Steel Base Plate (แผ่นเหล็กรองฐานเสา)
การออก Base Plate for Compressive Axial & Tensile Axial Loads (LRFD)

การออก Base Plate for Compressive Axial & Tensile Axial Loads (LRFD)

โดยปกติแล้วเวลาที่เราออกแบบโครงสร้างอาคาร เราอาจจะละเลยการออกแบบ column base plate หรืออีกชื่อ คือ แผ่นเหล็กรองใต้เสา เนื่องจาก ในหลายๆ ครั้งเราก็จะมีค่าความหนาของแผ่นเหล็กในใจแบบยืนพื้นอยู่แล้วว่าใช้ความหนาประมาณ 1 นิ้ว หรือ 20 มม. โดยที่จะไม่ได้ให้ความสำคัญในการคำนวณสักท่าไหร่ วันนี้เลยอยากเอาเนื้อหาเกี่ยวกับ concept ของการออกแบบ column base plate มานำเสนอหน่อยครับ

ในอาคารทั่วๆไป เช่น บ้านหรือสำนักงานต่างๆ เราจะพิจารณาแรงกด P (Axial Force) ที่ถ่ายลงมาจากเสาไปยัง base plate แล้วจึงนำแรงที่กระจายลงมานี้ไปคำนวณหาความหนาของแผ่นเหล็ก และคำนวณค่า Strength ของคอนกรีต แต่ในอาคารประเภทโรงงานหรือโกดังเก็บของที่มีช่องเปิดแล้วแรงดันลมภายในที่เป็นแรง uplift จะส่งผลให้เกิดแรงดึงขึ้นที่แผ่นเหล็ก ซึ่งทำให้ต้องพิจารณาและออกแบบด้วยวิธีที่ต่างกับส่วนที่รับแรงอัดเพียงอย่างเดียวครับ

การออกแบบ Base Plate รับแรงอัด

ขอพูดถึงกรณีที่แผ่นเหล็กต้องรับแรงอัดจากเสาก่อนคร่าวๆครับ ซึ่งกรณีทั่วไปของการออกแบบแผ่นเหล็กรองใต้เสานี้ ที่รับเพียงแรงอัดก็จะแบ่งการออกแบบเป็น 2 ขั้นตอนด้วยกัน คือ

  1. Concrete Bearing Limit
    • เมื่อ A2 = A1 >>> fp(max) = 0.85fc’
    • เมื่อ A2 >= 4A1 >>> fp(max) = 0.85fc’(sqrt(A2/A1)) <= 1.7fc’
    • และเมื่อ A1 < A2 < 4A1 >>> fp(max) = 0.85fc’(sqrt(A2/A1)) <= 1.7fc’

ซึ่งในที่นี้ค่า phi = 0.65 (LRFD) โดยที่

  • A1 คือ พื้นที่หน้าตัดของ แผ่นเหล็ก
  • A2 คือ พื้นที่หน้าตัดของ Concrete
  • fp(max) คือ ความเค้นสูงสุดที่คอนกรีตรับได้ (ksc)
  • Pp = กำลังรับแรงอัดของคอนกรีต >>> phi*fp(max)*A1
  1. Base Plate Yielding Limit (W-shapes)

ค่า bearing stress จะเกิดขึ้นเมื่อมีแรงอัดมาจากเสาเพียงอย่างเดียวแล้ว Pu ก็จะทำให้เกิด stress ที่เป็นรูปแบบ uniform ขึ้น ดูได้ที่รูป… โดยที่ stress ที่เกิดขึ้นจะมีค่าเท่ากับ fpu = Pu/BN เมื่อมี stress เกิดขึ้นที่แผ่นเหล็กแล้ว ส่วนของ plate ที่ยื่นออกมาจากตัวเสาจะเกิดโมเมนต์ขึ้น ทำให้เราต้องไปเช็คกำลังรับของแผ่นเหล็ก จาก Mpl = fpu(l^2/2) โดยที่ l จะต้องพิจารณาระยะของแผ่นเหล็กที่ยื่นออกมามากที่สุด และจากนั้น ก็ไปคำนวณความหนาที่ต้องใช้จาก tmin = l*sqrt(2Pu/phi*FyBN) โดยที่ phi = 0.9

