หลักการของ End-Plate Moment Connection
สำหรับเรื่องของ end-plate moment connection นี้ หลายท่านที่เคยทำงานออกแบบอาคารโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า ที่เป็น low-rise buildings น่าจะคุ้นเคยกันดีกับจุดต่อ (connection) รูปแบบนี้นะครับ ซึ่งจะอยู่ใน AISC Design Guide No. 4
สำหรับ connection ที่เรากำลังพูดถึงนี้ จะประกอบไปด้วย 2 รูปแบบหลักๆ นะครับ คือ
1. flush type – connection ที่เป็นข้อต่อระหว่าง คาน – คาน หรือ คาน – เสา โดยที่แผ่น plate จะไม่มีส่วนที่ยื่นออกมาเกิน top flange หรือ bottom flange ของคาน มีทั้งเสริมและไม่เสริม stiffener
โดยลักษณะการใช้งาน จะเน้นไปที่โครงสร้างที่รับ lateral load ไม่มากนัก และใช้กับบริเวณที่เป็นจุดกลับทิศของโมเมนต์ (inflection point) และอีก application ที่จะถูกนำไปใช้ก็คือ บริเวณที่เป็นการต่อคานเข้ากับเสา เนื่องจากไม่มีส่วนยื่นที่อาจไปกระทบต่อการติดตั้งส่วนของหลังคา
2. extended type – เป็นรูปแบบที่มีส่วนของ plate ยื่นออกมาเกินกว่า top flange หรือ bottom flange ของคาน มีทั้งเสริมและไม่เสริม stiffener ส่วนลักษณะการใช้งานก็จะเน้นไปที่โครงสร้างที่ต้องรับ lateral load มากๆ
วันนี้เราจะมาพูดถึงตัว extended type เป็นหลักนะครับ เพราะว่าจะเชื่อมโยงกับเนื้อหาในโพสต์ต่อไป อีกทั้ง moment connection รูปแบบนี้ ก็มีลักษณะของตำแหน่งการติดตั้งคล้ายๆ กับ flange plate moment connection
ซึ่งก็คือ การติดตั้งแบบ คาน – เสา …. แต่การพิจารณา limit state หรือแนวคิดในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักนั้น ค่อนข้างที่จะต่างกันออกไปอย่างสิ้นเชิง
ลักษณะโดยทั่วไป
สำหรับ extended end-plate moment connection นี้ จะสังเกตเห็นได้ว่า ตำแหน่งของการติดตั้ง bolt จะเหมือนกันทั้งฝั่งบนและฝั่งล่างจะเหมือนกัน เนื่องจาก การออกแบบตาม design guide เล่มนี้
จะเป็นการออกแบบ moment connection ที่สามารถรับแรงที่เป็น cyclic load เช่น แรงแผ่น แรงลม ที่เกิดแรงกระทำในทิศทางซ้ายที ขวาที ซึ่งก็คือแรงกระทำแบบกลับไปกลับมา ส่งผลให้โมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้น มีทิศทางที่กลับไปกลับมาเช่นเดียวกัน
ดังนั้น จำนวนของ bolt ฝั่งด้านบนและฝั่นด้านล่าง ก็จะมีจำนวนที่เท่ากัน คือ สามารถติดตั้ง bolt ในจำนวนที่เรียกว่า 4 บน 4 ล่าง มี stiffener หรือไม่มี stiffener (4E และ 4 ES) หรืออีกแบบนึงก็คือ 8 บน 8 ล่าง พร้อมติดตั้ง stiffener (8ES)
บางท่านอาจมีคำถามนะครับว่า เราสามารถเปลี่ยนรูปแบบจำนวนของ bolt เอง หรือเอา stiffener ออกเอง หรือวางตำแหน่ง geometry ที่คิดขึ้นมาเองได้ไหม ก็ต้องตอบตรงๆ ว่า ไม่ได้ครับ
เนื่องจาก การออกแบบ end-plate moment connection นี้ เป็น pre-qualified connection ซึ่งก็คือ ได้ผลการศึกษาและสมการสำหรับคำนวณกำลังรับน้ำหนักในแต่ละ limit states มาจากการทำการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ไม่สามารถที่จะเปลี่ยนแปลงรูปแบบได้นั่นเองครับ
ความแตกต่างของ End-Plate และ Flange Plate Moment Connection
ที่นี้ลองมาดูความแตกต่างระหว่าง moment connection ที่เป็นแบบ end-plate กับ flange plate กันหน่อย นะครับ ซึ่งจะขอพูดถึงรวมๆ แยกเป็นข้อๆ ไป
1. ในเรื่องของการคำนวณออกแบบนั้น end-plate จะมีความซับซ้อนที่ค่อนข้างจะมากกว่า เนื่องจากลักษณะของ failure ที่สามารถเกิดขึ้นได้นั้น มีจำนวนมาก
