บทที ่1 บทน า

1.1. บทน าและที่มาของปัญหา คานเป็นโครงสร้างส าคัญของอาคาร ส่วนใหญ่คานจะท าหน้าที่ในการรับแรงดัดเป็นหลัก จากการที่มีแรงดังกล่าวมากระท ากับตัวคาน ถ้ามีมากเกินคานจะแบกทานไว้ได้หรือรับแรงถึงจุดหนึ่งจะท าให้คานเกิดการวิบัติขึ้น แต่ในลักษณะของคานเหล็กขึ้นรูปเย็นจะมีลักษณะการวิบัติของคานประเภทต่างๆ เช่น คานคอนกรีตเสริมเหล็ก และคานเหล็กรูปพรรณรีดร้อน คานเหล็กขึ้นรูปเย็น จะแตกต่างกัน เป็นต้น

คานเหล็กขึ้นรูปเย็น จะมีลักษณะเบาและบางกว่าเหล็กรีดร้อนเพราะมีกรรมวิธีการผลิตต่อเน่ืองมาจากเหล็กรีดร้อน โดยการรีดเนื้อเหล็กอีกรอบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเหล็ก ปัจจุบันเหล็กขึ้นรูปเย็นเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมในงานโครงสร้าง มีความส าคัญไม่ต่างกับวัสดุวิศวกรรมอ่ืนๆ จากการศึกษาพฤติกรรมของคานเหล็กขึ้นรูปเย็นพบว่าคานเหล็กขึ้นรูปเย็นจะเกิดการโก่งเดาะได้ง่ายโดยขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความกว้างต่อความหนาของแผ่นเหล็ก ลักษณะการโก่งเดาะของคานเหล็กขึ้นรูปเย็นจะเกิดแบบเฉพาะแห่ง (Local buckling), การโก่งเดาะแบบเสียรูป (Distortional buckling) และการโก่งเดาะด้านข้างเน่ืองจากการบิด (Lateral–Torsional Buckling)

จากปัญหาดังกล่าวที่เกิดขึ้นกับตัวคานเหล็กขึ้นรูปเย็นท าให้มีแนวคิดที่จะพัฒนาวัสดุชนิดนี้ให้มีความสามารถในการรับแรงเพิ่มขึ้น รวมไปถึงความมีเสถียรภาพของคานเหล็กขึ้นรูปเย็นด้วยการใช้คอนกรีตเสริมเข้าไปเรียกว่าคานเหล็กบรรจุคอนกรีต ซึ่งลักษณะของหน้าตัดเหล็กขึ้นรูปเย็น เป็นหน้าตัดกล่องสี่เหลี่ยม และหน้าตัดรูปตัวซีแบบมีขอบเม้ม ท าการเทคอนกรีตลงในช่องว่างเพื่อใช้เป็นแกนของคานให้คานเหล็กท างานร่วมกับคอนกรีตที่บรรจุเข้าไปในลักษณะคานคอมโพสิต (Composite Beam) คานเหล็กขึ้นรูปเย็นอาจจะท าหน้าที่หลักในการรองรับหน่วยแรงที่เกิดจากแรงกดอัดและโมเมนต์ และอาจรับหน่วยแรงตามแนวขวาง (Transverse stress) ที่เกิดจากแรงเฉือน หรืออาจจะรองรับแรงดันเนื่องจากการขยายตัวของแกนคอนกรีตที่บรรจุในเหล็กขึ้นรูปเย็นภายใต้แรงกด ซึ่งท าให้เกิดการโอบรัด (Confining Effect) ต่อแกนคอนกรีต ในขณะเดียวกันแกนคอนกรีตก็ท าหน้าที่ช่วยคานเหล็กในการรองรับหน่วยแรงในแนวแกนบางส่วนและยังช่วยให้ท่อเหล็กมีความต้านทานต่อการเกิดการโก่งเดาะรูปแบบต่างๆเพิ่มขึ้น ซึ่งผลจากการกระท าของหน้าตัดประกอบ (Composite Action) ข้างต้นท าให้คานประกอบนี้มีข้อดีเหนือกว่าคานคอนกรีตเสริมเหล็กและคาน

2

เหล็กขึ้นรูปเย็นธรรมดา ทั้งในด้านของความแข็งแกร่ง (Stiffness) ก าลัง (Strength) ความเหนียว (Ductility) และการดูดซับพลังงาน (Energy Absorption) และเป็นผลให้คานเหล็กบรรจุคอนกรีตใช้ปริมาณเหล็กลดลงเมื่อเทียบกับคานเหล็กโครงสร้าง รวมไปถึงการลดขนาดความลึกของหน้าตัดเหล็กลง ท าให้สามารถลดลดราคาต้นทุนค่าก่อสร้างได้ จากข้อดีดังกล่าวท าให้คานเหล็กขึ้นรูปเย็นบรรจคุอนกรีตถูกน ามาวิเคราะห์และศึกษาถึงความสามารถของคานชนิดนี้

งานศึกษาวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาพฤติกรรมการก าลังรับแรงดัดและลักษณะการวิบัติของคานคอนกรีตทั้งสองหน้าตัดแบบบรรจุคอนกรีตและไม่บรรจุคอนกรีต เพื่อน าค่าก าลังรับแรงดัดที่ได้จากการทดสอบเทียบกับค่าก าลังรับแรงดัดที่ค านวณได้ตามทฤษฎี และศึกษาความเหมาะสมของทฤษฎีดังกล่าวในการท านายก าลังรับแรงดัดของคาน 1.2 สรุปสาระส าคัญจากเอกสารท่ีเกี่ยวข้อง

Ghersi, et al. (1994) ศึกษาการโก่งเดาะเฉพาะที่และการโก่งเดาะทางด้านข้างเนื่องจากการบิดของคาน ลักษณะคานเป็นคานเหล็กรีดเย็นหน้าตัดตัวซีประกบสองตัวแบบหลังชนหลัง และหน้าตัดของคานเหล็กที่น ามาทดสอบทั้งหมด 5 แบบ มีอัตราส่วนในช่วงของความกว้างต่อความหนาที่แตกต่างกันดังรูป 1.1

รูป 1.1 ลักษณะของหน้าตัดทดสอบ

ของ Ghersi, et al. (1994)

งานวิจัยนี้ใช้ผลจากการทดลองเปรียบเทียบผลจากการวิเคราะห์ ผลการวิเคราะห์น าจากทฤษฎีตามมาตรฐานของ Eurocode 3 และ AISI ส่วนผลการทดสอบมาจากการทดสอบกดคานยาว 3 เมตร รับแรงกระท าแบบจุด 2 จุด ระยะห่างกัน 1 เมตร จากแรงกระท าแต่ละจุด ดังรูป 1.2

3

รูป 1.2 การทดสอบคาน รูป 1.3 ตัวอย่างหลังการทดสอบ

ของ Ghersi, et al. (1994)) ของ Ghersi, et al. (1994)) ผลการทดสอบพบว่า คาน A และคาน B เกิดการโก่งเดาะเฉพาะที่ คาน D และคาน E เกิด

การโก่งเดาะทางด้านข้าง และคาน C เกิดการโก่งเดาะคู่ ดังรูป 1.3 ซึ่งงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า เมื่ออัตราส่วนความกว้างต่อความหนาที่เพิ่มขึ้นท าให้คานเกิดการโก่งเดาะโก่งเดาะทางด้านข้าง การโก่งเดาะคู่ และการโก่งเดาะเฉพาะที่ตามล าดับ ในกรณีของอัตราส่วนความยาวต่อความสูงและอัตราส่วนความสูงต่อความหนาสูงขึ้น จะส่งผลให้เกิดการโก่งเดาะคู่เพิ่มขึ้น ดังนั้นการโก่งเดาะคู่จะไม่เกิดในกรณีที่อัตราส่วนอัตราส่วนความยาวต่อความสูง และอัตราส่วนความสูงต่อความหนามีค่าน้อย ซึ่งเป็นไปตามข้อก าหนดของ Ec3 และ AISI ที่ก าหนดไว ้

Hunaiti, Y.M. (1994) ทดสอบก าลังยึดเหนี่ยวของเหล็กหน้าตัดคอมโพสิตที่มีอายุมากกว่า

1 ปี เพื่อศึกษาผลของคุณสมบัติทางกายภาพที่เปลี่ยนไปของวัสดุ เช่น การหดตัวและคุณสมบัติทางเคมีที่เปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลา โดยวิธีที่ใช้ในการทดสอบคือ ใช้เหล็กตัวซี 2 ตัว ประกบเข้าหากัน แล้วท าการบรรจุคอนกรีตเข้าไป แล้วใช้การกดด้วยเคร่ืองทดสอบ ซึ่งใช้ค่าตัวแปรตามความแตกต่าง คือ วัสดุประกบหน้าตัดตัวซี (ขนาดเหล็กและระยะห่างของเหล็กทั้งสอง 120×55×60 มม., 120×55×120 มม. และ 140×60×70 มม.) และอายุของวัสดุทดสอบ (21 วัน 1 ปี และ 5 ปี) รวมวัสดุทดสอบทั้งหมด 15 ชุดทดสอบ และวัสดุทดสอบทุกชิ้นถูกเก็บไว้ในที่โล่ง ภายใต้อุณหภูมิปกติ อยู่ที่ประมาณ –12๐c ในฤดูหนาว และ +45๐c ในฤดูร้อน โดยท าการทดสอบวัสดุทั้งหมดภายใต้แรง

4

กระท าตามแนวแกน ด้วยเคร่ืองทดสอบ MFL Prufsystem ซึ่งมีความละเอียดของตัวเลข 0.01 มม. ดังรูป 1.4

รูป 1.4 รายละเอียดของวัสดุทดสอบและการเตรียมวัสดุทดสอบ

ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

รูป 1.5 รายละเอียดของวัสดุทดสอบและการเตรียมวัสดุทดสอบ

ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

5

ตาราง 1.1 ผลการทดสอบก าลังยึดเหนี่ยวที่เวลาต่างๆ ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

Group (1)

Average Bond Strength (MPa) Ratio of Bond Strength 21 days*

(2) 1 year*

(3) 5 years

(4) 5 years / 21 days

(5) 5 years / 1 days

(6) I 1.11 0.34 0.86 0.77 2.53 II 0.91 0.25 0.62 0.68 2.48 III 0.57 0.22 0.55 0.96 2.50 *Results from test conducted by Hunaiti, Y.M. (1911).

