ออกแบบ อาคารโครงสร้างเหล็ก เตี้ยและสูงปานกลาง ยังไงให้ประหยัด…?
เนื้อหาในหัวข้อนี้ จะอ้างอิงจาก AISC Design Guide เล่มที่ 5 นะครับ ซึ่งเนื้อหาหลักๆ ก็จะเป็นเรื่องของ design rules for economy หรือ กฎในการออกแบบ อาคารโครงสร้างเหล็ก ให้เกิดความประหยัดคุ้มค่ามากที่สุดนั่นเอง และเทคนิคการออกแบบในเรื่องต่างๆ ด้วย เช่น การใช้ K-braced frame สำหรับต้านทานแรงลม เทคนิคการออกแบบโครงสร้างด้วยวิธี ASD และ LRFD และอีกหลายเรื่องครับ
ราคาของคานเหล็ก
เริ่มต้นกันด้วย เรื่องราคาของคานเหล็ก ที่นำมาใช้เป็นคานหลักและคานรองกันก่อน โดย ต้นทุนของคานโครงสร้างเหล็กนั้นสามารถพิจารณาได้ง่ายๆ ดังนี้ครับ
- ต้นทุนวัสดุที่ใช้ในการแปรรูป (mill material)
- ต้นทุนการแปรรูป (fabrication cost)
- ต้นทุนการติดตั้ง (erection cost)
สำหรับค่าใช้จ่ายในการแปรรูปและติดตั้งนั้น หากพิจารณาการติดตั้งคาน 1 ตัว ต้นทุนหลักก็จะมาจากน้ำหนักของตัวคานเลย เช่น เปรียบเทียบ คานหน้าตัดใหญ่ และคานหน้าตัดเล็ก แน่นอนว่า คานที่มีหน้าตัดเล็ก และมีน้ำหนักเบากว่า ก็จะต้องมีราคาต้นทุนของการแปรรูปและติดตั้งที่ถูกกว่า ยิ่งราคาของการติดตั้ดนั้น ยังอ้างอิงกับน้ำหนักของวัสดุอีกด้วย
ดังนั้นแล้ว ข้อแนะนำที่ทาง AISC ให้ไว้ ก็คือ การออกแบบให้ spacing ระหว่างคานนั้น มีระยะที่กว้างที่สุดเท่าที่จะสามารถทำได้ และให้ตั้งอยู่บนพื้นฐานของแนวทางปฏิบัติสำหรับการติดตั้ง เพื่อลดจำนวนของคานเหล็ก ที่จะต้องทำการแปรรูปและติดตั้งให้ได้มากที่สุดนั่นเองครับ
เรื่องของข้อต่อหรือจุดต่อ (connection)
การทำ connection ที่เป็น rigid moment connection หรือ special connection นั้นมีราคาที่ค่อนข้างแพง ดังนั้น ในการออกแบบที่ดี ควรจะลดจำนวนของ connection แบบนี้ลง โดยการพิจารณาออกแบบ ให้โครงสร้างอาคารรอบนอก (spandrel beams and columns) เป็น moment resisting frame เพื่อรองรับแรงลม และแรงแผ่นดินไหว ส่วนการต่อโครงสร้างภายใน ใช้การต่อที่เป็น shear connection แทน
การเลือกใช้วัสดุ
สำหรับการเลือกใช้วัสดุ ก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง ที่จะสามารถช่วยให้ต้นทุนของโครงการลดลงได้ โดยการเลือกใช้ เหล็กเกรดสูง (high strength steel) เช่น Fy = 3,500 ksc แทนการใช้เหล็กเกรดธรรมดา Fy = 2,400 ksc สำหรับทั้งเสาและคาน ซึ่งวิธีนี้ สามารถลดต้นทุนได้เนื่องจาก ค่า extra ของเหล็กเกรดสูงนั้น หากเทียบกับ strength ที่ได้เพิ่มขึ้น และขนาดของคานและเสาที่เล็กลง ก็ถือว่าคุ้มค่าครับ
