เสาเหล็ก HSS ดีอย่างไร และวิธีการคำนวณกำลังรับน้ำหนัก
ลองคิดกันเล่นๆ ก่อนที่จะเข้าเนื้อหานะครับว่าหากนำ ” เสาเหล็ก มาใช้กับอาคารที่ใช้ระบบพื้นอัดแรง (post-tensioned slab) จะดีกว่ามั้ย และมีข้อดียังไงบ้าง หากให้เสาเหล็กรับแต่น้ำหนักที่เป็น axial compression ส่วนแรงทางด้านข้างให้ member เช่น lateral bracing หรือ lift core รับไปแทนจะดีไหม
เรื่องนี้เป็นเรื่องที่ต่อเนื่องมากจากเรื่อง ระบบพื้น post-tensioned 2 โพสต์ก่อนหน้านี้ครับ ที่พูดถึงภาพรวมและลักษณะการวิบัติของระบบพื้น post tensioned ด้วย
ทีนี้ด้วยระบบพื้น post tension ที่เป็นโครงสร้างคอนกรีตทั้งหมด จะเห็นว่าพื้น post tension slab นั้น มีลักษณะที่ค่อนข้างจะบาง แต่เสาโครงสร้างที่มีความยาวช่วงค่อนข้างมาก เช่น 8 เมตร ก็จะมีขนาดที่ค่อนข้างใหญ่ เนื่องจาก tributary area ที่ค่อนข้างจะมาก
บวกกับการพิจารณา live load ที่เยอะกว่าอาคารที่อยู่อาศัย โดยอาคารที่จะใช้ระบบพื้นชนิดนี้ ด้วยข้อจำกัดด้านความคุ้มค่าในการดำเนินการแล้ว จะต้องมีพื้นที่ที่กว้างในระดับหนึ่ง ถึงจะสามารถทำได้ ดังนั้นอาคารที่เหมาะกับระบบก่อสร้างชนิดนี้ก็จะเป็นอาคารจำพวก อาคารจอดรถ อาคารสำนักงาน หรือแม้กระทั่งห้างสรรพสินค้า เป็นต้น
ที่กล่าวมาข้างต้น ก็เลยเป็นที่มีของการคิดจะนำเสาเหล็กมาใช้คู่กับพื้น post-tensioned slab นั้นเองครับ
การคำนวณกำลังรับน้ำหนักและข้อดีของ เสาเหล็ก
สำหรับวิธีการคำนวณกำลังรับน้ำหนักที่เป็น axial compression ของเสาเหล็กที่มีหน้าตัดเป็นแบบท่อกลวง (Hollow steel section, HSS) ทางทีมงาน ก็ได้นำเสนอไปแล้วหลายๆ โพสต์ ทาง Facebook Fanpage: We Love Steel Construction นะครับว่าอ้างอิง code ไหนในการคำนวณ และมีขั้นตอนวิธีการคำนวณอย่างไร และ failure mode มีอะไรบ้าง
ซึ่งสำหรับโพสต์นี้ ก็จะขอ recap กันสักนิดนึงครับ ว่า ทำไมเสาที่รับ axial compression เป็นหลัก น่าจะหันมาใช้เสาท่อเหล็กกัน แทนที่จะไปใช้เสาหล่อคอนกรีตแบบเดิม หรือเสาหน้าตัดอื่นๆ
ก่อนอื่น ก็ต้องขอพูดถึงเรื่องของการออกแบบเสียก่อนว่า ส่วนใหญ่เวลาเราอ้างอิง code สำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็ก (กำลังรับน้ำหนักต่างๆ) เราก็จะอ้างอิง AISC360 ซึ่งเป็น code ของทางประเทศอเมริกาที่น่าเชื่อถือ และ code ก็มีการอัพเดทอยู่เรื่อยๆ ครับ
ซึ่งหากเปิด code ไป ก็จะเห็นว่า การคำนวณกำลังรับน้ำหนักของเสาที่เป็น axial compression ก็จะอยู่ที่ chapter E โดยที่ใน chapter นี้ ก็จะมีหัวข้อย่อยเป็น E1, E2, E3 ไปจนถึง E7 ซึ่งในแต่ละหัวข้อย่อย ก็จะเป็นแบ่งเนื้อหาไว้ดังนี้
- E1. General Provisions – สิ่งที่ต้องทราบทั่วไป เช่น ค่า safety factor หรือ resistance factor ที่ต้องใช้ มีค่าเป็นเท่าไหร่ รวมไปถึง provide ตารางสรุป failure mode ที่สามารถเกิดขึ้นกับเสาที่มีลักษณะของหน้าตัดแตกต่างกันออกไปได้
