|
การออกแบบรายละเอียดโครงสร้างเหล็ก
การออกแบบโครงสร้างเหล็ก นอกจากทฤษฏีที่ใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนต่างๆ ที่จำเป็นต้องมีพื้นความรู้อย่างดีแล้ววิศวกรต้องอาศัยความรอบรู้ในเชิงปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องการให้รายละเอียดต่างๆ ของชิ้นส่วนตลอดของจนรอยต่อระหว่าง ชิ้นส่วนต่างๆ" จาก : หนังสือโยธาสาร ปี 2538 โดย : ดร.วรศักดิ์ กนกนุกุลชัย ศาสตราจารย์วิศวกรรมโครงสร้าง สถาบันเทคโนโลยีแห่ง การออกแบบโครงสร้างเหล็ก นอกจากทฤกษฏีที่ใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนต่างๆ ที่จำเป็นต้องมีพื้นความรู้อย่างดีแล้ววิศวกรต้องอาศัยความรอบรู้ในเชิงปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องการให้รายละเอียดต่างๆ ของชิ้นส่วนตลอดของจนรอยต่อระหว่าง ชิ้นส่วนต่างๆ โครงสร้างในทางปฏิบัติแล้ว รูปแบบชิ้นส่วนของโครงสร้างเหล็ก มีทางเลือกพอสมควรต่างกับกรณีการออกแบบชิ้นส่วนคอน กรีตเสริม เหล็กที่มักจะมี แบบแผนค่อนข้างแน่นอน เช่น คาน ค.ส.ล.โดยปกติมักมีรูปตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีเหล็กเสริมสองแถว ด้านบนและด้านล่างของหน้าตัด และล้อมยึดด้วยเหล็กปลอก เป็นต้น แต่กรณีคานเหล็ก ออกจากมีหน้าตัดให้เลือกได้จากตารางเหล็กรูปพรรณมาตรฐานที่มีขายในท้องตลาดแล้ว วิศวกรอาจประกอบจากเหล็กรูปพรรณ หรือเหล็กแผ่นโดยการเชื่อม ดังนั้น การออกแบบโครงสร้างเหล็ก ถ้าวิศวกรที่มีประสบการณ์ไม่เพียงพอ หรือไม่ได้รับการฝึกฝนอบรมมาบ้าง มักเกิดความไม่มั่นใจในทางเลือกและรายละเอียดที่เหมาะสมในกรณีเฉพาะต่างๆ เพราะทางเลือกมีหลากหลายเกินไป แต่ผู้มีประสบการณ์มักพบว่าการออกแบบโครงสร้างเหล็กให้โอกาสวิศวกรสามารถใช้ความติดสร้างสรรค์ได้มาก และเป็นเรื่องน่าท้าทายบทความนี้ จึงได้รวบรวมตัวอย่างของทาง เลือกต่างๆ ในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก โดยอาศัยรายละเอียดที่ใช้ได้ดีในภาคปฏิบัติมาแล้ว
ส่วนประกอบที่สำคัญของโครงสร้าง
ชิ้นส่วนหลักของโครงสร้างเหล็กประกอบด้วย
(ก) ชิ้นส่วนรับแรงในแนวดิ่ง คือ เสาเหล็ก
(ข) ชิ้นส่วนกระจายน้ำหนักบรรทุกในระนาบ คือ คานและระบบพื้น และ
