PP MicroPile

ข้อมูลข่าวสาร สาระน่ารู้เรื่องบ้าน บ้านแข็งแรง มั่นคงด้วยเสาเข็มไมโครไพล์  มารู้จัก…เสาเข็มไมโครไพล์

PP MicroPile

ข้อมูลข่าวสาร สาระน่ารู้เรื่องบ้าน บ้านแข็งแรง มั่นคงด้วยเสาเข็มไมโครไพล์  มารู้จัก…เสาเข็มไมโครไพล์

12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม

12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม

12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม ตอนที่ 1 (12 principles of welded connection design Part 1)
credit: Duane K. Miller บริษัท Lincoln Electric Company
งาน: AISC The Flash Steel Conference
……………………………………….
เนื้อหาในส่วนนี้เป็นเนื้อหาที่มาจากงานสัมมนา The Flash Steel Conference ที่ทาง AISC จัดขึ้นเมื่อต้นปีที่ผ่านมา ซึ่งเนื้อหาที่จะเอามาคุยกันในวันนี้เป็นหัวข้อที่ค่อนข้างน่าสนใจครับ โดยเนื้อหาอาจจะไม่ได้ลงรายละเอียดลึกมาก แต่จะเป็นการเล่าให้เห็นภาพรวมของการเชื่อมที่ดี การเชื่อมที่ไม่ดี (แย่) และการเชื่อมที่เรียกได้ว่าน่าเกลียด (ugly) [เอามาจากงานสัมมนานะครับ เค้าใช้คำนี้ 55555]
……………………………………….
ข้อที่ 1 welded connection ที่ดีจะต้อง …
มีขนาดที่เหมาะสม ซึ่งคำว่าเหมาะสมนี้ ก็มีหลายความหมายซ่อนอยู่ในคำ ๆ เดียว ประกอบไปด้วย (i) จะต้องมีขนาดที่ใหญ่เพียงพอต่อการรับแรง แต่จะต้องไม่ใหญ่จนเกินความจำเป็น (not larger than necessary) ซึ่งปัญหาที่จะตามมาหากใช้ขาเชื่อมที่มีขนาดใหญ่จนเกินไป คือ
1. การเกิด distortion ที่ส่วนของ element ที่ทำการเชื่อม – ซึ่งหากดูจากรูปที่ 2 จะเห็นว่ามี welded T section 3 ชิ้น โดยแต่ละชิ้นใช้ขนาดขาเชื่อมที่ไม่เท่ากัน จะเห็นได้ว่า ชิ้นที่เกิดการ distort มากที่สุด จะหมายถึง ตัวที่ถูกเชื่อมด้วยขาเชื่อมขนาดใหญ่ที่สุดนั่นเอง (สังเกตได้จากขนาดของเงาที่อยู่ด้านล่าง)
2. ทำให้ต้นทุนการก่อสร้างเพิ่มขึ้น – แน่นอนว่าหากใช้ขาเชื่อมที่มีขนาดใหญ่ก็จะทำให้ต้นทุนของงานก่อสร้างเพิ่มมากขึ้น แต่เพิ่มขึ้นเท่าไหร่ คือ ประเด็น หากดูจากรูปที่ 2 ในตารางด้านล่าง ก็จะเห็นว่าหากเราขยับ size ของรอยเชื่อม จาก 3/16 นิ้ว ไปเป็น 1/4 นิ้ว ต้นทุนของการเชื่อมก็จะเพิ่มสูงขึ้นถึง 77% เลยทีเดียว ส่วนข้อมูลของต้นทุนที่เพิ่มขึ้นจากธูปเชื่อมขนาดอื่น ๆ ก็สามารถอ้างอิงได้จากตารางเช่นเดียวกัน
3. กระตุ้นให้ element เกิดการแตกร้าวและฉีกขาด
……………………………………….
ข้อที่ 2 welded connection ที่ดีจะต้อง …
เลือกลักษณะของการเชื่อมให้เหมาะสม โดยหากเป็นไปได้ให้เลือกจาก fillet weld > PJPs > CJPs
Fillet weld (การเชื่อมพอก)
Partial Joint Penetration (PJP) – เป็นการเชื่อมลักษณะหนึ่งของ groove weld ซึ่งจะต้องทำการบากตัวเหล็กให้เป็นร่องก่อน ซึ่งการเชื่อมแบบนี้ในทางปฏิบัติแล้วจะใช้ปริมาณธูปเชื่อมน้อยกว่าการเชื่อมแบบ fillet weld แต่…ด้วยการที่จะต้องทำdetail ของการบากร่อง (beveling) รวมกับราคาของธูปเชื่อมแล้ว ทำให้ราคานั้น แพงกว่าการเชื่อมแบบ fillet weld
แต่หากการเชื่อมแบบ PJP จะคุ้มค่ากว่าแบบ fillet weld >> ขนาดของธูปเชื่อมของ fillet weld จะต้องมีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมแบบ PJP ประมาณ 3/4 นิ้ว ครับ
Complete Joint Penetration (CJP) – เป็นลักษณะของการเชื่อมที่มีต้นทุนแพงที่สุด เนื่องจากเป็นการเชื่อมแบบเต็มร่อง โดยขั้นตอนก็คือ ให้ทำการบากร่องก่อน (บากลึก ดูได้จากรูปที่ 3) จากนั้นทำการเชื่อมเติมร่องไปก่อน 1 ฝั่ง แล้วทำการ backgouge (เป่าไฟให้เป็นร่องเพิ่มเติม เพื่อให้การเชื่อมด้านที่ 2 สามารถเชื่อมถึงรอยเชื่อมแรก) และท้ายที่สุดก็ทำการเชื่อมเติมร่องด้านที่เหลือให้เต็ม
หากเป็นไปได้ให้ทำการหลีกเลี่ยงการเชื่อมแบบนี้ เนื่องจากมีต้นทุนที่สูงและมีขั้นตอนในการทำที่ยุ่งยาก ซึ่งหากต้องการใช้รอยเชื่อมที่ใหญ่จริงๆ สามารถทำการเชื่อมแบบที่เรียกว่า multipass fillet นั่นก็คือ การเชื่อมพอกหลายชั้นนั่นเอง
……………………………………….
ข้อที่ 3 welded connection ที่ดีจะต้อง …