เมื่อท าการทดสอบด้วยเคร่ือง MFL สามารถแสดงผลได้ดังรูป 1.5 และเมื่อน าผลการ

ทดสอบมาเปรียบเทียบ สามารถสรุปได้ดังตาราง 1.1 ดังนั้นงานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่า ขนาดความแตกต่างที่ก าหนดข้างต้นของเหล็กทดสอบทั้ง 3 แบบ มีผลการทดสอบไปในทางเดียวกัน คือ ก าลังยึดเหน่ียวที่ทดสอบเมื่ออายุ 5 ปี มีค่าลดลงประมาณ 4% ถึง 30% เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุทดสอบที่อายุ 21 วัน และผลการทดสอบยังแสดงให้เห็นว่า การลดลงของก าลังยึดเหนี่ยว ที่อายุ 1 ปี ลดลงมากกว่า ก าลังยึดเหนี่ยวที่เกิดกับวัสดุทดสอบอายุ 5 ปี ส าหรับวัสดุทดสอบชนิดเดียวกัน โดยที่วัสดุอายุ 5 ปี ก าลังยึดเหนี่ยวมากกว่า 1 ½ ถึง 2 เท่า ของวัสดุอายุ 1 ปี ซึ่งงานวิจัยนีพ้บว่ามีสนิมที่เกิดจากเหล็ก และถูกพบที่ผิวภายในของเหล็กระหว่างเหล็กตัวซีทั้งสองกับคอนกรีตมีมากกว่า 20% ของพื้นที่เหล็กภายใน โดยสนิมที่เกิดขึ้นที่ผิวเหล็กมีลักษณะเป็นเกล็ดและพรุน ซึ่งเป็นตัวช่วยเพิ่มความผิดปกติขนาดเล็ก (micro-irregularities) ท าให้เกิดความขรุขระขึ้นที่ผิวของเหล็ก ดังนั้นลักษณะดังกล่าวจึงเป็นตัวแปรส าคัญที่ท าให้ก าลังยึดเหนี่ยวของวัสดุทั้งสองระหว่างเหล็กและคอนกรีตเพิ่มขึ้น

Zhang, J.Q. และ Brahmachar, K. (1994) ทดสอบคานเหล็กรีดเย็นหน้าตัดกล่องสี่เหลี่ยมผืนผ้ากลวงซึ่งบรรจุคอนกรีตก าลังสูง เพื่อศึกษาผลของคอนกรีตก าลังสูงที่มีทั้งก าลังและความเหนียวที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะท าให้รูปแบบการโก่งเดาะโดยทั่วไปจากคลื่นรูปไซน์เปลี่ยนเป็นคลื่นรูปโคไซน์ จึงแสดงได้ว่ามีก าลังการโก่งเดาะสูงขึ้น และศึกษาความสัมพันธ์ของความเปราะของคอนกรีตที่เปลี่ยนไปภายใต้หน้าตัดที่ครอบคลุมไว้ โดยใช้ทฤษฎีแรงดัดเบื้องต้น และท าการเปรียบเทียบระหว่างผลการวิเคราะห์และผลการทดลอง วิธีท าการทดสอบคือใช้คานเหล็กกล่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาด 150x100x4.0 มม. ยาว 3000 มม. กดด้วยแรง 3 จุด ซึ่งคานทดสอบวางอยู่บนจุดรองรับแบบปกติ ติดตั้งอุปกรณ์วัดการเคลื่อนตัว และอุปกรณ์วัดการเปลี่ยนแปลงความเครียด รวมคานทดสอบทั้งหมด 14 ตัวอย่าง ดังตาราง 1.2

6

ตาราง 1.2 เปรียบเทียบผลการวิเคราะห์และผลการทดสอบ ของ Zhang, J.Q. และ Brahmachar, K. (1994)

Beams Pu (kN)

Test Theory

Lower bound Upper bound Test / Predict HOL1 42.3

48.16 59.17 0.88 0.71

HOL2 43.7 0.91 0.74 RH1 88.5

61.03 74.66 1.45 1.19

RH2 83.1 1.36 1.11 RH3 90.4 1.48 1.21 RHR1 89.3

69.83 83.42 1.28 1.07

RHR2 90.2 1.29 1.08 RHR3 91.2 1.31 1.09 FRH1 88.7

61.03 74.66 1.45 1.19

FRH2 87.8 1.44 1.18 FRH3 86.3 1.41 1.16 RFRH1 93.0

69.83 83.42 1.33 1.11

RGRH2 96.3 1.38 1.15 RFRH3 92.3 1.32 1.11

จากผลการทดสอบ สามารถแสดงความสัมพันธ์ของแรงกับระยะเคลื่อนตัวกลางคานและความสัมพันธ์ของแรงกระท ากับระยะการเปลี่ยนแปลงความเครียด ดังรูป 1.6 -1.7 ตามล าดับ

รูป 1.6 ความสัมพันธ์ของแรงกระท ากับระยะเคลื่อนตัวกลางคาน ของ Zhang, J.Q. และ Brahmachar, K. (1994)