(ค) ชิ้นส่วนเพื่อการยึดเหนี่ยว (Bracing Members) และเพิ่มสติฟเนส (Stiffness) ปกติในห้อง เรียน เรามักเรียนรู้เกี่ยวกับการออกแบบคานและพื้นมาเพียงพอ แต่ Bracing Member ซึ่งโครงสร้างเหล็กถือเป็นรายละเอียดที่สำคัญ เพราะมีส่วนทำให้โครงสร้างเหล็กเกิดเสถียรภาพและลดการโยกตัวได้ อาคารสูงในปัจจุบันจากการสำรวจอาคารสูงเหล็กที่ก่อ สร้างใน 20 ปีหลัง พบว่าการใช้ชิ้นส่วนเหล็กที่ทำหน้าที่ Bracing Stiffening อาจมีปริมาณมากถึงร้อยละ 20 - 30 ของปริมาณ ทั้งหมดที่ใช้ในอาคาร และมีส่วนทำให้ปริมาณเหล็กที่ใช้ในอาคารทั้งหมดลดลงมากเพราะในกรณีมี Bracing Members เพียง พอแล้ว ขนาดของเสาเหล็กก็สามารถลดลงได้พอสมควร
เสาเหล็ก
สำหรับโครงสร้างเหล็ก เสาทำหน้าที่รับแรงกดที่เกิดจากการถ่ายน้ำหนักที่ผ่านมาจากพื้น และคาน มาตามแนวดิ่งเพื่อส่งผ่านไปยังฐานราก หรือในบางกรณีอาจทำหน้าที่หิ้วคานหรือพื้น (Suspension members) สำหรับเสาที่รับแรงกดการออกแบบจะต้องคำนึง ถึง Bucking ด้วย รายละเอียดการยึดเหนี่ยวทางด้านข้างจึงมีความสำคัญมาก ทางเลือกของรูปแบบเสาเหล็กประกอบด้วย
(ก) หน้าตัด ข้อได้เปรียบ คือ รายละเอียดการต่อกับคานเหล็กทำได้โดยง่าย
(ข) หน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า สำหรับเสาที่ต้องรับน้ำหนักมาก หรือมีความยาวมาก ให้ความรู้สึกที่ดีในความแข็งแรง ปกติอาจใช้แผ่นเหล็กประกบหน้าตัดรูป 1 หรือประกอบจากแผ่นเหล็กสี่แผ่น หรือเป็นสี่เหลี่ยมหน้าตัด หรือใช้เหล็ก Channels 2 ชิ้นประกบกัน
(ค) หน้าตัดรูปไม้กางเขน ได้จากการประกอบของหน้าตัดต่างๆ เหมาะสำหรับเสาที่ไม่ต้องการให้เห็นความหนา เช่น จุดตัดระหว่างผนัง 2 ทิศทาง ส่วน 1.11 สำหรับเสาที่ต้องรับแรงดัดสูงทั้งสองทิศทาง
(ง) หน้าตัด Hollow Section ให้ความรู้สึกที่ดี แต่การให้รายละเอียดรอยต่อกับคานทำได้ยาก
(จ) เสาประกอบจากเหล็กรูปพรรณ พบมากในโครงสร้างโรงงาน เหมาะมากเมื่อต้องมีคานพาดระหว่างช่องแคบในเสา หรือต้องมีท่อระบบเดินภายในเสาซึ่งต้องมีการ Service เป็นประจำ
(ฉ) เสารับแรงดึง Suspension members อาจใช้ลวดกลม หรือ แผ่นเหล็ก หรือ Channel 2 ตัว เชื่อมชนกัน หรือลวดขดเป็นกลุ่ม
รายละเอียดการยึดระหว่างเสากับฐานราก
