ทำความเข้าใจสมรรถนะของคานรูปตัวเอชในการรับแรงในงานก่อสร้างที่มีภาระหนัก

ในโครงการก่อสร้างขนาดใหญ่ที่มีความต้องการสูง ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่หออาคารเชิงพาณิชย์แบบสูงหลายชั้น โรงงานอุตสาหกรรมที่มีช่วงระยะยาว โครงสร้างสะพาน ไปจนถึงโครงสร้างรองรับของแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่ง วิศวกรโครงสร้างมักกำหนดให้ใช้คานรูปตัว H (H beam) เป็นองค์ประกอบหลักที่รับน้ำหนัก คานรูปตัว H ซึ่งยังเรียกกันอีกอย่างว่า คานหน้ากว้าง (wide flange beam) หรือคานรูปตัว H (H-section) ได้ชื่อนี้มาจากรูปร่างหน้าตัดที่มีลักษณะคล้ายตัวอักษร H รูปทรงดังกล่าวไม่ได้มีเพียงคุณสมบัติด้านความสวยงามเท่านั้น: พื้นผิวของแผ่นหน้า (flange) ที่ขนานกันและส่วนเว็บ (web) ที่เชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดหน้าตัดที่สามารถกระจายแรงดัด (bending stress) ได้อย่างมีประสิทธิภาพทั้งในแนวแกนหลักและแกนรอง เมื่อเปรียบเทียบกับคานรูปตัว I แบบดั้งเดิม คานรูปตัว H มักมีแผ่นหน้าที่กว้างกว่าเมื่อเทียบกับความลึกของเว็บ ส่งผลให้โมเมนต์ความเฉื่อย (moment of inertia) และรัศมีการหมุน (radius of gyration) รอบแกนอ่อน (weak axis) เพิ่มขึ้น สำหรับการใช้งานในงานก่อสร้างขนาดใหญ่ที่มีความต้องการสูง ซึ่งเสาต้องต้านทานการโก่งตัว (buckling) ภายใต้แรงอัดตามแนวแกน และคานต้องรับโมเมนต์ดัดที่มีค่าสูงจากน้ำหนักของชั้นอาคาร แรงลม และแรงแผ่นดินไหว ข้อได้เปรียบเชิงเรขาคณิตเหล่านี้จึงส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพในการใช้วัสดุและความปลอดภัยของโครงสร้าง การเลือกขนาดและเกรดของคานรูปตัว H ที่เหมาะสม จำเป็นต้องให้วิศวกรผู้ออกแบบพิจารณาความต้องการด้านความต้านทานแรงดึง (yield strength) (โดยทั่วไปคือ 235 MPa, 345 MPa หรือ 420 MPa ขึ้นอยู่กับเกรดของเหล็ก) อัตราส่วนความบาง (slenderness ratios) สำหรับองค์ประกอบที่รับแรงอัด และรายละเอียดของการต่อเชื่อมบริเวณรอยต่อระหว่างคานกับเสารวมทั้งหมด

