การคำนวณแรงเพื่อ ออกแบบ gusset plate connection : หัวข้อนี้เราอาจไม่ค่อยคุ้นเคยกันนักนะครับ เพราะบ้านเรา การออกแบบและการก่อสร้างระบบรับแรงด้านข้าง (lateral system) ของงานอาคารสูง (multi-story building) เกือบทั้งหมดเป็นระบบผนังคอนกรีตเสริมเหล็กรับแรงเฉือน หรือ reinforced concrete shear wall system แต่อย่างไรก็ดี เป็นประเด็นที่น่าสนใจ จึงขอนำมาฝากกันครับ

หลักการสำคัญของหัวข้อนี้ ก็เหมือนกับการคำนวณออกแบบรอยต่อ จุดต่อ หรือ ข้อต่อโครงสร้างเหล็ก ที่เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า steel connection คือ

1) #กำลังต้องมากกว่าแรง โดยพิจารณาระดับความเสี่ยงด้วย เช่น นำ FS ไปหารกำลัง ต้องมากกว่าแรง หากพิจารณา ASD

2) #คิดกำลังทุกรูปแบบการวิบัติ หรือ limit state

3) #คิดแรงที่ศูนย์กลางของกำลัง ถ้าเยื้องศูนย์ต่อพิจารณาผลที่เกิดขึ้น

ข้อ 3) เป็นอะไรที่วิศวกรผู้ออกแบบโครงสร้างเหล็กในบ้านเรามักจะละเลยกัน ด้วยอาจจะยังขาดประสบการณ์ก็ดี หรืออาจจะไม่ได้พิจารณา load path บริเวณ จุดต่อโครงสร้างเหล็กด้วยก็ดี ประเด็นนี้จึงสำคัญมากๆ สำหรับการออกแบบ steel connection ให้แข็งแรงปลอดภัย

จุดต่อ gusset plate วิศวกรหลายๆ ท่านอาจไม่ได้ให้ความสำคัญมาก เพราะคิดว่าแรงมัน “ตรงศูนย์” อยู่แล้ว เราสามารถหาแรงที่กระทำกับ connection เพื่อไปคำนวณเทียบกับกำลัง ได้โดยการ แตก sine แตก cos ของแรงที่คำนวณได้ใน diagonal member แล้วก็เสร็จสิ้น ซึ่ง #ไม่ถูกต้อง นะครับ

หรือ จุดต่อ gusset plate เข้ากับ column ไม่ได้มีเฉพาะ vertical force ที่เราแตก sine จาก diagonal member “และ” จุดต่อ gusset plate เข้ากับ beam ไม่ได้มีเฉพาะ horizontal force ที่เราแตก cos จาก diagonal member เท่านั้น แต่ จุดต่อ gusset plate เข้ากับ column มีทั้ง vertical force และ horizontal force เช่นเดียวกับ จุดต่อ gusset plate เข้ากับ beam

หรือ รายละเอียดที่เราออกแบบการต่อ gusset plate เข้ากับ column และ beam จะมีแรงกระทำทั้ง 2 แกน คือ vertical และ horizontal force (หรือหากติดตั้ง gusset plate เข้ากับ column และ beam ด้วย bolt แล้ว bolt บางตัว ก็จะรับทั้ง tension และ shear นั่นเอง)

วิธีการพิจารณาแรงที่เกิดขึ้นมีหลายวิธีนะครับ แต่วิธีที่ได้รับความนิยมกันอย่างแพร่หลาย เรียกว่า วิธี Uniform Force Method หรือ #UFM รายละเอียดวิธีการพิจารณาเป็นไปดังรูปที่แนบนะครับ ค่อนข้างตรงไปตรงมา สิ่งสำคัญคือ #หลักการต้องแม่นก่อน

# ออกแบบ gusset plate