- E2. Effective Length – ค่าความยาวประสิทธิผลที่นำมาใช้ในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของเสา
- E3. Flexural Buckling of Members without Slender Elements – การคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาที่เกิดการวิบัติแบบ flexural buckling และ element มีความหนาที่เพียงพอ
- E4. Torsional and Flexural-Torsional Buckling of Single Angles and Members without Slender Elements – การคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาที่เกิดการวิบัติแบบ torsional buckling หรือ flexural – torsional buckling ของเสาเหล็กที่มีหน้าตัดแบบสมมาตรแกนเดียว
- E5. Single-Angle Compression Members – การคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาที่มีหน้าตัดเป็นแบบเหล็กฉากขาไม่เท่ากัน
- E6. Built-Up Members – การคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาหน้าตัดประกอบ เช่น การนำเหล็กฉากมาประกบกัน เพื่อทำเป็นเสา
- E7. Members with Slender Elements – การคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาที่ element มีความชะลูด
ลักษณะการวิบัติของเสาเหล็ก HSS
สำหรับวิธีการคำนวณ หากเลือกใช้ HSS แล้ว จะมี failure mode หลักๆ อยู่เพียง 2 รูปแบบเท่านั้น (รูปที่ 2) เนื่องจากหน้าตัด HSS นั้น มีสเถียรภาพทางด้านข้างค่อนข้างดี ดังนั้นแล้ว การวิบัติที่จะเกิดขึ้น คือ
- Mode – E3 Flexural Buckling และ
- Mode – E7. Local Buckling ซึ่งเป็นผลมาจาก element มีความบาง (หรือชะลูด) ที่มากเกินไป
ขั้นตอนสำหรับการออกแบบ เสาเหล็ก HSS
จากลักษณะการวิบัติข้างต้น จะเห็นว่า สามารถคำนวณกำลังรับน้ำหนักของ เสาเหล็ก HSS ได้ค่อนข้างง่าย เพราะพิจารณาเพียง 2 failure modes เท่านั้นเอง ซึ่งในขั้นตอนของการคำนวณ ก็จะมีขั้นตอนดังนี้
- พิจารณาความชะลูดของ element ก่อน – คำนวณว่า flange และ web ของ HSS หน้าตัดสี่เหลี่ยม หรือ wall ของ HSS หน้าตัดวงกลม มีความชะลูดแบบใด ระหว่าง (i) มีความหนาเพียงพอ [compact (non-slender)] หรือ (ii) มีควาหนาไม่เพียงพอ (ชะลูดมาก) [slender]
- หากคำนวณความชะลูดของ element แล้ว ทุก element มีความหนาที่เพียงพอ ก็ให้ไปคำนวณกำลังรับน้ำหนักตาม mode E3
- หากคำนวณความชะลูดของ element ออกมาแล้ว มี element ที่ชะลูด (slender) แล้ว ก็ให้คำนวณหาหน้าตัดประสิทธิผลของเสา (effective area, Ae) ตามหัว mode E7
- พิจารณาความยาวประสิทธิผลของเสา Lc/r (Lc = KL) เทียบกับ threshold ตัวหนึ่งที่มีค่าเท่ากับ 4.71sqrt(E/Fy) หาก Lc/r มีค่าเกินกว่า threshold ก็จะสามารถระบุได้ว่า เสามีพฤติกรรมเป็นแบบ elastic buckling แต่หาก Lc/r มีค่าน้อยกว่า threshold แล้ว เสาก็จะมีพฤติกรรมแบบ inelastic buckling
