Composite structure

ในปัจจุบัน คงไม่มีใครใช้แต่เหล็กแต่เพียงอย่างเดียว ในงานก่อสร้างถูกไหมครับ มันมาพร้อมกับวัสดุประเภทอื่น ๆ เสมอ ๆ ที่เห็นชัด ๆ ก็คอนกรีต บางครั้งนำเหล็กมาใช้กับวัสดุอื่น ๆ เช่น แผ่น CFRP สังเคราะห์ ซึ่งเป็นวัสดุที่มีกำลังรับแรงดึงสูงมาก ๆ ที่นำไปใช้ทำพวกไม้แบตไม้เทนนิส อะไรพวกนี้ งาน Composite structure ที่เคยนำเสนอไป ก็เช่น การกรอกคอนกรีตลงในเสาท่อเหล็ก ซึ่งจะดีมาก ๆ กับอาคารที่รับน้ำหนักมาก ๆ (ใช้กับ light structure ได้นะครับ แต่ความคุ้มค่าจะไม่มากเท่ากับ very heavy structure) ที่เรียกว่า CFT หรือ Concrete filled (steel) tube CFT นี่เป็นนวัตกรรมรุ่นหลัง ๆ นะครับ แต่รุ่นแรก ๆ ก็คงเป็นพวก composite beam ที่นำ concrete floor slab (พื้นคอนกรีต) มาเสริมกำลังรับโมเมนต์ให้กับ steel beam (คานเหล็ก) โดยให้พื้นคอนกรีตไปเป็นส่วนในการรับแรงอัด เพราะคุณสมบัติของคอนกรีตที่รับ compression ได้ดี และให้เหล็ก ซึ่งรับแรงดึงได้ดี มารับ tension ไป ... แทนที่จะให้ concrete slab มาช่วยถ่ายแรง live load ซึ่งทั้ง floor live load และ dead load จะไปเป็น load ที่กระทำต่อ steel beam แต่สำหรับ composite floor นี้ ก็ให้ concrete slab มาช่วยเพิ่ม resistance ให้กับ steel beam (จากกำลังรับ moment ของ steel beam อย่างเดียว ก็ทำให้กลายไปเป็น steel beam (mostly tension) + concrete slab (purely compression) ... โดยทั่วไป หากเราเชื่อมต่อคานเหล็กเข้ากับพื้นคอนกรีตได้ดีเพียงพอแล้ว composite beam ของเรา อาจจะสามารถรับน้ำหนักไปได้ถึง 150% ของ steel beam โดด ๆ เลยทีเดียว !!! คือพื้นก็ต้องมีอยู่แล้ว ได้พื้นมาเสริมคานได้อีกนั้น มันแจ๋วมากจริงไหมครับ แต่การจะเอาพื้นคอนกรีต (concrete slab) มาช่วยคานเหล็ก (steel beam) รับโมเมนต์ดัดนั้น มันต้อง "สร้าง" ให้เกิดพฤติกรรมร่วมกันนะครับ ... ทำได้อย่างไรนั้น ก็

1. ทำให้จุดที่เชื่อมต่อระหว่าง concrete slab กับ steel beam แข็งแรงเพียงพอ ... แข็งแรงเพียงพอแปลว่า กำลัง ต้องมากกว่า แรง ... ให้เฉพาะเจาะจงไปนั้น ลำดับแรง ประเภทของแรง คือ เป็นแบบใด และ การคำนวณแรงที่เกิดขึ้น และกำลังที่เกิดขึ้น จะหาได้อย่างไร อันนี้ เดี๋ยวมาว่ากันอีกทีนะครับ ... ในทางปฏิบัติ การเชื่อมต่อนี้ทำได้หลายแบบ เช่น เอาเหล็กเส้น มาม้วนงอ (บางทีเรียกเหล็กหนวดกุ้ง) แล้วเชื่อมบนปีกด้านบนของคานเหล็ก จากนั้นเอาคอนกรีตมาหล่อทำพื้นด้านบน ซึ่งวิธีนี้เป็นวิธีปฏิบัติทั้วไปของงานก่อสร้างในอดีตนะครับ ปัจจุบัน มีการใช้ hardware ที่เรียกว่า shear stud มาเชื่อมติดกับปีกบนของคานเหล็ก + steel metal deck แล้วเทคอนกรีตพร้อมกันไป วิธีนี้ในอเมริกา ญี่ปุ่น และยุโรป นิยมกันมากครับ เพราะสะดวก รวดเร็ว ทำงานง่าย ได้กำลังที่เชื่อใจได้ แถม shear stud ก็ไม่แพงมากครับ
2. การจัดวาง structural system ต้องเหมาะสม กล่าวคือ เราต้องไม่สับสนกับพฤติกรรมการรับน้ำหนักของคานเหล็กของเรา ตัวอย่างคานเหล็กที่เป็น simple beam หากเรานำ concrete slab มาวางบนปีกคานเหล็ก การเกิด composite action ให้พื้นคอนกรีตช่วยคานเหล็กรับแรง ก็ย่อมทำได้อย่างไม่เคอะเขิน แต่หลาย ๆ คราว วิศวกร "ลืม" คิดไปครับ เช่น

