Transcript PPT1

304417
ดร.ศิริชยั ตันรัตนวงศ์
องค์อาคารรับแรงในแนวแกน
• แรงดึง
• แรงอัด
องค์อาคารรับแรงดัด
ว ัตถุประสงค์
เพือ
่ ให ้มีความรู ้ ความเข ้าใจ
องค์อาคารรับแรงในแนวแกน
พร ้อมแรงดัด
ในหลักการออกแบบ
องค์อาคารต่างๆ
ของโครงสร ้างเหล็ก
รอยต่อองค์อาคาร
องค์อาคารรับแรงบิด
ื่ ม
• การเชอ
้ ดยึด
• การใชหมุ
/สลักเกลียว
สามารถนาไปปฏิบต
ั ไิ ด ้
อย่างถูกต ้องและปลอดภัย
ตามหลักทฤษฎีและมาตรฐานปฏิบต
ั ิ
ทางวิศวกรรม
1
โครงสร้างเหล็ก
อาคารชว่ งยาว โครงถัก
(Truss)
โครงอาคาร:
ั ้ เดียว อาคารสูง
อาคารชน
โรงงานอุตสาหกรรม
รถยนต์ รถไฟ
โครงหลังคา:
โครงเปลือกบาง:
โครงแขวนหรือขึง:
โรงภาพยนตร์ อาคารห ้อง
ประชุม
อาคาร ไซโล
อาคาร สะพาน
โครงสะพาน:
• ออกแบบสถาปัตยกรรม
เหล็กกล ้าคาร์บอน
ท่อนเหล็กรูปพรรณ
เหล็กแผ่น
• วิเคราะห์โครงสร ้าง
• ออกแบบโครงสร ้าง
ประกอบและยึด
โครงสร ้างเหล็ก
• หมุดย้า
• สลักเกลียว
ื่ ม
• เชอ
รับน้ าหนักบรรทุก
ตามต ้องการ
อาคารแบบผสม: คอนกรี ตเสริ มเหล็ก & เหล็กรู ปพรรณ
• ฐานรากของอาคาร: คอนกรี ตเสริ มเหล็ก
• คานและเสา : เหล็กรู ปพรรณหรื อเหล็กรู ปตัดที่ประกอบ
• รอยต่อ : เชื่อม / ขันด้วยสลักเกลียวกาลังสูง / หล่อหุม้ ด้วยคอนกรี ต
• พื้น : เหล็กแผ่น / พื้นคอนกรี ตเทกับที่ / พื้นคอนกรี ตเสริ มเหล็กสาเร็ รรู ป
• ผนัง : ก่ออิฐฉาบปูน / อื่นๆ
โครงสร้างเหล็ก vs. โครงสร้างคอนกรี ตเสริ มเหล็ก
ระยะเวลาการก่อสร้าง (การประกอบและติดตั้ง) น้อยกว่า
มีกาลังต้านทานต่อแรงดึงและแรงอัดได้สูงกว่า
น้ าหนักเบากว่าโครงสร้างเมื่อต้องการรับน้ าหนักบรรทุกเท่ากัน
คุณสมบัติคงทนสม่าเสมอไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา
ความยืดหยุน่ สู ง ทนต่อการกระแทกหรื อเปลี่ยนรู ปร่ างก่อนเกิดการวิบตั ิได้มากกว่า
ทนต่อการผุกร่ อนรากปฏิกิริยาออกซิ เดชันได้ดี เมื่อบารุ งรักษาสม่าเสมอ
สามารถนากลับมาใช้ใหม่ได้อีกภายหลังการรื้ อถอน
ราคาค่าวัสดุก่อสร้างแพงกว่า
เป็ นสนิม
ไม่ทนไฟ
☻ทาสี ป้องกัน
☻หุม้ ด้วยคอนกรี ต
☻เสริ มด้วยลวดตาข่าย & ฉาบปูนทรายหนา4-5 ซม.
