บทที่1 ความร ู ื้ เบองตองต...

เรยบเรยงโดย อ.เสรมพนธ เอยมจะบก(B.Eng.)...โปรแกรมวชาเทคโนฯกอสราง มหาวทยาลยราชภฎอดรธาน

ความรเบองตนกอนการออกแบบ...หนาท1

บทท บทท 1 1 ความรเบองตนกอนการออกแบบความรเบองตนกอนการออกแบบ

ในบทนจะเปนการกลาวถงความรพนฐานโดยรวมทวๆไป ทจะเกยวของหรอจาเปนตองทราบกอนเปนเบองตน กอนทจะเขาสเนอหาของการคานวณ-ออกแบบโครงสราง เรมตงแตคตประจาใจของผทจะทาการคานวณ-ออกแบบโครงสราง เหตผลในการเลอกใชเหลกรปพรรณในงานโครงสราง มาตรฐานและทฤษฎทใชสาหรบการออกแบบ วธหรออนดบในการวเคราะหหาแรงในโครงสราง ระบบหนวยวดทใช รวมถงระบบซอฟทแวรตางๆทจะนามาชวยอานวยความสะดวก ทงในแงของการชวยแกปญหาและชวยลดระยะเวลาในการทางาน 1.1.ความรทวไป

1.1.1.หลกประจาใจในการออกแบบระบบงานโครงสราง 1.ความมนคง 2.ความแขงแรง 3.ประโยชนใชสอยสงสด 3.ความสวยงามตามสมยนยม 4.ประหยดงบประมาณ

1.1.2.เหตผลในการเลอกใชเหลกรปพรรณ ขอเดน 1.สามารถควบคมคณภาพไดงายและแนนอนกวา 2.มความเหนยว 3.สดสวนของกาลงรบแรงตอนาหนกตวเองสง

4.นาหนกของโครงสรางเบา 5.ลดระยะเวลากอสราง 6.สามารถนากลบมาใชประโยชนไดอกครงหากมการรอ-ถอน-ทาลาย ขอดอย 1.เปนสนมไดโดยงาย 2.สญเสยกาลงเมอถกเผาดวยความรอน 3.ตองมการบารงรกษาอยตลอดเวลา



หมายเหต : ประเทศทนยมใชเหลกรปพรรณในงานกอสราง เชน ญปน แถบทวปอเมรกาเหนอและยโรป

1.1.3.ชนสวนโครงสรางเหลกรปพรรณ มชอเรยกทแตกตางกนออกไป ตามลกษณะรปรางและการจดวางเพอตานทาน

และรบนาหนกทมากระทา ดงแสดงในรปท 1.1 1.คาน(Beams and girders) หมายถง โครงสรางทรบนาหนกผานดานขางของตว

คานเอง ในรปของโมเมนตดด และ แรงเฉอน เชน จนทน อกไก ตะเฆสน-ตะเฆราง ขอ อะเส รวมถงบงใบหรอปนลม คานแมบนได ลกขนบนได ตง ลฯ

2.ชนสวนรบแรงดง(Ties) หมายถง โครงสรางทรบนาหนกผานแนวแกนหรอจด c.g. ในรปของแรงดง เชน สลงยดเสาอากาศรบ-สงสญญาณ คายนหรอชนสวนตางๆในระบบโครงสรางเหลกทงหมดทวเคราะหออกมาแลวมเฉพาะแรงดงเกดขน ลฯ

3.ชนสวนรบแรงอด(Struts , column or stanchions) หมายถง โครงสรางทรบนาหนกผานแนวแกนหรอจด c.g. ในรปของแรงอด เชน ดง เสาตางๆ คายนตางๆหรอชนสวนตางๆในระบบโครงสรางเหลกทงหมดทวเคราะหออกมาแลวมเฉพาะแรงอดเกดขน ลฯ

4.ชนสวนคายน(Bracing) หมายถง ชนสวนทวางตวอยในแนวเอยงซงอาจจะเปนโครงสรางรบแรงอดหรอแรงดงกได เพอทาหนาทตานทานแรงลมและชวยเพมเสถยรภาพของโครงสราง ซงการวางตวดงกลาวอาจวางในระนาบของโครงหลงคา-โครงถก หรอ ระนาบของเสา

5.แป(Purlins) หมายถง โครงสรางประเภทคานสาหรบนาหนกวสดมงหลงคา 6.โครงถก(Truss and lattice girders) หมายถง โครงสรางทประกอบกนขนเปน

