr

จะได้ Y_min * q_max = Pr

จาก e_critical = N/2 – Y/2

จะได้ e_critical = N/2 – Y_min/2 = N/2 – Pr/2*q_max

ทั้งนี้ q_max = กำลังอัดที่คอนกรีตตอม่อรับได้ * ระยะด้านลึก (B)

*** เรามอง q เป็น uniform pressure ต่อระยะ 1 หน่วยด้านลึกนะครับ

ดังนั้น q_max = [0.85*fc’*sqrt(A2/A1)] * B

เมื่อได้ค่าทั้งหมดมา เราสามารถเปรียบเทียบค่า e = Mr/Pr กับค่า e_critical ได้ โดยหาก e < e_critical = N/2 – Pr/2*q_max แล้ว base plate นี้ก็จะรับ moment ที่เรียกว่า “small moment” นั่นเอง

และแน่นอนว่า หาก e > e_critical แล้ว base plate ก็จะเกิดพฤติกรรมการรับ large moment เกิดพฤติกรรมที่วิศวกรผู้ออกแบบต้องพิจารณาเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง “การงัด (prying)” ซึ่งเหมือนกับการใช้ “ค้อนหงอน” งัดตะปู

ส่วนหงอนของค้อนถ้าแข็งมากๆ ระยะงัดยาวๆ ก็จะงัดตะปูได้ง่าย … ตะปู = anchor rod หงอน = base plate ลองนึกภาพนะครับ จะเกิดอะไรขึ้นกับ anchor rod หาก moment มากๆ base plate แข็งๆ และมีขนาดใหญ่ … anchor rod ก็จะพังแบบ tensile mode ได้ง่ายเท่านั้น

และหากพิจารณา base plate ได้อย่างทะลุปรุโปร่งแล้ว แน่นอนว่าหากหมุนกลับ 180 องศา ก็จะสามารถพิจารณา concrete floor on column cap plate ได้เช่นเดียวกัน ขนาดของ cap plate ก็จะมีวิธีการพิจารณาที่ไม่ต่างจาก column base plate

ท้ายที่สุด มาสู่การปฏิบัติ ได้มีการนำเสนอถึงการติดตั้ง new steel column on existing concrete structure ไว้ ว่าก่อนอื่น วิศวกรต้องตรวจสอบความมั่นคงแข็งแรงของคอนกรีตที่รองรับว่ามีกำลังมากเพียงพอไหม new steel column + new base plate จะดีเพียงไร หากคอนกรีตไม่แข็งแรง ยังไงมันก็ไม่รอดครับ

และขั้นตอนการทำ ก็ไม่ต่างมากนักกับการทำ new system ทั้งหมด คือ ฝัง anchor bolt จากนั้นปรับระดับด้วย setting nut ที่ติดกับ anchor bolt ใต้ base plate เมื่อปรับ x – y – z และ ความดิ่ง (plumbness) เรียบร้อย ก็ขัน nut ด้านบน base plate แล้วจึงเติม non shrink grout ด้านใต้ เพื่อให้เกิดการ กระจายของแรงอัดใน column ลงสูง concrete footing ได้อย่างที่ต้องการ (ผ่าน non-shrink grout)

ในนามตัวแทนของ We Love Steel Construction ขอส่งความสุขและความปรารถนาดีไปยัง fan page ที่รักทุกๆ ท่านนะครับ ขอให้ทุกๆ ท่านสุขภาพแข็งแรง ประสบความสำเร็จดังที่ตั้งใจหมายไว้ทุกประการ

#การออกแบบ base plate

#การออกแบบ base plate 

#WeLoveSteelConstruction