☻พ่นด้วยสารเคมีที่มีคุณสมบัติทนไฟ
1.2 เหล็กโครงสร้ าง
เหล็กโครงสร้าง เป็ นเหล็กกล้าที่ผลิตขึ้นรากส่ วนผสม
☺แร่ เหล็ก
☺คาร์บอน
☺ธาตุอื่น เช่น ฟอสฟอรัส กามะถัน ซิลิกอน แมงกานีส ทองแดง
นิกเกิลวานาเดียม โครเมียม โคลัมเบียม โมลิดินมั เป็ นต้น
เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการใช้งานด้านต่าง ๆ
☻เพิ่งกาลังแรง
☻การเชื่อมต่อดีข้ ึน
☻ทนต่อการผุกร่ อนรากปฏิกิริยาออกซิเดชันมากขึ้น
☻มีความเหนียวและยืดหยุน่ ตัวได้มากขึ้น
คุณสมบัติที่สาคัญทางวิศวกรรมของเหล็กโครงสร้าง
◘ หน่วยแรงดึงที่รุดคราก
◘ หน่วยแรงดึงประลัย
◘ ความเหนียวหรื อการยืดหดตัว
ก่อนเกิดการชารุ ดเสี ยหาย
ขึ้นกับปริ มาณของคาร์บอน
และความหนาของเหล็ก
เหล็กที่มีปริมาณของคาร์ บอนมากขึน้ และความหนาน้ อย
จะมีกาลังแรงดึงและความแข็งมากขึน้
แต่ การยืดหดตัวจะลดลงหรือมีความเปราะมากขึน้
การพิรารณาหาคุณสมบัติดา้ นรับแรงดึงของเหล็กโครงสร้าง
นาท่อนหรื อแท่งเหล็กที่มีขนาดตามมาตรฐานกาหนด (เช่น ASTM)
มาทดสอบรับแรงดึง โดยอาศัยเครื่ องทดสอบหากาลังต้านทานของวัสดุ
(Testing Machine)
P
: แรงดึง
A
: เนื้อที่หน้าตัดชิ้นทดสอบ
L
: ความยาวเดิม
L
: ความยาว เมื่อเหล็กเกิดการยืดตัว
หน่วยแรงดึงที่เกิดขึ้น :
หน่วยการยืดตัวที่เกิดขึ้น :
f

=
=
P/A
L/L
คุณสมบัติของเหล็กโครงสร้าง:
รากพฤติกรรมการรับแรงดึงของเหล็ก- เขียนความสัมพันธ์ระหว่าง
หน่วยแรงดึง(tensile stress) และหน่วยการยืดตัว (tensile strain)
ตั้งแต่เหล็กเริ่ มรับแรงกระทา รนกระทัง่ สภาวะประลัยที่เหล็กเกิดการวิบตั ิ
หน่ วยแรงดึง
d
a
b
c
e
E
1
o
หน่ วยการยืดตัวของเหล็ก
พฤติกรรมทัว่ ไปของเหล็กโครงสร้ าง
¤ช่วง o ถึง a
* หน่วยแรงดึงเป็ นสัดส่ วนโดยตรงกับหน่วยการยืดตัวตามกฎของฮุค
เพราะในช่วงนี้เหล็กมีคุณสมบัติยดื หยุน่
* หน่วยแรงดึงที่รุด a เรี ยกว่า หน่วยแรงดึงที่ขีดพิกดั ยืดหยุน่ (Proportional Limit)
* ค่าความชันในช่วง oa เรี ยกว่าโมดูลสั ของความยืดหยุน่ (Modulus of Elasticity)
หรื อโมดูลสั ของยังก์(Young’s Modulus) ถือว่าเป็ นค่าคงที่ในช่วงนี้
* E สาหรับเหล็กกล้าคาร์ บอนหรื อเหล็กกล้ากาลังสู ง: 2000 - 2100 ตันต่อตร.ซม.
* การยืดตัวของเหล็กในช่วงยืดหยุน่ นี้ค่อนข้างน้อย
และสามารถหดกลับลงมาตามแนวเดิมได้เมื่อเลิกดึง
¤ เมื่อพ้นรากรุด a
*
* เหล็กเริ่ มคราก
¤ ช่วง a ถึง b
* การยืดของเหล็กมักระไม่เป็ นไปตามกฎของฮุค
* เหล็กระเริ่ มคราก หรื อล้า (yield)
* หน่วยแรงดึงที่รุดครากของเหล็ก (Yield Strength: Fy)
* หน่วยการยืดตัวระเพิ่มมากขึ้น
ในขณะที่หน่วยแรงดึงมีค่าเกือบคงที่
* การยืดตัวในช่วง bc ถือว่าเป็ นช่วงพลาสติก
ปกติมีค่ามากกว่าการยืดตัวในช่วงยืดหยุน่ หรื ออิลาสติก
ประมาณ 10 ถึง 12 เท่า
แสดงถึงความเหนียวของเหล็กโครงสร้างทัว่ ไป
¤ รุด C
* เหล็กเริ่ มมีพฤติกรรมใหม่เรี ยกว่าการแข็งตัวเพิ่ม (strain hardening)
* เมื่อเพิ่มแรงกระทาต่อไปอีกระได้ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึง
และหน่วยการยืดตัวตามรู ป
*รุด d เหล็กสามารถรับแรงดึงได้มากที่สุด
เรี ยกว่า หน่วยแรงดึงประลัย (ultimate tensile strength : Fu)
¤รุด d - e
* หน่วยแรงดึงในเหล็กระเริ่ มลดลง
* หน้าตัดของเหล็กที่ถูกดึงก็เริ่ มมีคอคอดเกิดขึ้น