7

รูป 1.7 ความสัมพันธ์ของแรงกระท ากับระยะการเปลี่ยนแปลงความเครียด

ของ Zhang, J.Q. และ Brahmachar, K. (1994)

เมื่อน าผลการทดสอบคานเปรียบเทียบกับผลจากทฤษฎีพบว่า อัตราส่วนแรงวิบัติของเหล็กกลวงต่อค่าตามทฤษฎีอยู่ระหว่าง 0.71-0.91 แต่อัตราส่วนแรงวิบัติของเหล็กบรรจุคอนกรีตต่อค่าตามทฤษฎี อยู่ระหว่าง 1.07-1.21 ซึ่งความแตกต่างดังกล่าวอาจจะเกิดจากการก าหนดความสัมพันธ์ของความเครียดระหว่างคอนกรีตและเหล็ก แต่พบว่าการเลื่อนของคอนกรีตเกิดขึ้นหลังจากที่คอนกรีตเกิดรอยแตกแล้ว ดังนั้นข้อก าหนดดังกล่าวจึงไม่น ามาพิจารณา และผลการทดสอบสามารถสรุปเพิ่มได้ว่า ภายใต้แรงสูงสุดจะเกิดการสูญเสียก าลังอย่างรวดเร็วในกรณีของหน้าตัดเหล็กกลวง แต่เมื่อเติมคอนกรีตเข้าไปจะช่วยเพิ่มความเหนียวขึ้น แม้ว่าพฤติกรรมที่เปราะของคอนกรีตจะไม่สามารถสังเกตเห็นได้ เนื่องจากคอนกรีตถูกหุ้มด้วยผิวเหล็ก ในกรณีของการโก่งเดาะของเหล็กผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า การโก่งเดาะถูกแทนที่จากคลื่นรูปไซน์เป็นคลื่นรูปโคไซน์ ซึ่งมีลักษณะการโก่งเดาะที่สูงกว่าเพราะก าลังการโก่งเดาะสูงขึ้น

Hunaiti, Y.M. (1995) ทดสอบผลของแรงกระท าที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนหน้าตัดคอมโพสิต

โดยให้ตัวแปรเป็นรูปร่างหน้าตัดเหล็กที่ใช้บรรจุ อายุของวัสดุบรรจุ และชนิดของวัสดุบรรจุ ดังนี้ ชนิดของวัสดุเป็น คอนกรีตทั่วไป (normal concrete) คอนกรีตพรุน (foamed concrete) และ คอนกรีตมวลเบา (lightweight concrete) ที่บรรจุอยู่ในเหล็กกล่องกลวงขนาด 100×100×2.0 มม. และเหล็กท่อกลมกลวงขนาด 100×3.4 มม. สูง 250 มม. กดตามแนวแกน 400 กิโลนิวตัน ด้วยเคร่ือง MFL ที่มีความละเอียด 0.01 มม. ดังรูป 1.8 เพื่อหาค่าก าลังยึดเหนี่ยว (bond strength) ระหว่างเหล็กกับคอนกรีตที่บรรจุ

8

รูป 1.8 รายละเอียดอุปกรณ์ทดสอบและการเตรียมวัสดุทดสอบ

ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

อายุของวัสดุทดสอบจะอยู่ที่ 28 วัน และ 90 วัน เคร่ืองทดสอบสามารถแสดงผลด้วยกราฟความสัมพันธ์ของแรงกระท ากับการเคลื่อนออก (load-slip curves) ดังแสดงในรูป 1.9

รูป 1.9 ผลการทดสอบด้วยเคร่ือง MFL

ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

งานวิจัยนีส้ามารถสรุปผลการทดสอบได้ดังตาราง 1.3 และวิเคราะห์ผลได้ดังนี ้

9

ตาราง 1.3 ผลการทดสอบก าลังยึดเหนี่ยวที่ 28 วันและ 90 วัน ของ Hunaiti, Y.M. (1995)

Type of concrete (designation)

(1)

AVERAGE BOND STRENGTH (MPa) Square Hollow Section Circular Hollow Section 28 d (2)

90 d (3)

28 d (4)

90 d (5)

Foamed (F) 0.10 0.08 0.73 0.40 Lightweight aggregate (L) 0.72 0.45 2.04 1.37 Normal (N) 0.35 0.18 1.61 0.96

1.ก าลังยึดเหนี่ยวของชุดทดสอบที่บรรจุด้วยวัสดุทดสอบประเภทคอนกรีตมวลเบา มีก าลัง

ยึดเหนี่ยวสูงกว่า ชุดทดสอบที่บรรจุด้วยวัสดุคอนกรีตทั่วไป แสดงให้เห็นว่า ชนิดของคอนกรีตมีผลต่อก าลังยึดเหนี่ยวของคอนกรีต

2. ก าลังยึดเหนี่ยวลดลงตามอายุของวัสดุทดสอบ และวัสดุทดสอบประเภทคอนกรีตทั่วไปลดลงมากกว่าวัสดุทดสอบประเภทคอนกรีตมวลเบา

