155 บทที่ 8 ความแข็งแรงของรอยเชื่อม 8.1 องค์ประกอบความแข็งแรงของโครงสร้าง ในการก่อสร้างโครงสร้างอาคาร หรือโครงสร้ างเหล็กที่มีงานเชื่อม ผู้ออกแบบงานนอกจากต้อง ค านึงถึงราคาในการก่อสร้ างแล้ วยังต้องค านึงถึงความแข็งแรงของโครงสร้ างด้วย ซึ่งขึ ้นอยู่กับ องค์ประกอบหลายอย่าง เช่น การกระท าของแรงหรือน ้าหนักบรรทุก ชนิดของรอยเชื่อม ชนิดของวัสดุ หรือการสะสมความร้อนในรอยเชื่อม เป็นต้น 8.1.1 ลักษณะการกระท าของแรง ลักษณะการกระท าของแรงที่กระท าต่อชิ ้นงานมีอยู่หลายลักษณะด้วยกัน ซึ่งแต่ละลักษณะจะ มีผลต่อความเสียหายของชิ ้นงานไม่เหมือนกัน ดังนั ้นผู้ออกแบบงานเชื่อมจะต้องสามารถจ าแนก ลักษณะของแรงแบบต่างๆ ได้เพื่อเป็นข้อมูลในการเลือกใช้ค่าความปลอดภัยหรือค่าความเค้นที่ยอมให้ เกิดขึ ้นได้ในรอยเชื่อม 8.1.1.1แรงกระท าคงที่ (static load) แรงกระท าคงที่..คือ...แรงกระท ากับชิ ้นงานคงที่อย่างต่อเนื่องตลอดเวลา...ไม่มีการเคลื่อนย้าย หรือเปลี่ยนแปลงขนาดของแรง เช่น ชิ ้นส่วนของโครงสร้างของอาคาร ดังรูปที่ 8.1(ก) ขาแขวนโคมไฟฟ้า ในอาคาร เป็นต้น แรงกระท าคงที่ที่กระท ากับชิ ้นงานนี ้ เขียนเป็นกราฟได้ดังรูปที่ 8.1(ข) (ก) (ข) รูปที่8-1 แรงกระท าคงที่ (ที่มา: มนตรี, 2547) 8.1.1.2แรงกระท าเปลี่ยนแปลง (Dynamic loading) แรงกระท าเปลี่ยนแปลง คือ แรงที่มีการเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาอยู่เสมอ หรือแรงกระท าแบบ ซ ้าๆ (Cyclic loading) เช่น สะพานแขวน ดังรูปที่ 8.2(ก) รางรถไฟที่ต้องรับน ้าหนักเมื่อมีรถยนต์หรือ รถไฟวิ่งผ่านไปมา..ปีกเครื่องบินที่รับแรงปะทะจากลมจนเกิดการกระเพื่อมขึ ้นลง..เพลางานของล้อ สายพาน เพลางานของเครื่องกลึง เป็นต้น แรงกระท าเปลี่ยนแปลงที่กระท ากับชิ ้นงานนี ้เขียนเป็นกราฟ ได้ดังรูปที่ 8.2(ข)
156 (ก) (ข) รูปที่8-2 แรงกระท าเปลี่ยนแปลง (ที่มา: มนตรี, 2547) 8.1.2 ชนิดของรอยเชื่อม 8.1.2.1 รอยเชื่อมแบบต่อชน (Butt weld) รูปที่8-3 รอยเชื่อมแบบต่อชน (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) 8.1.2.2 รอยเชื่อมแบบฟิ ลเลต (Fillet weld) (ก) รอยต่อแบบตัวที (ข) รอยต่อแบบต่อเกย รูปที่8-4 รอยเชื่อมแบบฟิ ลเลต (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) 8.1.2.3 รอยเชื่อมแบบอุดรู (Plug weld) และ รอยเชื่อมแบบร่อง (Slot weld) (ก) รอยต่อแบบอุดรู (ข) รอยต่อแบบร่อง รูปที่8-5 รอยเชื่อมแบบแบบอุดรูและรอยเชื่อมแบบร่อง (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) 8.1.3 ขนาดคอรอยเชื่อม (throat : t e ) การค านวณเพื่อหาความแข็งแรงของรอยเชื่อมขึ ้นอยู่กับพื ้นที่ที่ตั ้งฉากกับทิศทางของแรงกระท า พื ้นที่นี ้ เรียกว่า พื ้นที่ประสิทธิผลของรอยเชื่อมซึ่งประกอบด้วยคอรอยเชื่อม (throat : t e ) และความยาว รอยเชื่อม การพิจารณาระยะขนาดคอรอยเชื่อมจะเปลี่ยนไปตามชนิดของรอยเชื่อมดังต่อไปนี ้