*รุด e เหล็กระถูกดึงและขาดออกรากกัน
* เรี ยกรุดนี้วา่ หน่วยแรงดึงที่ รุดขาดของเหล็ก
LO : ระยะวัดการยืดตัว/ความยาวพิกดั (gage length)
ของเหล็กก่อนรับแรงดึง
Lf : ความยาวของเหล็กที่รุดเหล็กขาดระหว่างรุดพิกดั
เปอร์เซ็นต์การยืดตัว (elongation) ของเหล็กก่อนที่ระขาด = (Lf – LO) X 100
LO
สาหรับเหล็กทีม่ กี าลังจุดครากสู งมาก
ตาแหน่งของรุดคราก อารไม่ปรากฏชัดเรน
ASTM ให้หาหน่วยแรงที่รุดครากรากรุดที่หน่วยการยืดตัวเท่ากับ 0.002 (0.20% off-set)
: รากรุดที่หน่วยการยืดตัวเท่ากับ 0.002 ให้ลากเส้นขนานกับความชันขึ้นไป
ตัดเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึงกับหน่วยการยืดตัว
รุดตัด=หน่วยแรงที่รุดครากของเหล็ก หรื อ หน่วยแรงดึงพิสูรน์ (proof stress) ที่ 0.20%
ประเภทของเหล็กโครงสร้างแบบรี ดร้อน
(เหล็กรู ปพรรณ เหล็กแผ่น และท่อนหรื อท่อเหล็ก)
ตามมาตรฐาน ASTM:
1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel):
¤สาหรับโครงสร้างเหล็กทัว่ ไปที่สามารถทารอยต่อโดยใช้ตวั ยึดหรื อโดยการเชื่อม
¤มีปริ มาณคาร์บอนสูงสุ ดไม่เกิน 1.70%
¤ASTM A 36 (ปริ มาณคาร์บอน0.25-0.29% ขึ้นกับความหนา)
A 53, A 500, A 501 และ A529
¤กาลังรุดครากประมาณ 2500 ksc. ถึง 29000 ksc.
¤การยืดตัวประมาณ 20%
2. เหล็กกล้าประสมบาง-กาลังสูง (High Strength Low-Alloy steel)
¤ เหล็กกล้าคาร์บอน (ใช้ปริ มาณคาร์บอนไม่เกิน 0.2%) ผสมโลหะอื่น เช่น
โครเมียม โคลัมเบียม โมลิดินมั นิกเกิล วานาเดียม ซิลิกอนและทองแดง
รวมกันในปริ มาณไม่เกิน 5%
¤ มีกาลังรุดครากสูงกว่าประเภทแรก (มีค่าระหว่าง 2750 ถึง 4500 ksc.)
¤บางชนิดทนต่อการผุกร่ อนสูงกว่าเหล็กประเภทแรก
¤เหล็กชนิด ASTM A 242, A441, A 572, A 588, A 607 และ A618
¤การยืดตัวประมาณ 15-19 %
3. เหล็กกล้าประสม-ชุบแข็ง (Heat-treated Constructional Alloy Steel)
¤ เหล็กกล้าประสมบาง
¤ ได้รากการชุบแข็ง (โดยทาให้เย็นลงทันที หรื อ นามาอบ เพิ่มที่อุณหภูมิสูงแล้ว
ปล่อยให้เย็นตัวตามธรรมชาติ)
¤ มีกาลังรุดครากสูงขึ้นมากประมาณ 6200 ถึง 6900 ksc.
¤ การยืดตัวประมาณ 17-18% ที่มีความยาวพิกดั เท่ากับ 5 ซม.
¤ ทนต่อการผุกร่ อนสูงกว่าเหล็กชนิด A36 ถึง 4 เท่า
¤เหล็กชนิด ASTM A 514
¤ เป็ นเหล็กแผ่นไม่แสดงกาลังที่รุดครากชัดเรน พิรารณาที่กาลังพิสูรน์ 0.20%
เหล็กโครงสร้างที่นิยมใช้มากที่สุด
เหล็ก ASTM A36:
• กาลังรุดคราก ประมาณ 2500 ksc.
• สามารถรับน้ าหนักหรื อแรงที่กระทาได้ดีพอควร
• ไม่มีปัญหาในเรื่ องสติฟเนสของส่ วนโครงสร้างตามข้อกาหนดของ AISC
• หากใช้เหล็กที่มีกาลังรุดครากสูงขึ้น ราคาแพงขึ้น
แม้วา่ ขนาดของหน้าตัดระเล็กลง
แต่ระมีปัญหาในเรื่ องสติฟเนสของส่ วนโครงสร้างตามข้อกาหนด AISC
ซึ่งในที่สุดอารต้องใช้ขนาดของหน้าตัดเท่ากับขนาดที่ตอ้ งใช้ในเหล็กA36
ทาให้ไม่ประหยัดแต่อย่างใด
ประเทศไทย: มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.)
กาหนดเหล็กโครงสร้างไว้ 2 ชั้นคุณภาพ
☻ Fe 24 : เหล็กกล้าคาร์บอน
☺กาลังรุดคราก 2400 ksc.
☺ มีกาลังต้านทานแรงดึงประลัย 4100 ksc.
☺ การยืดตัวไม่นอ้ ยกว่า 23%
☺ เครื่ องหมายด้วยสี ขาว
☻ Fe 30: เหล็กกล้าคาร์บอน
☺ กาลังรุดครากเท่ากับ 3000 ksc.