โครงดวยทงชนสวนรบแรงอดและชนสวนรบแรงดง ซงจะรบนาหนกโดยผานดานขางในแนวตงของตวโครงถกเอง ซงเรานาโครงถกมาใชทงในสวนของการเปนตวโครงสรางหลกเพอรบนาหนก หรอใชในสวนของการคายน-ยดโยงโครงสรางเขาดวยกนเพอใหเกดความแขงแรง และมเสถยรภาพทมนคงยงๆขน

แป

คายน

โครงถก

อกไก



โครงถก

คายน

เสา

คาน

ชนสวนรบแรงดง-อด

วสดมงตางๆ

รปท 1.1 แสดงชนสวนตางๆทประกอบกนขนเปนโครงสรางเหลก 1.1.4.มาตรฐาน และ ทฤษฎ ทใชในการออกแบบโครงสรางเหลกในประเทศไทย

1.1.4.1.มาตรฐานดานการออกแบบ การออกแบบงานโครงสรางเหลกในประเทศไทยนน มาตรฐานตางๆจะ

ยดเอาตามขอกาหนดของ วศวกรรมสถานแหงประเทศไทย(ว.ส.ท. หรอ E.I.T.)เปนหลก ซงขอกาหนดตางๆทสมาคมวศวกรรมสถานแหงประเทศไทยไดจดทาขน สวนใหญอางองมาจากมาตรฐานของอเมรกาคอ AISC.(American Institute of Steel Construction) และบางสวนมาจากมาตรฐานของญปน

1.1.4.2.ทฤษฎทใชในการคานวณ-ออกแบบโครงสรางเหลก 1.ในประเทศไทย : ว.ส.ท.(2544)

ยงคงใชทฤษฎ “หนวยแรงทยอมให(Allowable Stress Design(ASD.) หรอหรอเรยกกนอกในชอ Working Stress Design(WSD.))” อกนานกอนทจะมการเปลยนมาใชใชทฤษฎ “(Load & Resistance Factor Design(LRFD.))”

2.ในประเทศสหรฐอเมรกา(2544)



ในทางปฏบตวศวกรสามารถทจะเลอกใชไดทง 3 ทฤษฎ คอ 1.ทฤษฎ“หนวยแรงทยอมให(Allowable Stress Design(ASD.))” 2.ทฤษฎ“พลาสตก(Plastic Design(PD.))” 3.ทฤษฎ “(Load & Resistance Factor Design(LRFD.))”

แตในการเรยนการสอนในระดบอดมศกษานนสอนโดยใช ทฤษฎ “(Load & Resistance Factor Design(LRFD.))” 1.1.5.วธในการวเคราะหหาแรงทเกดขนในโครงสรางเพอนาไปใชในการออกแบบ

วธในการวเคราะหหาแรงตางๆในโครงสราง ทเกดขนเพอตอบสนองตอระบบของแรง

ภายนอกทมากระทานน(Reaction , Shear , Axial , Moment) มอยดวยกน 2 วธหรอ 2 อนดบคอ วธท 1. การวเคราะหอนดบทหนง(First Order Analysis) : เปนการวเคราะหหาแรงใน

โครงสรางทตอบสนองตอระบบแรงภายนอกในระดบเรมแรกหรอในระดบเบองตนททากนทวๆไป ซงทฤษฎการวเคราะหดงกลาวตงอยบนสมมตฐานทวา “รปรางสวนตางๆของโครงสรางจะไมมการเปลยนแปลงใดๆ ภายใตระบบของแรงภายนอกทมากระทา ไมวาทงกอนและภายหลงทระบบแรงภายนอกกระทา” ซงแรงตางๆทวเคราะหหาไดในขนน ทฤษฎการออกแบบโครงสรางทง ASD. และ LRFD. ยอมใหนามาใชออกแบบได

