การออกแบบการตอโครงสรางเหลก

การออกแบบการตอโครงสรางเหลกทดน น ตองพจารณาออกแบบใหขอตอ (Connection) มความสามารถรบนาหนกบรรทกไดมากกวา หรอมกาลงรบนาหนกทมากกวานาหนกบรรทกจรและนาหนกบรรทกคงท ซงถายผานจากพน คาน มายงสวนตาง ๆ ในขอตอโครงสราง ไมวาจะเปน เหลกฉาก เหลกแผน แนวรอยเชอม สลกเกลยว ฯลฯ โดยท งนสวนประกอบตาง ๆ ของขอตอโครงสรางดงกลาวขางตนจะมสภาวะจากด (Limit State) ทแตกตางกน ตามรปแบบหรอกลไกการวบต (Failure Mechanism) ของสวนประกอบของขอตอโครงสรางดงกลาว

สภาวะขดจากดทตองพจารณาน น ตามมาตรฐานของมาตรฐานการออกแบบอาคารเหลกรปพรรณโดยวธตวคณความตานทานและนาหนกบรรทก โดยวศวกรรมสถานแหงประเทศไทย หรอ วสท. เลขท 1020-51 (EIT Standard 1020-51) ซงไดอางองกบมาตรฐานการออกแบบโครงสรางเหลกของสถาบนเหลกกอสรางแหงสหรฐอเมรกา (American Institute of Steel Construction, AISC) ฉบบพมพคร งท 13 ซงเปนฉบบทใชทดแทนมาตรฐานการออกแบบโครงสรางเหลกดวยวธหนวยแรงทยอมให (Allowable Stress Design, ASD) ฉบบพมพคร งท 9 และมาตรฐานการออกแบบโครงสรางเหลกโดยวธตวคณความตานทานและนาหนกบรรทก (Load and Resistance Factored Design, LRFD) ฉบบพมพคร งท 3 โดยไดกาหนดขดจากดตาง ๆ ทตองผออกแบบตองพจารณาดงน

1. การเฉอนขาดของสลกเกลยว (Bolt Shear) สลกเกลยว (Bolt) ทใชตองเปนไปตามมาตรฐานผลตภณฑของ (American Society for Testing and Materials, ASTM) คอ ASTM A307 ASTM A325 ASTM A490 หรอ ASTM F1852 ซงไดใหการรบรองคณสมบตโดย สภาวจยงานตอโครงสราง (Research Council on Structural Connections) กาลงรบแรงเฉอนของสลกเกลยวนอกจากจะขนกบเกรดหรอช นคณภาพของสลกเกลยวทใชแลว ยงขนอยกบรปแบบการรอยสลกเกลยวอกดวย โดยรปแบบการรอยสลกเกลยวน น สามารถจาแนกออกไดเปน 2 ประเภทคอ

1.1 จาแนกตามตาแหนงของเกลยวในระนาบรบแรงเฉอน 1.1.1 เกลยวอยในระนาบรบแรงเฉอน (N Type) 1.1.2 เกลยวไมอยในระนาบรบแรงเฉอน (X Type)

ในกาลงรบแรงเฉอนขาดของสลกเกลยวในกรณทเกลยวอยในระนาบรบแรงเฉอนยอมมกาลงรบแรงเฉอนทนอยกวาในกรณทเกลยวไมอยในระนาบรบแรงเฉอน แตโดยท วไปในทางปฏบตแลวผกอสรางตองการใหผออกแบบรายละเอยดไดระบประเภทของสลกเกลยวเปนแบบทเกลยวอยในระนาบรบแรงเฉอน เพอลดปญหาความยงยากและความสบสนในการส งซอสลกเกลยวจากบรษทผผลตของผกอสรางหากตองระบความยาวของเกลยว (Thread Length) ทพอเหมาะกบขอตอโครงสรางทตองมอยหลากหลายขนาด

เกลยวของสลกเกลยวทอยในระนาบรบแรงเฉอน (N Type) และไมอยในระนาบรบแรงเฉอน (X Type)