เกรดวัสดุและคุณสมบัติเชิงกลสำหรับการใช้งานที่รับน้ำหนักมาก

การเลือกเกรดเหล็กสำหรับคานรูปตัวเอช (H beam) ในการก่อสร้างแบบหนักจะขึ้นอยู่กับทั้งภาระการออกแบบและสภาวะแวดล้อมที่โครงสร้างจะถูกสัมผัส สำหรับโครงสร้างอาคารทั่วไปในเขตภูมิอากาศปานกลาง คานรูปตัวเอชเกรด Q235B ซึ่งมีความต้านแรงดึงเริ่มต้นต่ำสุด 235 เมกะพาสคาล และความต้านแรงดึงระหว่าง 370 ถึง 500 เมกะพาสคาล จะให้ความสามารถเพียงพอในราคาต้นทุนวัสดุที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม เมื่อการออกแบบต้องการอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงขึ้น เช่น สำหรับเสาแกนกลางของอาคารสูงหรือโครงหลังคาแบบช่วงยาวเกิน 30 เมตร คานรูปตัวเอชเกรด Q345B หรือ Q345D ซึ่งมีความต้านแรงดึงเริ่มต้นต่ำสุด 345 เมกะพาสคาล จะช่วยให้วิศวกรสามารถลดขนาดหน้าตัดได้โดยยังคงรักษาความสามารถในการรับภาระไว้ ซึ่งยังส่งผลให้น้ำหนักตัวเองของโครงสร้างและภาระที่กระทำต่อฐานรากลดลงด้วย สำหรับโครงการในพื้นที่หนาวเย็นที่ความเหนียวต่ออุณหภูมิต่ำเป็นสิ่งสำคัญ เกรด Q345D จะรับประกันพลังงานกระแทกแบบช่อง V ของชาร์ปี (Charpy V-notch impact energy) ที่ 34 จูล ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส ซึ่งให้ความต้านทานต่อการแตกหักแบบเปราะ (brittle fracture) ที่เกรดเหล็กที่ต่ำกว่าไม่สามารถให้ได้ สำหรับโครงการระดับนานาชาติอาจอ้างอิงมาตรฐาน ASTM A992 ซึ่งเป็นข้อกำหนดหลักสำหรับคานรูปตัวเอชแบบแผ่นกว้าง (wide flange beams) ในการก่อสร้างในทวีปอเมริกาเหนือ โดยข้อกำหนดนี้ระบุให้มีความต้านแรงดึงเริ่มต้นระหว่าง 345 ถึง 450 เมกะพาสคาล และอัตราส่วนความต้านแรงดึงเริ่มต้นต่อความต้านแรงดึงสูงสุด (yield-to-tensile ratio) สูงสุดไม่เกิน 0.85 เพื่อให้มั่นใจว่าโครงสร้างจะแสดงพฤติกรรมแบบเหนียว (ductile behavior) ก่อนเกิดการล้มเหลว การเข้าใจคุณสมบัติเฉพาะของแต่ละเกรดดังกล่าวจะช่วยให้ทีมจัดซื้อและวิศวกรโครงสร้างสามารถเลือกข้อกำหนดของคานรูปตัวเอชที่สอดคล้องกับทั้งผลการคำนวณโครงสร้างและข้อกำหนดของกฎหมายควบคุมการก่อสร้างในท้องถิ่น

การเปรียบเทียบกับชิ้นส่วนรูปตัวไอและชิ้นส่วนรูปกล่องสำหรับเส้นทางการรับโหลดในการก่อสร้าง

การเลือกระหว่างคานรูปตัวเอช (H beam), คานรูปตัวไอมาตรฐาน (standard I-beam) และส่วนโครงสร้างกลวง (hollow structural sections) ในการก่อสร้างแบบหนักนั้นขึ้นอยู่กับเส้นทางรับแรงเฉพาะที่แต่ละชิ้นส่วนต้องรับไว้ คานรูปตัวเอชมีลักษณะปีกสมมาตรพร้อมพื้นผิวด้านในและด้านนอกขนานกัน ซึ่งทำให้การต่อเชื่อมด้วยสลักเกลียวหรือการเชื่อมมีความง่ายกว่าเมื่อเทียบกับคานรูปตัวไอมาตรฐานที่มีพื้นผิวด้านในของปีกเว้าเข้า (ซึ่งยังรู้จักกันในชื่อ S-shapes ตามมาตรฐาน ASTM A6) สำหรับการใช้งานเป็นเสา คานรูปตัวเอชแบบหน้ากว้าง (wide flange H beam) ที่มีความกว้างของปีกกับความลึกใกล้เคียงกันจะให้ความสามารถในการต้านการโก่งตัวแบบไม่คงที่ (buckling resistance) ที่สมดุลมากขึ้นรอบแกนหลักทั้งสองแกน ในขณะที่เสาที่ทำจากคานรูปตัวไอแบบแคบจะมีความแข็งแรงน้อยลงอย่างมากบริเวณแกนรอง (minor axis) และอาจจำเป็นต้องเสริมโครงสร้างเพิ่มเติม สำหรับการใช้งานเป็นคานที่วางพาดระหว่างเสา คานรูปตัวเอชที่มีปีกกว้างจะให้ความสามารถในการต้านการโก่งตัวแบบบิด-ดัดข้าง (lateral-torsional buckling resistance) ที่สูงขึ้น ซึ่งมักกลายเป็นภาวะจำกัดหลัก (controlling limit state) สำหรับช่วงความยาวที่ไม่มีการเสริมโครงสร้าง (unbraced lengths) ภายในอาคารโครงสร้างเหล็ก ส่วนการใช้งานที่มีแรงบิดเข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น คานรางวิ่งเครนในโรงงานอุตสาหกรรม อาจใช้ส่วนโครงสร้างแบบกล่อง (box sections) หรือส่วนโครงสร้างประกอบ (built-up sections) แทนคานรูปตัวเอชเดี่ยวได้ดีกว่า แต่ต้นทุนการผลิตส่วนโครงสร้างแบบกล่องนั้นมีค่าสูงกว่ามาก การเลือกใช้สุดท้ายนี้จึงเป็นการหาจุดสมดุลระหว่างประสิทธิภาพเชิงโครงสร้าง ความเรียบง่ายของการต่อเชื่อม และความคุ้มค่าในการผลิต โดยคานรูปตัวเอชมักถูกเลือกเป็นค่าเริ่มต้นสำหรับชิ้นส่วนคานและเสาส่วนใหญ่ในการก่อสร้างแบบหนักภายในโครงสร้างเหล็กเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม

