AISC ยกเลิก K factor ในการ ออกแบบเสาเหล็ก / compression member !!!
เรื่องนี้หลายท่านอาจยังไม่ทราบ ว่าเรา กำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่าน จากการคำนวณ ออกแบบเสาเหล็ก และ compression member อื่นๆ ด้วยวิธีการเก่าๆ ที่เราคุ้นเคย คือการหาค่า K = effective length factor แล้วมาหา KL/r ของเสา (หรือ compression member อื่น) เพื่อไปหากำลังรับแรงที่วิกฤต
ทำไมถึงเลิกใช้ K factor
แน่นอนว่า มันต้องมีช่องโหว่ หรือ ข้อจำกัดบางอย่างที่ไม่สามารถบังคับ (ออกแบบ) ให้โครงสร้างอาคารของเรามีพฤติกรรมดังที่ระบุไว้ในเงื่อนไขได้ เช่น (อ้างอิง AISC360 ปี 2005 Commentary C2) ว่า “All columns buckle simultaneously” หรือ เสาจะต้องเกิดการวิบัติพร้อมๆ กันทุกต้น
ซึ่งในโลกความเป็นจริง มันแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ในการออกแบบอาคารโครงสร้างเหล็ก ทั้งด้วยเงื่อนไขที่ระดับของ “แรง” ทั้ง axial และ bending ทั้ง static และ non static load ทั้งขนาด ลักษณะ connection หรือ การ brace จะอำนวยให้ all columns! ของทั้งชั้นทั้ง floor เกิดการวิบัติไปพร้อมๆ กัน
และนอกจากนี้ alignment chart ที่เราต้องหา GA = (EI/L)column/(EI/L)beam ของชั้นบน และ GB ของชั้นล่าง เพื่อมาหาค่า K ตาม chart ของ sidesway และ non sidesway นั้น มันแทบจะนำมาใช้ไม่ได้กับอาคารใหม่ๆ ที่เสาเอียงๆ หรืออาคารที่เป็น spaced frame 3 มิติ
วิวัฒนาการของ AISC 360
ในประเด็นนี้ของ AISC ตั้งแต่ปี 2005 (AISC360-05) ได้เริ่มมีการนำเสนอวิธีการคำนวณที่ไม่ต้องประเมินหา K factor ตั้งแต่ราวปี 2005 แสดงไว้ใน Appendix 7 เรียกว่าวิธี Direct Analysis Method เรียกย่อๆ ว่า DM คือโดยนัยยะแล้ว ส่วนที่อยู่ใน Appendix จะเป็นวิธีเสริม ไม่ใช่วิธีหลักดังเช่นวิธีการใช้ K factor ที่เรียกว่า Effective Length Method (ELM)
แต่ต่อมาในปี 2010 AISC360 เกิดการเปลี่ยนแปลงแบบวช๊อควงการวิศวกรรมการออกแบบกันเลยครับ (ปล. นั่น 11 ปีก่อนนะครับ บ้านเราแบบว่า ยังไม่มีใครรู้เท่าไหร่) คือ AISC360 ได้ถอดตารางและรูปที่แสดงการหา K-factor ใน Commentary C2 ออกทั้งหมด และ “เปลี่ยน” วิธีการหลักในการคำนวณ ใน Chapter C จาก ELM ไปเป็น DM … และใน AISC360 ปีล่าสุด 2016 ได้มีการตัดตัวแปร K ออกในการคำนวณกำลังรับแรงอัด เปลี่ยนจาก KL ไปใช้สัญลักษณ์ Lc แทน
บทสรุปของ K-factor ที่ใช้สำหรับการ ออกแบบเสาเหล็ก
ยังไงต่อ ELM ยังปรากฏเป็นวิธีทางเลือกนะครับ แม้ว่า AISC จะไม่แนะนำให้ใช้ (แต่อนุโลมเพราะจะเปลี่ยนวิธีการจากที่เคยทำมาเป็นสิบๆ ปี ในทุก design firm คงเป็นไปไม่ได้) เพราะการหาค่า K factor ที่เหมาะสม มันเป็นไปแทบไม่ได้ นั่นแปลว่าผู้ออกแบบมีแนวโน้มจะเผื่อให้ K สูงๆ ไว้ก่อน เพื่อขยายขนาด ก็ทำให้สิ้นเปลือง แต่หากพยายามลดขนาดไปที่ limit เพื่อให้ประหยัด ก็อาจไม่ปลอดภัย ไม่เปลืองก็ไม่ปลอดภัย
ดังนั้น สิ่งที่ AISC คาดหวังคือ ให้นักวิชาการ อาจารย์มหาวิทยาลัยหันมาสนใจการพิจารณาคำนวณด้วยวิธี DM ที่มากยิ่งขึ้นเพื่อพัฒนาวิศวกรรุ่นใหม่ๆ ออกสู่ design industry ในขณะเดียวกันก็คาดหวังว่าวิศวกรอาวุโส จะหันมาศึกษาค้นคว้าทำความเข้าใจกับหลักการคำนวณด้วยวิธี DM มากยิ่งขึ้น
ทั้งนี้ไม่ได้หมายความว่า DM คิดผลของ P-delta effect แต่ ELM ไม่ได้คิดนะครับ ตราบใดก็ตามที่มีการพิจารณาค่าตัวคูณ amplification factor ที่เรียกว่า B1 B2 ก็จะเป็นการคิด P-delta effect ที่เรียกว่า second order analysis
คือการคำนวณแรงภายในจากแรงที่กระทำกับอาคารในสภาพที่เกิดการเสียรูป (deformed condition) เพียงแต่ DM จะกำหนดค่า K=1 เสมอ เพื่อไม่ต้องไปคำนวณหาค่า K แต่ใช้การลด stiffness ของ compression member (อันเป็นการลด strength ไปในตัว)
หมายเหตุ first order analysis เป็นวิธีการที่เราคำนวณโครงสร้างกันทั่วไปครับ คือ แรงกระทำกับ structure ในสภาพที่ยังไม่เสียรูป undeformed condition แรงหลายๆ แบบโครงสร้างหลายๆ ประเภทมันไม่ได้ติดขัด แต่โครงสร้างบางประเภทมันคิดแบบนั้นอาจไม่ได้
เช่น เสารับ axial compression ถ้าเกิด sway ไปด้านข้าง (เกิด displacement d = delta) แล้วมีแรง axial compression P มากระทำ ก็จะเกิด extra moment = P*d ที่เรียกว่า P-delta effect ไปทำให้โครงสร้างเกิดการวิบัติได้ง่ายกว่ากรณีที่ไม่คิดผลนี้ครับ