Bolted Connection (ข้อต่อแบบใช้สลักเกลียว)
จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก Shear connection และ Moment connection

จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก Shear connection และ Moment connection

การออกแบบ จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก รับแรงเฉือน หรือ shear connection และ จุดเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็ก รับโมเมนต์ หรือ moment connection นั้น เป็นพื้นฐานสำคัญในการออกแบบระบบโครงสร้างเหล็กให้สมบูรณ์

หลักในการออกแบบนั้นไม่ยากครับ แต่ท่านต้องเข้าใจหลักใหญ่ใจความที่สำคัญคือ เส้นทางการไหลของแรง หรือ load path และ รูปแบบการวิบัติ หรือ limit state ซึ่งเป็นสมการในการคำนวณ failure mode ที่อาจเกิดขึ้นได้กับ connection
.
พื้นพัง คนอาจไม่ตายนะครับ แต่อาจเจ็บตัวได้ คานพัง จากการโก่งเพราะการ yield หรือกระทั่งการเกิด buckling เช่น local buckling หรือ lateral torsional buckling คนก็อาจไม่ตาย

แต่ connection พัง นี่อาจทำให้คานหลุดจากเสา เสาเกิด unbraced length ที่มากขึ้น เสารับน้ำหนักได้น้อยลงมากๆ

ดังนั้น connection พัง มีแนวโน้มมากที่จะทำให้คนบาดเจ็บล้มตายอาคารถล่มได้ ดังนั้น ความสำคัญของการคำนวณ connection จึงมีมาก และการเผื่อความเสี่ยงด้วย factor of safety หรือ resistance factor ก็ย่อมเผื่อให้มากตามไปด้วย

พิจารณาคาน simple beam ที่รับ uniform load ย่อมสามารถหา shear force diagram และ maximum shear ที่เกิดขึ้นได้ maximum shear force นี้ สามารถไปคำนวณหา shear stress ซึ่งจะพบว่า shear stress จะเกิดมากสุดที่ neutral axis

โดยราว 90% ของ shear stress จะถ่ายโดย web และอีกเล็กน้อยจะถ่ายโดย flange ดังนั้น shear connection จึงมักติดตั้งที่ web (ยกเว้นถ่ายแรงสู่หูช้าง หรือ bearing นั่นเป็นอีกแบบนะครับ)
.
พิจารณาคาน cantilevered beam ที่รับ uniform load จะได้ว่า คานตัวนี้จะเกิดทั้ง shear force และ bending moment มากที่สุดที่ support ซึ่งต้องออกแบบ connection นี้ทั้ง shear และ moment connection

ลักษณะทั่วไปของ shear connection และ moment connection

Shear Connection

มาสู่ขั้นตอนการออกแบบ อันดับแรก ผู้ออกแบบต้องจินตนาการให้เห็นภาพการไหลของแรง ที่ถ่ายจากคานไปยัง support เช่น เสา ว่าจะถ่ายจากไหนไปไหน

เช่น shear connection ก็จะถ่ายจาก beam web ผ่าน bolt ไปยัง shear tab หรือ shear plate แล้วจึงถ่ายผ่าน weld ที่เชื่อม shear tab เข้ากับ เสา ดังนั้น ผู้ออกแบบจึงต้องพิจารณาคำนวณหารูปแบบความเสียหายที่เป็นไปได้ทั้ง

  • bolt: เฉือนขาด
  • shear tab: เฉือนขาด (ทั้งแบบ yield ผ่านหน้าตัดเต็ม และ rupture ผ่านรูเจาะ) / ถูกกดทับจากแกน bolt ที่รูเจาะ (bearing และขาดแบบ tear out) / แบบผสมระหว่าง shear และ tensile rupture ที่เรียกว่า block shear) เป็นต้น
  • weld: เฉือนขาด
Shear Connection

Moment Connection

ในส่วนของ moment connection นั้น ผู้ออกแบบสามารถหา Bending moment diagram และ maximum moment ได้ จากนั้นจึงไปหา Flange force, Ff ด้วย Moment ที่เกิดขึ้นจะถ่ายเป็นแรงคู่ควบ โดยมีระยะห่างระหว่างแรง เท่ากับ ความลึกของคาน บวกด้วยความหนาของแผ่นที่มาต่อเข้ากับปีกคาน (flange plate)

มื่อได้ Ff = Flange force ซึ่งเท่ากับ M/(d+t) แล้วก็ไปพิจารณาดูว่า Ff นี้มีค่าเป็นอย่างไรเทียบกับ limit state ที่เกิดขึ้นที่ flange connection

ถ้าแรง มีค่าไม่เกินความต้านทาน รูปแบบที่วิกฤตสุด (กำลังน้อยสุด) ณ ระดับความเสี่ยงที่มาตรฐานการออกแบบกำหนดให้ใช้ ก็เป็นอันสิ้นสุดกระบวนการครับ

Moment Connection
การพิจารณา limit states ของ flange plate

เรียนว่า shear และ moment connection ที่แสดงนี้เป็นพื้นฐานที่สำคัญในการคำนวณ connection รูปแบบอื่นๆ ต่อไปนะครับ





Spread the love