☺ มีกาลังต้านทานแรงดึงประลัย 5000 ksc.
☺การยืดตัวไม่นอ้ ยกว่า 23%
☺ เครื่ องหมายด้วยสี เขียว
ตารางที่ 1.1 คุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้าง
ประเภทและ
ชนิดของเหล็ก
เหล็กกล้าคาร์บอน :
A 36
A529
เหล็กกล้าประสมบาง – กาลังสู ง :
A441
A572
A242 (ทนการผุกร่ อน)
กาลังรุดคราก
กก./ซม.2
กาลังดึงประลัย
กก./ซม.2
การยืดตัว
%
ความหนา
นิ้ว
2500
2900
4000-5000
4150-5850
20*
19*
8
0.5
2900
3150
3450
2900
3450
4150
4500
2900
3150
3450
4350
4600
4800
4150
4500
5200
5500
4350
4600
4800
16*
19*
18*
20*
18*
16*
15*
16*
19*
18*
1.5-4
0.75-1.5
0.75
6
2
1.25
1.25
1.5-4
0.75-1.5

ตารางที่ 1.1 คุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้าง
ประเภทและ
ชนิดของเหล็ก
A588 (ทนการผุกร่ อน)
เหล็กกล้าประสม - ชุบแข็ง :
A514 (ทนการผุกร่ อนสู ง)
* ความยาวพิกดั 20 ซม.
กาลังรุดคราก
กก./ซม.2
กาลังดึงประลัย
กก./ซม.2
การยืดตัว
%
ความหนา
นิ้ว
2900
3150
3450
4350
4600
4800
19-21**
19-21**
19-21**
5-8
4-5
4
6200
6900
6900-8950
7600-8950
17**
18**
2.5-6

** ความยาวพิกดั 5 ซม.
Note: เมื่อเหล็กมีความหนามากขึ้น กาลังรุดครากระลดลง
1.3 เหล็กโครงสร้างรู ปพรรณ
¤ เหล็กตัดที่ผลิตขึ้นโดยมีขนาดและน้ าหนักตามที่มาตรฐานกาหนด
¤ ความยาวขนาดมาตรฐานท่อนละ 6 เมตร
¤ การผลิต
• แบบรี ดร้อน (hot rolled): ทาส่ วนของโครงสร้างหลัก มีรูปตัดต่าง ๆ กัน
เช่น รู ปตัดฉาก (Angle, L) แบบ S (ตัว I เดิม), แบบปี กกว้าง (Wide Flange, W),
แบบตัว T, ท่อเหล็กกลมหรื อสี่ เหลี่ยม เป็ นต้น
• แบบรี ดเย็น (cold rolled): หรื อเหล็กไลท์เกร ระบางและมีน้ าหนักเบากว่าแบบรี ดร้อน
เพราะได้รากการนาแผ่นเหล็กที่มีความกว้างพอเหมาะมาเข้าเครื่ องพับทาเป็ นรู ปตัด
ต่าง ๆ เช่นรู ปตัว L ตัว C เป็ นต้น เมื่อทารอยต่อโดยการเชื่อมต้องระวังเป็ นพิเศษ
เพราะอารเชื่อมทะลุเนื่องรากชิ้นส่ วนบางเกินไป ทาให้เหล็กเกิดสนิมในภายหลัง
การออกแบบ
พิรารณาเลือกใช้เหล็กรู ปพรรณ
ที่มีรูปตัดที่ให้ค่าโมดูลสั อิลาสติก/พลาสติกของหน้าตัดมาก
เมื่อเทียบกับพื้นที่หน้าตัดหรื อน้ าหนัก
นัน่ คือพยายามเลือกใช้เหล็กรู ปพรรณแบบต่าง ๆ
เช่น ขนาด น้ าหนัก พื้นที่หรื อเนื้อที่หน้าตัด โมเมนต์อินเนอร์เชีย
รัศมีไรเรชัน และโมดูลสั อิลาสติก/พลาสติกของหน้าตัด
ซึ่งต้องใช้ในการออกแบบ
การระบุขนาดและชนิดของเหล็กรู ปพรรณซึ่ งใช้กนั เป็ นมาตรฐานสากลทัว่ ไป
• W หรื อ WF 350 x 49.6 : เหล็กรู ปพรรณที่มีรูปตัดแบบปี กกว้าง (wide flange)
มีความลึกโดยประมาณเท่ากับ 350 มม.
มีน้ าหนักเท่ากับ 49.6 กิโลกรัมต่อเมตร
• C 125x13.4 : เหล็กรู ปพรรณที่มีรูปตัดแบบเหล็กราง หรื อ ร่ อง (channel)
มีความลึกโดยประมาณเท่ากับ 125 มม.
มีน้ าหนักเท่ากับ 13.4 กิโลกรัมต่อเมตร
• L 90 x 60 x 12 : เหล็กรู ปพรรณตัดฉากที่มีขาด้านยาวเท่ากับ 90 มม.
