Cellular Beam และ Castellated Beam คืออะไร?
สำหรับเนื้อหาในวันนี้คิดว่าน่าจะถูกใจหลายท่านนะครับ ที่อยากจะทราบข้อมูลเกี่ยวกับเรื่องของ cellular beam และ castellated beam รวมไปถึงข้อดีข้อเสีย และวิธีการออกแบบของคานประเภทนี้ด้วย ซึ่งในปัจจุบันคานประเภทนี้ได้เป็น icon ประจำสนามบอลหญ้าเทียมไปเป็นที่เรียบร้อยแล้ว
ในโพสต์นี้ ก็จะนำเสนอเนื้อหาที่ว่าข้างต้นครับ เพื่อให้ทุกท่านได้เห็นภาพรวม และสามารถนำไปใช้เป็นข้อมูลประกอบการตัดสินใจก่อสร้างหรือเลือกใช้ครับ
Cellular beam และ Castellated Beam คืออะไร เหมือนกันหรือไม่ ทำไมเรียกต่างกัน?
ก่อนที่จะพูดถึงข้อดีข้อเสียหรือวิธีการออกแบบของคานเหล็กประเภทนี้ ก็อยากให้ทุกท่านรู้ถึงที่มาและเข้าใจนิยามการเรียกชื่อให้ตรงกันก่อนนะครับ จะได้ไม่เกิดความสับสน
ที่มาและประวัติ
คานเหล็กประเภทที่มีช่องเปิดบริเวณ web นั้นมีการใช้งานมานานมากแล้วตั้งแต่ปี 1910 (ตั้งแต่ช่วงแรกๆ ที่เริ่มมีการใช้เหล็กรูปพรรณ ที่อเมริกา) ซึ่งแรกเริ่มเดิมที คือ ตั้งใจเจาะรูเพื่อให้สามารถติดตั้งงานระบบได้สะดวก เพราะว่า สายต่างๆ ของงานระบบจะสามารถร้อยผ่านรูเจาะได้ และอีกประการนึงคือ คานประเภทนี้สามารถทำให้เกิดความสวยงามต่ออาคาร หรือโครงสร้าง เช่น สะพาน ได้
นิยาม
สำหรับการเรียกชื่อคานประเภทนี้ ใน AISC Design Guide No. 31 ได้ให้นิยามไว้ดังนี้
- Castellated Beam คือ คานเหล็กที่ทำการขยายความลึกของหน้าตัดด้วยการตัดและต่อ web ให้เป็นรูป 6 เหลี่ยม
- Cellular Beam คือ คานเหล็กที่ทำการขยายความลึกของหน้าตัดด้วยการตัดและต่อ web ให้เป็นรูปวงกลม
ดังนั้น ควาแตกต่างของคานทั้ง 2 นี้ คือ ลักษณะของช่องเปิดครับ อันนึงเป็นรูป 6 เหลี่ยม อีกอันเป็นวงกลม
วิธีการผลิต
สำหรับกระบวนแปรรูป (fabrication process) ของ คานทั้ง 2 แบบ มีขั้นตอนที่เหมือนกันเกือบทั้งหมด ต่างกันตรงที่วิธีการตัดครับ โดย
- Castellated Beam จะถูกแปรรูปโดยการตัดแบบซิคแซค (zigzag pattern) ตามความยาวของ web ซึ่งหลังจากตัดตามความยาวเสร็จแล้วก็จะได้คานที่แยกกันออกเป็น 2 ส่วน จากนั้น
- ตัดส่วนปลายที่ยื่นเป็นส่วนเกินออก
- นำคานมาประกบซ้อนกันแล้วเชื่อมติดกันด้วยวิธี butt weld จะเป็น partial joint penetration (PJC) หรือ Complete Joint Penetration (CJP)
- Cellular Beam มีขั้นตอนการแปรรูปที่เรียกได้ว่าแทบจะเหมือนกันเลยก็ว่าได้ แต่จะต่างกันตรงที่จะต้องทำการตัด 2 รอบ เพื่อให้ได้รูปแบบของวงกลมที่ต้องการ (circular pattern) ซึ่งการแปรรูปจะใช้เวลามากกว่า Castellated Beam เล็กน้อย และทำให้เกิดเศษเหล็กเหลือทิ้ง (waste) มากกว่าด้วย
ข้อดี (Advantages)
หากนำคานประเภทนี้เปรียบเทียบกับคานเหล็ก wide-flange ทั่วไปแล้ว คานประเภทนี้จะมีข้อดีด้านการออกแบบและการก่อสร้างที่มากกว่า ด้วยปัจจัยหลายๆ อย่างดังนี้
- เพิ่มกำลังรับโมเมนต์ดัดให้กับคาน – ด้วยการที่คานประเภทนี้ถูกผลิตและแปรรูปด้วยการทำให้คานมีความลึกที่มากขึ้น (หากจำกันได้จากโพสต์ก่อน เรื่อง ศิลปะในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก) ด้วยความลึกของคานที่มากขึ้นนี่แหละครับ ที่เข้ามาช่วยให้คานมีค่า moment of inertia (Ix) ที่มากขึ้น ส่งผลให้ section modular ที่มากขึ้นตามไปด้วย ซึ่งแน่นอนครับ ค่า sectional properties ทั้งสองนี้เป็นค่าที่ส่งผลต่อกำลังรับโมเมนต์ของคานเป็นหลักเลยก็ว่าได้
