วิธีการ lateral brace คานเหล็ก ที่เป็นที่นิยมมาก คือการใช้พื้นมาค้ำยันทางด้านข้างให้กับคาน โดยทั้งนี้ การเชื่อมต่อระหว่างพื้นและคาน ต้องมีความแน่นหนา ซึ่งนิยมยึดพื้นประเภท metal deck ให้ติดกับคานด้วย shear stud หรือสลักรับแรงเฉือน แล้วจึงเทด้วยคอนกรีต เพราะนอกจากจะสามารถยึดรั้งคานทางด้านข้างได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้ว คานเหล็ก+metal deck+shear stud ก็จะสามารถสร้างพฤติกรรมของ composite beam ได้เป็นอย่างดี
composite beam นี้ เป็นลักษณะของคานหน้าตัดผสม ระหว่างคานเหล็ก และพื้นคอนกรีตที่อยู่ด้านบน โดยพื้นคอนกรีตจะเป็นส่วนที่รับแรงอัด (หากสามารถเชื่อมต่อคานกับพื้นได้อย่างแน่นหนา ... เชื่อมต่อแน่นหนาแค่ไหน ก็ต้องตอบว่า ต้องพิจารณา "shear flow" ณ ระนาบที่คานเหล็ก เชื่อมต่อกับพื้น concrete-filled metal deck ที่อยู่ด้านบน) และคานที่รองรับด้านล่าง จะเป็นส่วนที่รับแรงดึง
composite beam นี้ โดยพฤติกรรม จะมีการขยับ neutral axis จากระดับกึ่งกลาง web ของ steel beam ขึ้นไปอยู่แถว ๆ steel beam flange ทำให้ ด้านล่างของ neutral axis ซึ่งก็คือ steel beam เกือบทั้งหมดรับ tensile normal stress
ส่วนใหญ่แล้ว composite beam จะช่วยทำให้ กำลังรับแรงดัดของคานเหล็กเพียว ๆ เพิ่มสูงขึ้นได้อีกถึงราว 50% ... แต่ต้องระวังสักนิดครับ ว่า อย่าพยายามนำ composite beam ไปใช้กับ cantilevered beam หรือคานที่รับโมเมนต์ลบ (-) เพราะจะไปฝืนธรรมชาติของคอนกรีตและเหล็กครับ คือพวก negative moment flexural member
หลักในการออกแบบ concrete-filled metal deck composite beam แสดงไว้ดังรูปนะครับ
คือ เราต้องแปลงหน้าตัด composite นี้ ให้เป็นหน้าตัดที่เราเรียกกันว่า transformed section จาก steel + concrete slab ให้เป็น steel + steel slab ซึ่งทอนความกว้างของ concrete slab ลง ด้วยอัตราส่วน n (n ratio) ซึ่งใช้ค่า Elastic modulus ของคอนกรีต มาเทียบกับ Elastic modulus ของเหล็ก (Ec/Es = n) แล้วเอาไปคูณกับความกว้าง slab ตามรูปที่ 3 เพื่อเปลี่ยนให้เป็นความกว้างประสิทธิผล (effective width)
จากนั้นค่อยมาหาตำแหน่ง Neutral axis ว่าอยู่ตรงไหน ซึ่งมีความเป็นไปได้ ตั้งแต่ (1) อยู่ใน concrete slab (2) อยู่ใน steel beam flange และ (3) อยู่ใน steel beam web โดยแสดงในรูปที่ 4 นะครับ ซึ่งสมการที่ใช้ในการคำนวณ moment capacity จะแตกต่างกันออกไป [แต่หลักการเดียวกันนะครับ คือ moment capacity = ผลรวมของ (แรง * moment arm รอบ neutral axis)]
 
 
เพื่อขยายความของ composite beam ให้ครบถ้วนสมบูรณ์ ขอสรุปส่งท้ายด้วย composite action และ non-composite action ซึ่งสำหรับ composite action ยังสามารถแบ่งออกได้เป็น fully composite action และ partially composite action นะครับ
รูปที่ 1 แสดงพฤติกรรมของ non-composite action ซึ่งเป็นลักษณะที่ steel beam กับ floor slab ไม่เชื่อมต่อกัน ... slab เพียงแต่ถูกนำมาวางบน steel beam (แน่นอนว่า ในทางปฏิบัติจริง ๆ มันคงไม่ถึงกับ zero composite ถูกไหมครับ metal deck กับ steel beam ก็ยังคงมี friction ระหว่างผิวสัมผัส แถมมีน้ำหนักกดทับลงมาอีก ... "แต่" ในทางการคำนวณ เราเผื่อให้พวก friction อะไรต่าง ๆ เหล่านี้เป็น redundancy หรือ เป็นปัจจัยแฝงกำลังรับน้ำหนักกันไป) เมื่อมีน้ำหนักบรรทุกมากดทับ slab จะแอ่นเป็นอิสระแยกจาก steel beam ดังนั้น non-composite action ก็จะมี neutral axis แยกออกจากกันระหว่าง slab และ steel beam ... กล่าวคือ slab กับ steel beam จะเกิด slip plane ขึ้น