การผลิต การเชื่อม และวิธีการต่อเชื่อมในงานก่อสร้างหนัก

คานรูปตัวเอช (H beam) สำหรับงานก่อสร้างที่มีภาระหนักนั้นต้องใช้วิธีการผลิตและติดตั้งเฉพาะที่แตกต่างจากงานก่อสร้างเชิงพาณิชย์ทั่วไป รอยเชื่อมแบบบัตต์ (butt welds) ที่เจาะลึกเต็มความหนาบริเวณข้อต่อของเสาก่อสร้างอาคารสูง จำเป็นต้องมีขั้นตอนและข้อกำหนดในการเชื่อมที่ผ่านการรับรอง และต้องตรวจสอบคุณภาพรอยเชื่อมด้วยวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลาย—โดยทั่วไปคือการทดสอบด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์—เพื่อยืนยันความสมบูรณ์ของรอยเชื่อมก่อนดำเนินการติดตั้งชั้นเสาถัดไป พื้นผิวของแผ่นปีก (flange) ที่ขนานกันของคานรูปตัวเอช ทำให้สามารถต่อเชื่อมโดยตรงด้วยสลักเกลียวความแข็งแรงสูงที่สอดคล้องตามมาตรฐาน GB/T 1228 หรือ ASTM A325/A490 โดยไม่จำเป็นต้องใช้แ Washer แบบลาดเอียง (tapered washers) ซึ่งบางครั้งจำเป็นสำหรับคานรูปตัวไอ (I-beams) มาตรฐานในบริเวณข้อต่อของแผ่นปีก สำหรับโครงสร้างแบบต้านโมเมนต์ (moment-resisting frames) ในเขตที่มีความเสี่ยงจากแผ่นดินไหว การต่อเชื่อมระหว่างคานรูปตัวเอชกับเสาต้องสามารถพัฒนาความสามารถในการรับโมเมนต์พลาสติกสูงสุดของคานได้อย่างเต็มที่ ซึ่งมักจะต้องใช้แผ่นเสริมที่เชื่อมติดกับแผ่นปีก (welded flange plates) แผ่นปลายที่ยื่นยาว (extended end plates) หรือรายละเอียดของโครงยึดที่ติดตั้งด้วยสลักเกลียวในสถานที่ (field-bolted bracket details) ซึ่งได้รับการรับรองล่วงหน้าผ่านการทดสอบแบบวงจร (cyclic testing) การให้ความร้อนล่วงหน้า (preheating) เป็นสิ่งจำเป็นก่อนการเชื่อม เมื่อความหนารวมหรือค่าเทียบเท่าคาร์บอน (carbon equivalent value) เกินเกณฑ์ที่ระบุไว้ในมาตรฐาน AWS D1.1 หรือรหัสการเชื่อมแห่งชาติที่เกี่ยวข้อง ในการติดตั้งโครงสร้างในสภาพอากาศเย็น ต้องพิจารณาอุณหภูมิใช้งานต่ำสุด: เหล็กโครงสร้างที่ระบุเป็นเกรด Q345D สามารถติดตั้งได้ที่อุณหภูมิสูงสุดต่ำสุดถึง -20 องศาเซลเซียส โดยไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนล่วงหน้าสำหรับความหนาไม่เกิน 50 มิลลิเมตร ซึ่งไม่เป็นกรณีเดียวกันกับเหล็กเกรด Q235B