ขาด้านสั้นเท่ากับ 60 มม.และมีความหนาเท่ากับ 12 มม.
• WT 150 x 47 : เหล็กรู ปพรรณที่มีรูปตัดแบบตัวที (Tee)
ซึ่ งได้รากการตัดครึ่ งที่เหล็กแผ่นตั้งของเหล็กW 300 x94
เหล็กรู ปพรรณแบบนี้เรี ยกว่า Structural Tee
1.4 การออกแบบโครงสร้างเหล็ก: คานวณเพื่อ
• เลือกชนิดและขนาดของเหล็กรู ปพรรณที่เหมาะสมซึ่งมีอยูแ่ ล้ว
• พิรารณานารู ปตัดต่าง ๆ ของเหล็กรู ปพรรณและเหล็กแผ่นที่มีอยูแ่ ล้ว
มาประกอบร่ วมกัน (built-up section)
เพื่อให้สามารถต้านทานต่อแรงหรื อน้ าหนักบรรทุกที่กระทาได้โดยปลอดภัย
ไม่เป็ นอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สิน
การออกแบบโครงสร้างเหล็ก
มีวิธีการเฉพาะสาหรับแต่ละส่ วนโครงสร้าง
ขึ้นกับแรงหรื อโมเมนต์ที่ส่วนโครงสร้างนั้นต้องรับหรื อต้านทาน
แรงหรื อโมเมนต์ที่กระทาต่อส่ วนของโครงสร้าง
คานวณหาค่าได้รากการวิเคราะห์ดว้ ยทฤษฎีโครงสร้าง
ส่ วนของโครงสร้างเหล็กที่ตอ้ งพิรารณาออกแบบ
• ส่ วนโครงสร้างที่รับแรงตามแนวแกน ซึ่งอารเป็ นแรงดึงหรื อแรงอัด
• ส่ วนโครงสร้างที่รับโมเมนต์ดดั และแรงเฉือน
• ส่ วนโครงสร้างที่รับแรงตามแนวแกนและโมเมนต์ดดั ร่ วมกัน
• รอยต่อของส่ วนโครงสร้าง
มาตรฐานหรื อข้อบัญญัติ (Specifications)
ในการคานวณและออกแบบโครงสร้างใด ๆ
วิศวกรผูอ้ อกแบบ ต้องพิรารณาออกแบบส่ วนของโครงสร้างนั้น ๆ
ให้สอดคล้องเป็ นไปตามมาตรฐานหรื อข้อบัญญัติที่กาหนดไว้
มาตรฐานหรื อข้อบัญญัติส่วนใหญ่ได้มารากผลของการวิเคราะห์และวิรยั
มาตรฐานสาหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็ก:
• สาหรับโครงสร้างเหล็กที่เป็ นส่ วนของโครงอาคาร (building structures)
• มาตรฐาน AISC (American Institute of Steel Construction):
• สาหรับการคานวณและออกแบบโครงสร้างเหล็กที่มิได้เป็ นส่ วนของโครงอาคาร
• มาตรฐาน AASHTO (American Association of State Highway & Transportation Officials)
• มาตรฐาน AREA (American Railway Engineering Association)
มาตรฐานกาหนดของประเทศไทย: มาตรฐาน ว.ส.ท. (คล้ายกับมาตรฐาน AISC)
มาตรฐาน AISC : 3 วิธี
• วิธีอิลาสติก (Allowable Stress Design : ASD) : ปี 1989
◘ใช้หน่วยแรงที่ยอมให้เมื่อโครงสร้างรับน้ าหนักบรรทุกใช้งาน (Working Load)
•วิธีพลาสติก (Plastic Design: PD):
◘ใช้กาลังต้านทานสู งสุ ดเมื่อโครงสร้างนั้นถูกสมมุติให้ตอ้ งรับน้ าหนักบรรทุกใช้
งานที่เพิ่มค่าแล้ว (Factored Load)
• วิธี Load Resistance Factor Design : LRFD : ปี 1994
◘ พิรารณาในสภาวะที่ส่วนโครงสร้างใกล้ระวิบตั ิ โดยอนุญาตให้ทาการวิเคราะห์
โครงสร้างโดยวิธีอิลาสติกหรื อวิธีพลาสติกเมื่อส่ วนของโครงสร้างนั้นถูกสมมุติให้
ต้องรับน้ าหนักบรรทุกใช้งานที่ทาเพิ่มค่าแล้ว (Factored Load) หรื อน้ าหนักประลัย
◘ พิรารณาออกแบบส่ วนของโครงสร้างโดยใช้กาลังที่ใช้ออกแบบ (Design
Strength) หรื อกาลังต้านทานแรงประลัย ซึ่ งเป็ นกาลังต้านทานระบุ (Nominal
Strength) ของส่ วนโครงสร้างนั้นที่ลดค่าแล้วด้วยตัวคูณลดกาลัง (Resistance Factor)
การออกแบบโดยวิธี LRFD จะคล้ ายกับวิธีการออกแบบโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก
ด้ วยทฤษฎีกาลังประลัย (Ultimate Strength Design :USD) ซึ่งต่ อมาเรียกว่ าวิธีกาลัง (Strength Design)
การออกแบบโดยวิธี ASD
หลักเกณฑ์:
หน่วยแรงที่เกิดขึ้น (actual stress: f )
บนรู ปตัดของส่ วนโครงสร้าง
ที่พิรารณาเลือกใช้
เมื่อรับน้ าหนักบรรทุกใช้งาน
ต้องมีค่าไม่เกินกว่า
ค่าหน่วยแรงใช้งานที่ยอมให้
(allowable stress : F)
fF
น้ าหนักบรรทุกใช้งาน (working load) คือน้ าหนักหรื อแรงกระทาต่าง ๆ
ที่คาดว่าส่ วนโครงสร้างนั้นระต้องรับหรื อต้านทาน
• น้ าหนักบรรทุกคงที่ (dead load : D)
• น้ าหนักบรรทุกรร (live load : L)
• แรงลม (wind load : W)
• แรงรากแผ่นดินไหว (earthquake load : E)
ในการออกแบบต้องพิรารณารัดรวมน้ าหนักหรื อแรงกระทาต่าง ๆ
เพื่อให้ได้น้ าหนักบรรทุกใช้งานสูงสุ ดที่กระทาต่อส่ วนของโครงสร้าง
น้ าหนักบรรทุกใช้งาน = D
หรื อ
= D+L
หรื อ
= 0.75 [D+L+(W หรื อ E)]
น้ าหนักบรรทุกใช้งานสูงสุ ดที่ได้ราก 3 กรณี ขา้ งต้น
เป็ นน้ าหนักบรรทุกใช้งานที่ระนาไปออกแบบต่อไป
หน่วยแรงที่เกิดขึ้นรริ ง (actual stress) :
ค่าที่ได้รากการหารค่าแรงหรื อโมเมนต์ตดั ที่กระทา
ด้วยคุณสมบัติของรู ปตัด
(เช่น เนื้อที่หน้าตัด หรื อ โมดูลสั อิลาสติกของหน้าตัด)
หน่วยแรงใช้งานที่ยอมให้ (allowable stress) / หน่วยแรงที่ยอมให้ :
ค่าที่ได้รากนา
ค่ากาลังที่รุดครากหรื อหน่วยแรงสูงสุ ดของวัสดุ
หารด้วยค่าอัตราส่ วนความปลอดภัย (Factor of Safety)
Note: ค่าอัตราส่ วนความปลอดภัยระขึ้นอยูก่ บั ประเภทของส่ วนโครงสร้าง
ในการออกแบบโดยวิธี ASD ที่กล่าวต่อไป ระพบว่า
มาตรฐาน AISC กาหนดหน่วยแรงชนิดต่างๆที่ยอมให้
เป็ นค่าร้อยละของกาลังที่รุดครากของเหล็ก
เช่น หน่วยแรงดึงที่ยอมให้ เท่ากับ 60% ของกาลังรุดครากของเหล็ก
หน่วยแรงเฉือนที่ยอมให้ เท่ากับ 40% ของกาลังรุดครากของเหล็ก
ฉะนั้น สามารถหาค่าอัตราส่ วนความปลอดภัยที่ใช้สาหรับโครงสร้างส่ วนต่าง ๆ
เช่น ส่ วนโครงสร้างที่รับแรงดึง มีอตั ราส่ วนความปลอดภัยเท่ากับ1.67
[หารกาลังรุดครากของเหล็ก (Fy) ด้วยหน่วยแรงดึงที่ยอมให้ 0.6 Fy]
การออกแบบโดยวิธี LRFD
หลักเกณฑ์ :
ในสภาวะที่ส่วนโครงสร้างระเกิดการวิบตั ิ
กาลังที่ตอ้ งการ (required strength) ของส่ วนโครงสร้าง
รากน้ าหนักบรรทุกใช้งานที่เพิ่มค่าแล้ว(factored load)
หรื อน้ าหนักประลัย
ต้องมีค่าไม่เกินกาลังที่ใช้ออกแบบ (design strength)
หรื อกาลังต้านทานประลัยของส่ วนโครงสร้างนั้น
ซึ่งเป็ นกาลังต้านทานที่ระบุ (nominal strength)
ของส่ วนโครงสร้างนั้นเมื่อได้ลดค่าลงแล้ว
i Qi  Rn
กาลังที่ตอ้ งการ (required strength) ของส่ วนโครงสร้าง
รากน้ าหนักบรรทุกใช้งานที่เพิ่มค่าแล้ว(factored load)หรื อน้ าหนักประลัย
ได้รากการคูณน้ าหนักหรื อแรงกระทาใช้งานต่างๆ (load : Qi)
ด้วยตัวคูณเพิม่ น้ าหนัก (load factor : i)
รัดรวมน้ าหนักหรื อแรงกระทาต่างๆ (iQi)
เพื่อให้ได้น้ าหนักประลัยสูงสุ ดที่คาดว่าส่ วนของโครงสร้างนั้นต้องต้านทาน
น้ าหนักประลัย = 1.4D
(1.4)
หรื อ
= 1.2D + 1.6L
(1.5)
หรื อ
= 1.2D + (0.5L หรื อ 0.8W)
(1.6)
หรื อ
= 1.2D + 1.3W + 0.5L*
