ออกแบบโครงสร้างเหล็กอย่างไรให้ประหยัด Economy in Steel Practical information for designers

โดย Carter, Murray and Thornton ตีพิมพ์โดย American Institute of Steel Construction (AISC)

ข้อมูลที่นำเสนอนี้แม้ว่าจะเก่าพอสมควร แต่ก็มีหลายส่วนที่ applicable จนกระทั่งปัจจุบัน โดยผู้เขียนได้กล่าวเริ่มต้นจากองค์ประกอบของต้นทุนหลักๆ ในงานโครงสร้างเหล็กว่า ประกอบไปด้วย ต้นทุนค่าวัสดุ (material cost) ต้นทุนค่าแรงในการแปรรูป (fabrication labor cost) ต้นทุนค่าแรงในการประกอบติดตั้ง (erection labor cost) ซึ่งเป็นต้นทุนหลักในการก่อสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กที่แปรรูปมาจากโรงงานเพื่อมาประกอบติดตั้งที่หน้างาน (prefabricated steel structure) ซึ่งเหมาะกับประเทศที่ค่าจ้างแรงงานสูงและคนงานก่อสร้างที่มีฝีมือหาได้ยาก ซึ่งน่าจะเหมาะกับประเทศไทยมายิ่งขึ้นเมื่อเทียบกับหลายสิบปีก่อน

จากข้อมูลที่ AISC ได้รวบรวมไว้พบว่า ต้นทุนงานก่อสร้างในช่วงปี 1983-1998 (ราว 30-40 ปีก่อน ซึ่งน่าจะห่างจากบ้านเราไม่มากนัก ณ ปัจจุบัน พิจารณาบนสมมติฐานที่ว่า salary gap ของบ้านเราล้าหลังกว่าประเทศสหรัฐอเมริการาว 40-50 ปี) ต้นทุนหลักราว 60% เป็นค่าแรง 25% เป็นค่าวัสดุ และราว 15% เป็นต้นทุนอื่น ๆ เช่น ค่าพลังงาน ค่าประกันภัย ค่า protection ฯลฯ

จะเห็นได้ว่า “คน” ถือเป็นต้นทุนหลักในงานก่อสร้าง ดังนั้นการลดปริมาณ “คน” ให้มาเกี่ยวข้องกับงานก่อสร้างให้ได้มากที่สุดย่อมจะสามารถลดต้นทุนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด

สิ่งสำคัญในการลดปริมาณ “คน” คือการ “เคลียร์” ให้เกิดงานแก้ไขน้อยที่สุด ด้วยการสื่อสารที่มีประสิทธิผล (effective communication) คุยให้ชัดเจน ในเรื่องบทบาทหน้าที่ความรับผิดชอบในภาพรวม และเคลียร์รายละเอียด (detail) ที่ในส่วนที่เป็น cost factor ที่สำคัญ ตลอดจนส่วนที่กระทบกับ critical path (ซึ่งปัจจุบันนี้ ระบบ BIM เข้ามามีส่วนช่วยให้การสื่อสารเกิดความชัดเจนขึ้น และมีการบันทึกอย่างเป็นระบบ สามารถ trace ได้อย่างรวดเร็ว)

อย่างไรก็ดี บทบาทหน้าที่ความรับผิดชอบที่ชัดเจน ควรมี “ธรรมนูญ” หรือข้อตกลงที่เป็นมาตรฐาน เป็นกรอบกำกับไว้ของทุก party ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งในสหรัฐอเมริกา ก็มี AISC Code of Standard Practice โดยเป็นที่เข้าใจตรงกันว่า “หากไม่ตกลงกันเป็นอย่างอื่น ให้ถือว่า” บทบาทหน้าที่และความรับผิดชอบของแต่ละฝ่าย จะเป็นไปดังเอกสารฉบับดังกล่าว ระบุชัดเจนถึงระยะเวลาในการโต้ตอบเอกสารหนึ่ง ๆ ว่าจะให้เวลากับผู้ตรวจสอบไม่เกินกี่วัน มิฉะนั้นจะถือว่าผู้ตรวจสอบให้การอนุมัติ … ซึ่งตรงนี้ ยังไม่ปรากฏว่าบ้านเราจะมี “ธรรมนูญ” ลักษณะดังกล่าวนี้ให้อ้างอิง ส่งผลให้ “ความชัดเจน” ไม่ถึงกับ “ชัดเจน” มากนัก