สถานการณ์การก่อสร้าง: โครงสร้างเหล็กสำหรับอาคารสูงโดยใช้คานรูปตัวเอช (H Beam)

พิจารณาการออกแบบโครงสร้างสำหรับอาคารเชิงพาณิชย์สูง 25 ชั้น วิศวกรโครงสร้างระบุให้ใช้คอลัมน์รูปตัว H ที่มีเกรด Q345B โดยขนาดหน้าตัดเปลี่ยนแปลงไปตั้งแต่ HW350x350 ที่ชั้นบนสุด ไปจนถึง HW400x400 ที่ฐานอาคาร ซึ่งเป็นตำแหน่งที่แรงอัดตามแนวแกนจากน้ำหนักสะสมของชั้นต่างๆ มีค่าสูงสุด ส่วนคานชั้น (floor beams) ระบุให้ใช้คานรูปตัว H แบบ HN350x175 ที่มีความยาวช่วง (span) ระหว่างคอลัมน์ 8 เมตร และรับน้ำหนักของพื้นแบบคอมโพสิตที่ประกอบด้วยคอนกรีตและแผ่นเหล็ก (concrete-steel deck) ระหว่างขั้นตอนการประกวดราคา ผู้รับเหมาประเมินผู้จัดจำหน่ายเหล็กโดยพิจารณาจากศักยภาพของโรงหลอมในการผลิตคานรูปตัว H ที่มีหน้าตัดกว้าง ความสอดคล้องกับข้อกำหนดเรื่องความคลาดเคลื่อนตามมาตรฐาน GB/T 11263 และความสามารถของผู้จัดจำหน่ายในการจัดส่งสินค้าเป็นระยะ (phased shipments) ให้สอดคล้องกับลำดับการติดตั้งโครงสร้าง โดยส่วนโครงสร้างของชั้นล่างต้องมาถึงไซต์งานก่อนเสมอ ผู้จัดจำหน่ายที่มีความสัมพันธ์อันมั่นคงกับโรงหลอมเหล็กหลายแห่งในเขตเทียนจินสามารถรวมคานและคอลัมน์ที่มีขนาดหน้าตัดต่างกันไว้ในชุดการจัดส่งที่ประสานกันอย่างเหมาะสม ซึ่งจะช่วยลดจำนวนตู้คอนเทนเนอร์ที่ใช้ขนส่ง และทำให้การจัดการโลจิสติกส์ที่ไซต์งานง่ายขึ้น บริษัท เทียนจิน เหิงรุนหลง อิมปอร์ต แอนด์ เอกซ์ปอร์ต จำกัด (Tianjin Hengrunlong Import and Export Co., Ltd.) ซึ่งมีคานรูปตัว H เป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์หลักของเหล็กคาร์บอน ควบคู่ไปกับม้วนเหล็กรีดร้อน (hot rolled coils) และเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) จัดเป็นตัวอย่างของผู้จัดจำหน่ายเหล็กแบบหลากหลายผลิตภัณฑ์ ที่ผู้รับเหมาก่อสร้างระดับนานาชาติเลือกใช้เพื่อจัดซื้อผลิตภัณฑ์หลายชนิดพร้อมกัน ขณะดำเนินการจัดหาวัสดุจากแนวเศรษฐกิจการผลิตเหล็กและระบบโลจิสติกส์ของภาคเหนือของประเทศจีน

