ภัยเงียบกับการใช้ แปกัลวาไนซ์ (แปเหล็กขาว)
ปัจจุบันนี้ ผลิตภัณฑ์เหล็กที่แต่เดิมมักนำมาใช้กับโครงหลังคา เช่น แปกัลวาไนซ์ หรือแปเหล็กขาว ที่ได้ยินกันทั่วไปว่า SMARTTRUSS ® ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์นวัตกรรมจดลิขสิทธิ์ตราสินค้าโดยบริษัท NS Bluescope (www.nsbluescope.com) จนเป็นชื่อที่ติดหูและจนตราสินค้าดังกล่าวได้กลายเป็นชื่อสินค้า (generic name) ที่ผู้คนทั่วไปรู้จัก และเกิดมีผู้ประกอบการอื่นๆ อีกมากมาย ทั้ง SCG Roof Truss (www.scgbuildingmaterials.com) หรือ Easy Truss (www.easytruss.net) หรือ Sigma Truss (www.sigmatruss.com) ที่ให้บริการออกแบบ ผลิต และติดตั้งโครงหลังคาในลักษณะเดียวกันกับ SMARTTRUSS ® นี้
ลักษณะของผลิตภัณฑ์
โดยทั่วไปเหล็กที่นำมาใช้กับงานข้างต้นนี้ จะเป็นเหล็กที่มีความบางค่อนข้างมาก ผลิตจากเหล็กรีดร้อนชนิดม้วน (Hot-Rolled Coil) ที่ถูกนำมารีดให้บางลงด้วยการ “บี้” ให้แบนที่ด้วยแรงบีบอัดจากลูกรีดที่อุณหภูมิห้องที่เรียกว่า กระบวนการรีดเย็น หรือ cold rolling
และจากนั้นก็นำ เหล็กรีดเย็นชนิดม้วนที่ได้นี้ ไปผ่านกระบวนการเคลือบป้องกันสนิม ทั้งด้วย สังกะสีอย่างเดียวด้วยการจุ่มร้อนใน line การผลิต (เรียกว่า เหล็ก GI หรือ galvanized) หรือ อาจเป็นระบบเคลือบที่เป็นสังกะสีผสมกับอลูมิเนียม (พัฒนาและจดทะเบียนโดยบริษัท NS Bluescope เรียกเป็นชื่อผลิตภัณฑ์ว่า ZINCALUME ®)
หลังจากนั้นนำมาตัดเข้าม้วนให้ได้ความกว้างตามต้องการ ที่เรียกว่า slitting เพื่อนำไปพับขึ้นรูปให้มีขนาดมิติตามที่ออกแบบ ที่เรียกว่าการ forming ดังนั้น ผลิตภัณฑ์เหล็กชนิดนี้จึงอาจเรียกชื่อตามกระบวนการผลิตทั้งหมดได้ว่า cold-rolled cold-formed galvanized steel section หรือ เหล็กรูปพรรณเคลือบรีดเย็นขึ้นรูปเย็น
ซึ่งผู้ใช้มักเรียกกันว่า เหล็กขาว (เพราะเคลือบสังกะสี ต่างจากเหล็กรูปพรรณทั่วไปที่ไม่ได้เคลือบ ที่เรียกกันว่า เหล็กดำ) หรือถ้านำไปใช้กับแปหลังคา ก็เรียกกันว่า แปเหล็กขาว หรือ แปจีไอ
คุณลักษณะของวัสดุ
ในแง่ตัววัสดุ เหล็กที่รีดเย็นจะมีกำลังรับน้ำหนักที่ yield (Fy) ได้มากขึ้นจากผลของอนุภาคของเหล็กเกิดการบีบอัดเรียงตัวกันใหม่ (เกิดพฤติกรรมที่เรียกว่า strain hardening) สมมติ Fy ของวัตถุดิบขาเข้าประมาณ 3,000 ksc เมื่อผ่านกระบวนการรีดเย็นก็อาจสูงขึ้นไปถึง 3,600 ksc ได้
