หลักในการออกแบบ Cold-Formed Purlin
วันนี้เราลองมาดูวิธีการออกแบบ cold-formed purlin กันสักนิดครับว่า หากต้องการคำนวณด้วยมือแล้ว สามารถทำได้ยากหรือง่ายอย่างไร แต่อย่างที่เคยเรียนให้ทุกท่านทราบไปว่า การออกแบบ cold-formed section นั้น จะต้องมีความเชี่ยวชาญและชำนาญพอสมควร
เนื่องจากการออกแบบหน้าตัดคานที่มีความบางค่อนข้างมาก และมีการพับขึ้นรูปเป็นให้มีส่วนเขี้ยวที่ทำให้หน้าตัดไม่ได้สมมาตรกันทั้ง 2 แกน อีกทั้งพฤติกรรมของตัว member เองก็ยังต้องมีการพิจารณาที่แตกต่างกันออกไปอีก ย้อนอ่านได้ทาง Click !
จากโพสต์ก่อนหน้านี้เคยได้พูดถึงวิธีการคำนวณเหล็กรูปตัว C ที่เป็น Hot-Rolled Section กันไปแล้ว ซึ่งการคำนวณกำลังรับน้ำหนักค่อนข้างตรงไปตรงมา ไม่มีความซับซ้อนมากมายนัก สามารถอ่านได้จากลิงค์นี้ แต่ก็เป็นหน้าตัดที่ในปัจจุบันไม่นิยมเอามาใช้เป็นแปรับหลังคามากนักเนื่องจากน้ำหนักของหน้าตัดที่มาก แต่จะเอาไปใช้เป็นเหล็กรางน้ำแทนซะมากกว่า
ดังนั้น จึงอยากพูดถึงเหล็กอีกชนิดหนึ่ง ที่นิยมนำมาใช้เป็นแปรับหลังคาครับ ซึ่งก็คือ Cold-Formed Steel Section หรือที่เราเรียกว่า “เหล็กรูปพรรณขึ้นรูปเย็น” โดยจะเป็นการแปลแบบ word by word เลย คือ Cold = เย็น Formed = ขึ้นรูป Steel = เหล็ก Section = รูปพรรณ
โดยคำๆ นี้หลายๆ ท่านมักจะเรียกผิดไปเป็นเหล็กรีดเย็น ซึ่งจะให้ความหมายที่แตกต่างออกไปนะครับ เนื่องจากรีดเย็นเป็นกระบวนการรีดเหล็กแผ่นในอุณหภูมิห้อง เพื่อให้เหล็กบางลงนั่นเองครับ แต่การขึ้นรูปเย็นจะหมายถึงการพับเหล็กเพื่อให้เกิดรูปร่างที่ต้องการ
Code สำหรับการออกแบบ Cold-Formed Purlin
ซึ่งด้วยความบางของเหล็กและการพับขึ้นรูปแบบที่ทำให้ลักษณะของเหล็กมี Lip นั้น ก็ทำให้พฤติกรรมการวิบัติของหน้าตัดแตกต่างออกไปจากเหล็ก Hot-Rolled Steel Section หรือ Built-Up Section ครับ โดยพฤติกรรมการวิบัติก็จะมีอยู่ 3 รูปแบบหลักๆ คือ
1. Local Buckling
2. Distortional Buckling (ลักษณะเฉพาะที่เกิดใน Cold-Formed Steel) และ
3. Lateral Torsional Buckling ครับ
Cold-Formed Steel Section ที่นำมาใช้เป็นแปเหล็กรับหลังคา การคำนวณกำลังรับน้ำหนักของหน้าตัดโดยทั่วไปแล้วก็จะมี code ให้ follow อยู่หลาย code ครับ เช่น AISI ของอเมริกา หรือ AS/NZS ของออสเตรเลีย/นิวซีแลนด์ เป็นต้นครับ
ในโพสต์นี้จะขอนำเสนอในส่วนของ AISI Standard (AISI S100-16) ซึ่งคิดว่าวิศวกรในไทยจะค่อนข้างคุ้นเคยกว่าเนื่องจากจะมีการใช้ safety factor = 1.67 ตาม ASD และ resistance factor = 0.9 ตาม LRFD ตามที่ใช้ในการคำนวณองค์อาคารรับแรงดัดทั่วไป แต่ความแตกต่างก็คือ วิธีการคำนวณ ซึ่งในที่นี่ได้พูดถึงอยู่ 2 วิธีด้วยกัน คือ
1. Effective Width Method และ
2. Direct Strength Method ซึ่งการคำนวณทั้ง 2 วิธีนี้ จะมีขั้นตอนการคำนวณที่แตกต่างกัน
วิธีการออกแบบ Cold-Formed Steel Section
โดยวิธีแรก Effective Width Method จะเป็นวิธีการคำนวณที่คล้ายๆ กับการ Trial & Error ซึ่งจะต้องทำการคำนวณซ้ำไปซ้ำมาเพื่อหาหน้าตัดประสิทธิผล และ Elastic Section Modulus ประสิทธิผล, Se เพื่อใช้ในการคำนวณ
โดยมี concept ว่าเมื่อหน้าตัดเกิดการโก่งเดาะ ตำแหน่งของ Neutral Axis ก็จะเปลี่ยนไป ทำให้ต้องหาค่า Elastic Section Modulus ใหม่นั่นเองครับ แต่วิธีนี้สามารถคำนวณด้วยมือได้ตั้งแต่ขั้นตอนแรกไปจนขั้นตอนสุดท้ายเลย โดย Step คร่าวๆ ก็คือ
1. การคำนวณหาคุณสมบัติของหน้าตัด เช่น ตำแหน่งของ Centroid ตำแหน่งของ Shear Center ค่า Torsional Constant และ ค่า Warping Constant เป็นต้น
2. การคำนวณคุณสมบัติประสิทธิผลของหน้าตัด เช่น การหา Effective Elastic Section Modulus, Se และพื้นที่หน้าตัดประสิทธิผล, Ae และ
3. การหากำลังรับน้ำหนักของหน้าตัด
ส่วนวิธีที่ 2 Direct Strength Method จะเป็นวิธีที่ต้องใช้ software เข้ามาช่วย เนื่องจากจะต้องนำค่าจาก Buckling Curve หรือ Signature Curve ที่ผ่านการวิเคราะห์แบบ Finite Strip มาใช้ในการคำนวณต่อครับ ซึ่งการคำนวณด้วยวิธีนี้จะ optimize หน้าตัดได้ดีกว่าเล็กน้อยครับ
สำหรับวิธีการคำนวณแบบลงรายละเอียดขอยกไปเป็นโพสต์หน้านะครับ เนื่องจากอยากเกริ่นถึง concept คร่าวๆ ในการพิจารณา Cold-Formed Steel Section และ code ที่ใช้ในการคำนวณก่อนประมาณนี้ครับ หากท่านใดสนใจเรื่องการวิเคราะห์หน้าตัด cold-formed purlin ด้วย software สามารถอ่านลิงค์นี้ได้เลย Click !