1.2 จาแนกตามลกษณะการขนแนนของสลกเกลยว 1.2.1 สลกเกลยวแบบขนแนนพอด (Snug-Tightened Bolt) โดยสลกเกลยวแบบขนแนนพอดไดนยามไวใน

หวขอ 10.3ก วสท. 1020-51 วาคอ “ความแนนทไดจากการขนโดยใชประแจชนด Impact Wrench หรอการใชแรงเตมทของคนงานหนงคนขนโดยใชประแจแบบธรรมดาใหรอยตอแนนสนทพอด”

1.2.2 สลกเกลยวแบบใสแรงดงกอน (Pretention Bolt) โดยการขนใหแนนพเศษ ซงมกใชในกรณตางๆ ดงน 1.2.2 a ใชในกรณทมขอกาหนดใดๆ ในมาตรฐาน ระบใหใช ตาม Specification for Structural

Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts ของ RCSC เชน ในกรณทตองการใหขอตอเกดความแนน แตหากเกดการเลอนไถลกไมสงผลตอความสามารถในการรบนาหนกของขอตอ เชน ในกรณการตอดามของเสาเหลกในอาคาร ขอตอสาหรบองคอาคารทยดร งเสาสาหรบอาคารสง ขอตอโครงสรางรบเครนทเกนกวา 5 ตน หรอขอตอโครงสรางทรบอปกรณหรอเครองจกรทเลอนบนรางทอาจกอใหเกดการเปลยนทศทางของแรงทเกดขนได

1.2.2 b ขอตอทรบนาหนกทมการเปลยนทศทางของนาหนก 1.2.2 c ขอตอทรบนาหนกบรรทกทกอใหเกดการลาตอขอตอโครงสราง โดยททศทางของนาหนก

บรรทกไมมการเปลยนแปลง 1.2.2 d ขอตอทใชสลกเกลยวประเภท ASTM A325 หรอ F1852 ทรบแรงทกอใหเกดการลาอน

เนองมาจากแรงดง 1.2.2 e ขอตอทใชสลกเกลยวประเภท ASTM A490 ทรบแรงดง หรอรบแรงเฉอนควบคไปกบการรบ

แรงดงโดยไมกอใหเกดการลาขนกบสวนของขอตอโครงสราง สาหรบวธการทใชในการขนสลกเกลยวแบบใสแรงดงกอนน น มหลายวธเชน การขนนอตโดยใสแรงเพมจากการขนแนนพอด (Turn-of-Nut Pretensioning) การขนโดยใชประแจวดคาแรงขนแนน (Calibrated Wrench Pretensioning) การขนสลกเกลยวปลายหลดเมอไดแรงดง (Twist-off-Type Tension-Control Bolt Pretensioning) และการขนโดยใชแหวนรองแสดงคาแรงดง (Direct-Tension-Indicator Pretensioning)

สลกเกลยวปลายหลดเมอไดแรงดง (Twist-off-Type Tension-Control Bolt Pretensioning)

การควบคมแรงดงโดยใชแหวนรองแสดงคาแรงดง (Direct-Tension-Indicator Pretensioning)

1.2.3 สลกเกลยวแบบเลอนวกฤต (Slip Critical Bolt) เปนระบบการรอยสลกเกลยวใหแนนพเศษเชนเดยวกบสลกเกลยวแบบใสแรงดงกอน แตสามารถถายแรงทเกดขนทขอตอโครงสรางในรปของแรงเสยดทานทระนาบผวสมผสของชนสวนทตอเชอม ซงการทจะสามารถถายแรงผานระนาบผวสมผสไดน น ระนาบดงกลาวตองผานกระบวนการทเปนไปตามมาตรฐานอนสงผลใหขอตอไมเกดการเลอนไถลใด ๆ ขน โดยขอตอแบบเลอนวกฤตน น มกใชในกรณตางๆ ดงน

1.2.3 a ใชในกรณทขอตอมการรบแรงทมการเปลยนทศทาง และกอใหเกดการลาตอขอตอของโครงสราง

1.2.3 b ขอตอสลกเกลยวทมรเจาะแบบใหญกวามาตรฐาน (Oversized Hole) 1.2.3 c ขอตอสลกเกลยวทมรเจาะแบบรอง (Slotted Hole) ยกเวนในกรณททศทางของแรงทกระทา