จะต้องมีลักษณะการรับน้ำหนักที่กระจายตัวอย่างเท่า ๆ กัน อย่างเช่นในรูปที่ 4 เช่น มีคาน H-Beam 1 ตัว และคานจะต้องแบกรับน้ำหนักเนื่องจากการแขวนวัตถุที่บริเวณด้านล่างของ bottom flange
– ลักษณะของการเชื่อมที่ดี – ควรที่จะเชื่อม plate ให้อยู่ในทิศทางเดียวกันกับ web ซึ่งจะทำให้แรงจาก plate ที่แบกรับวัตถุสามารถถ่ายไปยัง web ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
– ลักษณะการเชื่อมที่ไม่ดี และไม่ควรทำ – จะเป็นดังรูปที่ 4 ด้านล่าง คือ การหมุน plate ไป 90 องศา และทำการเชื่อมติดกับ bottom flange ซึ่งการเชื่อมลักษณะนี้จะทำให้การถ่ายแรงจาก element หนึ่ง ไปยังอีก element หนึ่ง ทำได้อย่างลำบาก และแรงที่ถูกถ่ายไปมีการกระจายตัวที่ไม่เท่ากัน
วิธีการแก้ไข หากต้องการจะทำการเชื่อม plate ในทิศทางนี้ก็คือ การติดตั้ง stiffener เพิ่มเติมเข้าไป ซึ่งการทำอย่างนี้ก็จะช่วยให้แรงที่มากระทำสามารถที่จะถ่ายแรงไปยัง web ของ H-Beam ได้อย่างเท่า ๆ กันนั่นเอง
……………………………………….
ข้อที่ 4 welded connection ที่ดีจะต้อง …
พิจารณาถึงการกระจายตัวของ stress ที่ไม่เท่ากัน เมื่อ element ไม่ได้ถูกเชื่อมทั้งหมด (มีบาง element ไม่โดนเชื่อม) ดังรูปที่ 5 คือ มีการเชื่อม plate ติดเข้ากับ top flange และ bottom flange ซึ่ง element ที่ไม่ได้ถูกเชื่อมก็คือตัว web ดังนั้นแล้ว เมื่อเกิดแรงดึงในทิศทางดังรูป การถ่ายแรงก็จะไปเกิดที่บริเวณ flange ทั้ง 2 ด้าน เท่านั้น ซึ่งแปลว่า stress ที่กระจายไม่ได้กระจายไปทั้งหน้าตัดของตัว H-Beam
การพิจารณานี้ก็เลยเป็นที่มาของเรื่อง shear lag ซึ่ง concept นี้จะใช้กับ tension member ในเกือบ ๆ ทุกกรณี ยกเว้น member ที่เป็น HSS
……………………………………….
ข้อที่ 5 welded connection ที่ดีจะต้อง …
พิจารณาถึงการถ่ายแรงที่ไม่เท่ากันตามแนวความยาวของรอยเชื่อมเนื่องจากความแตกต่างของ stiffness ของผนังเหล็กกล่อง HSS (เนื่องจากขอบมุม) เช่น จากตัวอย่างในหน้าที่ 6 หากมี square tube 2 ชิ้น มาต่อกันด้วยการเชื่อมตามความยาวทั้ง 4 ด้าน จากนั้นใส่แรงดึงให้มากระทำกับ square tube ชิ้นล่าง ซึ่งก็จะทำให้เกิดการถ่ายแรงระหว่าง member ชิ้นล่างและชิ้นบน ผ่านรอยเชื่อม ซึ่งการถ่ายแรงผ่านรอยเชื่อมแต่ละด้านจะมีลักษณะที่แตกต่างกัน เนื่องจาก stiffness ของบริเวณผนังและขอบมุมนั้นแตกต่างกันค่อนข้างมาก จึงทำให้อาจเกิดการวิบัติดังรูปมุมล่างขวามือได้ คือ member จะเริ่มขาดออกจากรอยเชื่อมที่บริเวณขอบมุมก่อน เนื่องจากบริเวณนั้นมี stiffness ที่เยอะ และก็จะขาดไล่เข้ามาเรื่อยๆ ถึงตรงกลาง
.
ซึ่งเรื่องนี้มีระบุอยู่ใน AISC 360 – 16 chapter K ไว้ด้วย หากเปิด table K5.1 ก็จะเห็นว่ามีตารางที่ระบุ weld properties (lenth) ที่เหมาะสมสำหรับการทำ connection สำหรับ member ที่เป็น rectangular HSS เลย
……………………………………….
ข้อที่ 6 welded connection ที่ดีจะต้อง …
จะต้องมีการป้องกันการเสียหายบริเวณจุดที่ลึกที่สุด (ราก) ของแนวเชื่อม (root of weld) ข้อนี้ค่อนข้างตรงไปตรงมานะครับ คือ หากเรามี built-up T-section อย่างเช่นในรูปที่ 7 และทำการเชื่อมแบบด้านเดียว (ซึ่งในความเป็นจริง กำลังรับน้ำหนักของรอยเชื่อมอาจจะเพียงพอ ตามที่เราคำนวณ) แล้วทีนี้ก็ยึดตัวเหล็กตัวที่เป็นสีฟ้าไว้และใส่แรงทางด้านข้างเข้าไปดังรูป ซึ่งการเชื่อมด้านเดียวแบบนี้ มีโอกาสสูงมากที่จะทำให้แนวเชื่อมเกิดการแตกร้าวได้ที่บริเวณราก (root) ซึ่งวิธีการแก้ไขก็ง่ายมากครับ คือ ทำการเชื่อมเพิ่มเติมเข้าไปให้เป็นการเชื่อม 2 ด้าน (2-sided weld) นั่นเอง
.
ปัญหาเรื่องการเชื่อมด้านเดียว จะเห็นได้บ่อย ๆ โดยเฉพาะโครงสร้าง PEB ที่สั่งเข้ามาจากต่างประเทศ เช่น จีน เวียดนาม นะครับ ซึ่งแน่นอนครับว่ามันทำให้ต้นทุนในการก่อสร้างถูกลง แต่มันก็อาจตามมาด้วยผลลัพธ์ที่ไม่ค่อยจะดีเท่าไหร่ คือ การกัดกร่อนที่อาจเกิดขึ้นได้ง่ายบริเวณรอยต่อที่ไม่ได้ทำการเชื่อม หรือแม้กระทั่งเกิดการแตกร้าวที่บริเวณรอยเชื่อมดังเช่นในตัวอย่าง
……………………………………….