กลยุทธ์การป้องกันการเสื่อมสภาพจากสภาพอากาศและการกัดกร่อน

แม้คานเหล็กโครงสร้างรูปตัวเอช (H beams) ที่สัมผัสกับบรรยากาศภายนอกจะต้องได้รับการป้องกันการกัดกร่อน แต่กลยุทธ์ในการป้องกันนั้นแตกต่างกันไปตามสภาพแวดล้อม สำหรับคาน H ที่ติดตั้งภายในอาคารที่ปิดสนิทและควบคุมอุณหภูมิอย่างเหมาะสม ระบบสีรองพื้นที่ใช้ในโรงงานมาตรฐานซึ่งประกอบด้วยสีรองพื้นอะลคิดหรืออีพอกซีที่มีสังกะสีฟอสเฟต พร้อมด้วยสีทับหน้าที่ทาติดตั้งจริงมักให้ระยะเวลาระหว่างการบำรุงรักษาที่เพียงพอ สำหรับงานก่อสร้างหนักในบริเวณชายฝั่งหรือพื้นที่ที่มีความชื้นสูง—ซึ่งคาน H อาจสัมผัสกับละอองเกลือหรือหยดน้ำควบแน่น—ระบบทาสีสามชั้นที่ประกอบด้วยสีรองพื้นซิลิเกตสังกะสีแบบอนินทรีย์ ชั้นกลางแบบอีพอกซี และสีทับหน้าแบบโพลียูรีเทน จะให้การป้องกันที่ยาวนานยิ่งขึ้น โดยความหนาของฟิล์มสีแห้งรวมโดยทั่วไปจะมากกว่า 250 ไมโครเมตร สำหรับสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่รุนแรงซึ่งมีการสัมผัสสารเคมี วิศวกรอาจกำหนดให้ใช้เหล็กเกรดทนต่อสภาพอากาศ เช่น Q355NH หรือ ASTM A588 ซึ่งสามารถสร้างคราบผิว (patina) ที่หนาแน่นและยึดเกาะแน่น ทำหน้าที่ชะลอการกัดกร่อนเพิ่มเติมโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบสีเคลือบ ปัจจัยที่มีผลต่อการตัดสินใจ ได้แก่ ต้นทุนการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งาน ความสะดวกในการทาสีใหม่ และข้อกำหนดด้านสถาปัตยกรรมที่ต้องการสีผิวเฉพาะเจาะจง สำหรับกรณีที่คานถูกฝังดินหรือจมอยู่ใต้น้ำ ระบบป้องกันแบบคาโทดิก (cathodic protection systems) จะเสริมการทำงานของระบบสีเคลือบเพื่อป้องกันการกัดกร่อนแบบจุด (pitting corrosion) ที่จุดบกพร่องของชั้นสี

คำถามเกี่ยวกับคานรูปตัวเอช (H Beam) สำหรับงานก่อสร้างหนัก

ถาม: ความแตกต่างระหว่างคานรูปตัวเอชซีรีส์ HN, HM และ HW คืออะไร?

ตอบ: ตามมาตรฐาน GB/T 11263 ซีรีส์ HN หมายถึงคานรูปตัวเอชที่มีปีกแคบ (narrow flange) โดยความกว้างของปีกมีค่าประมาณครึ่งหนึ่งของความลึกของหน้าตัด ซึ่งออกแบบมาเพื่อใช้เป็นคานเป็นหลัก โดยการดัดรอบแกนหลักเป็นปัจจัยควบคุมหลัก ซีรีส์ HM หมายถึงคานรูปตัวเอชที่มีปีกขนาดกลาง (medium flange) ซึ่งมีอัตราส่วนความกว้างของปีกต่อความลึกของหน้าตัดอยู่ระหว่างซีรีส์ HN กับ HW และใช้งานได้ทั้งในบทบาทคานและเสา ซีรีส์ HW หมายถึงคานรูปตัวเอชที่มีปีกกว้าง (wide flange) โดยความกว้างของปีกมีค่าใกล้เคียงกับความลึกของหน้าตัด ทำให้มีความต้านทานการโก่งตัว (buckling resistance) ใกล้เคียงกันทั้งสองแกน จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้เป็นเสาในงานก่อสร้างหนัก ตัวเลขระบุรุ่น เช่น HN350x175 แสดงความลึกเชิงนามสมมุติและกว้างของปีกเป็นมิลลิเมตรตามลำดับ

ถาม: สามารถต่อคานรูปตัวเอช (splice) ได้ที่หน้าไซต์งานหรือไม่ และข้อกำหนดสำคัญคืออะไร?