  หน้า 3

• ระมัดระวัง การกำหนด spec ของสีที่ใช้ ไม่ว่าจะเป็นสีกันสนิม หรือสีกันไฟ ให้เกิดความสอดคล้อง (compatible) กัน
• การกำหนดให้เคลือบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (hot dipped galvanizing) จะต้องพิจารณาขนาดของชิ้นส่วนให้เหมาะสม ไม่ให้ใหญ่จนเกินขนาดบ่อชุบ มิฉะนั้นจะต้องทำการชุบหลายรอบอันส่งผลต่อค่าดำเนินการชุบที่เพิ่มสูงขึ้นมาก
• พยายามเลี่ยงไม่ระบุ “ยี่ห้อ” หรือ “รุ่น” ของ ผลิตภัณฑ์ แต่ควรระบุเป็นชื่อทั่วๆ ไป เช่นสีกันสนิม ระบุว่าเป็นสีอีพ๊อกซี่ ไม่ระบุว่าเป็นสี hardtop ซึ่งเป็นหนึ่งในรุ่นของผลิตภัณฑ์สียี่ห้อหนึ่ง
• ควรระบุรายละเอียดของ “เหล็กโครงสร้าง” ให้ชัดเจนและครบถ้วนใน structural drawing ทั้งนี้ อาจพิจารณาแบบ architectural mechanical และ electrical drawings ประกอบเพื่อสอบทวนรายละเอียดในจุดสำคัญ ๆ (ตรงนี้ 3D BIM Model มีส่วนช่วยแก้ปัญหาได้เยอะมากครับ)
• แจกแจงบทบาทหน้าที่ความรับผิดชอบของงานเหล็กที่ไม่ใช่งานโครงสร้าง (non-structural and miscellaneous steel) ให้ชัดเจน เช่น วงกบประตูหน้าต่าง สมอยึดผนังก่ออิฐ โครงลิฟท์ จุดต่อรับ precast
• พยายามเลี่ยงการใช้ภาษาที่ “ตีขลุม” อาจจะฟังดูดีในทางกฎหมาย แต่ในทางกลับกันเป็นสิ่งที่คลุมเคลือ และอาจส่งผลต่อการโต้แย้งที่ตามมาในหลากหลายประเด็น ทำให้เสียเวลาและอาจะเสียค่าใช้จ่ายในการฟ้องร้อง
• อ้างอิง “ความคลาดเคลื่อน (tolerance)” ที่เป็นที่ยอมรับ เช่น ในสหรัฐอเมริกา อ้างอิง AISC Code of Standard Practice เป็นต้น