ข้อที่ 7 welded connection ที่ดีจะต้อง.

คำนึงถึง detail ที่ส่วนปลายของการเชื่อมเสมอ โดยเฉพาะเรื่องของการเว้นรอยเชื่อมจากส่วนปลายขอบของชิ้นส่วน Connection นั้นๆ ซึ่งเราจะพบ 2 กรณีที่เจอบ่อย ๆ ตามนี้

– ในโครงสร้างแบบ Truss ที่ Member ชิ้นนั้นรับแรงดึงแล้วมีชิ้น Diagonal มาต่อเข้ากันด้วยวิธีการเชื่อมแบบ Fillet Weld (ตามรูปด้านซ้ายของหน้า 9) ในกรณีเราจะเห็นว่าหากเราทำการเชื่อมยาวไปจนถึงส่วนขอบบนของชิ้นส่วนรับแรงดึงนี้ด้วยความร้อนในการเชื่อมจะทำให้บริเวณดังกล่าวเกิดเป็นรอย (notch) ขึ้น ทำให้ชิ้นงานออกมาเรียกได้ว่า “น่าเกลียด” ดังนั้นสิ่งที่เราทำได้ก็คือเว้นระยะจากส่วนปลายของรอยเชื่อมกับส่วนขอบบนนี้ซักหน่อยเพื่อไม่ให้เกิดรอยขึ้น ระยะเว้นตรงนี้ภาษาสากลเค้าจะเรียกกันว่า “Holdback” นะครับ

– อีกกรณีจะเป็นเรื่องของการยอมให้เกิด Relative Deformation ระหว่างชิ้นส่วน ยกตัวอย่างการเชื่อมแผ่น Stiffener ที่ Web (ตามรูปด้านขวาของหน้า 9) ของคานหากเราเชื่อมตลอดทั้งความยาวของแผ่น Stiffener โดยเว้นระยะไว้เพียงน้อยมาก (น้อยเกินไป) และเนื่องจากส่วนของ Web ที่ไม่ได้โดนเชื่อมกับแผ่น Stiffener ที่เหลือน้อยนี้อาจทำให้เกิด Deformation ขึ้นระหว่างการขนส่งได้ (Stiffness มันน้อยกว่าส่วนที่โดนเชื่อมเลยเกิด Deformation ขึ้นบริเวณนี้) และท้ายที่สุดอาจจะเกิด Fatigue Crack ขึ้นได้ ดังนั้นวิธีการแก้ปัญหาของเราก็เหมือนเดิมเลยคือเว้นระยะของรอยเชื่อมที่เราเชื่อมตามยาวของแผ่น Stiffener ไว้ให้พอเหมาะซักหน่อย โดย AISC กำหนดระยะเว้นไว้ที่ระยะมากกว่า 4 เท่าของความหนา Web แต่ไม่เกิน 6 เท่าของความหนา Web

**หมายเหตุ การเว้นระยะดังกล่าวนี้ AISC บอกว่าผู้ออกแบบสามารถมองข้ามเรื่องของกำลังที่อาจจะน้อยลงได้เลย

……………………………………….

ข้อที่ 8 welded connection ที่ดีจะต้อง …

มีการออกแบบให้ช่างเชื่อมนั้นทำงานได้ง่าย มองเผินๆ อาจจะ Common Sense ไปหน่อยแต่ถ้าดูกันจริงๆ แล้วมันส่งผลต่อคุณภาพในการเชื่อมของเราไม่มากก็น้อยเลย ซึ่งการที่จะให้ช่างเชื่อมได้ง่ายนั้นก็คือต้องมีช่องว่างมากพอที่จะให้ช่างเชื่อมนั้นเห็นการเชื่อมของตนได้ ขยายความการมองเห็นการเชื่อมก็คือช่างเชื่อมจะต้องมองส่วนที่เรียกว่า “บ่อละลาย” หรือ “Puddle” นั่นเอง (ในการเชื่อมทุกครั้งต้องใช้เปลวไฟเผาชิ้นงานบริเวณแนวที่จะเชื่อมจนร้อนหลอมละลายเป็นแอ่งกลมหรือที่เรียกว่าบ่อละลาย หรือ Puddle ซึ่งเป็นส่วนที่ร้อนที่สุดหลังจากนั้นให้ส่ายหัวเชื่อมเล็กน้อยเพื่อให้ความร้อนแก่ชิ้นงานได้อย่างทั่วถึง เมื่อชิ้นงานหลอมละลายเป็นบ่อละลายแล้วจึงเติมลวดเชื่อมลงไปเป็นตัวประสานชิ้นงาน)

……………………………………….

