วิธีการออกแบบเสา Cold-Formed Section (CFS)ที่มีการยึดรั้งแบบ Intermediate Elastic Torsional Restraint
.
สำหรับการใช้ Cold-Formed Steel มาทำโครงสร้างโรงงานที่มีหน้าตาเป็นแบบโครงข้อแข็ง (Haunched Portal Frame) เริ่มจะได้รับความนิยมมากขึ้นครับ วันนี้เลยอยากจะนำเสนอวิธีการออกแบบซักหน่อยครับ
.
แต่ด้วยในปัจจุบันการทำโครงสร้างที่ใช้ Cold-Formed Steel ยังค่อนข้างใหม่ ทำให้ข้อมูลเกี่ยวกับประสิทธิภาพการใช้งาน แนวทางการออกแบบ หรือข้อแนะนำที่มียังน้อยอยู่ ทำให้การกำหนดค่า Effective length ของเสาสามารถทำได้ยาก เนื่องจากการทดสอบใน Journal นี้ เป็นโครงข้อแข็งที่มีการยึดรั้งเพื่อป้องกันการบิดระหว่างตัวเสาและจันทัน (ที่เรียกว่า Knee brace : ช่วยในการถ่าย Moment จากจันทันไปสู่เสา หน้าตาจะเป็นตามรูปที่ 1 ครับ ซึ่งจะทำให้เกิด Intermediate elastic torsional restraint กับเสาที่ไม่มีการทำค้ำยัน) ทำให้แทบจะไม่สามารถหาค่า Effective Length ของเสาได้เลย
.
ดังนั้นทำให้ผู้ทำการศึกษาเสนอวิธี Direct Strength Method เข้ามาใช้ในการคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสานั่งเอง โดยใช้ Input ที่นำมาคำนวณจาก Column Buckling Energy Analysis
ส่วนแรงภายในที่เกิดขึ้นจะใช้การทำ Model Finite Element โดยพิจารณาแรงในแนวราบด้วย ซึ่งทางผู้ศึกษาได้ทำการทดสอบกับการสร้าง Model จริง เพื่อเป็นการ Recheck ผลการคำนวณอีกด้วยครับ (ซึ่งในการทดสอบและคำนวณจะทำการศึกษาโครงข้อแข็งที่มีช่วง Span ยาว 13.6 ม. ตามรูปที่ 2) โดย Model จริงนี้จะทำทั้งหมด 8 ตัวอย่าง ซึ่งทั้ง 8 ตัวอย่างจะมีขนาดจุดต่อ (Knee connection sizing) ที่แตกต่างกันออกไป และจะมีการใส่ Loads ทั้งในแนวดิ่งและแนวราบด้วย
.
การคำนวณกำลังรับแรงอัดและกำลังรับโมเมนต์ของเสาจะใช้การคำนวณวิธี Direct Strength อย่างที่ได้กล่าวมาข้างต้น ซึ่งวิธีนี้จะเป็นการแยกคำนวณกำลังรับแรงอัดและแรงดัดทีละตัว สำหรับการคำนวณ member ที่รับแรงดัด จะต้องพิจารณา Elastic lateral-torsional moment, Mo ด้วย ซึ่งสมการที่ใช้คำนวณจะเป็นตามรูปที่ 3 ซึ่งจะมีตัวแปลที่เกี่ยวกับค่า Effective Length ก็คือ ley และ lez ดังนั้นการคำนวณจึงต้องใช้การพิจารณาด้วยวิธี Column Buckling Energy Analysis แทน ซึ่งเคยมีการทำการคำนวณไว้แล้วในอดีต
.
สมการค่อนข้างซับซ้อนมากในการคำนวณนะครับ ซึ่งวิธีนี้จะช่วยให้สามารถหาค่า Load ที่ทำให้เสาเกิดการ buckle ออกมาได้ โดยวิธีคำนวณหา Load ที่ว่านี้ ก็คือ ทำให้ลดค่าพลังงานที่เกิดขึ้นในเสา (ค่าพลังงานที่ว่านี้ คือ ผลรวมของ flexural, torsional และ warping strain ที่เกิดขึ้นในเสา, พลังงานที่เกิดจากแรงอัดและโมเมนต์, งานที่เกิดจากแรงที่กระทำกับ knee brace connection และพลังงานสปริงที่เก็บอยู่ใน plate ของ knee brace connection โดยสามารถที่ใช้ในการคำนวณจะอยู่ในรูปที่ 3 สมการที่ 5 – 10 (ขอไม่ลงรายละเอียดมากนะครับ เดี๋ยวจะยาวเกินไป) หลังจากที่คำนวณออกมาได้แล้ว ค่าที่ได้มีค่ามากกว่าการทดลองกับโมเดลจริงอยู่ไม่เกิน 10% (ซึ่งเสาเกิดการวิบัติจาก elastic lateral-torsional buckling) ดังนั้นถือว่าวิธีการวิเคราะห์ และคำนวณนี้สามารถใช้ได้จริงกับโครงสร้างที่เป็นรูปแบบ Haunched Portal Frame
.
สรุปคือ ในการคำนวณหา Pcr (Axial Load) โดยวิธี Energy analysis สิ่งที่ควบคุมพฤติกรรมของเสาจริงๆคือ bending moment ดังนั้นแล้ว maximum bending moment เมื่อ P = Pcr ก็คือ critical bending moment, Mcr ซึ่งก็คือ Elastic buckling moment ของเสานั่นเอง เพราะฉะนั้นค่า Mo ที่แสดงอยู่ในสมการที่ 1 จะเท่ากับ Mcr ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ค่า Effective Length และยังพิจารณาผลกระทบจาก torsional spring ที่ knee connection ผ่านรูปร่างและคุณสมบัติของ Knee Brace Connection Bracket อีกด้วยดังที่แสดงในสมการที่ 6
.
สำหรับการคำนวณหา member ที่รับแรงอัด จะต้องหาค่า Noc ซึ่งหาได้จากสมการที่ 12 ในรูปที่ 4 และค่า foc คือค่าที่น้อยที่สุดของ elastic flexural, torsional และ flexural-torsional buckling stress ซึ่งอย่างที่ได้กล่าวไว้เราจะต้องการหาค่า bending moment กับ compression force แยกกัน ดังนั้น สมการ Euler สามารถนำมาใช้หา compression force ได้เลยตามสมการที่ 14 รูปที่ 4
.
หลังจากที่ได้ Mcr และ Pcr แล้วก็จะสามารถใช้วิธี Direct Strength Method เข้ามาคำนวณหากำลังรับน้ำหนักของเสาได้แล้วครับ
แหล่งที่มา : @AirPEB-iFactory