ต งฉากกบทศทางตามยาวของรองรเจาะ 1.2.3 d ขอตอทการเลอนไถลทผวสมผสจะสงผลเสยตอความสามารถในการรบนาหนกของโครงสราง

สลกเกลยวทมรเจาะ ท งน กาลงหรอความสามารถในการรบนาหนกของขอตอสลกเกลยวแบบเลอนวกฤตน น ขนอยกบคาสมประสทธ wในการเลอนไถล (Friction Coefficient) ระหวางผวสมผส ซงไดแสดงการพจารณาไวในมาตรฐานของ วสท. หวขอ 10.3ช.1 (รายละเอยดเพมเตมแสดงใน มาตรฐาน RCSC Section 3.2.2)

สาหรบการเฉอนขาดของสลกเกลยวน น สามารถคานวณหากาลงรบนาหนกไดจาก Rn = FnAb φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

วสท. หวขอ 10.3ฉ AISC Section J3.6

Fn = กาลงระบ ตาม ตามตาราง 10.3.1 วสท.

Ab = พ 3นท6หนาตดระบ ตามตาราง 10.3.1 วสท.

2. การกดทบของสลกเกลยวทกระทาตอรเจาะ (Bolt Bearing)

ในระบบโครงสรางหนง ๆ นาหนกบรรทกทกระทากบคานจะถายผานจากคานไปยงขอตอรองรบคาน ซงหากมการใชสลกเกลยวทขอตอแลว สลกเกลยวกจะไปกดทบกบสวนทอยตดกบสลกเกลยวไมวาจะเปน เอวของคาน เหลกฉากหรอเหลกแผนทมการเจาะรสาหรบรอยสลกเกลยว โดยกาลงรบแรงแบกทานทรเจาะสลกเกลยวสามารถหาไดจากสมการ Rn = 1.2LctFu ≤ 2.4dtFu

= 1.5LctFu ≤ 3.0dtFu

= 1.5LctFu ≤ 3.0dtFu

ในกรณท6คานงถงการเสยรปรอบรเจาะ

ในกรณท6ไมคานงถงการเสยรปรอบรเจาะ

ในกรณรเจาะรองยาว โดยแนวของรต 3งฉากกบแนวแรง

วสท. สมการ 10.3-2ก

วสท. สมการ 10.3-2ข

วสท. สมการ 10.3-2ค AISC Section J3.10

φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

Fu = กาลงรบแรงดงต6าสดของสวนท6พจารณา Lc = ระยะทางตามแนวแรงจากขอบรเจาะถงขอบ

รเจาะท6ตดกน หรอถงขอบช 3นสวน

d = เสนผาศนยกลางของสลกเกลยว t = ความหนาของช 3นสวนตอ

การทจะเลอกวาจะใชสมการ Rn= 1.2LctFu ≤ 2.4dtFu หรอ Rn= 1.5LctFu ≤ 3.0dtFu น น กตองมาพจารณาวาสมการทกลาวถงมทมาอยางไร โดยสาหรบคาขดจากดท 3.0dtFu น น เปนคาโดยประมาณจากการทดสอบทสงเกตพบวาเรมชนสวนทนามาทดสอบเกดการเสยรปจากการแบกทานขน ดงน นผออกแบบจงควรพจารณาวาขอตอโครงสรางทออกแบบมาน น จะยอมใหสามารถเกดการเสยรปอนจะนาไปสการวบตของโครงสรางไดหรอไม ถายอมใหเกดได กเลอกใชสมการ Rn= 1.5LctFu ≤ 3.0dtFu แตในกรณท วไปแลวเพอความปลอดภย (Conservative) ผออกแบบกควรเลอกใชสมการ Rn= 1.2LctFu ≤ 2.4dtFu แทน กาลงรบแรงแบกทานนเปนกาลงรบแรงแบกทานของรเจาะ 1 ร เทาน น ซงหากวาเปนขอตอรบแรงเฉอนทมจานวนสลกเกลยว 3 ร กาลงรบแรงแบกทานของขอตอโดยรวมกคณจานวนรเจาะไป