วธท 2. การวเคราะหอนดบทสอง(Secondary Order Analysis หรอ P-Δ) : เปนการวเคราะหหาแรงในโครงสรางทตอบสนองตอระบบแรงภายนอก โดยรวมถงแรงในโครงสรางทจะเกดขนหรออาจเกดขนเมอระบบโครงสรางเกดการเปลยแปลงรปราง ไมวาจะดวยสาเหตใดกแลวแตเชน การยดหดตวของโครงสรางเนองจากการเปลยนแปลงของอณหภม การลาของโครงสราง การแอนตว(ทงเชงเสน และ เชงมม) การทรดตวทไมเทากนของระบบฐานราก ความไมสมดลยหรอขาดเสถยรภาพของโครงสรางขณะกอสราง หรอความไมมประสทธภาพของการทางาน(เชน ความผดพลาดในการตรวจสอบระยะตางๆ ซงอาจกอใหเกดการหนศนยหรอเยองศนยได) ลฯ

1.1.6.มาตรฐานเหลกรปพรรณในงานกอสราง ซงกคอเกรดหรอชนคณภาพของเหลกรปพรรณ โดยในแตละประเทศกจะม

มาตรฐานในการแบงชนคณภาพเพอการออกแบบทแตกตางกนออกไป เชน(หมายเหต 1 MPa = 10.19716 Kg./cm.2)

1.ASTM.(American Society for Testing and Materials)



ทนยมใชมากในงานออกแบบและกอสรางมอย 2 เกรด คอ

• A-36(Carbon Steel : Fy = 250 MPa)

• A-572(High-Strength Low-Alloy Steel : Fy = 345 MPa) 2.JIS.(Japanese Industrial Standards)

ทนยมใชมากในงานออกแบบและกอสรางมอย 2 เกรด คอ เกรด SS ใชสาหรบโครงสรางรองหรอโครงสรางชวคราว และเกรด SM ใชสาหรบโครงสรางหลกทวๆไป

• SS-400(Fy : 245 MPa)

• SM-400(Fy : 245 MPa)

• SM-570(Fy : 460 MPa) 3.TIS.(Thai Industrial Standards : มาตรฐานผลตภณฑอตสาหกรรมแหงประเทศไทย , มอก.) ไดทาการจดหมวดของผลตภณฑเหลกโครงออกเปน 3 กลมคอ 1.เหลกเสนแบนและเหลกเสนสเหลยมจตรสตน(มอก. 55) -มหนวยแรงดงทจดคลากตาสด(Fy) = 2,400 ksc. -มหนวยแรงดงทจดคลากสงสด(Fy) = 3,900 ksc. 2.เหลกกลวงทใชสาหรบงานกอสราง(มอก. 107) : ม 2 ชนคณภาพคอ

-HS41 : Fy = 2,400 ksc. ; Fu = 4,100 ksc. ; δ = 23%

-HS50 : Fy = 3,200 ksc. ; Fu = 5,000 ksc. ; δ = 23% ประกอบดวยเหลกหนาตดรปกลมกลวง , สเหลยมจตรสกลวง , สเหลยมผนผากลวง 3.เหลกรปพรรณ(มอก. 116) : ม 2 ชนคณภาพคอ

-Fe24 : Fy = 2,400 ksc. ; Fu = 4,100 ksc. ; δ = 23%

-Fe30 : Fy = 3,000 ksc. ; Fu = 5,000 ksc. ; δ = 23% ประกอบดวยเหลกหนาตดรปเหลกฉาก , รปตวซ , รปรางนา , รปตวไอ , รปตวเอช มาตรฐานของเราในปจจบน(2544)ในการแบงเกรดกคลายๆกบมาตรฐานของ JIS. ทนยมใชมากในงานออกแบบและกอสรางประกอบดวย

• SS-400(Fy : 245 MPa)

• SM-400(Fy : 245 MPa)

• SM-570(Fy : 460 MPa) 4.ISO.(International Standard Organization) ทนยมใชมากในงานออกแบบและกอสรางมอย 3 เกรด คอ

• Fe-360(Fy : 235 MPa)



• Fe-450(Fy : 275 MPa)

• Fe-510(Fy : 350 MPa) 5.BS.(British Standard) ทนยมใชในงานออกแบบและกอสรางในประเทศกลมสหราชอาณาจกร(ประเทศองกฤษและประเทศในเครอจกรภพ) หลกๆแลวมอย 4 เกรด(grades 40 , 43 , 50 , 55) แตทมกนยมใชกนจรงๆมอย 2 เกรด คอ

• Grades 43(Fy : 275 MPa)

• Grades 50(Fy : 355 MPa)

รปท 1.2 แสดงโครงสรางหลกของอาคารทเปนโครงสรางเหลก



รปรางหนาตดของเหลกรปพรรณโดยทวไปเปนดงน

Universal beam Universal column

รปท 1.3 แสดงหนาตดเหลกรปรางตางๆ(มาตรฐาน AISC.)