• การออกแบบ cantilevered composite beam ... แบบว่าจะต้องการจะให้พื้นคอนกรีตรับแรงอัด ถูกไหมครับ แต่พอเป็น cantilevered beam แล้ว top fiber มันกลับทิศ เป็นส่วนรับแรงดึง ครั้นจะดื้อ ใส่เหล็กเสริมไปในพื้นก็จะเป็นการฝืนธรรมชาติของโครงสร้างไปอีก ... จะคุ้มก็คงไม่ แต่รับแรงได้ไหม ก็อาจจะได้นะครับ ... ให้ดี เราทำให้เป็นไปตามธรรมชาติของมันดีกว่าครับ
• การเอาพื้นคอนกรีต ไปวางบน "ปีกล่าง" ของคาน simple beam จะด้วยสาเหตุอะไรก็ตาม มันก็ผิด structural system เช่นกัน เพราะ bottom flange ของ simple beam มันเป็น tension zone

“Shear Stud” คือ Shear Connector รูปแบบหนึ่งที่มีไว้สำหรับถ่ายเทแรงเฉือนระหว่างเหล็กรูปพรรณและคอนกรีต เพื่อให้เกิดพฤติกรรมรับแรงร่วมกัน เกิดเป็นโครงสร้างประกอบ (Composite Structure) ซึ่งปลายด้านหนึ่งของ Shear Stud จะถูกเชื่อมติดกับเหล็กรูปพรรณด้วย Stud Welding Gun ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งจะลักษณะเป็นหัว ไว้สำหรับยึดติดกับคอนกรีตสำหรับจำนวน Shear Stud และระยะห่างของแต่ละตัว จะต้องเป็นไปตามการออกแบบของวิศวกรโครงสร้างว่าต้องการให้เกิดพฤติกรรมเป็น Full Composite Action หรือ Partial Composite Action

หลังคาเหล็กหรือหลังคาเมทัลชีท (Metal Sheet) คืออะไร

ก่อนอื่นขอทำความเข้าใจคำว่า Metal Sheet หรือ เมทัลชีท (ถ้าจะออกเสียงให้ถูกต้องตามฝรั่ง ต้องออกเสียงว่า เม็ทเทิ่ลชีท) หมายถึง แผ่นโลหะที่มีลักษณะเป็นแผ่นบางๆ ซึ่งอาจจะเป็นโลหะอะไรก็ได้ เช่น เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม ฯลฯ แต่ที่ของเมืองไทยส่วนใหญ่จะหมายถึงแผ่นเหล็กที่เอามารีดเป็นแผ่นลอน ๆ ตามรูปลอนที่ออกแบบกันไว้ต่าง ๆ กัน เพื่อที่จะเอามามุงเป็นหลังคา หรือกั้นเป็นผนัง รวมทั้งเอามาขึ้นรูปเป็นบานเกล็ดเป็นครอบมุมต่าง ๆ

แผ่น Metal Sheet ก่อนเอามารีดลอนหรือขึ้นรูปโดยทั่วไปเท่าที่เห็นกันมีอยู่ 2 ลักษณะคือ แผ่นเคลือบอลูซิงค์ (Aluzinc) และแผ่นเคลือบสี

1. แผ่นเคลือบอลูซิงค์ เป็นการเอาเหล็กมาเคลือบสารที่มีส่วนผสมหลักเป็นสังกะสี (Zinc) และอลูมิเนี่ยม เพื่อป้องกันการผุกร่อนจากการเป็นสนิม และแลดูสวย เงางามกว่าการเคลือบสังกะสีอย่างเดียวอย่างแผ่นสังกะสีทั่วๆไป
2. แผ่นเคลือบสี เป็นการเอาเหล็กมาเคลือบอลูซิงค์(Aluzinc) หรือเคลือบสังกะสี (Zinc) อย่างเดียว (ตามแต่ละมาตรฐาน) ก่อนที่จะเคลือบสีให้สวยงามทับไปอีกครั้งหนึ่ง