สาหรบกาลงรบแรงดงตาสดของสวนทพจารณาน น ตามมาตรฐานผลตภณฑอตสาหกรรม มอก. 1479-2541 ตารางท 10 และ มอก. 1499-2541 ตารางท 15 ไดสรปคาดงกลาว แตนยามดวยคาวา “ความตานทานแรงดง” แทน

(ตารางท6 10 ความตานทานแรงดงและความยด มอก. 1479-2541)

(ตารางท 15 ความตานทานแรงดงและความยด มอก. 1499-2541)

3. การเฉอน ความเสยหายอนเนองมาจากการเฉอน สามารถแบงออกรปแบบของความเสยหายออกไดเปน 2 รปแบบ

3.1 การเฉอนคราก (Shear Yielding) การพจารณาการเฉอนแบบครากออกน น เปนการพจารณาทคอนขางตรงไปตรงมา โดยกาลงรบแรงเฉอนแบบครากออกของสวนทรบแรงเฉอนในขอตอโครงสรางน นสามารถพจารณาไดจากสมการ

Rn = 0.6FyAgv φ = 0.90 (LRFD)

Ω = 1.50 (ASD)

วสท. สมการ 10.5-3 AISC สมการ J5-3

Fy = หนวยแรงครากต6าสดท6กาหนด

Agv = พ 3นท6หนาตดรวมรบแรงเฉอน

ท งน สาหรบมาตรฐานฉบบลาสดของสถาบนเหลกกอสรางแหงสหรฐอเมรกา (AISC 13th Edition) ไดมการเปลยนแปลงคาตวคณความตานทาน จาก 0.9 เปน 1.0 เนองจาก AISC ไดพจารณาแลวมความเหนวาคา 0.9 นเปนคาทเผอไวมากเกนไป หากพจารณาจากพฤตกรรมการวบตของการทดสอบในหองปฏบตการทผานมา

3.2 การเฉอนวบต (Shear Rupture) พฤตกรรมของการเฉอนวบตแตกตางจากพฤตกรรมการเฉอนคราก คอการวบตโดยการเฉอนครากจะเกดทหนาตดรวม (Gross Area) แตการเฉอนวบตจะเกดทหนาตดสทธ (Net Section) โดยเฉพาะอยางยงในกรณทรเจาะมขนาดใหญ สงผลใหระยะหางจากขอบรเจาะหนง ๆ ถงขอบรเจาะทอยถดไปเหลออยนอย ท งนกาลงรบแรงเฉอนวบตของสวนทรบแรงเฉอนในขอตอโครงสรางน นสามารถพจารณาไดจากสมการ

Rn = 0.6FuAnv φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2.00 (ASD)