รปท 1.3(ตอ) แสดงหนาตดเหลกรปรางตางๆ(มาตรฐาน AISC.)



หมายเหต : ตามมาตรฐานของ AISC. แบงหนาตดเหลกไวดงน W Shape = Wide Flange Shapes , M Shape = Miscellaneous Shapes , S Shape = I = American Standard , HP Shape = H-Piles , C Shape = American Standard Channels , MC Shape = Miscellaneous Channel , WT Shape = Wide Flange Tees , MT Shape = Miscellaneous Tees , ST Shape = American Standard Tees , TS Shape = Tube Steel , P Shape = Pipe , PX Shape = Extra Strong Pipe , PXX Shape= Double-Extra Strong Pipe , L Shape = Angles , 2L Shape = Double Angles…(W Shape = M Shape) ดรปท 1.4 ประกอบ(สวนหนาตดเหลกตามมาตรฐานอนๆ ใหดรปท 1.5 ประกอบ) W,M Shape I,S Shape HP Shape

WT,MT Shape ST Shape C,CM Shape

L Shape P,PX,PXX Shape ST Shape รปท 1.4 แสดงหนาตดเหลกรปรางตางๆ(มาตรฐาน AISC.)



TFB, UB, WB UC, WC, UBP RHS SHS CHS

TFC, PFC TEE EA UA DAL

DAS STA QAN ROD BAR

CTT CBB CA (DuraGal) CC (DuraGal) UI

BOX

รปท 1.5 แสดงหนาตดเหลกตามมาตรฐานของประเทศตางๆ หมายเหต :

1.Australian(BHP) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย UB,UC,PFC,EA,UA,Welded UB&UC and RHS 2.European(DIN) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย INP&IPE,HEA&HEB,UNP&UPE,LE&LU, &RHS 3.British Standard(BS) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย UB,UC,PFC,EA,UA,CHS&RHS 4.Canadian(CISC) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย W,WWF,S,M,HP,C,MC,L&HSS 5.South African(RSA) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย I,H,Channels,Angles,&RHS 6.Japanese(JIS) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย I,H,Channels,Angles,&RHS 7.Indian(IS) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย Beam,Channel,Angles,&RHS 8.US(AISC/ASTM) : หนาตดเหลกรดรอนประกอบดวย W&WT,S,M,HP,C,MC,L&RHS



1.1.7.ระบบหนวยวด ในดานการวเคราะหและคานวณ-ออกแบบนน สงทจาเปนและสาคญเอามากๆก

คอ “ระบบหนวยวด” เทาทผานมาระบบการเรยนการสอนในประเทศไทย ยงขาดความตอเนองในการใหความสาคญตอระบบหนวยวด โดยเฉพาะอยางยงการเรยนการสอนในแขนงดานวชาชางตางๆ

ระบบหนวยวดดงกลาวมอยดวยกนมากมาย ซงในแตละประเทศอาจมการสรางระบบหนวยวดขนมาใชเปนของตนเอง แตในทนจะกลาวถงเฉพาะระบบหนวยวด ทเปนสากลและนยมใชกนอยางแพรหลายทวโลกดงนคอ

1.ระบบองกฤษ 2.ระบบเมตรก 3.ระบบนาๆชาต SI. ตารางท 1.1 แสดงหนวยวดตามระบบหนวยวดมาตรฐาน 3 ระบบหลก

คณสมบตพนฐาน ระบบองกฤษ ระบบเมตรก ระบบนาๆชาต ; SI. 1.ความยาว นว(in.) ,

ฟต(ft.) , หลา มม.(mm.) ,

ซม.(cm.) , ม.(m.) มม.(mm.) ,

ซม.(cm.) , ม.(m.) 2.พนท

ตร.นว(in.2 ) , ตร.ฟต(ft.2 ) ,

ตร.หลา

ตร.มม.(mm.2 ) , ตร.ซม.(cm.2 ) , ตร.ม.(m.2 )

ตร.มม.(mm.2 ) , ตร.ซม.(cm.2 ) , ตร.ม.(m.2 )

3.แรง ปอนด(lb.) , กโลปอนด(kip.)

กก.(kg.f ) , ตน(T.) นวตน(N.) , กโลนวตน(KN.)