และสมการในการคำนวณค่อนข้างที่จะยาว เนื่องจากจะต้องอ้างอิง ลักษณะของ yield line ที่เกิดขึ้น ในขณะที่ flange plate นั้น limit state จะไม่เยอะเท่ากับ end-plate
2. การผลิตติดตั้งนั้น ทำได้ค่อนข้างยุ่งยากกว่า เนื่องจากการแปรรูปในโรงงาน ต้องใช้ช่างที่มีความชำนาญค่อนข้างสูง ซึ่งหากระยะหรือความได้ฉากของทั้งคานและเสานั้นผิดพลาดเกิน tolerance ไป ก็จะทำให้ไม่สามารถติดตั้งได้ อีกทั้ง ด้วยความร้อนจากการเชื่อม มักจะทำให้แผ่นเหล็กปิดปลาย (end-plate) นั้นเกิดการ warp ได้
3. การรับแรงเฉือน จะพิจารณาจาก bolt กลุ่มล่างเท่านั้น (กลุ่มที่อยู่ด้านล่าง bottom flange เนื่องจาก bottom flange ถูกใช้เป็นจุดหมุนในการพิจารณาแรงดึงที่เกิดขึ้นกับ bolt กลุ่มอื่นๆ)
4. bolt ไม่รับแรงอัด การถ่ายแรงอัดจะเป็นการถ่ายจาก end-plate สู่เสาที่พิจารณาเป็น support
หลักในการพิจารณาออกแบบ
เมื่อมีโมเมนต์และแรงเฉือนเกิดขึ้น connection ก็ต้องทำหน้าที่ในการรับแรงภายในเหล่านี้ให้ได้ สำหรับหลักการใพิจารณาออกแบบนั้น ทาง design guide ได้กำหนดมาค่อนข้างชัดเจนว่า องค์ประกอบไหน มีหน้าที่ในการรับแรงอะไรบ้าง
การพิจารณา failure mode ของ end-plate ครึ่งบน
1. bolt tensile rupture – หากดูจากรูปนะครับ จะเห็นได้ว่า หน้าที่ของ bolt กลุ่มบนนั้น รับแรงดึงที่เกิดจาก moment ไปเต็มๆ นะครับ ซึ่งกลุ่ม T1 จะรับแรงดึงสูงสุด เนื่องจากมีระยะที่ห่างจากจุดหมุน (bottom flange) มากที่สุด
ส่วน bolt กลุ่ม T3 จริงๆ ก็มีแรงดึงเกิดขึ้นนะครับ แต่มันน้อยมากๆ จนสามารถตัดการพิจารณาออกไปได้ ดังนั้น ก็จะต้องพิจารณากำลังรับแรงดึงของ bolt กลุ่มบน ซึ่งเป็นกลุ่มที่รับแรงดึงสูงสุด ว่ามีกำลังเพียงพอหรือไม่
2. shear rupture – ต่อมา เมื่อมีโมเมนต์เกิดขึ้นแล้ว ก็ต้องพิจารณาว่า couple forces ที่กระทำเข้าสู่ flange ซึ่งสามารถคำนวณได้จาก M / d – tf เมื่อได้เช่นนี้แล้ว ก็จะทราบว่าแรงดึงนั้น จะเกิดขึ้นกับ top flange และเกิดแรงอัดขึ้นที่ bottom flange
ทีนี้แรงดึงที่กระทำจาก top flange ก็ไปตั้งฉากกับแผ่น plate ซึ่งทำให้สามารถเกิด failure mode ในรูปแบบของ shear rupture ได้กับตัว end-plate (แต่หากมีการติดตั้ง stiffener ก็สามารถตัดการพิจารณา failure mode นี้ไปได้)
3. weld tensile rupture – นอกจากนี้ แรงดึงที่เกิดขึ้น ก็ยังอาจทำให้รอยเชื่อมบริเวณ top flange เกิดการขาดได้อีกด้วย ดังนั้น failure mode ที่ต้องพิจารณาเพิ่มเติมก็คือ weld tensile rupture
การพิจารณา failure mode ของ end-plate ครึ่งล่าง
ทาง code ได้แยกหน้าที่ของการรับแรงไว้ค่อนข้างที่จะชัดเจนนะครับ โดยบอกว่าครึ่งบนนั้นมีหน้าที่ในการรับแรงดึงไป ส่วนครึ่งล่างก็รับแรงเฉือนไป ดังนั้นแล้ว ในส่วนที่ต้องรับแรงเฉือนนั้น ก็จะมี limit state ดังนี้
1. weld shear rupture – ตั้งแต่ระยะความลึกครึ่งล่างของ end-plate นั้น จะเป็นส่วนที่รับ shear force ดังนั้นแล้ว รอยเชื่อมบริเวณ web ไล่มาตั้งแต่ ระยะกึ่งกลางของ end-plate จนถึง bottom flange นั้น รอยเชื่อมจะต้องรับแรงเฉือน จึงมีสิทธิ์ทำให้เกิดการขาดของรอยเชื่อม
2. bolt shear rupture – อย่างที่ได้เกริ่นไปก่อนหน้านี้แล้วว่า bolt กลุ่มล่างสุดนั้น เป็นตัวรับแรงเฉือนที่เกิดขึ้นทั้งหมด ดังนั้นแล้ว จะต้องพิจารณากำลังรับแรงเฉือนของ bolt กลุ่มล่างด้วยว่า เพียงพอที่จะรับแรงเฉือนที่เกิดขึ้นหรือไม่
โดยหลักการแล้ว ก็จะเป็นประมาณนี้นะครับ หากท่านใดที่ต้องการรายละเอียดในการคำนวณแบบลงลึก ก็สามารถที่จะดูใน AISC Design Guide No. 4 ได้เลยครับ