เนื่องจากคอนกรีตสามารถทนหน่วยแรงได้น้อยกว่าเหล็กมากต่อพื้นที่หน้าตัดที่เท่าๆ กัน การถ่ายแรงกดจากเสาเหล็กผ่านไปยังฐานรากซึ่งเป็น ค.ส.ล. จำเป็นต้องลดขนาดหน่วยแรงโดยการกระจาย ผ่านไปยังแผ่นเหล็ก (Base Plates) เมื่อขนาดหน่วยแรงลดลง ฐานราก ค.ส.ล. จึงสามารถจะทนแรงกดได้ แผ่นเหล็กต้องมีความหนาพอสมควร เพื่อให้แรงกระจายได้ในพื้นที่ที่มากกว่า มิฉะนั้นต้องอาศัย Stiffened Ribs ช่วยในการถ่ายแรงให้กระจายออก ในกรณีมีแรงเฉือนในแนวระนาบถ่ายมาจากเสาด้วย แผ่นเหล็กควรมีส่วนที่ยื่นเป็นเดือยเข้าไปในเนื้อคอนกรีต เพื่อถ่ายแรงในแนวระนาบได้ การยึดแผ่นเหล็กกับฐานรากต้องทำโดยมีเดือยเป็นตัวยึด โดยเฉพาะในกรณีที่มีแรงดัดเกิดในเสา
การถ่ายแรงระหว่างคานกับเสา สามารถทำได้ในลักษณะต่างๆ ได้ดังนี้
(1) การถ่ายแรงเฉือนอย่างเดียว (Shear Connection) ซึ่งเสาไม่มีความต่อเนื่อง หรือมี ความต่อเนื่องแต่เสาขนาดเล็กกว่าคานมาก จึงถือได้ว่าแรงตัดมีความต่อเนื่องเฉพาะในคานเท่านั้น ตัวอย่างของ Shear Connection ในหลักการคือจะต้องวิธีให้มีการถ่ายแรงกดจากคานลงไปยังเสา
2) การถ่ายทั้งแรงเฉือนและแรงดัด (Shear and Moment Connection) ในกรณีนี้ จำเป็นต้องมีรายละ
เอียดเพียงพอที่จะให้แรงดัดมีความต่อเนื่องทั้งในคานและในเสา
ส่วนข้อต่อระหว่างคานกับเสาซึ่งประกอบกันเป็นโครงข้อแข็ง จำเป็นต้องออกแบบให้มีความต่อเนื่องในการถ่ายทั้งแรงเฉือนและแรงดัด คาน (Beams or Girders) คานทำหน้าที่ถ่ายแรงที่เกิดจากน้ำหนักบรรทุกที่กระทำบนพื้นผ่าน ไปยังเสา คานเหล็กอาจเป็นเหล็กรูปพรรณหรือคานที่ได้จากโครงถัก หรือแม้กระทั่งออกแบบให้พื้นคอนกรีตเป็นส่วนหนึ่งของคานประกอบ (Composite Beam) สำหรับโครงสร้างที่รับน้ำหนักมาก คานอาจประกอบขึ้นจากเหล็กรูปพรรณโดยวิธีการเชื่อม เมื่อคานมีความลึกมาก อาจต้องอาศัยเหล็ก Stiffeners เพื่อยึดหน้าตัดไม่ให้เปลี่ยนรูป หรือ เกิด Local Buckling ที่แผ่วเอวได้
รายละเอียดรอยต่อระหว่างคานในสองทิศทาง
ในกรณีคานในทิศทางหนึ่งมีขนาดเล็กกว่าคานอีกทิศทางหนึ่งมาก ความต่อเนื่องควรจะรักษาไว้ในคานที่ใหญ่กว่าโดยมากแล้วมัก ออกแบบให้คานเล็กกว่าเกาะยึดกับคานใหญ่กว่าโดยอาศัยแรงเฉือนอย่างเดียว คือ ถือว่าคานเล็กกว่าจะไม่ถ่ายแรงดัดไปยังคานใหญ่
ซึ่งทำให้เกิดการบิดตัวได้ รอยต่อ ในลักษณะนี้จึงทำโดยเชื่อมต่อเฉพาะแผ่นเอว (Web Connection) เท่านั้น ดังแสดงในกลุ่ม ในกรณีออกแบบให้คานทั้งสองทิศทางมีความต่อเนื่องกันจำเป็นต้องให้คานมีความต่อเนื่องกันใน Flanges ซึ่งรับแรงดึงและแรงกดที่เกิดจากแรง คานถัก (Lattice Girders) การถักนับว่าเป็นคานที่ใช้วัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุด แต่ข้อเสียคือ เปลืองแรงงานในการประกอบมาก หลักการของการให้รายละเอียดของคาน ที่ประกอบจากโครงถัก คือ จะต้องจัดให้แกนของทุกชิ้นส่วนมาพบกันที่จุดๆ เดียว เพื่อให้เกิดแรงดัดในทุกชิ้นส่วนน้อยที่สุด ตัวอย่างของการออกแบบรายละเอียดข้อต่อของโครงถัก