ส่วนประกอบของแผ่นเหล็กรองใต้เสา
Stress ที่เกิดขึ้นใต้แผ่นเหล็ก

การออกแบบ Base Plate รับแรงดึง

แต่ในกรณีที่แผ่นเหล็กรองใต้เสา ต้องรับแรงดึงเนื่องจากแรง uplift แล้ว concept ก็คือ เราจะต้องคำนึงถึงแรงถอนของ anchor rod ที่ยึดกับฐานคอนกรีต (อาจทำให้เกิด prying force ที่แผ่นเหล็กได้)

โดยการออกแบบจะประกอบไปด้วย 4 ขั้นตอน คือ

  1. หาแรง uplift สูงสุดที่กระทำกับเสา
  2. หาขนาดและจำนวนของ anchor rod ที่ต้องใช้
  3. หาขนาดความหนาของ แผ่นเหล็กรองใต้เสาที่ต้องการ โดย concept คร่าวๆ สำหรับออกแบบแผ่นเหล็กรองใต้เสา ที่รับแรงแบบ uplift แล้ว แรงดึงที่เกิดขึ้นกับ bolt ที่ถ่ายไปยังแผ่นเหล็ก จะทำให้เกิด bending moment ขึ้น โดยที่มองว่าส่วนของแผ่นเหล็ก ที่ยื่นออกมาจากเสาถือว่าเป็นคานยื่น
  4. หากำลังรับแรงของคอนกรีตที่ถูกกระทำด้วยแรงถอนจาก anchor rod

หลังจากที่เรารู้แรงดึงที่เกิดขึ้นแล้ว ให้ทำการหากำลังรับแรงดึงของ anchor rod แต่ละตัวก่อน

การพิจารณาพื้นที่รับแรงดึงของ anchor rod จะมี limit คือ ที่พื้นที่น้อยที่สุดที่เกิดของ bolt ที่เกิด stress ขึ้นตามความยาวเกลียวของ anchor rod ตัวนั้นๆ ซึ่ง Tensile stress area = (D – 0.7854/n)^2

  • เมื่อ D คือ ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของ bolt
  • n คือ จำนวนเกลียวของ bolt ต่อ 1 นิ้ว
  • โดยที่กำลังรับแรงดึง (tensile strength) ของ Rn = 0.75FuAb โดยที่ phi = 0.75
  • ดังนั้น Design tensile strength = (0.75)(0.75)FuAb = 0.5625FuAb

จากนั้นก็จะเป็นขั้นตอนของการหาความหนาของแผ่นเหล็กรองใต้เสา จาก stress distribution ที่เกิดขึ้น ซึ่งตรงนี้จะขอนำเสนอในโพสท์ต่อไปนะครับ

และขั้นตอนสุดท้าย คือ การหากำลังต้านทานการถอนของคอนกรีตจาก bolt ที่รับแรงดึง วิธีนี้จะอ้างอิง code ของ ACI 318-02 นะครับ โดยสมการที่ใช้จะเป็นไปตามด้านล่างนี้

phiNp = phi*Psi4*Abrg*8fc’

โดยที่

  • Np คือ กำลังรับแรงถอนของคอนกรีต
  • phi = 0.7
  • Psi4 (สัญลักษณ์ที่เป็นรูป 3 แง่ง) = 1.4 เมื่อ anchor rod อยู่ในบริเวณที่คอนกรีตไม่เกิดการ crack (ft-fr) ถ้าเป็นกรณีอื่นๆให้ใช้ค่าเท่ากับ 1
  • Abrg คือ พื้นที่รับแรงกดของส่วนหัว (head) หรือ nut ของ anchor rod (สามารถดูได้จากตารางในรูปที่ 5)

ซึ่งข้อสังเกตที่ทาง AISC ได้ให้ไว้สำหรับการคำนวณการกำลังต้านทานแรงถอนนี้ คือ

  1. คอนกรีตจะไม่ได้เป็นตัว control พฤติกรรมของการวิบัติเมื่อเลือกใช้ anchor rod ทีมี fy = 36 ksi (2500 ksc) และคอนกรีตที่มีค่า fc’ = 4 ksi (280 ksc)
  2. เมื่อใช้ anchor rods ที่มีกำลังรับแรงที่สูงขึ้น การนำ washer เข้ามาใช้จะช่วยให้ anchor rod สามารถพัฒนากำลังไปได้จนถึงกำลังรับแรงสูงสุด
  3. Washer ที่นำมาใช้ควรจะมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะใช้ได้เพื่อพัฒนากำลังรับแรงของคอนกรีต
กำลังรับแรงดึงสูงสุดของ anchor rod




Spread the love