(1.7)
หรื อ
= 1.2D  1.0E + 0.5L
(1.8)
หรื อ
= 0.9  (1.3W หรื อ 1.0E)
(1.9)
กาลังที่ใช้ออกแบบ(design strength) / กาลังต้านทานแรงประลัย
ได้รากการคูณกาลังต้านทานระบุที่คานวณได้ตามทฤษฎี(nominal resistance: Rn)
ด้วยตัวคูณลดกาลัง (resistance factor : )
ซึ่งมีค่าต่างๆกัน (ไม่เกิน 1.00) ขึ้นกับประเภทของส่ วนโครงสร้าง
1.5 นา้ หนักบรรทุกในโครงอาคาร
นา้ หนักบรรทุกคงที่ (Dead Load): น้ าหนักของส่ วนโครงสร้างที่ประกอบรวมเป็ นอาคาร
คอนกรี ตเสริ มเหล็ก
1600-2400
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
เหล็ก
7850
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
ไม้เนื้อแข็ง
700-1200
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
อิฐ
1900
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
วัสดุมุงหลังคา
5-18
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
แปไม้
5
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
โครงหลังคาไม้
10-20
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
ฝ้ าเพดาน
14-26
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
กาแพงอิฐมอญ
180-350
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
กาแพงอิฐบล็อก
100-200
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
กาแพงคอนกรี ตบล็อก
100-240
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
ฝาไม้ ไม้อดั รวมเคร่ า
12-30
กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร
พื้นไม้ รวมตง
30
กก.ต่อ ตารางเมตร
DL โครงหลังคาเหล็ก: ขึ้นอยูก่ บั ความชันและช่วงความยาวของโครง
Grinter :
◙ ถ้าโครงเหล็กมีช่วงยาว 40 ฟุต ความชัน(pitch) ระหว่าง 1/3-1/4
น้ าหนักบรรทุกคงที่ของโครงเหล็กประมาณ 2-3.5 ปอนด์/ตร.ฟุต
(รอยต่อเชื่อมน้ าหนักลดลง/รอยต่อหมุดย้า-สลักเกลียว-แผ่นประกับ น้ าหนักเพิม่ 15 % )
◙โครงเหล็กมีช่วงยาวเกินกว่า 40 -80 ฟุต น้ าหนักเพิ่ม0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต
ทุกๆ ความยาวที่เพิ่มขึ้น 10 ฟุต
◙โครงเหล็กแบน(Flat roof) เพิ่มน้ าหนัก 0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต
◙โครงเหล็กชัน (Steep roof) ลดน้ าหนักลง 0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต
นา้ หนักบรรทุกจร (Live Load):
• น้ าหนักกระทาในแนวดิ่ง: ผูใ้ ช้อาคาร เครื่ องเรื อน เครื่ องรักร
สิ่ งของต่างๆขึ้นกับประเภทและการใช้สอยของอาคารนั้น
• น้ าหนักที่กระทาทางด้านของอาคาร: แรงลม แรงรากแผ่นดินไหว
แรงลมที่กระทาต่อโครงอาคาร ขึ้นอยูก่ บั แรงดันแบบ dynamic ของลม
• แรงดัน(Pressure) ด้านเหนือลม
• แรงดูด(Suction) ด้านใต้ลม
ความเร็ วลมระแปรตามสภาพภูมิประเทศ ความสูงเหนือพื้นดิน
และอาคารข้างเคียง
การออกแบบระสมมุติให้แรงลมกระทาอย่างสม่าเสมอต่อโครงอาคารด้านที่รับลม
และแรงลมสามารถกระทาได้ทุกทิศทาง
ASCE :แรงลมแบบ static ที่กระทาตั้งฉากกับอาคาร
p = 0.00256 CS V2
p = 0.00473 CS V2
ปอนด์/ตร.ฟุต V: ความเร็ วลม (ไมล์/ชม.)
กก./ตร.เมตร V: ความเร็ วลม ( กม./ชม.)
