จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก End – Plate Moment Connection AISC Design Guide No. 16
สำหรับท่านที่ทำงานออกแบบอาคารเตี้ย low-rise building ที่มีลักษณะการใช้งานเป็นโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า หรือที่เราคุ้นเคยกับชื่อ PEB แล้ว ก็คงจะคุ้นเคยกับ จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก (connection) ประเภทนี้ครับ
และหากจำกันได้ โพสต์เมื่อนานมาแล้ว เคยนำเสนอเรื่องนี้ไปแล้วในบางส่วน แต่จะเป็นเนื้อหาที่อ้างอิงจาก Design Guide No. 4 ครับ โดยความแตกต่างระหว่าง Design Guide No.16 และ No.4 จะอยู่ที่
- การออกแบบ จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก ที่เป็น end-plate ของ Design Guide No.4 จะเป็นรูปแบบของ connection ที่รองรับแผ่นดินไหวได้ จะเห็นว่าลักษณะของ connection ที่นำเสนอในคู่มือเล่มนี้จะมีลักษณะของ connection ที่เป็น extended type และมีการใส่ bolt ด้านล่าง และด้านบนเท่ากันเพื่อรองรับแรงทางด้านข้างที่กระทำแบบกลับไปกลับมา (cyclic load)
- แต่ใน Design Guide No.16 รูปแบบของ connection จะไม่ได้ออกแบบเพื่อรองรับแผ่นดินไหวครับ เนื่องจากหากพิจารณาจาก geometry แล้ว จะเห็นว่าการใส่ bolt จะเน้นไปยังฝั่งที่ define ว่าเป็น tension zone เท่านั้น
หากใครเดินทางด้วย BTS อยู่บ่อยๆ ก็คงจะคุ้นเคยกับ connection รูปแบบนี้เป็นอย่างดี หรือน่าจะต้องเคยเห็นผ่านตากันมาบ้าง (หากไม่ได้สังเกต ลองมองดูที่หลังคาชานชะลาดูครับ ก็จะเห็นรูปแบบของ connection ที่ระบุไว้อยู่ใน Design Guide no.16 บางรูปแบบ)
รูปแบบของ End-Plate Moment Connection
ทีนี้ก็กลับมาเข้าเนื้อหากันครับ โดยในเนื้อหาที่ทำมานำเสนอ ก็จะถือว่าเป็นการทบทวนในบางส่วน และมีเรื่องที่ยังไม่เคยนำเสนอไปด้วยครับ เริ่มจากรูปแบบของ connection ประเภทนี้กันก่อน หลักๆ ก็จะมีอยู่ 2 รูปแบบ (รูปที่ 2) คือ
- Flush type หมายถึง connection ที่เป็นข้อต่อระหว่าง คาน – คาน หรือ คาน – เสา โดยที่แผ่น plate จะไม่มีส่วนที่ยื่นออกมาเกิน top flange หรือ bottom flange ของคาน มีทั้งเสริมและไม่เสริม stiffener (รูปที่ 3) โดยลักษณะการใช้งาน จะเน้นไปที่โครงสร้างที่รับ lateral load ไม่มากนัก
และใช้กับบริเวณที่เป็นจุดกลับทิศของโมเมนต์ (inflection point) และอีก application ที่จะถูกนำไปใช้ก็คือ บริเวณที่เป็นการต่อคานเข้ากับเสา เนื่องจากไม่มีส่วนยื่นที่อาจไปกระทบต่อการติดตั้งส่วนของหลังคา - Extended type เป็นรูปแบบที่มีส่วนของ plate ยื่นออกมาเกินกว่า top flange หรือ bottom flange ของคาน มีทั้งเสริมและไม่เสริม stiffener (รูปที่ 4) ส่วนลักษณะการใช้งานก็จะเน้นไปที่โครงสร้างที่ต้องรับ lateral load มากๆ
รูปแบบตำแหน่งของ bolt จะเห็นว่ามีทั้งด้านบนเยอะและด้านล่างเยอะ เป็นเหตุมาจากว่า เวลาออกแบบ หน้าที่หลักของ bolt คือการรับแรงดึง โดยที่กำลังรับแรงดึงนี้เราจะพิจารณาที่ tensile strength ของ bolt เลย