ข้อที่ 9 welded connection ที่ดีจะต้อง …

มีการเลือกประเภทของรอยต่อและการเชื่อมให้เหมาะสมกับลักษณะของแรงที่กระทำชิ้นส่วนนั้น ๆ ยกตัวอย่าง Connection ที่มาต่อกันแบบ Butt Joint โดยเชื่อม 2 ชิ้นเข้าด้วยรอยเชื่อมแบบ PJP Groove Weld (ตามหน้าที่ 11) จะเห็นว่าหาก Connection ดังกล่าวนี้รับแรงดึงจะถูกจัดประเภทว่าเป็น Connection ที่ “แย่” รอยเชื่อมจะไปทำให้ Centroid เปลี่ยนจุดทำให้แรงดึงไม่ผ่านจุด Centroid นี้และทำให้เกิด Rotation ขึ้น ในทางกลับกันถ้าหากนำ Connection ดังกล่าวนี้มารับแรงอัดก็ไม่เกิดปัญหาดังกล่าวนี้ซึ่งจัดได้ว่าเป็น Connection ที่ “ดี”

……………………………………….

ข้อที่ 10 welded connection ที่ดีจะต้อง …

คำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุเหล็กบางประการที่อาจจะส่งผลต่อคุณภาพของการเชื่อมได้ ในที่นี้จะยกตัวอย่างคุณสมบัติหนึ่งที่ส่งผลโดยตรงเลยคือคุณสมบัติ “Thickness Ductility”…ก่อนอื่นเราต้องมองย้อนถึงกระบวนการในการผลิตเหล็กก่อนเลย หลายท่านอาจจะยังไม่รู้ว่าเหล็กรูปพรรณที่เราใช้กันนี้มันต้องมีการผ่านกระบวนการของการรีดเหล็กมาก่อน และต้องบอกทุกท่านว่าในเหล็กที่เอามาใช้มันจะมีพวกสารปนเปื้อนติดมาเสมอ ในทางอุตสาหกรรมเค้าจะเรียกกันว่า “Inclusion” เมื่อเหล็กผ่านกระบวนการรีดดังกล่าวสารปนเปื้อนเหล่านี้ก็จะกระจายอยู่ทั่วแผ่นเหล็กที่รีดออกมาซึ่งส่วนมากจะกระจายอยู่ใกล้กับผิวของแผ่นเหล็ก ใช่ครับอย่างที่ทุกท่านคิด…Inclusion มันจะส่งผลต่อคุณสมบัติ (Properties) ของเหล็ก และคุณสมบัติที่โดนผลกระทบนี้โดยตรงก็คือ Ductility ในทิศทางความหนาของเหล็กนั่นเอง ท้ายสุดเมื่อนำเหล็กแผ่นที่ได้จากการรีดแต่ละชิ้นมาเชื่อมกันเป็นเหล็กรูปพรรณ ยกตัวอย่างนำเหล็กแผ่น 4 ชิ้นเชื่อมเข้ากันแบบ Filet Weld ประกอบเป็นเหล็กกล่อง (HSS) เมื่อความร้อนจากการเชื่อมลดลงจะทำให้เกิดการหดตัวเนื่องจากความเย็นของวัสดุเชื่อม ทำให้เกิดแรงดึงขึ้นและไปดึงเหล็กแผ่นที่นำมาประกอบในทิศทางของความหนาซึ่งอาจทำให้เกิดการแตกร้าวได้!!!

……………………………………….

ข้อที่ 11 welded connection ที่ดีจะต้อง …

คำนึงถึงความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานและความเป็นไปได้ในการติดตั้ง ทุกครั้งที่มาการนำมาชิ้นงานมาใช้และมาติดตั้งจะต้องมีการตรวจสอบที่เรียกว่าความคลาดเคลื่อน หรือ Tolerance ก่อนเสมอ คำว่าความคลาดเคลื่อนในที่นี้จะประกอบไปด้วย 1. ความคลาดเคลื่อนจากชิ้นงาน (อ้างอิงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จาก ASTM) 2. ความคลาดเคลื่อนจากการติดตั้ง (อ้างอิงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จาก AWS) หลายครั้งเมื่อคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้ทั้งสองออกมาค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จากการติดตั้งจะมากกว่าความคลาดเคลื่อนจากชิ้นงาน ทำให้บางครั้งเมื่อมีชิ้นส่วนที่มีความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานที่มาก 2 ชิ้นมาต่อเข้าด้วยกันอาจจะทำให้เกิดค่าความคลาดเคลื่อนของการติดตั้งเกินจาก Limit ที่กำหนดไว้ก็เป็นได้

……………………………………….

ข้อ 12 welded connection ที่ดีจะต้อง …

ออกแบบโดยคำนึงถึงความประหยัดแต่ต้องอยู่บนพื้นฐานของความปลอดภัย หลายครั้งที่ Option ที่ถูกกว่าจะมีวิธีการทำงานที่ยากและอาจทำให้เกิดอันตรายได้ ดังนั้นวิศวกรควรจะคำนึงถึงวิธี/ขั้นตอนในการทำงานที่ง่ายและปลอดภัย ตามรูปตัวอย่างหน้า 14 เลย

……………………………………….
ก็จบไปแล้ว 12 ข้อ หวังว่าหลายท่านน่าจะได้ประโยชน์และหยิบ Practice ดีๆ เหล่านี้ไปใช้ทำงานจริงได้นะครับ
 