ศัพท์ที่ควรรู้เกี่ยวกับ Metal Sheet

• BMT (Base Metal Thickness) คือ ความหนาของเนื้อเหล็กก่อนเคลือบอลูซิงค์
• TCT (Total Coated Thickness) คือ ความหนารวมเคลือบอลูซิงค์และเคลือบสีแล้ว
• AZ 50, AZ 70, AZ 90, AZ 100, AZ 150 คือ ระดับดับการเคลือบสารอลูซิงค์หน่วยเป็นกรัมต่อตารางเมตรทั้ง 2 หน้า ซึ่งการเคลือบสารที่มากกว่าจะทำให้แผ่น Metal Sheet ทนทานนานกว่า ซึ่งความทนทานนี้จะไม่ขึ้นกับความหนาของแผ่นเหล็กก่อนเคลือบ
• G300, G550 คือ ค่า Yield Strength คือค่าบอกการดึงเพื่อให้เหล็กแข็งขึ้น หน่วยเป็น Mpa (ขออธิบายนิดหนึ่งว่า เหล็กเมื่อโดนดึงออกมันจะแข็งขึ้นจนถึงค่าหนึ่งเหล็กจะแข็งที่สุดถ้าตึงต่อจะขาด เราจะเห็นจากเหล็กบางชนิดเช่นที่เขาใช้เสริมคอนกรีตทำเสาเข็มหรือเสาไฟฟ้า เส้นเล็กแต่แข็งมาก เหล็กที่ทำให้แข็งโดยวิธีนี้จะเปราะลงกว่าเดิมและแตกหักง่ายกว่า) เหล็ก G550 จะดึงให้มีค่า Yield Strength = 550 Mpa จะแข็งกว่า เหล็ก G300 เหล็ก G550 เหมาะสำหรับลอนคลิ๊ปล็อคและลอนทั่วไปที่ต้องการให้แข็งแต่ต้องไม่รีดให้เป็นมุมมากเพราะเหล็กเปราะหักง่าย ส่วนเหล็ก G300 เหมาะสำหรับลอนที่ติดตั้งด้วยระบบหนีบ(ลอนหัวจุก เช่น ลอน V-750) แต่รีดเป็นลอนทั่วไปก็ใช้ได้และมีข้อดีที่แม้ว่าเหยียบลอนหักก็เหล็กไม่แตก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโรงรีดแต่ละรายว่าจะใช้เหล็กแบบไหน

ข้อควรพิจารณาในการเลือกใช้ Metal Sheet

• เลือกลอนให้เหมาะกับความลาดชัน (Slope) ของหลังคา ซึ่งตัวนี้สำคัญมาก ผู้ผลิตแต่ละที่จะมีข้อกำหนด ความลาดชัน (Slope) ของแต่ละลอนว่าควรใช้กับ Slope เท่าไหร่ ถ้าเลือกผิดก็อาจจะรั่วได้เพราะระบายน้ำไม่ทัน
• เลือกความหนา และลักษณะลอนให้เข้ากับความห่างของแป โดยที่แปห่างควรใช้ความหนาที่มากขึ้น
• เลือกระดับคุณภาพจากระดับการเคลือบซิงค์ หรืออลูซิงค์ และผู้ผลิตเหล็กที่เชื่อถือได้ ซึ่งถ้าต้องการใช้งานที่ยาวนานก็ต้องเลือก AZ ที่สูง ซึ่งโดยทั่วไป AZ70 จะรับประกันได้ประมาณ 5-10 ปี ส่วน AZ150 จะรับประกันได้ประมาณ 15-20 ปี เป็นต้น ซึ่งรายละเอียดในการเลือกแผ่น Metal Sheet คงต้องถามผู้ที่มีความรู้จริงในงานหลังคา
• การใช้สกรูสำหรับการยึดแผ่นหลังคาก็สำคัญ สกรูมีทั้งแบบที่ไม่ผ่านการทดสอบ Class ใด ๆ เลย สกรู Class 2 รับประกันได้ประมาณ 10 ปี และ สกรู Class 3 รับประกันได้ประมาณ 20 ปี จากประสบการณ์ถ้าใช้สกรูไม่ดี ประมาณ 4-5 ปี สกรูจะเป็นสนิมมีสีของสนิมเปื้อนเป็นทางให้เห็นต่อไปก็จะทำให้แผ่นผุกร่อนไปด้วย ถึงแม้ว่าจะใช้แผ่นหลังคา Metal Sheet ที่ดีมีคุณภาพแต่ต้องมาเสียเพราะใช้สกรูที่ไม่ดีพอ