นั่นหมายความว่าการวิบัติจะเกิดขึ้นในรูปแบบ rupture ซึ่งใช้กำลังของ bolt อย่างเต็มที่ และในด้านที่เป็นแรงอัด ก็ไม่ต้องพิจารณาอะไร นั่นก็เพราะ bolt ไม่มีพฤติกรรมในการรับแรงอัด จึงจะเห็นได้ว่า ด้านที่จะต้องรับแรงอัด ก็จะมี bolt ยึดอยู่เพียง 2 ตัว เพื่อยึดให้ connection มีเสถียรภาพเท่านั้น
ขั้นตอนในการออกแบบ จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก End-Plate Moment Connection
ส่วนเรื่อง design procedures ของ connection รูปแบบนี้ ได้มีการพัฒนามาจาก 2 ทฤษฎี คือ
- Yield Line Theory – วิธีนี้ก็ต้องบอกว่า มันมาจากการทดสอบในห้อง lab ครับ โดยการดูลักษณะการ yield ของ end-plate ที่ต้องรับโมเมนต์เนื่องจากการถ่ายแรงของคาน โดยการทดสอบ ก็จะพิจารณาตาม geometry ของ connection แต่ละรูปแบบ
เช่น flush end-plate with two bolts unstiffened มีลักษณะการ yield อย่างไร ก็เอาลักษณะการ yield นี้มาพิจารณาในรูปแบบของพลังงาน ที่เราเรียกกันว่า virtual work method ซึ่งจะได้ออกมาเป็นกำลังรับน้ำหนักของ end-plate >>> จากนั้น ก็พิจารณา load ที่ทำให้ end-plate เกิดการวิบัติ
จากนั้นก็หาความสัมพันธ์กัน ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะออกมาเป็นสมการ yield line ดังที่แสดงอยู่ในรูปที่ 6 ครับ ซึ่งสมการนี้ก็ต้องบอกว่า จะมีความแตกต่างกันออกไปตาม geometry ของ connection นะครับ - Bolt force prediction – เป็นเรื่องของการพิจารณาแรงดึงที่ bolt จะต้องรับ โดยรวมผลของการพิจารณา การถอน (prying action) เข้าไปด้วย กล่าวคือ เป็นเรื่องของการพิจารณาหาขนาดของ bolt ที่เหมาะสมในกรณีที่
(1) end-plate มีความหนามาก และไม่เกิดการยืดตัวจนทำให้เกิดพฤติกรรม prying action
(2) end-plate มีความหนาปานกลาง ทำให้เกิด prying action และ
(3) end-plate บางมากๆ ทำให้เกิด maximum prying action
ดังนั้นจะเห็นว่า ความหนาของ end-plate นั้นจะไปมีความสัมพันธ์กับ bolt แบบแปรผกผันกัน (รูปที่ 9) หากออกแบบให้ end-plate มีความหนามากๆ ก็จะทำให้ไม่ต้องใช้ bolt ที่มีขนาดใหญ่นัก แต่กลับกัน หากออกแบบ end-plate ที่มีความหนาน้อยๆ ก็จะต้องเลือกใช้ bolt ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น เพื่อที่จะรับที่มีผลของ prying force เข้าไปด้วยนั่นเองครับ
หลักการออกแบบ
ในคู่มือเล่มนี้ จะแบ่งการออกแบบเป็น 2 วิธี นะครับ คือ
- ไม่ยอมให้เกิด prying action แบ่งเป็น design procedure 1
- ยอมให้เกิด prying action เป็น design procedure 2
แตกต่างจาก Design Guide No.4 ที่จะเป็นการออกแบบที่ไม่ยอมให้เกิด prying action เลย ซึ่งจะแสดง flow chart ในการคำนวณไว้ใน 3 รูปหลังสุดนะครับ คือ รูปที่ 10 – 13 ส่วนตัวอย่างและการอธิบายที่มาของสมการ จะขอยกไปในโพสต์ถัดๆ ไปนะครับ เนื่องจากมีเนื้อหาที่ค่อนข้างจะยาวพอสมควร