157 8.1.3.1 ขนาดคอรอยเชื่อมแบบต่อชน (ก) (ข) (ค) (ง) รูปที่8-6 ระยะคอรอยเชื่อมแบบต่อชน (ที่มา: พิภพ, 2550) เมื่อ t e คือ ขนาดคอรอยเชื่อม (ระยะ throat ของรอยเชื่อม) t คือ ความหนาของชิ ้นงาน D คือ ระยะการบากชิ ้นงานของรอยเชื่อม คือ มุมบากของชิ ้นงาน 8.1.3.2 ขนาดคอรอยเชื่อมแบบฟิ ลเลต รูปที่8-7 ระยะคอรอยเชื่อมแบบฟิ ลเลต (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) 8.2 ค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ้นได้ในรอยเชื่อม (Allowable Stress : all ) ค่าสูงสุดของความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้ในรอยเชื่อมจะเป็นค่าที่ใช้ในการออกแบบ เพื่อสร้าง ชิ ้นงานโครงสร้าง ค่าความเค้นนี ้เป็นค่าที่ต้องทราบอย่างแน่ชัดว่ามีความปลอดภัยตามคุณสมบัติเชิงกล ที่ประกอบไปด้วยเนื ้อโลหะชิ ้นงานพื ้นฐาน เนื ้อโลหะรอยเชื่อม(จากลวดเชื่อมและชิ ้นงาน) ลักษณะของ แรงกระท า และลักษณะของรอยต่อชิ ้นงาน ค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้ต้องมีค่าตามมาตรฐาน ก าหนด ในการออกแบบชิ ้นงานโครงสร้างที่สร้างขึ ้นโดยการเชื่อม ค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้จะ
158 เปลี่ยนไปตามความส าคัญ และลักษณะการใช้งานสิ่งก่อสร้างด้วย ค่าความเค้นที่ค านวณได้จากสมการ จะต้องมีค่าต ่ากว่าค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้ เขียนเป็นสมการได้คือ (8-1) ค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้ตามมาตรฐาน AWS (American Welding Society) และ AISC (American Institute of Steel Construction) ดังตารางที่8-1และตารางที่8-2 ตารางที่8-1 ค่าความแข็งแรงต ่าสุดของลวดเชื่อมไฟฟ้าหุ้มฟลักซ์ตามมาตรฐาน AWS และโลหะ ชิ ้นงานตามมาตรฐาน ASTM (American Society for Testing and Materials)
159 ตารางที่ 8-2 ความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นของโครงสร้างชิ ้นงานเชื่อมรับแรงสถิต ตามมาตรฐาน AISC (American Institute of Steel Construction) หมายเหตุ การเปลี่ยนหน่วยจาก psi (lb/in2 ) เป็น N/m2 (Pa) ต้องคูณด้วย 6.8948 x 103 และหน่วย MN/m2 เท่ากับ N/mm2
