การออกแบบ องค์อาคารรับแรงอัด

Design of Members for Compression

อ้างอิง AISC 360-16 หรือ วสท. 011038-22

เนื้อหาส่วนนี้จะเป็นการนำเสนอพื้นฐานที่เกี่ยวข้อง ของงานสัมมนาที่จัดโดย กลุ่มอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า สภาอุตสาหกรรมแห่งประเทศไทย ในวันศุกร์ที่ 16 มิถุนายน ซึ่งจะอ้างอิงมาตรฐานการออกแบบโครงสร้างเหล็ก ของวิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยฉบับล่าสุดที่ออกเมื่อปลายปี 2022 ซึ่งมีมาตรฐานต้นแบบเป็น AISC 360-16 ซึ่งเป็นฉบับล่าสุดในช่วงที่ดำเนินการจัดทำมาตรฐาน

AISC 360-16 ได้ปรับปรุงแก้ไขจาก AISC 360-10 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของบทที่ 5 หรือ Chapter E: Design of Members for Compression ซึ่งได้มีการตัดค่า K-factor ออกไปจากรายการคำนวณ เพื่อให้สอดคล้องกับหลักการพิจารณาเสถียรภาพ ในบทที่ 3 หรือ Chapter C: Design for Stability ที่ใช้หลักการวิเคราะห์เสถียรภาพด้วยวิธี Direct Analysis Method ที่กำหนดให้ K=1 เป็นวิธีการหลัก แม้ว่าผู้ออกแบบยังจะสามารถใช้ K-factor ในการคำนวณ ตามหลักการวิเคราะห์ด้วยวิธี Effective Length Factor (ELM) ซึ่งได้แสดงรายละเอียดไว้ในส่วนขยาย หรือ Appendix อันพอจะกล่าวได้ว่า AISC พยายามลดบทบาทของ K factor ลง แต่ด้วยการประยุกต์ใช้ K factor ที่มีมาอย่างยาวนาน การเปลี่ยนโดยฉับพลัน อาจทำให้เกิดปัญหากับวิศวกรผู้ออกแบบรุ่นก่อน แต่ในท้ายที่สุด AISC จะตัด K factor ออกจากวิธีการคำนวณ ด้วยเหตุผลต่างๆ ไม่ว่าจะ (1) การกำหนด K factor เป็นเกณฑ์ดุลพินิจ ที่ตีความได้ยากว่าใครถูกใครผิดใครประเมินได้ใกล้เคียงกับความเป็นจริง และ (2) สมมติฐานการใช้ K factor ใน alignment chart แทบจะนำไปปฏิบัติจริงไม่ได้

ในการคำนวณ compression member ในบทที่ 5 อ้างอิง วสท. 011038-22 หรือ AISC 360-16 จึงได้ตัดตัวแปร K ออกไปในสมการคำนวณกำลังรับแรงอัด เปลี่ยนจาก KL เป็น Lc โดยไม่ได้กล่าวถึงการหาค่า K ในบทหลัก แต่ไปแทรกใน Appendix 7 แทน

ย้อนกลับมาที่หลักในการคำนวณกำลังรับแรงอัด จริงๆ แล้วเราได้นำเสนอหลักในการพิจารณาวิเคราะห์ไปหลายตอน แต่อยากจะขอ recap สั้นๆ อีกครั้ง ว่า สมการหลักที่ใช้ในการคำนวณกำลังรับแรงอัด ยังเป็นสมการที่ Euler ได้พัฒนาขึ้น จากสมการ beam moment – curvature โดย Bernoulli ที่ได้กล่าวว่า moment ยิ่งมากยิ่งทำให้ curvature มาก ตามค่าคงที่ค่าหนึ่งที่เรียกว่า flexural stiffness หรือ EI หรือกล่าวได้ว่า Euler’s buckling load เป็นกำลัง (strength) ที่มีปัจจัยมาจาก flexural stiffness ของ member

Pe = π^2 * (EI) / L^2 …. โดยที่ EI = flexural stiffness ของ compression member

และการวิบัติจาก Euler’s buckling load นี้เรียกว่า flexural buckling

ในขั้นตอนของการคำนวณ ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาอัตราส่วนความชะลูดของ member ซึ่งเท่ากับ Lc/r โดย r = radius of gyration = sqrt (I/A) เมื่อ I = moment of inertia และนำไปเปรียบเทียบกับเส้นที่เป็นจุดเปลี่ยนพฤติกรรมจาก elastic ไป inelastic buckling ที่มีค่าเท่ากับ 4.71*sqrt (E/Fy)

การเปรียบเทียบ จำเป็นต้องพิจารณาหา slenderness ratio ของแกนที่ชะลุดที่สุด เพราะแน่นอนว่า เมื่อ member under compression จะเกิด buckling รอบแกนที่ชะลูดที่สุด โดยหากมี principle axis เป็น x กับ y ก็ต้องหาว่า Lcx/rx หรือ Lcy/ry ค่าใดมากกว่ากัน ก็นำค่านั้นมาเป็นค่าที่ใช้ในการพิจารณากำลังรับแรงอัดของ compression member

ในการสัมมนาจะนำเสนอตัวอย่าง ทั้งการวิเคราะห์ด้วยหลักการของ ASD และ LRFD

ทั้งนี้ สำหรับ วสท. 011038-22 หรือ AISC360-16 นั้น จะเป็นมาตรฐานที่สามารถพิจารณาได้ทั้งวิธี Allowable “Strength” Design (ไม่ใช่ Stress นะครับ คือเป็นการพิจารณากำลัง ณ ระดับที่ระบุค่าต่างๆ กำกับไว้ ทั้ง ค่าสมบัติวัสดุ ค่ามิติหน้าตัด ที่เรียกกำลัง ณ จุดนั้นว่า กำลังระบุ หรือ nominal strength ไม่ได้พิจารณา stress อีกต่อไป โดย Allowable stress design หยุดการพัฒนาตั้งแต่ปี 1989 หรือ พ.ศ. 2532 หรือราว 34 ปีก่อน) และ Load and Resistance Factor Design อย่างสอดคล้องกัน แม้ว่าจะไม่เป๊ะ เท่ากัน 100% ที่เรียกว่า วิธี unified method

ท้ายตัวอย่างการคำนวณ จะแสดงวิธีการใช้ SSI Steel Design Mobile Application ในการคำนวณ ซึ่งสามารถให้ค่าได้อย่างรวดเร็ว เหมาะสำหรับ prelim design อย่างง่าย หรือใช้ในการตรวจสอบ finite element analysis program ที่ไม่ค่อยแสดงวิธีการคำนวณอย่างชัดเจน หรือจะ export รายการคำนวณออกมาเป็น pdf file เพื่อแนบขออนุญาตก่อสร้างได้อย่างสะดวกและรวดเร็ว

เดี๋ยวครั้งหน้า มาพบกันเรื่อง Design for Members for Flexure อ้างอิงตาม วสท. 011038-22 หรือ AISC 360-16 ต่อนะครับ

#องค์อาคารรับแรงอัด #องค์อาคารรับแรงอัด 

#WeLoveSteelConstruction