Warping of steel beam

//Warping of steel beam

ย้อนกลับไปในสมัยปริญญาตรี เราเรียน
– วิธีการออกแบบในแง่ของ philosophy ของการคำนวณด้วย วิธี ASD และ LRFD
– การออกแบบคาน (กรณีที่มีการยึดรั้งทางด้านข้างอย่างสมบูรณ์ เช่นการเอาพื้นมารั้งไม่ให้คานบิด) รับแรงดัด และรับแรงเฉือน รวมไปจนถึงการออกแบบคานคอมโพสิท ที่มีวัสดุอื่นมาประกอบด้วย (ใช้เยอะนะครับ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตอนเอาพื้นมายึดติดกับคาน)
– การออกแบบเสา ทั้งพฤติกรรม elastic buckling และ inelastic buckling
– การออกแบบการต่อโครงสร้าง (พื้นฐาน) ทั้งข้อต่อรับแรงเฉือน รับแรงดึง และ รับโมเมนต์
– ฯลฯ

แต่ในระดับที่สูงกว่าปริญญาตรี เขาลงลึกกันเพิ่มเติมไปอีกนะครับ

อย่างเช่นการออกแบบคาน จะมีการพิจารณาในกรณีที่ การยึดรั้งทางด้านข้างมีไม่เพียงพอ เช่น การเอาคานตัวริม มารับน้ำหนักจากบันไดเหล็ก (นึกภาพว่าคานมารับ point load จาก คานรับบันได หรือ อาจรับ tension member ที่ไปรับ ชานพักบันได เป็นต้นนะครับ) ซึ่งมักเป็นช่องเปิด คานลักษณะนี้จะมี lateral brace ที่ไม่เพียงพอนะครับ ซึ่งพฤติกรรมของคานในลักษณะนี้จะมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้น

ทำไมถึงซับซ้อน … ก็ต้องตอบว่า เมื่อคานรับน้ำหนัก (นึกถึง simple beam) ส่วนบนที่อยู่เหนือ แกนสะเทิน ก็จะรับแรงอัด และส่วนล่างใต้แกนสะเทิน ก็จะรับแรงดึง … ไอ้ส่วนที่รับแรงอัด ก็มีจะพฤติกรรมของเสาเข้ามาประกอบถูกไหมครับ คือ การ buckling หรือ การดุ้ง ก็เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ของ compression member และ พอ “คาน” มันมีแนวโน้มจะดุ้ง มันก็จะดุ้งออกทางด้าน “แกนที่อ่อนแอกว่า” ซึ่งก็คือ แกน y หรือ มันจะพยายามที่จะโก่งตัวออกทางด้านข้าง (lateral buckling)

แต่ส่วนที่รับแรงดึงใต้แกนสะเทิน มันก็จะไม่ดุ้ง นอกจากจะไม่ดุ้งแล้ว ยังพยายามยึดรั้ง ส่วนที่เป็น compression zone ที่พยายามจะดุ้งตัวออกทางด้านข้าง (ด้านแกนอ่อน) … สิ่งที่ตามมา คือ คานจะไม่เกิด pure lateral buckling แต่จะเกิดพฤติกรรมที่มันจะ ดุ้งออกทางด้านข้าง พร้อมกับการบิดตัว ที่เรียกว่า lateral-torsional buckling หรือ LTB

ทีนี้พอมันเกิด torsion แรงภายในหรือ stress ที่เกิดขึ้น มันก็จะไม่เหมือนกับ torsional member ที่เราเรียนกันในระดับ ปริญญาตรี แล้วครับ (ตอนนั้น เราเรียนว่า torsional stress ซึ่งเป็น shear stress ประเภทหนึ่ง จะเท่ากับ T.c/J โดยที่ T = torsional force (เป็นแรงบิด หน่วย แรง*ความยาว) J = torsional constant (หน่วย ระยะยกกำลังสาม) และ c = ระยะที่วัดจาก ศูนย์กลางแกนหมุน) ซึ่งสมการนี้ ใช้ได้กับ torsional member พวก เพลา (steel rod) ที่มันไม่เสียรูปไปนอกระนาบที่เกิดการบิดตัว

แต่สำหรับคาน Built-up beam ที่เป็นรูปตัว H หรือ I (H หรือ I-beam) มันแตกต่างออกไปครับ

คือด้วยความบางของหน้าตัด มันจะเกิดการเสียรูปแบบที่เรียกว่า warping กล่าวคือ ปีกบน มุมซ้าย และมุมขวา จะเกิด normal stress ที่กลับทิศกัน เช่น ปีกบนซ้าย compression – ปีกบนขวา tension – ปีกล่างขวา compression – ปีกล่างซ้าย tension เป็นต้น … ลักษณะที่ว่า แสดงได้ดังรูปครับ

และแน่นอนว่า สมการในการคำนวณคานก็จะมีการพิจารณาผลของ warping และ buckling เข้ามาเพิ่มเติม ซึ่งมันอาจจะดูซับซ้อน แต่หากเรียงภาพดี ๆ มันก็เป็นอะไรที่ง่ายขึ้นครับผม

ขอบคุณที่ติดตามครับ

แหล่งที่มา : AirPEB-iFactory

โทรหาเรา
เพิ่มเพื่อน Line