 หน้า 4

• ระบุเงื่อนไขการทาสีเท่าที่จำเป็น เช่น เหล็กโครงสร้างที่อยู่ในอาคาร หรือมีการหุ้มด้วยคอนกรีตไม่จำเป็นต้องทาสี และพยายามเลี่ยงการทาสีมาจากโรงงานยกเว้นเสียแต่จะมั่นใจว่าสามารถขนส่งและยกประกอบติดตั้ง โดยไม่เกิดปัญหากับ top coat (มาตรฐานงานสีในสหรัฐอเมริกา อ้างอิงมาตรฐานจากสมาคมที่ชื่อว่า Society for Protective Coatings (เดิมชื่อ Steel Structures Painting Council) หรือ SSPC
• ใช้ H-beam (wide flange) กำลังสูง Fy ราว 350 MPa (50 ksi) เพราะหาได้ไม่ยาก ราคา (SM520 หรือ A992) ไม่สูงกว่าเหล็กเกรดปกติ (SS400 หรือ A36) เมื่อเทียบกับกำลังที่ได้รับ
• สำหรับเหล็กแผ่นและเหล็กฉาก พยายามใช้ SS400 (A36) เป็นหลัก เพราะหาได้ง่ายกว่า และราคาไม่สูงเท่ากับเหล็กแผ่นและเหล็กฉากเกรดสูง
• ใช้หน้าตัดจำพวกท่อ (Hollow Structural Section, HSS) หากสามารถทำได้ เพราะมีพื้นที่ผิวน้อย ส่งผลต่อต้นทุนการทา/พ่น สี และให้ความแข็งแรงในการรับแรงอัดได้ดี
• อย่ากำหนดค่าโค้งหลังเต่า หรือ camber ให้น้อยกว่า 20 mm เพราะจะทำได้ยาก แต่ในทางกลับกันก็ไม่ควรกำหนด camber ให้มากจนเกินไป โดยหลักการแล้ว camber เป็นค่าที่ชดเชย deflection อันเนื่องมาจากน้ำหนักตัวของโครงสร้าง หรือ dead load การกำหนด camber เพื่อให้คานที่นำมาติดตั้งยังหน้างาน ได้ระดับ ไม่เกิดการแอ่นตัวภายหลังจากการยกติดตั้ง อันส่งผลให้ปริมาณคอนกรีตที่เทเป็นส่วนของพื้นไม่เพิ่มสูงขึ้นมากจากผลของการแอ่นตัวของคาน แต่อย่างไรก็ดีพึงตระหนักว่า คานช่วงเดี่ยวนี้ที่ปลายไม่ได้เป็น 100% pin หรือ roller จะมี fixity อยู่บ้างจนไม่ทำให้การแอ่นตัวสูงดังที่คำนวณ ซึ่งโดยหลักปฏิบัติ อาจพิจารณาค่า camber ประมาณ 2/3 หรือ 3/4 ของค่าที่คำนวณได้
• พยายามออกแบบโครงสร้างเหล็กโดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณที่เป็น panel zone ของ moment frame มีปริมาณการเสริม stiffener ลดน้อยลง เน้นการเพิ่มขนาด ความหนาของ flange หรือ web ของ hot-rolled section แทน เพราะการเสริม stiffener ใช้แรงงานเยอะมาก (เช็ค cost กับ fabricator ในประเทศด้วยครับ)
• ลดปริมาณการต่อทาบ (splice) เสาให้มากที่สุด ด้วยการออกแบบให้เสา 1 ท่อนยาวมากที่สุดเท่าที่จะขนส่งได้ ทั้งนี้ตำแหน่งของการ splice ควรอยู่สูงจากระดับพื้นของชั้นราว 120 cm เพราะเป็นระดับที่ทำงานได้ง่าย (เช็ค cost กับ fabricator ในประเทศด้วยครับ)
• ออกแบบให้ฐานเสายึดกับตอม่อด้วยสลักสมอ anchor rod อย่างน้อย 4 ตัว เพื่ออำนวยให้เสามีเสถียรภาพในระหว่างการติดตั้ง ต้านทานลมและรองรับน้ำหนักจากคนงานที่ปีนขึ้นไปติดตั้งได้ (และ footing ก็ต้องเพียงพอด้วยเช่นกัน) โดยไม่ควร detail ให้หลากหลายจนเกินไป เพราะงาน anchor rod installation ต้องทำร่วมกับคนงานคอนกรีตตอม่อที่หน้างาน รายละเอียดที่หลากหลายและซับซ้อนจะทำให้งานเกิดความผิดพลาดได้ง่าย