ที่มา Facebook: @welovesteelconstruction Part1, Part2
12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม ตอนที่ 1 (12 principles of welded connection design Part 1)
credit: Duane K. Miller บริษัท Lincoln Electric Company
งาน: AISC The Flash Steel Conference
……………………………………….
เนื้อหาในส่วนนี้เป็นเนื้อหาที่มาจากงานสัมมนา The Flash Steel Conference ที่ทาง AISC จัดขึ้นเมื่อต้นปีที่ผ่านมา ซึ่งเนื้อหาที่จะเอามาคุยกันในวันนี้เป็นหัวข้อที่ค่อนข้างน่าสนใจครับ โดยเนื้อหาอาจจะไม่ได้ลงรายละเอียดลึกมาก แต่จะเป็นการเล่าให้เห็นภาพรวมของการเชื่อมที่ดี การเชื่อมที่ไม่ดี (แย่) และการเชื่อมที่เรียกได้ว่าน่าเกลียด (ugly) [เอามาจากงานสัมมนานะครับ เค้าใช้คำนี้ 55555]
……………………………………….
ข้อที่ 1 welded connection ที่ดีจะต้อง …
มีขนาดที่เหมาะสม ซึ่งคำว่าเหมาะสมนี้ ก็มีหลายความหมายซ่อนอยู่ในคำ ๆ เดียว ประกอบไปด้วย (i) จะต้องมีขนาดที่ใหญ่เพียงพอต่อการรับแรง แต่จะต้องไม่ใหญ่จนเกินความจำเป็น (not larger than necessary) ซึ่งปัญหาที่จะตามมาหากใช้ขาเชื่อมที่มีขนาดใหญ่จนเกินไป คือ
1. การเกิด distortion ที่ส่วนของ element ที่ทำการเชื่อม – ซึ่งหากดูจากรูปที่ 2 จะเห็นว่ามี welded T section 3 ชิ้น โดยแต่ละชิ้นใช้ขนาดขาเชื่อมที่ไม่เท่ากัน จะเห็นได้ว่า ชิ้นที่เกิดการ distort มากที่สุด จะหมายถึง ตัวที่ถูกเชื่อมด้วยขาเชื่อมขนาดใหญ่ที่สุดนั่นเอง (สังเกตได้จากขนาดของเงาที่อยู่ด้านล่าง)
2. ทำให้ต้นทุนการก่อสร้างเพิ่มขึ้น – แน่นอนว่าหากใช้ขาเชื่อมที่มีขนาดใหญ่ก็จะทำให้ต้นทุนของงานก่อสร้างเพิ่มมากขึ้น แต่เพิ่มขึ้นเท่าไหร่ คือ ประเด็น หากดูจากรูปที่ 2 ในตารางด้านล่าง ก็จะเห็นว่าหากเราขยับ size ของรอยเชื่อม จาก 3/16 นิ้ว ไปเป็น 1/4 นิ้ว ต้นทุนของการเชื่อมก็จะเพิ่มสูงขึ้นถึง 77% เลยทีเดียว ส่วนข้อมูลของต้นทุนที่เพิ่มขึ้นจากธูปเชื่อมขนาดอื่น ๆ ก็สามารถอ้างอิงได้จากตารางเช่นเดียวกัน
3. กระตุ้นให้ element เกิดการแตกร้าวและฉีกขาด
……………………………………….
ข้อที่ 2 welded connection ที่ดีจะต้อง …
เลือกลักษณะของการเชื่อมให้เหมาะสม โดยหากเป็นไปได้ให้เลือกจาก fillet weld > PJPs > CJPs
Fillet weld (การเชื่อมพอก)
Partial Joint Penetration (PJP) – เป็นการเชื่อมลักษณะหนึ่งของ groove weld ซึ่งจะต้องทำการบากตัวเหล็กให้เป็นร่องก่อน ซึ่งการเชื่อมแบบนี้ในทางปฏิบัติแล้วจะใช้ปริมาณธูปเชื่อมน้อยกว่าการเชื่อมแบบ fillet weld แต่…ด้วยการที่จะต้องทำdetail ของการบากร่อง (beveling) รวมกับราคาของธูปเชื่อมแล้ว ทำให้ราคานั้น แพงกว่าการเชื่อมแบบ fillet weld
แต่หากการเชื่อมแบบ PJP จะคุ้มค่ากว่าแบบ fillet weld >> ขนาดของธูปเชื่อมของ fillet weld จะต้องมีขนาดใหญ่กว่าการเชื่อมแบบ PJP ประมาณ 3/4 นิ้ว ครับ
Complete Joint Penetration (CJP) – เป็นลักษณะของการเชื่อมที่มีต้นทุนแพงที่สุด เนื่องจากเป็นการเชื่อมแบบเต็มร่อง โดยขั้นตอนก็คือ ให้ทำการบากร่องก่อน (บากลึก ดูได้จากรูปที่ 3) จากนั้นทำการเชื่อมเติมร่องไปก่อน 1 ฝั่ง แล้วทำการ backgouge (เป่าไฟให้เป็นร่องเพิ่มเติม เพื่อให้การเชื่อมด้านที่ 2 สามารถเชื่อมถึงรอยเชื่อมแรก) และท้ายที่สุดก็ทำการเชื่อมเติมร่องด้านที่เหลือให้เต็ม
หากเป็นไปได้ให้ทำการหลีกเลี่ยงการเชื่อมแบบนี้ เนื่องจากมีต้นทุนที่สูงและมีขั้นตอนในการทำที่ยุ่งยาก ซึ่งหากต้องการใช้รอยเชื่อมที่ใหญ่จริงๆ สามารถทำการเชื่อมแบบที่เรียกว่า multipass fillet นั่นก็คือ การเชื่อมพอกหลายชั้นนั่นเอง
……………………………………….
ข้อที่ 3 welded connection ที่ดีจะต้อง …
จะต้องมีลักษณะการรับน้ำหนักที่กระจายตัวอย่างเท่า ๆ กัน อย่างเช่นในรูปที่ 4 เช่น มีคาน H-Beam 1 ตัว และคานจะต้องแบกรับน้ำหนักเนื่องจากการแขวนวัตถุที่บริเวณด้านล่างของ bottom flange