- ลดต้นทุนวัสดุในการก่อสร้าง – เรื่องนี้คงไม่พูดถึงไม่ได้ครับ เพราะว่าเป็นเรื่องที่สำคัญเกือบจะที่สุดของงานก่อสร้างหรือทุกๆ เรื่องเลยก็ว่าได้ ที่คานประเภทนี้ลดต้นทุนการก่อสร้างได้ ก็เป็นเหตุมาจากข้อ 1 แหละครับที่ทำให้คานเหล็ก สามารถใช้กับช่วงความยาวที่ยาวขึ้นได้
- น้ำหนักของโครงสร้างที่เบาลง – ทำให้แรงทางด้านข้าง เช่น แรงภายในที่เกิดจากแรงแผ่นดินไหวลดลง อีกทั้งทำให้ฐานรากเล็กลงได้อีกด้วย
ข้อเสีย (Disadvantages)
แน่นอนว่า มีข้อดีแล้ว ก็ต้องมีข้อเสียเช่นกัน (อะไรมันจะมีแต่ข้อดีอย่างเดียว ไม่น่าเป็นไปได้ครับ 555) ซึ่งข้อเสียก็จะมีดังนี้ครับ
- รับแรงเฉือนได้ไม่ดีนัก – การที่ web สูญเสียพื้นที่บางส่วนไป จะทำให้กำลังรับแรงเฉือนลดน้อยลง จึงอาจจะเหมาะกับอาคารช่วงยาวที่รับ uniform load เช่น โครงหลังคา หรือ ลานจอดรถ แต่อาจไม่เหมาะกับอาคาร ที่มีการรับน้ำหนักแบบ concentrated ที่ไม่ได้มีลักษณะเป็นน้ำหนักแผ่ มากระทำบนคาน เช่น น้ำหนักของเครื่องจักรขนาดใหญ่ หรือ น้ำหนักจากการเสาที่รับพื้นด้านบนที่กระทำบนคาน
- ค่าใช้จ่ายในขั้นตอนของการแปรรูปที่สูงขึ้น – การเชื่อมที่ web เป็นการเชื่อมแบบต่อชน ที่เรียกว่า butt weld ซึ่งเป็นกระบวนการเชื่อมที่ต้องมีการควบคุมคุณภาพ และการตรวจสอบคุณภาพที่เข้มงวดเป็นพิเศษ (เช่นการตรวจสอบด้วยคลื่นเสียง หรือ UT) ต่างจากการเชื่อมแบบ fillet weld ซึ่งอาจควบคุมคุณภาพด้วย visual inspection ก็เพียงพอ นอกจากนี้การเชื่อมที่ web ของคานยังเป็นการเชื่อมตามแนวยาวของคาน ณ ตำแหน่งที่เป็นแกนสะเทิน (neutral axis) ซึ่งเป็นจุดที่จะเกิด shear stress สูงสุดหากพิจารณาที่หน้าตัดใดๆ ของ cellular beam ดังนั้นผลิตภัณฑ์ cellular beam ที่ไม่ได้ผ่านการตรวจสอบคุณภาพบริเวณรอยเชื่อม ก็อาจส่งผลต่อคุณภาพของงานก่อสร้างโดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณที่ต้องรับแรงเฉือน (shear) สูงๆ
ภาพรวมในการออกแบบ
ด้วยความที่บริเวณ web นั้นมีช่องเปิด ทำให้การออกแบบไม่สามารถออกแบบเหมือนคานเหล็กทั่วไปได้ ด้วยช่องเปิดที่ web นี่แหละครับ ที่ทำให้เกิด failure modes ที่จะต้องพิจารณาเพิ่มขึ้น ซึ่งจากการงานวิจัยทำให้รู้ว่าพฤติกรรมของคานประเภทนี้มีพฤติกกรรมเหมือนกับ Vierendeel truss
โดยสำหรับการคำนวณและออกแบบนั้นจะยังไม่ขอลงในรายละเอียดนะครับ แต่จะชี้ให้เห็นถึง Limit states ที่ต้องพิจารณา ซึ่งมีดังต่อไปนี้
- ความหนาของหน้าตัดและการโก่งเดาะเฉพาะจุด (Compactness and local buckling)
- กำลังรับโมเมนต์ดัด (Overall beam flexural strength)
- Vierendeel bending of tees
- Web post buckling
- แรงอัดและแรงดึงตามแนวแกน (Axial tension/compression)
- แรงเฉือนในแนวนอน (Horizontal shear)
- แรงเฉือนในแนวดิ่ง (Vertical shear)
- การโก่งเดาะออกทางด้านข้าง (Lateral-torsional buckling)