3. วัสดุคละที่ผสมในคอนกรีตมวลเบาสามารถเก็บความชื้นได้ดีกว่า นั่นหมายถึงการลดการคายน้ าที่เกิดขึ้นได้ ซึ่งในคอนกรีตพรุนจะไม่มีวัสดุคละ แต่เป็นวัสดุละเอียดแทน ซึ่งส่งผลให้เกิดการคายน้ าสูง และส่งผลต่อเนื่องให้ก าลังยึดเหนี่ยวมีค่าลดลง แสดงให้เห็นว่าการเพิ่มวัสดุคละจะช่วงเพิ่มก าลังยึดเหนี่ยวให้สูงขึ้นได้

4. ช่องว่างภายในคอนกรีตที่มีมาก สามารถท าให้ก าลังยึดเหนี่ยวระหว่างคอนกรีตและเหล็กลดลงได้ โดยวัสดุทดสอบประเภทคอนกรีตพรุน แสดงให้เห็นถึงก าลังยึดเหนี่ยวที่ต่ า

Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999) ได้ท าการศึกษาถึงการโก่งเดาะเฉพาะที่และจุดหมุนพลาสติก(plastic hinges) ของคานเหล็กหน้าตัดแบบกล่องกลวงที่รับแรงอัด ซึ่งอยู่ภายใต้การกระท าของ high amplitude cyclic bending และได้อธิบายถึงพฤติกรรมของเหล็กกล่องกลวงและเหล็กกล่องที่บรรจุคอนกรีตอยู่ ภายใต้ cyclic bending และท าการประมาณค่าโมเมนต์ประลัย(ultimate moment) ของคานเหล็กกล่องที่ใส่วัสดุบรรจุ โดยวัสดุที่ใช้บรรจุในเหล็กกล่อง เป็นวัสดุประเภท คอนกรีตทั่วไป (normal strength), คอนกรีตก าลังต่ า (low strength), คอนกรีตมวลเบา (light-weight) และโพลียูริเทน (polyurethane) มีคุณสมบัติดังตาราง 1.4 ทั้ง 4 วัสดุที่ใช้บรรจุ จะอยู่ในเหล็กกล่องขนาด 65×65×3.0 มม. 65×65×2.5มม. และ 65×65×2.0 มม. ซึ่งเหล็กนพกล่องที่ใช้

10

ทดสอบนี้เป็นหน้าตัดอัดแน่น (compact) หน้าตัดไม่อัดแน่น (noncompact) และหน้าตัดชะลูด (slender) มีคุณสมบัติดังตาราง 1.5

ตาราง 1.4 คุณสมบัติของวัสดุบรรจุ ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999)

Filler material Density (kg/m3)

Compression Strength (MPa)

Normal Concrete (NC) 2400 60.4 Light-strength concrete (LSC) 2400 5.0 Light-weight concrete (LWC) 1200 12.4 Polyurethane (P) 867 34.4

ตาราง 1.5 คุณสมบัติของเหล็ก ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999)

Cross-sections number

SHS size DxBxt (mm)

Ratio (B-2t)/t

Compactness Yield Stress (MPa)

Ultimate Tensile strength

(MPa)

1 65 x 65 x 2.0 30.5 Slender 444 552 2 65 x 65 x 2.5 24.0 Noncompact 467 552 3 65 x 65 x 3.0 19.7 Compact 457 548

วิธีการทดสอบและเตรียมการทดสอบ โดยติดต้ังชุดทดสอบดังรูป 1.10

รูป 1.10 การติดตั้งตัวอย่างทดสอบ

ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999))

11

ผลที่ได้จากการทดสอบคานเหล็กบรรจุคอนกรีต คือจะช่วยเพิ่มความเหนียวและเพิ่มความสามารถในการรับแรง cyclic bending เมื่อเทียบกับคานเหล็กกล่องกลวงที่ไม่ได้บรรจุวัสดุ จากการสังเกตและค านวณด้วยโปรแกรม ผลการทดสอบมีดังนี้

- ส าหรับหน้าตัดเหล็กที่บรรจุวัสดุทุกชนิดในเหล็กกล่อง มุมหมุนเพิ่มขึ้นประมาณ 300% ขณะที่เกิดโมเมนต์ประลัย ดังนั้นการใส่วัสดุแทนที่ช่องว่างของเหล็กกล่องกลวงจะช่วยเพิ่มความเหนียวของคานเหล็กได้ แสดงดังรูป 1.11

- รูป 1.11 มุมหมุนที่เพิ่มขึ้นขณะรับโมเมนต์สูงสุด

ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999)

- จากทฤษฎีโมเดลที่ใช้ประมาณค่าโมเมนต์ประลัย พบว่าโมเมนต์ประลัยที่เพิ่มขึ้นจะขึ้นอยู่กับก าลังของวัสดุในเหล็กกล่องกลวงทั้ง 3 ชนิด ซึ่งสอดคล้องกับผลที่ได้จากการทดลอง

- จากการสังเกตลักษณะการวิบัติของเหล็กกล่องที่บรรจุวัสดุภายใน ภายใต้แรง cyclic bending มีการวิบัติที่เกิดขึ้น 3 แบบ โดยลักษณะของการวิบัติที่แตกต่างกัน เกิดจากการอัดแน่นและคุณสมบัติที่แตกต่างกันของวัสดุบรรจุ ซึ่งสามารถแยกลักษณะของการวิบัติ ดังนี้