– ลักษณะของการเชื่อมที่ดี – ควรที่จะเชื่อม plate ให้อยู่ในทิศทางเดียวกันกับ web ซึ่งจะทำให้แรงจาก plate ที่แบกรับวัตถุสามารถถ่ายไปยัง web ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
– ลักษณะการเชื่อมที่ไม่ดี และไม่ควรทำ – จะเป็นดังรูปที่ 4 ด้านล่าง คือ การหมุน plate ไป 90 องศา และทำการเชื่อมติดกับ bottom flange ซึ่งการเชื่อมลักษณะนี้จะทำให้การถ่ายแรงจาก element หนึ่ง ไปยังอีก element หนึ่ง ทำได้อย่างลำบาก และแรงที่ถูกถ่ายไปมีการกระจายตัวที่ไม่เท่ากัน
วิธีการแก้ไข หากต้องการจะทำการเชื่อม plate ในทิศทางนี้ก็คือ การติดตั้ง stiffener เพิ่มเติมเข้าไป ซึ่งการทำอย่างนี้ก็จะช่วยให้แรงที่มากระทำสามารถที่จะถ่ายแรงไปยัง web ของ H-Beam ได้อย่างเท่า ๆ กันนั่นเอง
……………………………………….
ข้อที่ 4 welded connection ที่ดีจะต้อง …
พิจารณาถึงการกระจายตัวของ stress ที่ไม่เท่ากัน เมื่อ element ไม่ได้ถูกเชื่อมทั้งหมด (มีบาง element ไม่โดนเชื่อม) ดังรูปที่ 5 คือ มีการเชื่อม plate ติดเข้ากับ top flange และ bottom flange ซึ่ง element ที่ไม่ได้ถูกเชื่อมก็คือตัว web ดังนั้นแล้ว เมื่อเกิดแรงดึงในทิศทางดังรูป การถ่ายแรงก็จะไปเกิดที่บริเวณ flange ทั้ง 2 ด้าน เท่านั้น ซึ่งแปลว่า stress ที่กระจายไม่ได้กระจายไปทั้งหน้าตัดของตัว H-Beam
การพิจารณานี้ก็เลยเป็นที่มาของเรื่อง shear lag ซึ่ง concept นี้จะใช้กับ tension member ในเกือบ ๆ ทุกกรณี ยกเว้น member ที่เป็น HSS
……………………………………….
ข้อที่ 5 welded connection ที่ดีจะต้อง …
พิจารณาถึงการถ่ายแรงที่ไม่เท่ากันตามแนวความยาวของรอยเชื่อมเนื่องจากความแตกต่างของ stiffness ของผนังเหล็กกล่อง HSS (เนื่องจากขอบมุม) เช่น จากตัวอย่างในหน้าที่ 6 หากมี square tube 2 ชิ้น มาต่อกันด้วยการเชื่อมตามความยาวทั้ง 4 ด้าน จากนั้นใส่แรงดึงให้มากระทำกับ square tube ชิ้นล่าง ซึ่งก็จะทำให้เกิดการถ่ายแรงระหว่าง member ชิ้นล่างและชิ้นบน ผ่านรอยเชื่อม ซึ่งการถ่ายแรงผ่านรอยเชื่อมแต่ละด้านจะมีลักษณะที่แตกต่างกัน เนื่องจาก stiffness ของบริเวณผนังและขอบมุมนั้นแตกต่างกันค่อนข้างมาก จึงทำให้อาจเกิดการวิบัติดังรูปมุมล่างขวามือได้ คือ member จะเริ่มขาดออกจากรอยเชื่อมที่บริเวณขอบมุมก่อน เนื่องจากบริเวณนั้นมี stiffness ที่เยอะ และก็จะขาดไล่เข้ามาเรื่อยๆ ถึงตรงกลาง
.
ซึ่งเรื่องนี้มีระบุอยู่ใน AISC 360 – 16 chapter K ไว้ด้วย หากเปิด table K5.1 ก็จะเห็นว่ามีตารางที่ระบุ weld properties (lenth) ที่เหมาะสมสำหรับการทำ connection สำหรับ member ที่เป็น rectangular HSS เลย
……………………………………….
ข้อที่ 6 welded connection ที่ดีจะต้อง …
จะต้องมีการป้องกันการเสียหายบริเวณจุดที่ลึกที่สุด (ราก) ของแนวเชื่อม (root of weld) ข้อนี้ค่อนข้างตรงไปตรงมานะครับ คือ หากเรามี built-up T-section อย่างเช่นในรูปที่ 7 และทำการเชื่อมแบบด้านเดียว (ซึ่งในความเป็นจริง กำลังรับน้ำหนักของรอยเชื่อมอาจจะเพียงพอ ตามที่เราคำนวณ) แล้วทีนี้ก็ยึดตัวเหล็กตัวที่เป็นสีฟ้าไว้และใส่แรงทางด้านข้างเข้าไปดังรูป ซึ่งการเชื่อมด้านเดียวแบบนี้ มีโอกาสสูงมากที่จะทำให้แนวเชื่อมเกิดการแตกร้าวได้ที่บริเวณราก (root) ซึ่งวิธีการแก้ไขก็ง่ายมากครับ คือ ทำการเชื่อมเพิ่มเติมเข้าไปให้เป็นการเชื่อม 2 ด้าน (2-sided weld) นั่นเอง
.
ปัญหาเรื่องการเชื่อมด้านเดียว จะเห็นได้บ่อย ๆ โดยเฉพาะโครงสร้าง PEB ที่สั่งเข้ามาจากต่างประเทศ เช่น จีน เวียดนาม นะครับ ซึ่งแน่นอนครับว่ามันทำให้ต้นทุนในการก่อสร้างถูกลง แต่มันก็อาจตามมาด้วยผลลัพธ์ที่ไม่ค่อยจะดีเท่าไหร่ คือ การกัดกร่อนที่อาจเกิดขึ้นได้ง่ายบริเวณรอยต่อที่ไม่ได้ทำการเชื่อม หรือแม้กระทั่งเกิดการแตกร้าวที่บริเวณรอยเชื่อมดังเช่นในตัวอย่าง
……………………………………….