รูปที่ 2 แสดงพฤติกรรมของ fully composite action ซึ่งเป็นลักษณะที่ steel beam กับ slab เชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ โดยสำหรับการวิบัติของคาน composite beam นี้ จะ "ไม่เกิดขึ้น ณ จุดเชื่อมต่อระหว่าง slab กับ steel beam" (อาจจะเกิดการ yield วิบัติด้วย flexure ที่ตำแหน่ง maximum moment เป็นต้น) ทั้งนี้ เมื่อ slab กับ steel beam เชื่อมติดกันอย่างสมบูรณ์จนไม่เกิด slip plane เสมือนหนึ่งเป็น member เดียวกัน ส่งผลให้ neutral axis ของ fully composite beam มีเส้นเดียว แม้ว่า ณ stage ของแรงที่มากระทำระดับต่าง ๆ จะส่งผลให้ neutral axis เกิดการ shift ขึ้น (จาก normal stress distribution ที่เป็น สามเหลี่ยมในช่วง elastic กลายเป็น สี่เหลี่ยมคางหมู ในช่วง partially plastic และเป็น สี่เหลี่ยม ในช่วง fully plastic ดังแสดงใน feed ก่อน
รูปที่ 3 แสดงการเปรียบเทียบ deformation characteristic ระหว่าง non-composite และ composite beam เพื่อให้เกิดความชัดเจนยิ่งขึ้น
และ
รูปที่ 4 แสดงวิธีการ "build" ให้คานเหล็กของเรา เป็น fully composite หรือ partially composite
... เริ่มจาก พิจารณา คาน simple beam ที่มี uniform load เราจะสามารถคำนวณ Shear Force Diagram (SFD) ซึ่งมี gradient จาก จุดที่ shear สูงสุดที่ support และค่อย ๆ ลดลงจนเป็น 0 ที่กลางคาน
... ที่ตำแหน่ง maximum shear "force" เราจะสามารถหา shear stress ที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่ง plane ที่เชื่อมต่อระหว่าง slab กับ steel beam ได้โดยการพิจารณาหาค่า "shear flow" จากสมการ shear stress = VQ/(Ib) หรือ shear flow = VQ/I โดย V = shear force, Q = first moment area (เป็นคุณสมบัติของหน้าตัด เหมือนกับ moment of inertia กล่าวคือ ถ้ารู้ขนาดหน้าตัด ก็สามารถหา Q ได้) I = moment of inertia รอบแกนดัด (Ix) และ b = ความกว้าง ณ ตำแหน่งที่เราต้องการหา shear flow โดย shear flow ที่ได้ มีหน่วยเป็น แรงต่อความยาว เช่น kg/m หรือจะบอกว่า ณ ตำแหน่ง plane นี้ จะมีแรงเฉือนกระทำ กี่กิโลกรัมตลอดระยะ 1 เมตร
*** ดังนั้น หากเราคิดแบบ conservative พิจารณา maximum shear เป็น ค่าคงที่ (ทั้งที่ความเป็นจริง เป็น gradient สามเหลี่ยม) เราก็สามารถหา สลักรับแรงเฉือน หรือ shear stud ที่ต้องนำมาใช้ได้ ว่าต้องใช้ กี่ตัว ต่อระยะ 1 เมตร ตาม magnitude ของ shear flow ที่คำนวณได้
เช่น
- หาก shear flow มีค่าเท่ากับ 10 ตันต่อเมตร
- shear stud 1 ตัว มี allow shear strength ที่ 2 ตัน
- หากเราต้องการ fully composite beam ก็ต้องใช้ shear stud 10/2 = 5 ตัว ในระยะ 1 เมตร หรือ ติดตั้ง shear stud ให้ห่างกัน 20 ซม.
- แต่หากเราต้องการ 80% composite action ก็ต้องติดตั้ง shear stud 10(0.8)/2 = 4 ตัว ตลอดระยะ 1 เมตร หรือติดตั้ง shear stud 25 ซม. on center เป็นต้น
 
 
Steel Deck ระบบแผ่นพื้นประกอบ (Composite Steel Deck Floor System)
ระบบแผ่นพื้นประกอบ(Composite Steel Deck Floor System)ประกอบด้วยแผ่นเหล็กขึ้นรูปเย็น(Cold Formed Steel Deck)กับคอนกรีต ซึ่งมีข้อเด่นๆหลัก อยู่ 3 ประการ
- แผ่นเหล็กเป็นแม่แบบของพื้นในการเทคอนกรีตและช่วยรับน้ำหนักของคอนกรีตที่ยังไม่แข็งตัวโดยไม่ต้องค้ำยันแผ่นเหล็ก
- แผ่นเหล็กสามารถรับแรงดึงที่เกิดขึ้นและเป็นการลดแรงดึงในคอนกรีตที่เป็นสาเหตุให้คอนกรีตแตกร้าวได้ง่าย
- รูปร่างหน้าหน้าตาของแผ่นพื้นจะออกแบบเป็นลอนซึ่งสามารถลดปริมาณคอนกรีตได้มากทำให้น้ำหนักของโครงสร้างลดลงและช่วยประหยัดต้นทุนการก่อสร้างได้อีกทาง
ขั้นตอนการติดตั้ง Steel Deck
- วางแผ่น Steel Deck ตามแบบ
- ตัดแต่งให้เข้ารูปบริเวณส่วนโค้ง มุมและเสา
- กรณีมีช่องเปิด ( Opening ) ให้ตัดแผ่นตามรายละเอียดของช่องเปิดและต้องเสริมกำลังบริเวณช่องเปิดต้องทำการเสริมก่อนที่จะติดตั้ง
- ปิด End Crosure
- ติดตั้ง Edge Form ( Pour Stop ) รอบบริเวณที่จะเทคอนกรีต
- ติดตั้ง Shear Stud
- วาง Wire Mesh หรือเหล็กเสริมตามแบบ
- กรณีต้องค้ำยัน ต้องค้ำยันก่อนเทคอนกรีต
- เทคอนกรีตตามความหนาที่ระบุ
|