- คำนวณค่าความเค้นสูงสุด (critical stress, Fcr) ที่เสาสามารถรับได้ และนำไปคูณกับค่าหน้าตัดของเสา (gross area, Ag) หาก element มีความหนาเพียงพอ (E3) หรือนำค่าความเค้นสูงสุด (critical stress, Fcr) ไปคูณกับหน้าตัดประสิทธิผลของเสา (effective area, Ae) หาก element มีความชะลูด (E7)
- เลือกค่ากำลังรับแรงอัดที่น้อยที่สุดมาใช้งาน (compressive strength, phi Pn)
จะเห็นได้ว่า ขั้นตอนในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของเสา HSS นั้นน้อยมาก และสามารถคำนวณได้อย่างไม่ยากเลยครับ
ข้อดีของ เสาเหล็ก HSS
นอกจากข้อดีที่ว่า สามารถคำนวณกำลังรับน้ำหนักได้ง่ายแล้ว ก็ยังมีข้อดีอื่นๆ อีก ซึ่งสามารถนำมาเป็นเหตุผลสนับสนุนได้ว่า การใช้เสาเหล็ก HSS นั้นคุ้มค่า ดังนี้
- รับน้ำหนักได้มาก – โดยปกติแล้ว ลักษณะหน้าตัดของเหล็กที่เหมาะนำมาใช้เป็นเสาโครงสร้างนั้น ควรจะเลือกหน้าตัดที่มีค่า moment of inertia ที่เยอะทั้งแกน x และแกน y ซึ่งค่า moment of inertia นี้ก็ส่งผลต่อค่า radius of gyration ซึ่งใช้ในการคำนวณหาอัตราส่วนความชะลูดของเสา (Lc / r; โดยที่ Lc = KL) ซึ่งเป็นตัวแปรหลักที่ส่งผลต่อกำลังรับน้ำหนักโดยตรง ดังนั้นแล้วการเลือกเสาเหล็ก HSS ที่มีหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมจตุรัสหรือวงกลม ก็จะมีความได้เปรียบในด้านของกำลังรับแรงอัด (compressive strength) ที่มากกว่าหน้าตัดอื่นๆ ที่มีค่าพื้นที่หน้าตัดใกล้เคียงกัน เช่น หน้าตัดรูปตัว H (มีค่า Iy ที่ค่อนข้างน้อย)
- ได้พื้นที่ใช้สอยอาคารเพิ่ม – จากคุณสมบัติของที่ 1 ด้านบน ด้วยความที่เสาเหล็ก HSS สามารถรับน้ำหนักที่เป็น axial compression ได้มาก ซึ่งหากยกตัวอย่างอาคารที่เป็นถูกใช้งานเป็นอาคารจอดรถ ความสูงระหว่างชั้นก็จะอยู่ที่ประมาณ 2.5 เมตร แล้วหากลองใช้เสาเหล็ก HSS หน้าตัดขนาด 200 x 200 x 6 mm. (อ้างอิงขนาดจาก มอก.107) เกรด SS400 และมีการยึดรั้งที่ปลายแบบ pined-pined มาคำนวณดู จะได้ค่ากำลังรับน้ำหนักอยู่ที่ 95 tons ซึ่งก็ถือว่าสูงพอสมควรเลย ซึ่งจะเห็นว่าขนาดของเสาเหลือแค่ 20 cm. เท่านั้นเอง หรือหากต้องใช้กำลังรับน้ำหนักมากกว่านี้ ก็เพิ่มขนาดหน้าตัดได้ครับ
- ก่อสร้างได้รวดเร็ว – หากจำกันได้จากตอนที่ 1 (link: http://bit.ly/3qy30Ux) ขั้นตอนของการก่อสร้างอาคารที่จะใช้ระบบพื้น post-tension จะต้องหล่อเสาคอนกรีต และบ่มคอนกรีตให้ได้ strength ที่เพียงพอสำหรับการรับน้ำหนักการเทพื้นชั้นต่อไปซึ่งจะใช้เวลาค่อนข้างนาน แต่หากลองเปลี่ยนมาใช้เสาเหล็ก ก็สามารถที่จะยกไปติดตั้งได้อย่างรวดเร็ว
ด้วยข้อดี 3 อย่างนี้ ก็คิดว่าเสาเหล็ก HSS น่าจะเป็นทางเลือกที่ดีตัวหนึ่ง สำหรับวิศวกรผู้ออกแบบ ที่น่าจะนำมาใช้กับงานก่อสร้างอาคารลักษณะที่เป็น multi-story building เช่น อาคารจอดรถ อาคารพาณิชย์ คอนโด หรือโครงสร้างอื่นๆ ที่เหมาะสมครับ