ข้อที่ 7 welded connection ที่ดีจะต้อง.

คำนึงถึง detail ที่ส่วนปลายของการเชื่อมเสมอ โดยเฉพาะเรื่องของการเว้นรอยเชื่อมจากส่วนปลายขอบของชิ้นส่วน Connection นั้นๆ ซึ่งเราจะพบ 2 กรณีที่เจอบ่อย ๆ ตามนี้

– ในโครงสร้างแบบ Truss ที่ Member ชิ้นนั้นรับแรงดึงแล้วมีชิ้น Diagonal มาต่อเข้ากันด้วยวิธีการเชื่อมแบบ Fillet Weld (ตามรูปด้านซ้ายของหน้า 9) ในกรณีเราจะเห็นว่าหากเราทำการเชื่อมยาวไปจนถึงส่วนขอบบนของชิ้นส่วนรับแรงดึงนี้ด้วยความร้อนในการเชื่อมจะทำให้บริเวณดังกล่าวเกิดเป็นรอย (notch) ขึ้น ทำให้ชิ้นงานออกมาเรียกได้ว่า “น่าเกลียด” ดังนั้นสิ่งที่เราทำได้ก็คือเว้นระยะจากส่วนปลายของรอยเชื่อมกับส่วนขอบบนนี้ซักหน่อยเพื่อไม่ให้เกิดรอยขึ้น ระยะเว้นตรงนี้ภาษาสากลเค้าจะเรียกกันว่า “Holdback” นะครับ

– อีกกรณีจะเป็นเรื่องของการยอมให้เกิด Relative Deformation ระหว่างชิ้นส่วน ยกตัวอย่างการเชื่อมแผ่น Stiffener ที่ Web (ตามรูปด้านขวาของหน้า 9) ของคานหากเราเชื่อมตลอดทั้งความยาวของแผ่น Stiffener โดยเว้นระยะไว้เพียงน้อยมาก (น้อยเกินไป) และเนื่องจากส่วนของ Web ที่ไม่ได้โดนเชื่อมกับแผ่น Stiffener ที่เหลือน้อยนี้อาจทำให้เกิด Deformation ขึ้นระหว่างการขนส่งได้ (Stiffness มันน้อยกว่าส่วนที่โดนเชื่อมเลยเกิด Deformation ขึ้นบริเวณนี้) และท้ายที่สุดอาจจะเกิด Fatigue Crack ขึ้นได้ ดังนั้นวิธีการแก้ปัญหาของเราก็เหมือนเดิมเลยคือเว้นระยะของรอยเชื่อมที่เราเชื่อมตามยาวของแผ่น Stiffener ไว้ให้พอเหมาะซักหน่อย โดย AISC กำหนดระยะเว้นไว้ที่ระยะมากกว่า 4 เท่าของความหนา Web แต่ไม่เกิน 6 เท่าของความหนา Web

**หมายเหตุ การเว้นระยะดังกล่าวนี้ AISC บอกว่าผู้ออกแบบสามารถมองข้ามเรื่องของกำลังที่อาจจะน้อยลงได้เลย

……………………………………….

ข้อที่ 8 welded connection ที่ดีจะต้อง …

มีการออกแบบให้ช่างเชื่อมนั้นทำงานได้ง่าย มองเผินๆ อาจจะ Common Sense ไปหน่อยแต่ถ้าดูกันจริงๆ แล้วมันส่งผลต่อคุณภาพในการเชื่อมของเราไม่มากก็น้อยเลย ซึ่งการที่จะให้ช่างเชื่อมได้ง่ายนั้นก็คือต้องมีช่องว่างมากพอที่จะให้ช่างเชื่อมนั้นเห็นการเชื่อมของตนได้ ขยายความการมองเห็นการเชื่อมก็คือช่างเชื่อมจะต้องมองส่วนที่เรียกว่า “บ่อละลาย” หรือ “Puddle” นั่นเอง (ในการเชื่อมทุกครั้งต้องใช้เปลวไฟเผาชิ้นงานบริเวณแนวที่จะเชื่อมจนร้อนหลอมละลายเป็นแอ่งกลมหรือที่เรียกว่าบ่อละลาย หรือ Puddle ซึ่งเป็นส่วนที่ร้อนที่สุดหลังจากนั้นให้ส่ายหัวเชื่อมเล็กน้อยเพื่อให้ความร้อนแก่ชิ้นงานได้อย่างทั่วถึง เมื่อชิ้นงานหลอมละลายเป็นบ่อละลายแล้วจึงเติมลวดเชื่อมลงไปเป็นตัวประสานชิ้นงาน)

……………………………………….

