การงัด Prying action (1)

หลายท่านคงเคยได้ยินสุภาษิตว่า อย่าเอาไม้ซี่ไป “งัด” ไม้ซุง

บางท่านคงเคยได้ยินสิ่งที่อคีมิดีส นักปรัชญาชาวกรีก ได้กล่าวไว้ว่า

“Give me a firm place to stand and a lever and I can move the Earth.”

และหลายท่านที่ทำงานช่างก็คงได้เคยงัดตะปูที่ตอกอยู่ออกจากไม้

ทั้งหมดนี้มันมาเกี่ยวอะไรกับ #การออกแบบจุดต่อโครงสร้างเหล็ก

ก่อนอื่นอยากให้ท่าน ตระหนักในเบื้องต้นก่อนว่า “#การงัด” เป็นการใช้ “คานงัด” หรืออุปกรณ์คล้ายคานงัด มาผ่อนแรง ในการขยับสิ่งหนึ่ง แน่นอนว่ามักเป็นหนึ่งในกิจกรรมที่เกิดขึ้นกับ “งานรื้อถอน” ซึ่งก็ไม่น่าจะเป็นสิ่งที่ทำกันในงานประกอบติดตั้งโครงสร้างเหล็ก

ในทางกลับกัน หากบางส่วนของโครงสร้างเหล็ก เกิดพฤติกรรมการงัดขึ้น จะโดยตั้งใจก็ดีหรือไม่ตั้งใจก็ดี ก็อาจเกิดผลในทางลบกับโครงสร้างเหล็กได้

ย้อนกลับไปที่หลักการพื้นฐานของการงัดคือ ต้องมี (1) คานงัด ยิ่งยาวยิ่งดี (2) แรงงัด หรือ #prying force (3) จุดที่มั่นคงที่จะสามารถวางฐานเพื่อการงัด ขอใช้คำว่า “จุดหมุน” โดยจะงัดได้ง่ายขนาดที่สามารถขยับโลกทั้งใบได้ ระยะจาก “จุดหมุน” ไปยัง object ต้องมีระยะที่สั้นมากๆ เมื่อเทียบกับระยะจาก “จุดหมุน” ไปยังจุดที่แรงกระทำ ซึ่งก็เป็นความรู้พื้นฐานตามหลักสมดุล

เช่นเดียวกับเวลาที่เรางัดตะปูออกจากแผ่นไม่ ด้วยค้อนหงอน ถ้ายิ่งด้ามค้อนยาวเท่าไหร่ การงัดก็ใช้แรงน้อยลงเท่านั้น ด้วยระยะจากจุดหมุนไปยังจุดที่แรงกระทำมากยิ่งขึ้น

มาพิจารณา #จุดต่อโครงสร้างเหล็กบางประเภท ที่เราพบเห็นกันทั่วไป ทั้งกับโครง PEB (Pre-engineered building) หรือ กระทั่ง connection plate หรือเหล็กฉาก angle หรือ T-shaped section ของ hanger ที่แขวนกับโครงสร้างหลัก “ด้วย bolt” รูปแบบจุดต่อของ flexural member ที่มีส่วนรับ tension หรือกระทั่งจุดต่อของ tension member ก็อาจส่งผลให้เกิดพฤติกรรม #การงัด ขึ้นได้

หากว่า end plate, angle หรือ T มีความ rigid มาก มีความหนามากเมื่อเทียบกับขนาดมิติด้านกว้างของแผ่นไปยังตำแหน่ง bolt เวลาที่เกิดการดึง ทั้ง end plate, angle หรือ T ซึ่งต่อไปจะขอเรียกว่า “fitting” หลายหลายประเภทดังกล่าวนี้ก็จะไม่เกิดการเสียรูป (อย่างมีนัยสำคัญ) ซึ่งแม้ว่าจะส่งผลให้เกิดแรงดึงกับ bolt แต่ก็ไม่เกิด #การงัด เพราะไม่เกิด “จุดหมุน” ขึ้น จากการ deform ของ fitting ที่มีความ rigid นั่นเอง

แต่อย่างไรก็ดี หาก fitting มีความบางพอสมควร เมื่อรับแรงดึงจนถึงระดับหนึ่งแล้ว fitting ดังกล่าวก็จะเกิดการ deform โดยจะเกิดจุดหมุนบริเวณขอบปลายของ fitting ผลที่เกิดขึ้นคือ bolt จะเกิดแรงดึงที่มากกว่าแรงที่กระทำกับ member (ที่ต่อเข้ากับ support ด้วย fitting ที่ประกบเข้าด้วย bolt) พฤติกรรมนี้เรียกว่า prying action