1) วิบัติแบบโก่งเดาะแบบยู่ออกและชุดทดสอบแตกหัก 2) วิบัติแบบโก่งเดาะแบบยู่ออกและชุดทดสอบไม่เกิดการแตกหัก 3) วิบัติแบบโก่งเดาะแบบยู่ออกหลายต าแหน่งและชุดทดสอบไม่แตกหัก

12

รูป 1.12 ลักษณะการวิบัติของคานที่แตกต่างกัน ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999)

- จากการสังเกตพบว่าคอนกรีตก าลังต่ าสามารถใช้กับหน้าตัดอัดแน่นได้ แต่เมื่อเพิ่ม

อัตราส่วน (b-2t)/t เพิ่มมากขึ้น วัสดุที่ใช้บรรจจุะต้องมีก าลังอัดสูงขึ้นเช่นกัน

รูป 1.13 ก าลังที่ต้องการเทียบกับอัตราส่วนความกว้างต่อความหนา

ของ Zhao, X.L. และ Grzebieta, R. (1999)) - จากการสังเกตพบว่าคอนกรีตมวลเบาและโพลียูริเทน สามารถใช้ได้กับหน้าตัดอัด

แน่น และหน้าตัดไม่อัดแน่นได้ดีกว่าหน้าตัดชะลูด Han, et al. (2005) ศึกษาพฤติกรรมการรับแรงดัดของท่อเหล็กบรรจุคอนกรีต ทดสอบโดย

ใช้ตัวแปรหลักดังนี้ 1.) หน้าตัดกลมและหน้าตัดสี่เหลี่ยม 2.) ก าลังครากของเหล็ก 235 ถึง 282 MPa 3.) อัตราส่วนความกว้างต่อความหนาของหน้าตัดเหล็ก 47 ถึง 105 และ 4.) อัตราส่วนช่วงเฉือนต่อความลึก 1.25 ถึง 6 ซึ่งในการทดสอบมีตัวแปรรองเช่น วัสดุบรรจุ 2 ชนิด คือ คอนกรีต และคอนกรีตอัดแน่นด้วยตัวเอง โดยก าหนดให้มีก าลังอัด 3 ก าลัง คือ 50 60 และ80 MPa และท าการ

13

เปรียบเทียบก าลังการรับแรงตามข้อก าหนดของ AIJ, AISC-LRFD, BS5400, EC4 และ Han(ข้อก าหนดของผู้วิจัย) จากการทดสอบและวิเคราะห์ทั้งหมด 36 ตัวอย่าง

จากผลการทดสอบพบว่า ลักษณะการวิบัติของเหล็กโดยทั่วไปจะเกิดการโก่งเดาะเฉพาะที่แบบโก่งออก และกรณีหน้าตัดกลมส่วนใหญ่ การวิบัติจะเกิดขึ้นกับคอนกรีตที่บรรจุอยู่ภายใน แสดงดังรูป 1.14

รูป 1.14 รายละเอียดของวัสดุทดสอบและการเตรียมวัสดุทดสอบ ของ Han, et al. (2005)

ก)หน้าตัดกลม ข)หน้าตัดสี่เหลี่ยม

รูป 1.15 ความสัมพันธ์ของโมเมนต์กับความโค้ง ของ Han, et al. (2005)

ก)หน้าตัดกลม ข)หน้าตัดสี่เหลี่ยม

รูป 1.16 ความสัมพันธ์ของโมเมนต์กับอัตราส่วนช่วงเฉือนต่อความลึกต่างๆ ของ Han, et al. (2005)

14

งานวิจัยนี้สามารถสรุปได้ดังนี้ 1.) ผลการทดสอบของคานที่บรรจุด้วยคอนกรีตอัดแน่นด้วยตัวเอง คล้ายกับการผลทดสอบคานที่บรรจดุ้วยคอนกรีตทั่วไป 2.) อัตราส่วนช่วงเฉือนต่อความลึกไม่มีผลใดๆต่อพฤติกรรมของคานเหล็กบรรจุคอนกรีตทั้งหน้าตัดกลมและหน้าตัดสี่เหลี่ยม ดังรูป 1.17 3.) ก าลังรับโมเมนต์ที่หาได้จากข้อก าหนดตาม AIJ-1997, AISC-LRFD-1999, BS5400-1979, EC4-1994 และ Han-1994 มีความใกล้เคียงกัน 4)สามารถน าค่าสติฟเนสการดัดตั้งต้นและสติฟเนสการดัดใช้งานของหน้าตัดคานประกอบไปศึกษาเพิ่มเติมได้

Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008) ได้ท าการศึกษาและทดสอบผล