วสท. สมการ 10.4-2

AISC สมการ J4-1

Fu = กาลงรบแรงดงต6าสดท6กาหนด

Anv = พ 3นท6หนาตดรบแรงเฉอนสทธ

สาหรบการพจารณาหาพนทหนาตดรบแรงเฉอนสทธน น กอนอนตองพจารณาหาขนาดรเจาะ โดยตามมาตรฐานของวสท. (ดงระบในหวขอ10.3ค) ไดกาหนดใหระยะหางจากจดศนยกลางของรเจาะหนงถงจดศนยกลางของอกรเจาะหนงอยหางกนประมาณ 3 เทา (ไมนอยกวา 2.67 เทา) ของขนาดเสนผาศนยกลางของรเจาะ โดยหากรเจาะมขนาด 1 นว หรอ 2.5 เซนตเมตร ระยะหางระหวางรเจาะวดจากจดศนยกลางถงจดศนยกลางกจะมคาเทากบ 2.5 x 3 = 7.5 เซนตเมตร ซงจะไดระยะหางจากขอบรเจาะสาหรบนาไปใชในการคานวณหนาตดสทธ ท 7.5 – 2.5 = 5 เซนตเมตร หรอเทากบสองเทาของขนาดเสนผาศนยกลางรเจาะ สวนระยะจากเสนผาศนยกลางรเจาะถงขอบชนสวนมกจะกาหนดไวทระยะประมาณ 1.5 เทาของขนาดเสนผาศนยกลางของรเจาะ หรอมระยะขอบท 2.5 x 1.5 – 2.5 / 2 = 2.5 เซนตเมตร ซงจะสงเกตไดวาระยะดงกลาวเทากบขนาดเสนผาศนยกลางของรเจาะน นเอง อยางไรกด ตาราง 10.3.3 ในมาตรฐาน วสท. ไดกาหนดขนาดของรเจาะซงอางองกบขนาดของเสนผาศนยกลางสลกเกลยว โดยสอดคลองกบตาราง J3.3M ในมาตรฐาน AISC ฉบบลาสด ซงทมาของขนาดรเจาะมาตรฐาน (Standard Hole) คอจะเทากบ ขนาดเสนผาศนยกลางของสลกเกลยว บวกดวย 1/16 นว สวนระยะขอบจากเสนผาศนยกลางของเสนผาศนยกลางรเจาะขนาดมาตรฐานถงขอบชนสวนแสดงไดไวในตาราง 10.3.4 ซงสอดคลองกบตาราง J3.4M ในมาตรฐาน AISC

4. การดง (Tension) เชนเดยวกบการเฉอน ความเสยหายอนเนองมาจากแรงดงมรปแบบความเสยหายออกเปนสองรปแบบ คอ การดงครากและการดงวบต

4.1 การดงคราก (Tension Yielding) กาลงรบแรงดงแบบครากออกของสวนทรบแรงเฉอนในขอตอโครงสรางน นสามารถพจารณาไดจากสมการ Rn = FyAgt φ = 0.90 (LRFD)

Ω = 2.00 (ASD)

วสท. สมการ 10.5-1 AISC สมการ J5-1

Fy = หนวยแรงครากต6าสดท6กาหนด Agt = พ 3นท6หนาตดรวมรบแรงดง

4.2 การดงวบต (Tension Rupture)

กาลงรบแรงดงวบตออกของสวนท6รบแรงเฉอนในขอตอโครงสรางน 3นสามารถพจารณาไดจากสมการ

Rn = FuAnt φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2.00 (ASD)

วสท. สมการ 10.5-2

AISC สมการ J5-2

Fu = กาลงรบแรงดงต6าสดท6กาหนด

Ant = พ 3นท6หนาตดรบแรงดงสทธ

ในแงของพฤตกรรมการรบน าหนกของโครงสรางน น โครงสรางจะรบนาหนกโดยไมเกดการเสยรปอยางถาวร (Plastic Deformation) เมอนาหนกบรรทกทกระทาตอโครงสรางยงไมทาใหหนวยแรงภายในโครงสรางมคาเกนกวาหนวยแรงทจดครากของวสดโครงสราง และเมอไดรบแรงกระทาเพมขนโครงสรางกยงจะสามารถรบแรงไดตอไปจนกระท งหนวยแรงภายในโครงสรางเกดการวบตทจดแตกหก หรออาจกลาวไดวาสภาวะจากดของการครากออก (Yielding Limit State) มคาตากวาสภาวะจากดของการวบต (Rupture Limit State) เสมอ แตสาหรบในกรณของขอตอทมการเจาะรน น จะมผลเนองมาจาก Stress Concentration ทาใหการเกดการวบต (Rupture) ทหนาตดสทธ (Net Area) จะสามารถเกดไดกอนการวบตแบบการครากออก (Yielding) ทเกดขนทหนาตดรวม (Gross Area)

5. การเฉอนวบตแบบเฉอนออก (Block Shear Rupture) การเฉอนวบตแบบเฉอนออกเปนการวบตทเปนการผสมผสานกนระหวางการวบตจากการเฉอนคราก (Shear Yielding) หรอจากการเฉอนวบต (Shear Rupture) ผนวกรวมดวยการดงคราก (Tension Yielding) หรอการดงวบต (Tension Rupture) โดยสมการทใชในการพจารณา สามารถแบงออกไดเปน 2 กรณคอ