CS: shape coeffcient ขึ้นกับรู ปทรงและสัดส่ วนของอาคาร
อาคารสูงรู ปกล่องสี่ เหลี่ยม(box-type structure)ไม่มีช่องเปิ ด
CS = 0.8 ที่ดา้ นเหนือลม-แรงดัน / CS = 0.5 ที่ดา้ นใต้ลม-แรงดูด
ดังนั้น แรงลมทั้งหมดที่กระทา = แรงดันด้านเหนือลม+ แรงดูดด้านใต้ลม
p = 0.00473(0.8+0.5)V2 = 0.0062V2 กก. /ตร.เมตร
ASCE: แรงลมที่กระทาตั้งฉาก(Pn) กับแนวหลังคา
• แรงลมกระทาภายนอกอาคาร:
แรงลมที่กระทาตั้งฉากกับแนวหลังคา(Pn) มีท้ งั แรงดัน(+)
และแรงดูดหรื อแรงยกตัว(-) ทั้งทางด้านเหนือลมและใต้ลม
ซึ่งขึ้นอยูก่ บั มุมลาดเอียง()ของโครงหลังคา
แรงลมกระทาภายในอาคาร:
อาคารมีช่องเปิ ดของหน้าต่างหรื อประตูเท่ากับร้อยละ n ของเนื้อที่ผนัง
ค่าของ n อยูร่ ะหว่าง 0 ถึง 30%
แรงลมภายในที่ดา้ นเหนือลม
แรงลมภายในที่ดา้ นใต้ลม
pn = (+0.225+0.0125n)p 0.6p
Pn = (-0.225+0.0075n)p -0.45p
ถ้า n มีค่ามากกว่า 30%ให้ใช้ค่าสูงสุ ดตามที่กาหนดข้างต้น
สูตร: พิรารณาเฉพาะแรงดันด้านเหนือลมเพียงอย่างเดียว
(1) pn = p(2 sin )/(1+sin2  )
Duchemin Formula
(2) pn = p sin  1.84 cos - 1
Hutton Formula
(3) pn = p  / 45
Ketchum or Straight – line Formula


: มุมลาดเอียงของหลังคา หน่วยเป็ นองศา
สูตร Duchemin ได้รับความนิยมและเชื่อถือมาก
ส่ วนอีกสองสูตรให้ค่าสอดคล้องกับการทดลองเมื่อมุม  ไม่เกิน 35 องศา
สาหรับข้อบัญญัติกรุ งเทพมหานคร พ.ศ. 2522 กาหนดน้ าหนักบรรทุกรร
สาหรับการออกแบบโครงอาคารประเภทต่างๆ ซึ่งต้องไม่นอ้ ยกว่าอัตราต่อไปนี้
หลังคา
กันสาด หรื อ หลังคาคอนกรี ต
ที่พกั อาศัย โรงเรี ยนอนุบาล ห้องน้ า ห้องส้วม
อาคารชุด หอพัก โรงแรม
สานักงาน ธนาคาร
อาคารพาณิ ชย์ มหาวิทยาลัย วิทยาลัย โรงเรี ยน
ห้องโถง บันได ทางเดินของอาคารชุด หอพัก โรงแรม
โรงพยาบาล สานักงาน และธนาคาร
ห้างสรรพสิ นค้า โรงมหรสพ หอประชุม ภัตตาคาร
50
100
150
200
250
300
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
300
กก.ต่อ ตารางเมตร
ทีจ
่ อดหรือเก็บรถยนต์นั่ง
ห ้องโถง บันได ทางเดินของอาคารพาณิชย์
400
กก.ต่อ ตารางเมตร
มหาวิทยาลัย วิทยาลัย และโรงเรียน
400
ิ ค ้า พิพธิ ภัณฑ์ อัฒจันทร์ โรงงานอุตสาหกรรม
คลังสน
กก.ต่อ ตารางเมตร
โรงพิมพ์ ห ้องเก็บเอกสารและพัสดุ
ิ ค ้า
ห ้องโถง บันได ทางเดินของห ้างสรรพสน
โรงมหรสพ หอประชุม ภัตตาคาร และหอสมุด
500
กก.ต่อ ตารางเมตร
ื ของหอสมุด
ห ้องเก็บหนังสอ
800
กก.ต่อ ตารางเมตร
แรงลมสาหรับสว่ นของอาคารสูง
- H  10 เมตร
- 10 เมตร  H 20 เมตร
- 20 เมตร  H 40 เมตร
- H  40 เมตร
50
80
120
160
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
กก.ต่อ ตารางเมตร
สาหรับการออกแบบในจังหวัดอืน
่ ในประเทศไทย ผู ้ออกแบบ
ต ้องพิจารณาจากประกาศของกรมโยธาธิการ/เทศบาล/กระทรวงมหาดไทย
นา้ หน ักบรรทุกกระแทก:
น้ าหนักบรรทุกจรทีก
่ ระแทกหรือกระทาต่อสว่ นโครงสร ้างอย่าง
ทันทีทน
ั ใด
การออกแบบ AISC ให ้เพิม
่ ค่าน้ าหนักบรรทุกจรนัน
้ ตามจานวน % ที่
กาหนด
สาหรับสว่ นทีร่ องรับลิฟท์ และห ้องเครือ
่ งลิฟท์
สาหรับสว่ นทีร่ องรับเครือ
่ งจักรกลชนิดเบา
สาหรับสว่ นทีร่ องรับเครือ
่ งจักรกลชนิดหนัก
สาหรับสว่ นทีแ
่ ขวนรับพืน
้ หรือระเบียง
้
สาหรับคานและรอยต่อทีร่ องรับเครนวิง่ ทีใ่ ชยกของ
100%
≥ 20%
≥ 50%
100%
10-20%