 หน้า 5

• เลี่ยงการใช้เหล็กรูปพรรณรีดร้อนกับโครงหลังคา ตลอดจน miscellaneous steel เช่น ชิ้นส่วนกันคอนกรีตสด concrete pour stop ที่ติดตั้งเข้ากับคานตัวริมอาคารสำหรับการเทคอนกรีตพื้น
• เลี่ยงการกำหนดขนาดและเกรดของ bolt ที่มากจนเกินไป เพราะจะควบคุมคุณภาพในระหว่างการติดตั้งที่หน้างานได้ยาก (ต้นทุนค่าใช้จ่ายการควบคุมงานสูงขึ้น อาจส่งผลต่องานแก้ไขมากตามไปด้วย) ทั้งนี้ไม่ควรกำหนด bolt ให้มีขนาดใหญ่เกินกว่า M24 (1”) เพราะจะต้องใช้อุปกรณ์การขันพิเศษที่อาจไม่ได้นำมาใช้กันทั่วไปในทางปฏิบัติ
• กำหนดขนาดรูเจาะให้เหมาะสมกับลักษณะทางโครงสร้าง และอำนวยให้การติดตั้งสามารถทำงานได้ง่าย ซึ่งอาจพิจารณารูเจาะขนาดใหญ่กว่ามาตรฐาน (oversized hole) หรือรูเจาะร่อง (slotted hole) แทนรูเจาะมาตรฐาน (standard hole)
• Spec ของ bolt และ anchor rod เป็นคนละ spec กัน ในอเมริกา bolt อ้างอิง ASTM A325 A490 ในขณะที่ anchor rod อ้างอิง ASTM F1554 ซึ่งกำหนดลักษณะของวัสดุตามเกรดเหล็กพื้นฐาน เช่น A36 (เทียบเท่า SS400) A572 (เทียบเท่า SS SM490) สำหรับประเทศไทย bolt มักอ้างอิง ISO 898-1 แบ่งเป็น class 5.5 8.8 และ 10.9 ส่วน anchor rod จะหลากหลายมาก โดยส่วนใหญ่จะระบุเกรด SS400 หรืออาจระบุเป็นอย่างอื่น เช่น 8.8 A307 (ประมาณ ISO class 5.5) หรือ SS490 ทั้งนี้ผู้ออกแบบต้องสอบถามจากบริษัทผู้ผลิตด้วยครับ
• ออกแบบให้ bolt ขันแน่นพอดี (snug tight) ให้มากที่สุดเท่าที่จะสามารถทำได้ เพราะประหยัดที่สุดในด้านการควบคุมคุณภาพ และให้กำลังที่สูงกว่าการติดตั้ง bolt แบบเลื่อนวิกฤต (slip critical) ซึ่งต้องเสียค่าใช้จ่ายในการขันให้แน่น และการทำพื้นผิวให้ฝืด ตลอดจนได้กำลังรับแรงเฉือนที่ต่ำกว่าแบบ snug tightened bolt ด้วย
• หากจำเป็นต้องมีการขันแน่น ควรระบุให้สามารถตรวจสอบการขันแน่นทั้ง 4 วิธี คือ (1) การหมุนแป้นเกลียว หรือ turn-of-nut method (2) การใช้สลักเกลียวหางขาด หรือ twist-off tension-controlled bolt (3) การใช้ประแจอ่านค่า torque หรือ calibrated wrench method และ (4) การใช้แหวนรองแสดงค่าแรงดึง หรือ Direct tension indicator

 หน้า 6

• ออกแบบกำลังของจุดต่อให้พอเหมาะกับแรงที่กระทำ ไม่ออกแบบตามกำลังของ member (ที่เรียกว่า capacity design) เพราะมีแนวโน้มจะสิ้นเปลืองมาก
• แม้ว่า bolt อาจจะเกลียวไม่เต็มตลอดแกน สำหรับชิ้นงานที่บางอาจรับแรงเฉือนโดยไม่ผ่านร่องเกลียว (X-type: eXclude thread in shear plane) แต่ในทางปฏิบัติควรพิจารณาออกแบบให้สลักเกลียวรับแรงเฉือนผ่านร่องเกลียว (N-type: iNclude thread in shear plane)
• พิจารณาพฤติกรรมการงัด prying action ซึ่งเกิดจากการเสียรูปของส่วนที่ยึดเข้ากับ bolt เมื่อรับแรงดึง ที่เรียกว่า fitting อันส่งผลให้ bolt รับแรงดึงเพิ่มขึ้น (จากผลของแรงงัด) ดังนั้นหากสามารถทำได้ ควรเริ่มจากการออกแบบให้ fitting มีความหนาจนไม่เกิดพฤติกรรมการงัด แต่หากไม่สามารถเพิ่มความหนาได้ จึงมาคำนวณแรงดึงที่เกิดขึ้นกับ bolt จากผลของการงัด
• ตระหนักว่า ขนาดรอยเชื่อมมีผลต่อปริมาณวัสดุเชื่อมและระยะเวลาในการเชื่อม นอกจากนี้การเชื่อมที่มากจนเกินไปอาจส่งผลต่อการบิดตัวของ member ได้
• ควรกำหนดให้การเชื่อมเป็นแบบ เชื่อมพอก หรือ ฟิลเลท หรือ fillet weld ก่อนการเชื่อมบากร่อง หรือ groove weld เพราะปริมาณงานเชื่อมมักจะน้อยกว่า และไม่สิ้นเปลืองค่าใช้จ่ายในการบากร่องทำขอบชิ้นงาน
• พิจารณาปริมาณงานเชื่อมที่พอเหมาะกับกำลังที่ต้องการ เทียบกับแรงงานที่ใส่ เช่น การเชื่อม 6 mm ยาว 30 cm ให้กำลังเท่ากับการเชื่อม 12 mm ยาว 15 cm แต่ การเชื่อมขนาด 12 mm ต้องใช้ปริมาณวัสดุเชื่อมและแรงงานที่ใช้ในการเชื่อมมากกว่า 6 mm ถึง 4 เท่า
• ควรกำหนดขนาดรอยเชื่อม fillet ให้ไม่เกิน 8 mm (5/16”) สำหรับการเชื่อม manual (ที่เรียกว่า Shield Metal Arc Welding: SMAW) เพราะเป็นขนาดที่ใหญ่สำหรับการเดินรอยเชื่อม 1 แนว (1 pass)
• ถ้าไม่จำเป็น ก็ไม่ต้องกำหนดให้เชื่อมทั้ง 2 ด้าน (both side welding) เช่น การเชื่อม stiffener ซึ่งเป็นส่วนที่ต้องการเสริมไม่ให้ส่วนของโครงสร้างเสียรูปได้ง่าย ซึ่งไม่ต้องการกำลังที่มากนัก
• หากสามารถดำเนินการได้ ควรกำหนดให้รอยเชื่อม “ไม่ต่อเนื่อง” เชื่อมเป็นช่วง ๆ ที่เรียกว่า intermittent weld เพราะช่วยลดความเสี่ยงต่อการบิดตัวจากความร้อนที่สูงของการเชื่อมต่อเนื่อง “ยกเว้น” กรณีที่เป็นจุดต่อต้านการล้า (fatigue)