ของคอนกรีตทั่วไป คอนกรีตผสมเถ้าลอย คอนกรีตผสมเศษคอนกรีต และคอนกรีตก าลังต่ า (แสดงคุณสมบัติดังตาราง 1.6) ที่มีอิทธิพลต่อการเสริมก าลังรับโมเมนต์ประลัยของเหล็กกล่องกลวง โดยท าการทดสอบทั้งหมด 15 ตัวอย่าง คานทดสอบมีความยาว 1200 มิลลิเมตร คานทดสอบจะอยู่ภายใต้แรงดัด ท าให้หน้าตัดของคานทดสอบรับแรงดัดแต่อย่างเดียว (pure bending) โดยติดตั้งเคร่ืองมือต่างๆ ดังรูป 1.17 และท าการวัดค่าต่างๆ ในคานทดสอบทั้งหมด เช่น คุณสมบัติของวัสดุ ความเค้น และการโก่งตัว เมื่อคานรับแรงกระท าดังกล่าว โดยศึกษาผลการรับก าลังโมเมนต์ดัดประลัยที่สามารถค านวณได้ตามทฤษฎี และน าไปเปรียบเทียบกับผลที่ได้จากการทดสอบจริง

ตาราง 1.6 คุณสมบัติคานทดสอบ ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

Specimen designation

Dimensions (D x Bf x t)

Area of steel As (mm2)

Area of concrete(Ac) (filled section) mm2

Types of filled concrete

NMC 72 x 72 x 3.2 881 4303 Normal mix concrete FAC 72 x 72 x 3.2 881 4303 Fly ash concrete QWC 72 x 72 x 3.2 881 4303 Quarry waste concrete LSC 72 x 72 x 3.2 881 4303 Low strength concrete HS 72 x 72 x 3.2 881 4303 Hollow section

ตาราง 1.7 คุณสมบัติเหล็กกล่อง ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

Dimensions of steel sections (mm)

d/t ratio Yield stress fy

(MPa) Ultimate stress fu

(MPa) 72 x 72 x 3.2 20.5 345 510

15

ตาราง 1.8 คุณสมบัติวัสดุบรรจุ ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008) Type of concrete

(Designation) 28-days cube strength

(N/mm2) 28-days cylinder strength

(N/mm2) Normal mix concrete 32.60 26.08 Fly ash concrete 32.50 20.70 Quarry dust 21.63 17.30 Low strength concrete 0.88 0.70

รูป 1.17 การติดตั้งตัวอย่างทดสอบ

ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008))

ผลที่ได้จากการศึกษาวิจัยนี้ พบว่า คานทดสอบไม่เกิดการวิบัติแบบฉีกขาดเนื่องจากแรงดึง ซึ่งการวิบัติที่เกิดขึ้นแสดงดังรูป 1.18

รูป 1.18 ลักษณะการวิบัติที่เกิดขึ้นเมื่อคานบรรจุคอนกรีต

ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

จากการทดสอบพบว่า มุมหมุนที่เกิดขึ้นหลังการทดสอบมีค่ามากขึ้นเมื่อมีวัสดุบรรจุ โดยการเพิ่มขึ้นดังกล่าวแสดงได้ดังรูป 1.19 และความสัมพันธ์ของระยะแอ่นตัวบริเวณกึ่งช่วงพาดของชิ้นตัวอย่างทดสอบกับแรงกระท า แสดงให้เห็นถึงการรับก าลังที่ดีขึ้นเมื่อมีวัสดุบรรจุอยู่ ดังรูป 1.20

16

รูป 1.19 ความสัมพันธ์ของมุมหมุนสูงสุดกับชนิดของวัสดุบรรจุ ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

รูป 1.20 ความสัมพันธ์ของระยะแอ่นตัวของวัสดุทดสอบกับแรงกระท า

ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

ผลการทดสอบงานวิจัยนี้มีค่าความเครียดที่จุดคราก (yield strain) อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้คือ 0.003 ดังที่แสดงในรูป 1.21ก) – 1.21จ)

17

ก) HS ข) NMC ค) FAC

ง) HS จ) NMC

รูป 1.21 ความสัมพันธ์ของความเครียดกับโมเมนต์ ของ Soundararajan, A. และ Shanmugasundaram, K. (2008)

ดังนั้นก าลังของโมเมนต์ดัดประลัย (Ultimate moment capacity) เมื่อใส่วัสดุต่างๆเป็นคาน

ประกอบ ซึ่งในกรณีวัสดุบรรจุเป็นคอนกรีตทั่วไป คอนกรีตผสมเถ้าลอย คอนกรีตผสมเศษคอนกรีต มีค่าเพิ่มขึ้น 25% และส าหรับคอนกรีตก าลังต่ าเพิ่มขึ้น 16% และในทุกกรณีความเหนียวเพิ่มขึ้น และลักษณะของหน้าตัดคานที่ทดสอบทั้งหมดจะรับแรงจนเกิดการโก่งตัวของคานมากเกินไป โดยจะไม่เกิดการเคลื่อนตัวทางด้านข้างหรือรูปแบบอ่ืนๆที่ท าให้หน้าตัดคานขาดเสถียรภาพ

จากข้อสรุปของผลงานวิจัยทั้งหมดสามารถยืนยันได้ว่า การเติมวัสดุประเภทคอนกรีตทั่วไป คอนกรีตผสมเถ้าลอย คอนกรีตผสมเศษคอนกรีต และคอนกรีตก าลังต่ า สามารถน ามาใช้เป็นวัสดุประกอบคานเหล็กกล่องเพื่อเป็นคานประกอบ และส่งผลให้ความสามารถในการรับโมเมนต์ดัดประลัยเพิ่มขึ้นสูงกว่าคานเหล็กกล่องกลวง