หากยังไม่เห็นภาพ อาจจะต้องลองเอา น้ำหนักของคาน 2 ขนาด ที่ใช้เหล็ก high strength กับเหล็กเกรดธรรมดามาเปรียบเทียบกันดูครับว่าสามารถลดน้ำหนักได้เท่าไหร่ ยกตัวอย่างเช่น
- คานเหล็ก WF ขนาด W21 x 44 (Fy 2,400 ksc) ที่มีน้ำหนักต่อเมตรเท่ากับ 65 kg/m. มีกำลังรับโมเมนต์ดัดเท่ากับ คานเหล็ก WF18 x 35 (Fy 3,500 ksc) ที่มีน้ำหนักต่อเมตรเท่ากับ 52 kg/m. ดังนั้นแปลว่า สามารถ save น้ำหนักได้ถึง 20% ในสภาวะที่เป็น non-composite beam นะครับ
การออกแบบให้ใช้ member ที่มีขนาดซ้ำกันเยอะๆ
การออกแบบให้สามารถใช้ member ที่มีขนาดเดียวกันได้ซ้ำๆ เยอะๆ นั้น เป็นตัวแปรสำคัญอย่างหนึ่ง ที่จะสามารถทำให้เกิดความประหยัดกับโครงการก่อสร้างได้ เนื่องจาก เป็นการลดต้นทุนในการทำรายละเอียดต่างๆ (detailing) อีกทั้งยังสามารถลดต้นทุนในการแปรรูปและติดตั้งได้ในคราวเดียวกันด้วย ซึ่งท้ายที่สุด ก็ทำให้ค่าใช้จ่ายต่อตารางเมตรต่ำลงครับ
การใช้ live load reduction
เรื่องนี้ เราอาจจะไม่ค่อยคุ้นเคยกันเท่าไหร่ เพราะในมาตรฐานของไทยหรือกฎกระทรวงฉบับที่ 6 อาจจะไม่ได้เขียนไว้อย่างครอบคลุมถึงรายละเอียดมากนักครับ ซึ่งการนำ live load reduction มาใช้กับการออกแบบนั้น หากพิจารณาขนาดของ member ที่สามารถออกแบบให้เล็กลงได้อาจจะเรียกได้ว่า ค่อนข้างน้อย
แต่หากลองพิจารณาน้ำหนักของโครงสร้างที่ลดลงได้ทั้งโครงการ ก็แล้ว เช่น การใช้ WF16 x 31 ไปเป็น WF16 x 26 และฐานรากที่สามารถทำให้เล็กลงได้ ก็ควรทำ live load reduction มาใช้ควบคู่ไปกับการออกแบบครับ
ระดับของการตรวจสอบ (level of inspection)
ระดับการตรวจสอบงานโครงสร้างนั้น ควรจะต้องระบุให้มีความสอดคล้องกับประเภทของงานที่ทำด้วย เช่น หากการเชื่อม เป็นการเชื่อมด้วยวิธี fillet weld หรือการเชื่อมพอก แล้ว การระบุการตรวจสอบรอยเชื่อมแบบ visual inspection (การตรวจสอบด้วยตาเปล่า) ก็เรียกได้ว่า เพียงพอแล้ว
การทำสีป้องกันการกัดกร่อน
ข้อแนะนำเบื้องต้นข้อสุดท้าย คือ การทาสีป้องกันการกัดกร่อน ควรจะทำให้พอดี ตามที่ AISC หรือ มยผ. 1333 ได้ระบุเอาไว้ และไม่จำเป็นต้องทำสีให้กับส่วนของโครงสร้างที่ถูกคอนกรีตปิดทับไป เนื่องจากคอนกรีตจะเป็นตัวช่วยป้องกันเหล็กจากการเกิดสนิม อีกทั้งยังป้องกันไฟได้ดีอีกด้วย ทำให้สามารถลดค่าใช้จ่ายในการทำสีกันไฟได้อีกด้วยฃ
สำหรับเรื่องการออกแบบ braced frame และเนื้อหาอื่นๆ ติดตามกันได้ในโพสต์ต่อๆ ไป นะครับ