หลักในการออกแบบ moment connection สำหรับเสาเหล็ก HSS (Beam Over HSS Column)
จากโพสต์ก่อนหน้านี้ ที่ทางทีมงานได้นำเสนอหลักในการออกแบบและตัวอย่างการคำนวณ flange plate moment connection ไป สำหรับวันนี้ เลยอยากจะนำเสนอ moment connection อีกรูปแบบที่ค่อนข้างน่าสนใจ และเหมาะที่จะนำมาใช้ร่วมกับเสาที่มีลักษณะเป็นแบบเหล็กรูปพรรณกลวง หรือ Hollow Steel Section, HSS ( moment connection สำหรับเสาเหล็ก HSS ) ครับ
ซึ่งเราเรียก connection แบบนี้ว่า Beam Over HSS Column ก็คือ การวางคานลงบนหัวเสาเลย โดยมีแผ่น plate รองใต้หัวเสา และทำการยึดคานก็แผ่น plate ด้วย bolt ครับ
ลักษณะของ moment connection ที่เหมาะสมกับการนำมาใช้ร่วมกับ HSS column
จาก AISC Design Guide เล่มที่ 24 ได้มีข้อแนะนำเกี่ยวกับ moment connection ที่เหมาะสมและสามารถนำมาใช้ร่วมกับคานเหล็กที่มีลักษณะเป็น H shape และเสาเหล็กกล่อง หรือ HSS column ได้อยู่ 7 รูปแบบด้วยกัน คือ
1. HSS through – plate flange plated
2. HSS cut-out plate flange plated
3. HSS directly welded
4. HSS end plate
5. HSS above and below continuous beam
6. HSS welded tee flange
7. HSS diaphragm plate
ซึ่งในวันนี้เราจะมาคุยกับถึง moment connection ที่อยู่ในรูปแบบที่ 5 กันนะครับ นั่นก็คือ HSS below continuous beam
แต่ก่อนอื่น ขอเล่าข้อจำกัดของการใช้ design guide เล่มนี้ก่อนนะครับ ซึ่งทาง AISC ได้แนะนำไว้ว่า ข้อมูลทั้งหมดนี้ จะสามารถใช้ได้กับอาคารที่ตั้งอยู่ในบริเวณที่ไม่ต้องพิจารณาเรื่องแผ่นดินไหวเท่านั้น ซึ่งการเลือกใช้รูปแบบของ connection นี้ จะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบหลักๆ 4 อย่างด้วยกัน คือ
1. ขนาดของโมเมนต์ที่จะถ่ายไปยังเสา HSS
2. ขนาดของโมเมนต์ที่จะถ่ายผ่าน HSS
3. ขนาดของแรงในแนวแกนที่ HSS จะต้องรับ
4. การได้ฉากของโครง frame
Continuous beam Over HSS Column
รูปแบบของ connection แบบนี้ ถือว่าเป็นรูปแบบที่ให้ประสิทธิภาพที่ค่อนข้างจะดีทีเดียว สำหรับอาคารชั้นเดียว (single story construction) นะครับ แต่สิ่งที่จะต้องระวังก็คือ เรื่องของเสถียรภาพ หรือ stability issues เนื่องจากว่า คานที่วางเทิร์นอยู่บนหัวเสานั้น จะถูกค้ำยันทางด้านข้างจากพื้นด้านบนเท่านั้น
นั่นแปลว่า การค้ำยันเกิดขึ้นที่บริเวณ top flange เท่านั้น ส่วนบริเวณที่วางอยู่บนหัวเสานั้น มีโอกาสที่จะเกิด out-of-plane motion เนื่องจากมี flexural stiffness ที่ค่อนข้างน้อย เนื่องจากพิจารณาจาก beam web เท่านั้น ดังนั้นแล้ว การแก้ปัญหานี้ก็คือ การติดตั้ง stiffener เสริมเข้าไปบริเวณ web ของคานในตำแหน่งที่วางบนหัวเสาครับ
ดังนั้น limit states ที่เราจะต้องพิจารณาสำหรับ moment connection รูปแบบนี้ หลักๆ แล้วก็ต้องพิจารณาการวิบัติที่อาจเกิดขึ้นกับ (1.) คาน (2.) แผ่น plate บนหัวเสา และ (3.) เสา HSS เนื่องจากแรงที่ส่งผ่านลงมาจากคาน ทั้ง axial force และ moment