18

1.3 วัตถุประสงค์ของการศึกษา 1) เพื่อศึกษาพฤติกรรมการวิบัติของคานเหล็กขึ้นรูปเย็นหน้าตัดกล่องสี่เหลี่ยมและหน้า

ตัดรูปตัวซีแบบมีขอบเม้มประกบสองตัวภายใต้แรงสถิต เมื่อคานเหล็กขึ้นรูปเย็นมีการบรรจุคอนกรีตและไม่มีการบรรจคุอนกรีตลงในช่วงว่างของคานเหล็กขึ้นรูปเย็น

2) เพื่อเปรียบเทียบก าลังการรับแรงที่เปลี่ยนไปของคานเหล็กขึ้นรูปเย็น คานเหล็กขึ้นรูปเย็นบรรจุคอนกรีต และคานเหล็กขึ้นรูปเย็นบรรจุมอร์ต้าร์

1.4 ประโยชน์ท่ีได้รับจากการศึกษา

สามารถน าข้อมูลที่ได้จากการทดสอบเป็นข้อมูลพื้นฐาน เพื่อน าคานประกอบเหล็กขึ้นรูปเย็นบรรจุคอนกรีตไปใช้งานจริง และใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาทฤษฎีต่อไป

1.5 ขอบเขตการวิจัย

1) เหล็กขึ้นรูปเย็นที่ใช้เป็นคานทดสอบมี 3 หน้าตัด คือ เหล็กขึ้นรูปเย็นหน้าตัดกล่องสี่เหลี่ยมกลวง ขนาด 100x100x2.0 มม. เหล็กขึ้นรูปเย็นหน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้มประกบแบบกล่อง และเหล็กขึ้นรูปเย็นหน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้มประกบแบบหลังชนหลัง ขนาด 100x100x20x2.0 มม.

2) คุณสมบัติของวัสดุที่น ามาบรรจุเข้าไปในเหล็กขึ้นรูปเย็น เพื่อให้เป็นคานประกอบ มี 2 ประเภท คือ คอนกรีต และมอร์ต้าร์

3) ความยาวของคานทดสอบที่ใช้รับแรงดัดยาว 1,000 มม. และ 2,000 มม. 4) ทดสอบคานตามลักษณะของหน้าตัด วัสดุบรรจุ และความยาวของคานทดสอบ

ดังนี้

หน้าตัดกล่องสี่เหลี่ยมกลวง - หน้าตัดเปล่า จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุคอนกรีต จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุมอร์ต้าร์ จ านวน 2 ตัวอย่าง

หน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้มประกบแบบกล่อง - หน้าตัดเปล่า จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุคอนกรีต จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุมอร์ต้าร์ จ านวน 2 ตัวอย่าง

19

หน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้มประกบแบบหลังชนหลัง - หน้าตัดเปล่า จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุคอนกรีต จ านวน 2 ตัวอย่าง - บรรจุมอร์ต้าร์ จ านวน 2 ตัวอย่าง

รวมคานที่ใช้ในการทดสอบทั้งหมด 18 ตัวอย่าง แสดงรายละเอียดดังตาราง 1.9

20

ตาราง 1.9 ขนาดหน้าตัดที่ใช้ วัสดุบรรจุที่ใช้ ความยาวที่ใช้และจ านวนตัวอย่างทดสอบ

หน้าตัดคาน ประเภทคาน ประเภทวัสดุบรรจุ ความยาว รหัส

ตัวอย่าง (เมตร)

คานเปล่า -

1 BH1

หน้าตัดกล่อง 2 BH2

สี่เหลี่ยมกลวง

คานประกอบ

คอนกรีต 1 BC1

100 x 100 x 2.0 2 BC2

มอร์ต้าร์

1 BM1

2 BM2

คานเปล่า -

1 DCH1

หน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้ม 2 DCH2

ประกบแบบปิด

คานประกอบ

คอนกรีต 1 DCC1

100 x 100 x 20 x 2.0 2 DCC2

มอร์ต้าร์

1 DCM1

2 DCM2

คานเปล่า -

1 DOH1

หน้าตัดตัวซีแบบมีขอบเม้ม 2 DOH2

ประกบแบบเปิด

คานประกอบ

คอนกรีต 1 DOC1

100 x 100 x 20 x 2.0 2 DOC2

มอร์ต้าร์

1 DOM1

2 DOM2

21

1.6 สมมุติฐานการวิจัย 1) หน้าตัดของคานมีความกว้าง ความยาว และความหนา สม่ าเสมอทั่วหน้าตัด

และตลอดความยาวคาน 2) คานทดสอบรับแรงกระท าสองต าแหน่งเท่ากัน 3) คานทดสอบสามารถเคลื่อนตัวทางด้านข้างได้อิสระ ไม่มีการค้ ายันทางด้านข้าง 4) คานประกบสามารถเชื่อมต่อกันโดยไม่แยกออกจากกัน 5) ฐานรองรับ ก าหนดให้มีอิสระจากการเคลื่อนที่ในแนวแกนราบทั้งสองต าแหน่ง