การนำ Cellular Beam มาใช้ก่อสร้างอาคาร

โดย นาย ปรีชา  โพทิพยวงษ์  สย.10928

บ.วงษ์ทิพย์  เอ็นจิเนียริ่ง จก.

เซลลูลาร์ บีม Cellular Beam  คือคานที่ขยายหน้าตัด(Section)ความสูง ของแผ่นเอว (Web) ให้สูงขึ้นเพื่อที่จะนำมาใช้ประโยชน์ได้สูงขึ้น สามารถแปรรูปหน้าตัดจากเหล็กH-Beam หรือจากแผ่นเหล็กนำมาตัดและเชื่อมประกอบ

คุณสมบัติ  (Properties)สำคัญ ในการต้านทานแรงดัดของคานคือ ความสูงของหน้าตัด(Dept.) เมื่อหน้าตัดของคานสูงขึ้นค่า Momemt of inertia (Ix.) ก็จะเพิ่มมากขึ้น ส่งผลให้ คานมีความสามารถต้านทานแรงดัด (Bending Moment) ได้สูงขึ้น  จากคุณสมบัติข้อนี้เราจึงนำคานที่ขยายเพิ่มความสูง ไปใช้งานในช่วงความกว้าง (Span) ของโครงสร้าง ได้กว้างมากขึ้น

ดังนั้น การนำคานเหล็ก H-Beam เดิมมาแปลงหน้าตัดเพื่อเพิ่มกำลังต้านทานแรงดัดและนำไปใช้ประโยชน์เพิ่มมากขึ้น จึงเป็นอีกทางเลือกให้ผู้ลงทุนก่อสร้างอาคาร หรือ ผู้ออกแบบให้ความสนใจ เพราะจะประหยัดต้นทุนค่าเหล็กโดยนำเหล็กเล็กที่มีน้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำไปแปลงหน้าตัดให้หน้าตัดสูงขึ้นให้รับน้ำหนักได้เท่ากับเหล็กขนาดใหญ่ โดยที่จะมีค่าใช้จ่ายเฉพาะค่าแปลงหน้าตัด ที่บวกเพิ่มขึ้นแต่ค่าวัสดุยังคงเดิม และยังลดน้ำหนักของโครงสร้างลงได้อีกด้วย

การนำคาน Cellular Beam มาใช้ในโครงสร้างอาคารเหล็กรูปพรรณ

ประโยชน์อีกประการของการใช้คาน Cellular Beam   คือช่องเปิดวงกลมที่Web ยังสามารถเดินท่อน้ำ หรือท่อจ่ายพลังงานต่างๆเพื่อการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม ผ่านคานในช่องเปิดวงกลมนี้ได้ ลดปัญหาการเดินท่อผ่านโครงสร้างอาคารที่เคยพบในการใช้โครงสร้างแบบเดิม

การนำคาน  Cellular Beam มาใช้แทนคานเหล็กทั่วไปมีมาประมาณ 50 ปี โดยในช่วงแรกจะเป็นการตัดเปิดช่องเป็นรูป 6 เหลี่ยม(Castellated beam) เนื่องจากง่ายต่อการตัดและเชื่อมประกอบ  ต่อมาเมื่อมีการพัฒนาเครื่องตัดเหล็ก มาเป็นระบบ ควบคุมด้วย CNC มีการตัดที่แม่นยำและรวดเร็วขึ้นจึงง่ายต่อการตัดและประกอบหน้าตัดเป็น Cellular Beam

การตัดคานเหล็กแปลงหน้าตัดเป็นCellular Beamด้วยเครื่องตัด CNC

ปัจจุบัน ในประเทศไทยได้มีการผลิตและใช้งาน   Cellular Beam กันอย่างแพร่หลาย มีการนำคานนี้ออกแบบใช้กับโครงหลังคาจั่ว(Gable Frame) หรือกับโครงสร้างเสา – คานในอาคารโครงสร้างเหล็ก การออกแบบและนำไปใช้งานจะเหมือนกับเหล็ก H-Beam หรือ I-Beam ทั่วไป  จุดเชื่อมต่อ(Joint) ที่ Support  สามารถทำได้ทั้งการเจาะรูขันน็อต และ การเชื่อม(Weld) 

ขั้นตอนการผลิต Cellular Beam

โดยทั่วไปมีวิธีผลิตอยู่ 2 แบบคือการนำเหล็ก H-Beam ขนาดที่มีจำหน่ายอยู่ในท้องตลาด มาแปลงหน้าตัดเพิ่มความสูงของคาน(Dept)  จากเดิม ให้มีความสูงเพิ่มขึ้น เพื่อประโยชน์ในการรับน้ำหนักการต้านทานแรงดัดจากน้ำหนักบรรทุกที่จะนำคานไปรองรับ ที่จะมีความสามารถเพิ่มมากขึ้น

รูปแบบ Drawingการเหล็กคาน

กรรมวิธีคือการตัดเป็นรูปครึ่งวงกลมขนาดเท่ากัน ต่อเนื่องกันไปตลอดความยาว เมื่อผ่าคานเดิมออกเป็น สองส่วนแล้วตัดเฉือนเป็นรูปส่วนของวงกลมอีกข้าง เพื่อให้ รูปวงกลมของคานที่ผ่าออกทั้งสองซีก นำมาประกอบ(Reform)วางซ้อนกันให้วงกลมที่แผ่นเอว (Web) ต่อเนื่องกันตลอดทั้งความยาวคาน จากนั้นก็เชื่อมยึดรอยต่อให้แข็งแรงจะได้Cellular Beam  ในขนาดใหม่ที่หน้ากว้างขึ้นตามที่ต้องการ