ก่อนที่เราจะเช็ค limit states นั้น เราต้องพิจารณาแรงภายในที่เกิดขึ้นเสียก่อน เนื่องจากคานที่เป็น continuous beam แล้ว ดังนั้น แรงภายในที่จะขึ้นบริเวณ connection ก็หนีไม่พ้นที่จะต้องเกิด axial force และ moment ขึ้นพร้อมๆ กัน
ดังนั้นเราจึงต้องพิจารณาแรงในส่วนนี้ก่อนว่า axial force และ moment ที่เกิดขึ้นนี้ คิดเป็นแรงดึงและแรงอัดเท่าไหร่ โดยขั้นตอนในการคำนวณจะมีด้วยกันอยู่ 8 ขั้นตอน ซึ่งใน 8 ขั้นตอนนี้ จะเป็นการตรวจสอบ limit states อยู่ด้วยกัน 6 รูปแบบ ดังนี้
1. การคำนวณหาแรงอัดและแรงดึงสูงสุดที่เกิดขึ้นเนื่องจาก axial force และ moment
2. ตรวจสอบความหนาของ bottom flange และ plate ว่ามีความหนาเพียงพอในการป้องกันการเกิด prying action หรือไม่
3. ตรวจสอบ Bolt tensile rupture เนื่องจาก bolt ฝั่งที่รับแรงดึงจะต้องมีจำนวณที่เพียงพอในการต้านทานแรงที่เกิดขึ้นให้ได้
4. ตรวจสอบ Beam Web Local Yielding เนื่องจาก web อาจจะเกิดการยู่ได้เนื่องจากมี concentrated load มากระทำ ซึ่งในขั้นตอนนี้สามารเปิด AISC 360-16 ใน chapter J ได้นะครับ ในสมการที่ J10-2 หรือ J10-3 โดยเราจะต้องทำการตรวจสอบ bearing length, lb เสียก่อนว่ามีระยะที่มากกว่าหรือน้อยกว่าความลึกของคาน เพื่อทำการเลือกสมการที่จะนำมาใช้ได้อย่างถูกต้อง
5. ตรวจสอบ Beam Web Crippling เช่นเดียวันครับ คือ web ต้องรับ concentrated load ก็อาจเกิดการ crippling ได้ ซึ่งตรงนี้ก็จะตรวจสอบได้จากสมการที่ J10-4 J10-5a J10-5b ต่อเนื่องกันมาเลย
6. ตรวจสอบ HSS Wall Local Yielding เนื่องจากแรงที่ถ่ายลงมายังหน้าตัดของเสานั้น อาจจะไม่สามารถถ่ายแรงลงมาได้เต็มหน้าตัด เนื่องจากแรงกดที่ถ่ายมาจาก web นั้น ถ่ายแรงลงมาทำมุมแบบ 2.5:1 หรือประมาณ 28.1 องศา
ซึ่งหากเราตรวจสอบแล้ว bearing length มีค่าน้อยกว่าความกว้างของเสา HSS แล้ว แรงที่ถ่ายลงมาจะกระทำลงไม่เต็มหน้าเสา แต่จะกระทำลงบนผนัง (HSS wall) 2 ด้านแทน ซึ่งใน design guide เล่มนี้ ก็จะมีสมการและรายละเอียดในการพิจารณามาให้เรานะครับ
7. ตรวจสอบ HSS Wall Local Crippling คล้ายๆ กับ limit state ก่อนหน้านี้ (local yielding) นะครับ ก็คือการตรวจสอบว่าแรงที่ถ่ายลงมา สามารถถ่ายลงหน้าเสาได้เต็ม 4 ด้านหรือไม่ จากนั้นก็ทำการเลือกสมการที่เหมาะสมมาใช้ในการตรวจสอบ
8. ตรวจสอบว่า ควรจะใช้รอยเชื่อมที่มีขนาดเท่าไหร่ Weld Leg Size โดยพิจารณาจากแรงดึงที่เกิดขึ้นกับ bolt ทั้ง 2 ทิศทาง โดยวัดจากระยะ center ของ bolt ถึงหน้าเสา โดยด้านไหนที่เกิดแรงดึงมากกว่ากัน ก็เลือกกรณีนั้นมาพิจารณาเพื่อหาว่า ขนาดของรอยเชื่อมที่เหมาะสมควรมีค่าเท่าไหร่
โดยหลักการทั้งหมด ก็จะมีประมาณนี้นะครับ สำหรับตัวอย่าง เดี๋ยวจะเอามานำเสนอให้กับทุกท่านดูอีกครั้งนึง