ซึ่งตรงนี้ทำให้เจ้าของโครงการ ผู้รับเหมาก่อสร้าง ผู้ผลิต หรือกระทั่งวิศวกรผู้ออกแบบที่ไม่คุ้นเคยกับการออกแบบใช้งานเหล็กที่มีความบาง เข้าใจไปได้ว่า จะทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักในการทำเป็นองค์อาคารโครงสร้างส่วนต่างๆ เพิ่มสูงขึ้นตามค่า Fy ไปด้วย
แต่ต้องเรียนว่ากำลังรับแรงดึงที่จุดคราก หรือ Fy ที่สูงขึ้นนั้น แน่นอนว่าถ้านำเหล็กไปรับแรงดึงก็จะย่อมสามารถรับได้มากยิ่งขึ้น แต่หากนำเหล็กนี้ไปรับแรงอัด (ใช้เป็นเสา) หรือรับแรงดัด (ใช้เป็นคาน) ก็อาจไม่ทำให้กำลังรับแรงเพิ่มสูงขึ้นตามสัดส่วนของกำลัง ด้วยเหตุผลในเชิงพฤติกรรมที่เรียกว่า “การโก่งเดาะ” หรือ buckling
พฤติกรรมการเกิด buckling และการนำไปใช้เป็นเสา
ในรายละเอียดทางวิศวกรรม สามารถอธิบายได้ในรูปสมการ Euler’s buckling load สำหรับการคำนวณ compression member ซึ่งจากสมการจะพบว่า กำลังรับแรงดึงที่จุดคราก (Fy) ไม่ได้มีผลใดๆ ต่อความสามารถในการรับแรงอัดเพื่อต้านทานการโก่งเดาะที่เรียกว่า flexural buckling ของเสาที่ยาวๆ ที่มีความชะลูดมาก
ทั้งนี้ปัจจัยที่มีผลต่อความสามารถในการรับแรงอัด (ต้านทานการเกิด flexural buckling) ที่สำคัญคือ ค่า flexural stiffness หรือความสามารถในการต้านทานการเสียรูปต่อการดัดตัว และ ความชะลูดที่เป็นอัตราส่วนระหว่างความยาวต่อรัศมีไจเรชั่น (Lc/r) ของหน้าตัดเสานั้นๆ โดยแกนที่อ่อนที่สุด หรือ ชะลูดมากที่สุดจะเกิดการโก่งเดาะก่อนน
นอกจากนี้หากพิจารณาในระดับชิ้นส่วนเล็กๆ ในเสา ที่เรียกว่าระดับ element ซึ่งสามารถอธิบายได้ด้วยสมการที่แสดงในทฤษฎี Theory of plate and shell ของ Timoshenko ซึ่งปัจจัยที่มีผลต่อการโก่งเดาะของ element ที่เรียกว่า local buckling ที่สำคัญๆ คือ อัตราส่วนความกว้าง (ที่รับแรงอัด หรือ compressive stress) ต่อความหนา หรือ b/t เรียกเป็นคำพูดว่า b over t ratio
ซึ่งสะท้อนความชะลูดของ element โดยหากความหนา t น้อยๆ จะทำให้ b/t สูงๆ การเกิด local buckling จะเกิดขึ้นได้ง่าย และเช่นเดียวกับ flexural buckling ที่ Fy ไม่มีผลต่อความสามารถในการต้านทานการวิบัติเลย
พฤติกรรมการเกิด buckling และการนำไปใช้เป็นคาน
คานเมื่อรับน้ำหนักจะเกิดการดัดตัว แกนกลางตามแนวยาวซึ่งไม่เกิดการยืดหรือหดเมื่อเกิดการดัดตัวเรียกว่าแกนสะเทิน ถ้าดัดตัวแบบ “ยิ้ม” ส่วนของคานตามแนวยาวที่อยู่เหนือแกนสะเทินจะรับแรงอัด ส่วนใต้แกนสะเทินจะรับแรงดึง นั่นแปลว่า “ครึ่งหนึ่งของคานมีพฤติกรรมของเสาซ่อนอยู่”
การรับน้ำหนักของคาน ถ้าหากมีความชะลูดมากๆ ในแนวยาว ก็อาจได้รับผลกระทบจากพฤติกรรม flexural buckling จนเกิดการวิบัติที่เรียกว่า lateral torsional buckling และถ้าหากส่วนที่รับแรงอัดมี element ที่บางชะลูดมาก ก็อาจเกิดพฤติกรรม local buckling ได้