4.หนวยแรง ปอนด/ตร.นว(lb./in.2 ) กก./ตร.ซม.(ksc.) นวตน/ตร.ม.(Pa) , MPa

5.เวลา วนาท(sec.) วนาท(sec.) วนาท(sec.) หมายเหต : 1 Pa = 1 N./m.2 1 lb./in.2 = 6.894 KN./m.2

1 lb./in.2 = 0.07030696 Kg./cm.2

1 MPa = 10.19716 Kg./cm.2

1 KN. = 101.9716 kg.f

สาหรบในประเทศไทยแลวเทาทเหนไดมการใชทง 3 ระบบดงกลาว ทงนขนอยกบสาขาวชาชพ ขนอยกบแตละหนวยงาน ขนอยกบความชานาญและความถนดของแตละบคคล



แตทนาแปลกคอขนอยกบรนของคนดวย กลาวคอคนรนกอนๆ(ทศกษาจบรนแรกๆ)จะใชระบบหนง ในขณะทคนรนหลงๆกลบมาใชในอกระบบหนง อกสวนหนงทจะมองขามไมไดเลยกคอ ประเทศทแตละบคคลไดไปสาเรจการศกษากลบมา

แตในทนระบบหนวยวดตางๆทจะใชในบทตอๆไป ผเขยนจะเนนลงไปทระบบเมตรกเปนหลก ซงอาจมระบบ SI. และระบบองกฤษปนอยบาง

1.1.8.คอมพวเตอรชวยในงานวเคราะหและออกแบบงานโครงสราง(2546) ในยคปจจบน(2544)ความเจรญกาวหนาทางดานไมโครคอมพวเตอร กาวลาไป

ไกลมากประกอบกบราคาดาน Hardware กลบถกลงหาซอไดงายและพกพาไดสะดวก เชน Notebook ทงนกเนองมาจากการแขงขนกนทางเชงธรกจมสง และในขณะเดยวกนความรและความตองการใชงานดานไมโครคอมพวเตอรกมความจาเปนมาก หากอตสาหกรรมดานงานกอสรางมการแขงขนกนสง หรอแมแตเพอเปนการชวยเพมความนาเชอถอใหกบบรษทใหญๆ ทเกยวของกบงานดานนกตาม สวน Software ดานการวเคราะหและออกแบบนนกมกนมากมายไมนอยหนา มทงประเภททแจกจายใหใชฟรๆ ประเภท Shareware และ Demo ซงเราสามารถหามาใชไดโดยงายทงจากสถาบนทกาลงศกษาอย จากเครอขาย Internet โดยเฉพาะท Website http://www.riudon.ac.th/SERMPUN/ และ จากบคคลทคนเคยกนด ตว Softwaer ทเราคอนขางทจะรจกกน เชน MicroFeap รวมถงโปรแกรมเสรมอนๆทพฒนามาจาก AIT. , Dtruss ของ ศจ.ดร.ทกษณ เทพชาตร , Steel v.1 ของ อ.สมศกด คาปลว ลฯ ซง Software เหลานเขยนโดยคนไทย ถนนราคากไมแพงเมอเทยบกบการนาไปใช สวน Software ตางประเทศทมชอเสยงและเปนทรจกกนเชน STAAD , SAP , Prokon , Robot , Versual Steel Design , Multiframe , XATEEL , ETAB , S-Frame , idCAD Structural , RISA3D , RAM , SpaceGase , STRAP , Microstran ,ลฯ ซง Software เหลานถนนราคาคอนขางแพงจะมใชกแตในบรษทใหญๆ หรอหนวยงานบางหนวยงานของรฐรวมไปถงมหาวทยาลยบางแหงเสยเปนสวนมาก ลฯ

ปจจบนม Software บางตวทเราสามารถนามาใชในการเขยนโปรแกรมการออกแบบไดเองโดยงาย ประกอบกบงานดานวศวกรรมมกนยมใชงานในรปแบบของตารางคานวณกนมาก(Spread Sheet) เชน MSExcel ดงนนหากใครเคยใชหรอใชโปรแกรมเหลานได กสามารถทจะนามาเขยนเปนโปรแกรมออกแบบโครงสรางเหลกรปพรรณในรปของตารางคานวณอยางงายได เชน NEO-TS4.10 ทผเขยนไดทาการพฒนาขนโดยใช MSExcel + vb.

บทที่1 ความร ู ื้ เบองตองต...

Documents