คานเหล็กหลังจากตัดผ่าออกเป็น สองส่วนเพื่อประกอบกลับเข้าไป

อีกวิธี คือการนำแผ่นเหล็ก (Steel Plate) มาตัดเป็นวงกลมตามลวดลาย(Profile)ที่แบบกำหนด แล้วนำไปประกอบกับเหล็กแผ่นที่จะมาเป็นแผ่นปีกคาน บน และล่าง (Flange) วิธีนี้เหมาะสำหรับคานที่มีรูปร่างโค้งตามแบบ สถาปัตย์ หรืออาจจะมีขนาด ความลึกคาน(Dept)  ที่ไม่เท่ากัน เราสามารถสร้างขึ้นมาได้ หรืออาจจะมีขนาดของปีกคานที่ไม่เท่ากันเพื่อความสามารถในการรับน้ำหนักของคานตามที่ออกแบบไว้ หรือประโยชน์ด้านต้นทุนการใช้วัสดุ ก็สามารถ ออกแบบและประกอบขึ้นมาในขั้นตอนนี้

ข้อเสียอย่างหนึ่ง ของการสร้างคานนี้ คือการตัด ประกอบและการเชื่อมเหล็กกลับเป็นคานอีกครั้ง ( Built-up Beam ) ฉนั้นเราไม่สามารถหลีกเลี่ยงปัญหารการบิด งอเนื่องจากความร้อนที่ใช้ในการตัด และ การเชื่อม ฉะนั้นหลังจาการประกอบและเชื่อมแล้ว ขั้นตอนสำคัญ อย่างหนึ่งคือการดัดคานเหล็กให้ตรงไม่บิดงอ  ซึ่งการลดการบิดงอนี้ต้องเริ่มตั้งแต่การตัด การประกอบ (Fit up) ที่ต้องมีความแม่นยำ ควบคุมขนาดระยะต่างๆและควบคุมคุณภาพงานเชื่อม  

ให้สามารถที่จะนำไปใช้งานได้โดยอยู่ภายใต้เกณฑ์มาตรฐาน โดยค่าการรับแรงต่างๆที่ยอมรับได้(Allowable Stress ) จะต้องมีการทดสอบและรับรองก่อนนำไปใช้งาน เพื่อความปลอดภัยต่ออาคาร

การเชื่อมรอยต่อภายในคานหลังจากแปลงหน้าตัด Cellular Beam

สรุป จากการศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับคานนี้ เราสามารถตัดสินใจได้ว่าจะเลือกใช้เหล็กนี้ไปเป็นโครงสร้าง อาคาร หรือไม่ ขึ้นอยู่กับปัจจัยประกอบหลายด้าน เพื่อการตัดสินใจ ถ้าจะห่วงในเรื่องความสูญเสียความแข็งแรง จากการตัดและเชื่อมต่อกันใหม่ ของคานนี้ ก็อย่าลืมว่าโครงสร้างทรัส(Truss)ก็ประกอบและเชื่อมต่อทั้งโครงสร้างด้วย เหล็กชิ้นเล็กมาต่อค้ำยันกันที่รอยต่อ (Node)   และมีการเชื่อมที่เยอะตลอดความยาวของโครงเช่นกัน หรือคานเหล็กประกอบ Built Up Beam ก็ล้วนเชื่อมประกอบมาจากแผ่นเหล็กหลายชิ้นเช่นกัน ทั้งนี้หากมีการควบคุมการเชื่อมในโรงงานผลิต ให้เป็นไปตามมาตรฐาน ก็จะได้ผลงานที่ดีมีคุณภาพได้เช่นกัน

ในส่วนของการออกแบบ ในปัจจุบันยังมีSoftware หลายตัวที่มาช่วยคำนวณออกแบบและตรวจสอบความแข็งแรงของคานCellular Beam โดยกำหนดขนาดของรูวงกลมและ ระยะห่าง ของช่องวงกลม เพื่อการแปลงหน้าตัดจากเหล็กปกติ ไปเป็นคาน Cellular Beam พร้อมระบุค่า คุณสมบัติต่างๆของเหล็ก หลังจากแปลงหน้าตัด ทำให้เกิดความสะดวกต่อผู้ออกแบบที่จะใช้ออกแบบหรือใช้ตรวจสอบเพื่อให้เกิดความปลอดภัย เมื่อนำไปใช้งาน           

ดังนั้น เมื่อตัดสินใจที่จะใช้คานเหล็กCellular Beam แล้ว ข้อสำคัญคือต้องเลือกบริษัทผลิต ที่มีคุณภาพ มีเครื่องมือ อุปกรณ์จำเป็นที่ครบ และมีการควบคุมการผลิตทุกขั้นตอน ทั้งหมดนี้ในราคาที่สมเหตุผล ท่านก็จะได้คาน Cellular Beam ไปใช้ตามวัตถุประสงค์ตามที่ตั้งไว้