นอกจากนี้ จากการศึกษาวิจัยโดย Prof. Hancock ก็ยังได้พบเห็นถึงการวิบัติอีกรูปแบบของ คาน ที่ทำจากเหล็กบางๆ เรียกการวิบัติที่เป็นพฤติกรรมเฉพาะนี้ว่า distortional buckling ซี่งมีความซับซ้อนในการพิจารณาคำนวณ ต้องอาศัยเครื่องมือตัวช่วยในการคำนวณที่สามารถจำลองพฤติกรรมของหน้าตัดบางๆ เช่นนี้โดยตัดเป็น “แถบ (strip)” เล็กๆ ตามแนวยาวของคาน
และพิจารณาลักษณะของ stress ที่กระทำตั้งฉากกับ strip ตลอดจนลักษณะของ strip แต่ละ strip ว่า มีความอิสระ (เช่น ปลายขอบปีก) หรือ ยึดแน่น (เช่น ใกล้กับจุดที่ section เกิดการพับ) หรือ เป็นสปริง (เช่นอยู่ตรงกลางๆ ระหว่างส่วนที่อิสระ และยึดแน่น) ซึ่งเรียกว่าวิธี Finite Strip Method หรือ FSM
สำหรับคำนวณด้วยวิธี FSM นี้ จะเป็นการพิจารณาในเชิงพฤติกรรมว่าจะเกิด local buckling หรือ distortional buckling หรือ lateral torsional buckling (อาจไม่เกิด buckling เลย ซึ่งแทบจะเป็นไปไม่ได้) เมื่อไหร่ และรับแรงได้มากน้อยเพียงใด
ซึ่งแน่นอนว่ากำลังที่ต่ำสุดในแต่ละรูปแบบการวิบัติจะเป็นตัวควบคุมพฤติกรรม ทั้งนี้ในแง่ของเครื่องมือช่วยในการคำนวณ ก็มีการพัฒนาขึ้นอย่างแพร่หลาย โดย software ที่ใช้กันมาก เช่น CFS (ฟรี www.rsgsoftware.com สำหรับ lite version) และ CUFSM ซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัย John Hopkins (ฟรี www.ce.jhu.edu/cufsm)
จะเห็นว่าการคำนวณออกแบบเหล็กที่มีความบางเช่น “แปกัลวาไนซ์ / แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” ที่มีความบางนี้ จะมีความสลับซับซ้อนกว่าการออกแบบคานตัวใหญ่ๆ หนาๆ ค่อนข้างมาก
ปัญหาในบ้านเรา
ในอดีต การใช้งาน “แปกัลวาไนซ์ / แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” มักจะเป็นรูปแบบที่ให้บริการเบ็ดเสร็จครบวงจร ตั้งแต่การออกแบบ การแปรรูปผลิตภัณฑ์ ไปจนกระทั่งการก่อสร้าง โดยผู้ผลิตที่มีความรู้ความชำนาญและมีประสบการณ์ ดังเช่นผู้ประกอบการที่ได้นำเสนอไปข้างต้น
แต่อย่างไรก็ดี ด้วยผลิตภัณฑ์ “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” นี้ ได้มีการผลิตเพื่อจำหน่ายออกสู่ท้องตลาดเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ใช้ และได้มีการยื่นขอมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม มอก.2817 ซึ่งเป็นมาตรฐานทั่วไป โดยร่างมาตรฐานได้จัดทำเป็นที่เรียบร้อย ณ ปัจจุบันอยู่ในขั้นตอนการประกาศใช้ต่อไป