การพิจารณาโดยปกติทั่วๆ ไป แม้วาจะเกิด prying action หรือไม่เกิด prying action ก็ตาม การคำนวณความสามารถในการรับแรงที่ limit state ต่างๆ ทั้ง bending, shear yielding, shear rupture หรือ yield line ของ fitting ก็ยังคงต้องดำเนินการปกติต่อไป แต่หาก fitting มีความบาง limit state ที่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมคือ prying action ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงดึงใน bolt ที่เพิ่มขึ้น เพราะ bolt เกิด #การงัด จากเหตุผลที่ fitting มีความ #บาง จนเกิดการเสียรูปขึ้น

ก่อนจะไปสู่การพิจารณา prying action ในเชิงลึก ขอเพิ่มอีกประเด็น คือ #ปัจจัยจากการขันแน่นของ bolt ที่เรียกว่า pretension หรือ torque

การขันแน่น ส่งผลให้ bolt เกิดแรงดึงตังแต่ขณะติดตั้ง แรงดึงดังกล่าวนี้จะไป balance กับ bearing ระหว่างผิวสัมผัสของ fitting กับ support ที่จะกดเข้าหากัน

เมื่อเกิดแรงดึง (Tension, T) จาก member ถ่ายเข้าสู่ fitting ในช่วงแรกๆ bolt จะยังไม่ได้รับแรงเพิ่มขึ้นมากนัก แต่แรงดึง T ที่กระทำนี้จะไปลด bearing force ระหว่างผิวสัมผัสระหว่าง fitting กับ support ลง จนกระทั่งถึงจุดที่ หน้าผิวสัมผัสของ fitting กับ support แยกออกจากกัน เมื่อนั้นแล้ว แรงดึง T นี้ก็จะถ่ายเข้าสู่ bolt โดยตรง (แน่นอนว่า bearing = 0 และเกิด gap หรือ separation ระหว่าง fitting กับ support)

ในลำดับถัดไปนี้ จะมีตัวแปรที่เกี่ยวข้องหลายตัวนะครับ เช่น

T = แรงดึงของ member

B = แรงดึงใน bolt

b หรือ b’ = ระยะจาก (ขอบ) bolt ถึงขอบ web ของ T-shaped section

a หรือ a’ = ระยะจาก (ขอบ) bolt ถึงจุดหมุน ซึ่งมี “#แรงงัด” prying force เกิดขึ้น

rho (Greek letter) = b’/a’ สะท้อนผลจากการงัด ยิ่งมาก แผ่นยิ่งส่งผลให้เกิดแรงงัด เกิด extra tension ใน bolt มาก

d’ = ความยาวของรูเจาะ ในทิศทางลึก (หากมอง section) เช่นบางครั้งใช้รูเจาะขนาดปกติ (standard hole) ก็จะมีขนาดใหญ่กว่าเส้นผ่าศูนย์กลาง bolt 2-3 mm แต่หากเป็นรูเจาะร่องสั้นร่องยาว ก็จะทำให้ d’ มากขึ้น

p = ระยะ tributary area ในทิศทางลึก (ทิศทางเดียวกับ d’)

delta (Greek letter) = 1-(d’/p)

M2 = moment จาก #การงัด ที่เกิดขึ้นที่ fitting ที่แนว bolt (bolt line)

M1 = moment จาก #การงัด ที่เกิดขึ้นที่ขอบ fitting web (stem line)

alpha (Greek letter) = M2/(delta*M1)

ไว้เท่านี้ก่อนนะครับ ณ จุดนี้ แค่อยากให้เข้าใจถึง effect จากทั้ง

– ความหนาของแผ่น fitting

– ขนาด และตำแหน่งรูเจาะ

– ความแน่นในการขัน

ฯลฯ อีกนิดหน่อย มันมีผลต่อแรงดึงที่เพิ่มขึ้นกับ bolt จากผลของ #prying action

สงสัยก็สอบถามมาได้นะครับ

# การงัด Prying action (1) # การงัด Prying action (1)

Credit: เอกสารอ้างอิง จาก AISC โดย Dr. William A. Thornton