A: ใช่ คานรูปตัว H สามารถเชื่อมต่อ (spliced) ได้ในสถานที่ก่อสร้าง ซึ่งเป็นวิธีปฏิบัติทั่วไปในการก่อสร้างอาคารสูง โดยความยาวที่จำกัดในการขนส่งทำให้ไม่สามารถจัดส่งคอลัมน์แบบชิ้นเดียวที่มีความสูงเต็มตามความต้องการได้ การเชื่อมต่อคอลัมน์มักจะอยู่ที่ระดับประมาณ 1.2 เมตรเหนือระดับพื้นสำเร็จรูป เพื่อความสะดวกในการติดตั้ง รอยต่อต้องสามารถรับแรงได้เต็มความสามารถทั้งในแนวแกน แรงเฉือน และโมเมนต์ของส่วนที่มีขนาดเล็กกว่าที่ถูกเชื่อมต่อด้วย ประเภทของการเชื่อมต่อที่นิยมใช้ ได้แก่ รอยต่อแบบแผ่นยึดฟลานจ์ด้วยสลักเกลียว และรอยต่อแบบเชื่อมแบบบัตต์แบบเจาะลึกทั้งหมด (full-penetration butt-welded splices) พร้อมแท่งรองรับ (backing bars) รอยต่อที่เชื่อมในสนามทั้งหมดต้องผ่านการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกหลังการเชื่อมเสร็จสิ้น ส่วนรอยต่อที่ยึดด้วยสลักเกลียวต้องมีการตรวจสอบแรงตึงของสลักเกลียวความแข็งแรงสูงโดยใช้ประแจทอร์ควัดค่าที่สอบเทียบแล้ว หรือตัวบ่งชี้แรงตึงโดยตรง

Q: ทำไมราคาคานรูปตัว H จึงผันผวน และฉันควรวางแผนเวลาการจัดซื้ออย่างไร

A: ราคาของเหล็กชิ้นส่วนรูปตัว H ขึ้นอยู่กับต้นทุนวัตถุดิบหลัก ได้แก่ แผ่นเหล็กกล้ารีดร้อน (hot rolled coil) และแท่งเหล็กกึ่งสำเร็จรูป (billet) ซึ่งในทางกลับกันขึ้นอยู่กับราคาสินค้าโภคภัณฑ์อย่างแร่เหล็กและถ่านหินโค้ก ปัจจัยระดับภูมิภาค เช่น การหยุดการผลิตเพื่อซ่อมบำรุงโรงหลอม การจำกัดการผลิตเพื่อควบคุมมลพิษในช่วงฤดูให้ความร้อนในฤดูหนาวของภาคเหนือของประเทศจีน และความผันแปรตามฤดูกาลของการก่อสร้าง ก็ส่งผลต่อราคาเช่นกัน สำหรับการจัดทำงบประมาณโครงการ โครงสร้างเหล็กมักคิดเป็นสัดส่วน 8% ถึง 15% ของต้นทุนรวมในการก่อสร้างอาคาร ดังนั้น ควรพิจารณาเวลาการจัดซื้อให้เหมาะสม โดยเลือกซื้อในช่วงที่โรงหลอมมีกำลังการผลิตต่ำ (โดยทั่วไปคือไตรมาสที่สอง ก่อนความต้องการก่อสร้างในช่วงฤดูร้อนจะสูงสุด) และเจรจาทำสัญญาซื้อขายแบบราคาคงที่สำหรับการส่งมอบแบบแบ่งระยะในระยะเวลา 6 ถึง 12 เดือน เพื่อให้มั่นใจในความแน่นอนของงบประมาณ