5.1 สภาวะขดจากดการดงวบต (Tension Rupture, FuAnt) มากกวาหรอเทากบการเฉอนวบต (Shear Rupture, 0.6FuAnv) Rn = 0.6FyAgv + FuAnt ≤ 0.6FuAnv + FuAnt φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

วสท. สมการ 10.4-3ก AISC Eq. J4-3a

5.2 สภาวะขดจากดการดงวบต (Tension Rupture, FuAnt) นอยกวาการเฉอนวบต (Shear Rupture, 0.6FuAnv)

Rn = 0.6FuAnv + FyAgt ≤ 0.6FuAnv + FuAnt φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

วสท. สมการ 10.4-3ข

AISC Eq. J4-3b

อยางไรกด ในมาตรฐานการออกแบบของสถาบนเหลกกอสรางแหงสหรฐอเมรกาฉบบลาสด (AISC 13th Edition) ไดมการพจารณาสมการสาหรบวเคราะหหากาลงรบแรงเฉอนวบตแบบเฉอนออกใหกระชบขน โดยอยในรปสมการ

Rn = 0.6FuAnv + UbsFuAnt ≤ 0.6FyAgv + UbsFuAnt φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

Ubs = 1 หรอ 0.5

AISC Eq. J4-3

หรอกาลงรบแรงเฉอนวบตแบบเฉอนออก มคาเทากบ Shear Rupture + Tension Rupture แตคาดงกลาวตองไมเกน Shear Yield + Tension Rupture โดยคา Ubs มคาเทากบ 1 เมอความเคนดงทเกดขนทระนาบวบต (Failure Plane) มการกระจายตวทคงท (Uniform Tensile Stress) และมคาเทากบ 0.5 เมอความเคนดงทเกดขนทระนาบวบต (Failure Plane) มการกระจายตวทไมคงท (Nonuniform Tensile Stress)

6. การเฉอนออกของรอยเชอมพอก (Fillet Weld in Shear) กาลงรบแรงเฉอนของรอยเชอมพอกสามารถหาไดจากสมการ Rn = FwAw φ = 0.75 (LRFD)

Ω = 2 (ASD)

วสท. ตาราง 10.2.5

AISC ตาราง J2.5

Fw = กาลงของลวดเช6อมท6ใช

Aw = พ 3นท6หนาตดตามขวางประสทธผลของรอยเช6อม

การพจารณาหากาลงรบแรงเฉอนของรอยเชอมสามารถหาไดจากกาลงของลวดเชอมทใชคณกบพนทหนาตดประสทธผลของรอยเชอม ซงโดยท วไปในงานกอสราง ลวดเชอมเกรด E70XX กเปนลวดเชอมทมการใชกนอยางแพรหลาย โดยมกาลงรบนาหนกระบท 70 กโลปอนดตอตารางนว (ksi) หรอประมาณ 4,920 กโลกรมตอตารางเซนตเมตร (ksc) ในกรณทมการออกแบบใหมท งการเชอมและสลกเกลยวรวมกนในการรบนาหนก มาตรฐาน วสท. หวขอ 10.1ฉ (AISC หวขอ J1.9) ไดระบใหใชสลกเกลยวแบบเลอนวกฤต (Slip Critical) เทาน น และไมสามารถใชสลกเกลยวเกรด A307 ได

หลงจากททาการคานวณสภาวะจากดตาง ๆ ของขอตอโครงสรางหนง ๆ ตามรายละเอยดขางตนแลว กจะสามารถประเมนหากาลงหรอความสามารถในการรบนาหนกของขอตอโครงสรางซงเทากบคาสภาวะขดจากดตาสดของพฤตกรรมการรบนาหนกในทกสภาวะ เชนในกรณของขอตอรบแรงเฉอนอยางงาย เปนตน โดยอาจกลาวไดวาสภาวะขดจากดทใหกาลงรบนาหนกตาสดเปนสภาวะขดจากดทเปนรปแบบความเสยหายของขอตอโครงสราง (Mode of Connection Failure)