ระบบพื้นสำหรับโครงสร้างเหล็ก
พื้นในโครงสร้างเหล็กทำหน้าที่
(1) รองรับน้ำหนักบรรทุก และถ่ายผ่านคานไปยังเสา หรือ ถ่ายไปยังเสาโดยตรง
(2) เป็น Diaphragm ในระนาบเพื่อยึดให้ชิ้นส่วนโครงสร้างในพื้นแต่ละชั้นเปลี่ยนตำแหน่งไปด้วยกัน
(3) ทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของคาน Composite พื้นที่นิยมสำหรับโครงสร้างเหล็กประกอบด้วย
(ก) พื้น Steel Deck รูปแบบของพื้นประเภทนี้มักประกอบด้วยแผ่น Profiled Steel Sheet หนาประมาณ 1 หรือ 2 มม. วางบนคานและทำหน้าที่เป็นแบบสำหรับเท Topping คอนกรีตหนาประมาณ 5 ซม. แผ่นเหล็กนี้บางครั้งอาจออกแบบให้เป็นส่วนหนึ่ง ของโครงสร้าง Composite Floor เพื่อรับน้ำหนักบรรทุกด้วยประเภทแผ่นเหล็กตัดลอนเป็นรูปต่างๆ ประโยชน์ของระบบพื้นนี้คือ เบา ติดตั้งง่าย เพราะไม่ต้องใช้แบบชอ เสียเปรียบคือ ต้องเทปูนซึ่งทำให้เกิดระบบเปียกขึ้น เทียบกับระบบแห้งที่ได้จากแผ่นพื้นสำเร็จรูป รูป โดยแผ่นเหล็กลอนทำหน้าที่เพียงแบบสำหรับหล่อคอนกรีตเสริมเหล็กเท่านั้นเหล็กแผ่นลอน ซึ่งหนากว่า ถือเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างพื้น Composite ด้วย จึงจำเป็นต้องมี Shear Connector ด้วย
(ข) พื้นคอนกรีตเทกับ แสดงรายละเอียดของพื้นเทกับที่โดยในกรณีแรกต้องใช้แบบ ส่วนในกรณีหลังแผ่นปูนหนาบางประมาณ 4 มม. ทำหน้าที่แบบสำหรับเท Toppings คสล. และยังทำหน้าที่เป็น Fire Protection สำหรับคานเหล็กด้วย
(ค) พื้นคอนกรีตสำเร็จรูป แสดงการใช้พื้นสำเร็จรูปประเภทต่างๆ วางบนคานเหล็ก โดยใช้แผ่นเหล็กเชื่อมบนหลังคานเพื่อให้วางพื้นได้ตรงตำแหน่ง ในกรณีนี้ พื้น คสล. และคานเหล็กไม่สามารถนับเป็นพื้น Composite ได้
บทสรุป
การออกแบบโครงสร้างเหล็ก ถ้าวิศวกรได้ทราบถึงทางเลือกต่างๆ ตลอดจนรายละเอียดที่จำเป็นในการก่อสร้างจริง ก็จะทำให้แบบก่อสร้างมีความสมบูรณ์มากขึ้น ลดปัญหาในการเปลี่ยนแปลงแก้ไขที่หน้างานและทำให้การตัดประกอบชิ้นส่วนต่างๆ ทำได้อย่างมีประสิทธิภาพและประหยัดจากโรงงาน
| 
แผ่นอลูมิเนียมคอมโพสิต 
สถิติวันนี้ 
สถิติเดือนนี้ 
สถิติปีนี้ 