ประเด็นปัญหา คือ ความเข้าใจที่ว่า “ผลิตภัณฑ์ที่มี มอก. นั้น ใช้อย่างไรก็ปลอดภัย” มันเป็นความจริงแท้และแน่นอนหากว่าผู้ใช้มีความรู้ และ perception ของผู้ใช้ เช่นเจ้าของอาคารที่เห็นเหล็กเคลือบสังกะสี แล้วก็รู้สึกได้ถึงความอุ่นใจ รู้สึกปลอดภัยมากกว่าเหล็กหนาสีดำๆ
อย่างที่ได้อธิบายถึงหลักในการพิจารณาคำนวณว่าการวิเคราะห์ออกแบบ “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” นี้ ยุ่งยากและซับซ้อนมาก จนไม่น่าจะสามารถทำได้โดยผู้รับเหมาหรือช่างในท้องถิ่นทั่วไป กระทั่งวิศวกรใน engineering firm ใหญ่ๆ ก็ยังอาจจะไม่ใช่ของง่ายๆ ด้วยซ้ำ
ซ้อนปัญหาเข้าไปอีกปัญหา คือ อาคารของหน่วยงานราชการไม่ต้องขออนุญาตเพื่อก่อสร้างจากเจ้าพนักงานท้องถิ่น ปัญหามันไม่ค่อยเกิดขึ้นกับ อาคารของหน่วยงานราชการที่มี “กองช่าง” มีวิศวกรที่มีใบอนุญาตระดับ สามัญ หรือ วุฒิวิศวกร กันมากมาย เช่น กรมโยธาธิการและผังเมือง กรมทางหลวง หรืออาคารโรงพยาบาลในสังกัดกระทรวงสาธารณสุข
แต่ปัญหามันเกิดขึ้นกับอาคารของหน่วยงานในสังกัดของราชการ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โรงเรียน (กระทรวงศึกษาธิการ) และวัด (กรมการศาสนา กระทรวงวัฒนธรรม) ที่ผู้บริหารสูงสุดของหน่วยงาน มักจะไปติดต่อขอรับบริการจากผู้รับเหมาในท้องที่ให้มาดำเนินการก่อสร้างศาสนสถาน ทั้งโบสถ์และศาลาการเปรียญ
ซึ่งด้วยความแพร่หลายของ “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” ที่ “ดูแล้วปลอดภัย” แต่ในความเป็นจริงกลับซ่อนความอันตรายไว้มากมาย ทั้งระเบียบวิธีการพิจารณาออกแบบที่ซับซ้อนดังที่ได้นำเสนอในข้างต้น ตลอดจนงานเชื่อมเหล็กที่เคลือบสังกะสีป้องกันสนิม ที่ต้องอาศัยทักษะและเครื่องมือเชื่อมที่สูงมาก ทั้งหมดนี้ ล้วนเป็นภัยเงียบที่ซ่อนอยู่ในการใช้ “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” ในงานก่อสร้างอาคารนะครับ
ทั้งนี้ ไม่ได้หมายความว่า “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” เป็นอะไรที่ห้ามใช้แต่อย่างใด ในทางตรงข้าม “แปเหล็กขาว” หรือ “เสาเหล็กขาว” เป็นวัสดุที่มีกำลังสูง ทนทานต่อการกัดกร่อน แต่ก็ต้องใช้ด้วยความระมัดระวัง ควรออกแบบโดยวิศวกรที่มีความรู้และมีความชำนาญ มีเครื่องมือช่วยในการออกแบบเป็นการเฉพาะ โดยหากไปอยู่ในมือผู้ที่ขาดความรู้แล้ว จะเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อผู้ใช้งานโดยเฉพาะกับอาคารสาธารณะที่มีผู้ใช้งานเป็นจำนวนมากนะครับ
ติดตามพวกเราทาง Facebook ได้ที่ We Love Steel Construction