 หน้า 7

• พิจารณาออกแบบรายละเอียดให้การเชื่อมหน้างาน เป็นไปในทิศทางบนลงล่าง (flat position) หรือทิศทางในแนวนอน (horizontal position) เพราะเชื่อมได้ง่ายกว่าท่าเชื่อมอื่น ๆ
• เลี่ยงที่จะกำหนดให้ “เชื่อมรอบ” เพื่อลดต้นทุน และในบางกรณีไม่สามารถดำเนินการได้ ทั้งในทางทฤษฎีและทางปฏิบัติ
• หากสามารถเลือก (โดยผู้ออกแบบ) ได้ พยายามกำหนดให้การเชื่อม groove weld เป็นแบบซึมลึกไม่เต็มความหนาของหน้าตัด partial joint penetration: PJP แทนการเชื่อมแบบซึมลึกเต็มความหนาของหน้าตัด complete joint penetration: CJP เพราะจะช่วยลดแรงงาน ลดวัสดุเชื่อม และ heat input อันส่งผลต่อการบิดตัวเสียรูปของ member ได้
• ผู้ออกแบบควรต้องประสานงานกับผู้แปรรูปถึงรูปแบบการเชื่อมที่เหมาะสม ไม่ส่งผลต่อการบิดตัวของ member จากปริมาณความร้อนในระหว่างการเชื่อม (และการตัดด้วยก๊าซ)
• ห้ามเชื่อมบนส่วนของโครงสร้างที่ผ่านการชุบสังกะสี เพราะนอกจากรอยเชื่อมจะมีความเสี่ยงต่อการเกิด defect แล้ว หากทำการเชื่อมในโรงแปรรูปที่การระบายอากาศไม่ดีเพียงพอ จะทำให้เกิดก๊าซที่เป็นอันตรายต่อช่างในโรงแปรรูปได้ โดยหากต้องทำการเชื่อมส่วนที่มีการชุบสังกะสี ต้องทำการสกัดส่วนดังกล่าวออกและทำการทาสีที่มีส่วนผสมของสังกะสี (cold zinc หรือ zinc rich paint) ภายหลังจาการเชื่อมแล้วเสร็จแทน
• เลี่ยงการใช้ แผ่นเหล็กที่จัดวางทะลุเสาท่อเหล็ก (through plate on HSS column) แต่แนะนำให้ใช้เหล็กแผ่นเชื่อมเข้ากับผนังท่อเหล็ก shear plate welded directly to column face แทน

#ออกแบบโครงสร้างเหล็กอย่างไรให้ประหยัด

#WeLoveSteelConstruction