ข้อที่ 9 welded connection ที่ดีจะต้อง …

มีการเลือกประเภทของรอยต่อและการเชื่อมให้เหมาะสมกับลักษณะของแรงที่กระทำชิ้นส่วนนั้น ๆ ยกตัวอย่าง Connection ที่มาต่อกันแบบ Butt Joint โดยเชื่อม 2 ชิ้นเข้าด้วยรอยเชื่อมแบบ PJP Groove Weld (ตามหน้าที่ 11) จะเห็นว่าหาก Connection ดังกล่าวนี้รับแรงดึงจะถูกจัดประเภทว่าเป็น Connection ที่ “แย่” รอยเชื่อมจะไปทำให้ Centroid เปลี่ยนจุดทำให้แรงดึงไม่ผ่านจุด Centroid นี้และทำให้เกิด Rotation ขึ้น ในทางกลับกันถ้าหากนำ Connection ดังกล่าวนี้มารับแรงอัดก็ไม่เกิดปัญหาดังกล่าวนี้ซึ่งจัดได้ว่าเป็น Connection ที่ “ดี”

……………………………………….

ข้อที่ 10 welded connection ที่ดีจะต้อง …

คำนึงถึงคุณสมบัติของวัสดุเหล็กบางประการที่อาจจะส่งผลต่อคุณภาพของการเชื่อมได้ ในที่นี้จะยกตัวอย่างคุณสมบัติหนึ่งที่ส่งผลโดยตรงเลยคือคุณสมบัติ “Thickness Ductility”…ก่อนอื่นเราต้องมองย้อนถึงกระบวนการในการผลิตเหล็กก่อนเลย หลายท่านอาจจะยังไม่รู้ว่าเหล็กรูปพรรณที่เราใช้กันนี้มันต้องมีการผ่านกระบวนการของการรีดเหล็กมาก่อน และต้องบอกทุกท่านว่าในเหล็กที่เอามาใช้มันจะมีพวกสารปนเปื้อนติดมาเสมอ ในทางอุตสาหกรรมเค้าจะเรียกกันว่า “Inclusion” เมื่อเหล็กผ่านกระบวนการรีดดังกล่าวสารปนเปื้อนเหล่านี้ก็จะกระจายอยู่ทั่วแผ่นเหล็กที่รีดออกมาซึ่งส่วนมากจะกระจายอยู่ใกล้กับผิวของแผ่นเหล็ก ใช่ครับอย่างที่ทุกท่านคิด…Inclusion มันจะส่งผลต่อคุณสมบัติ (Properties) ของเหล็ก และคุณสมบัติที่โดนผลกระทบนี้โดยตรงก็คือ Ductility ในทิศทางความหนาของเหล็กนั่นเอง ท้ายสุดเมื่อนำเหล็กแผ่นที่ได้จากการรีดแต่ละชิ้นมาเชื่อมกันเป็นเหล็กรูปพรรณ ยกตัวอย่างนำเหล็กแผ่น 4 ชิ้นเชื่อมเข้ากันแบบ Filet Weld ประกอบเป็นเหล็กกล่อง (HSS) เมื่อความร้อนจากการเชื่อมลดลงจะทำให้เกิดการหดตัวเนื่องจากความเย็นของวัสดุเชื่อม ทำให้เกิดแรงดึงขึ้นและไปดึงเหล็กแผ่นที่นำมาประกอบในทิศทางของความหนาซึ่งอาจทำให้เกิดการแตกร้าวได้!!!

……………………………………….

ข้อที่ 11 welded connection ที่ดีจะต้อง …

คำนึงถึงความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานและความเป็นไปได้ในการติดตั้ง ทุกครั้งที่มาการนำมาชิ้นงานมาใช้และมาติดตั้งจะต้องมีการตรวจสอบที่เรียกว่าความคลาดเคลื่อน หรือ Tolerance ก่อนเสมอ คำว่าความคลาดเคลื่อนในที่นี้จะประกอบไปด้วย 1. ความคลาดเคลื่อนจากชิ้นงาน (อ้างอิงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จาก ASTM) 2. ความคลาดเคลื่อนจากการติดตั้ง (อ้างอิงค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จาก AWS) หลายครั้งเมื่อคำนวณค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้ทั้งสองออกมาค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมให้จากการติดตั้งจะมากกว่าความคลาดเคลื่อนจากชิ้นงาน ทำให้บางครั้งเมื่อมีชิ้นส่วนที่มีความคลาดเคลื่อนของชิ้นงานที่มาก 2 ชิ้นมาต่อเข้าด้วยกันอาจจะทำให้เกิดค่าความคลาดเคลื่อนของการติดตั้งเกินจาก Limit ที่กำหนดไว้ก็เป็นได้

……………………………………….

ข้อ 12 welded connection ที่ดีจะต้อง …

ออกแบบโดยคำนึงถึงความประหยัดแต่ต้องอยู่บนพื้นฐานของความปลอดภัย หลายครั้งที่ Option ที่ถูกกว่าจะมีวิธีการทำงานที่ยากและอาจทำให้เกิดอันตรายได้ ดังนั้นวิศวกรควรจะคำนึงถึงวิธี/ขั้นตอนในการทำงานที่ง่ายและปลอดภัย ตามรูปตัวอย่างหน้า 14 เลย

……………………………………….
ก็จบไปแล้ว 12 ข้อ หวังว่าหลายท่านน่าจะได้ประโยชน์และหยิบ Practice ดีๆ เหล่านี้ไปใช้ทำงานจริงได้นะครับ

 

ที่มา Facebook: @welovesteelconstruction Part1, Part2

12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม

12 หลักในการออกแบบรอยเชื่อม

บริษัท พีพี ไมโครไพล์ จำกัด (สำนักงานใหญ่)

50 ม.1 ตำบลบางเตย อำเภอสามโคก จังหวัดปทุมธานี 12160
สำนักงาน: 02 039 7596 โทรสาร: 02 977 3522
โทร: 081 357 2199
PPmicropile@gmail.com