160 8.3 รอยเชื่อมรับแรงผ่านจุดศูนย์กลาง การค านวณความแข็งแรงของรอยเชื่อมโครงสร้างรับแรงสถิต จะพิจารณาจากแรงที่กระท า บนรอยเชื่อม โดยรอยเชื่อมต่อความยาวจะรับแรงเท่าๆ กัน ซึ่งแรงจะกระท าผ่านจุดศูนย์กลางของกลุ่ม รอยเชื่อมดังรูปที่8-8 รูปที่8-8 แรงกระท าผ่านจุดศูนย์กลางของกลุ่มรอยเชื่อม (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) การค านวณความแข็งแรงของรอยเชื่อมแบ่งตามชนิดของรอยต่อได้ดังนี ้คือ 8.3.1 ความแข็งแรงของรอยเชื่อมแบบต่อชน (Butt weld) จากรูป 8.9 รอยเชื่อมหลอมลึกตลอดแนว สามารถหาแรงที่กระท ากับรอยเชื่อมจากสมการ คือ F = t A = t t e (8-2) เมื่อ t คือ ความเค้นแรงดึง t คือ ความหนาของแผ่นโลหะ คือ ความยาวของรอยเชื่อม t e คือ ระยะ throat ของรอยเชื่อม F คือ แรงที่กระท ากับรอยเชื่อม A คือ พื ้นที่หน้าตัดที่ตั ้งฉากกับแรงกระท า รูปที่8-9 รอยเชื่อมแบบต่อชน (ที่มา: ปราโมทย์, 2556)
161 จากรูป 8-10 รอยเชื่อมหลอมลึกบางส่วนสามารถหาแรงที่กระท ากับรอยเชื่อมสมการ คือ F = t A = t (t e1+te2) (8-3) ตัวอย่าง 8.1 ใช้การเชื่อมแบบต่อชนต่อแผ่นโลหะ 2 แผ่น หนา 20 mm กว้าง130 mm ดังรูปที่ 8-11 จงหาแรงดึงที่รอยเชื่อมจะรับได้ ก าหนดให้ความเค้นแรงดึงใช้งานไม่เกิน 110 N/mm2 ตัวอย่าง 8.2 ต้องการเชื่อมต่อท่อ 2 ท่อ ที่มีความหนาเท่ากัน หนา18 mm มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาด 1 m ดังรูปที่ 8-12 เมื่อรอยเชื่อมสามารถรับภาระความเค้นดึงใช้งาน เท่ากับ 870 N/mm2 จงหาแรงดึง สูงสุดที่รอยเชื่อมจะรับได้ เมื่อ t e = t = 18 mm, t = 870 N/mm2 = d = (1)(1000) mm รูปที่8-10 รอยเชื่อมหลอมลึกบางส่วน (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) วิธีท า จากสมการ 8-2 F = t t e เมื่อ t e = t = 20 mm, = 130 mm t = 110 N/mm2 แทนค่าในสมการ F = (110)(20)(130) = 286000 N = 286 kN แรงดึงที่รอยเชื่อมจะรับได้ เท่ากับ 286 kN ตอบ วิธีท า จากสมการ 8-2 F = t t e รูปที่8-11 (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) รูปที่8-12 (ที่มา: ปราโมทย์, 2556)
162 แทนค่าในสมการ F = t t e F = (870)(18)(1) (1000) = 49197340.96 N = 49.2 MN ดังนั ้นแรงดึงสูงสุดที่รอยเชื่อมจะรับได้ เท่ากับ 49.2 MN ตอบ ตัวอย่าง 8.3 เหล็กต่อทุบขึ ้นรูป(Drop Forged) น ามาเชื่อมต่อชนกับเหล็กเส้นแบน ขนาด 90x12 mm โดยบากงานรูป x ดังรูปที่ 8-13 มีแรงดึงกระท าตรงกลาง 50kN ก าหนดให้ค่าความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้น ได้(all) เท่ากับ 47 N/mm2 จงตรวจสอบว่ารอยเชื่อมทนต่อแรงกระท าตามความเค้นที่ก าหนดไว้ได้ หรือไม่ ดังนั ้น W = 46.296 N/mm2 น้อยกว่า all = 47 N/mm2 รอยเชื่อมจึงทนต่อแรงกระท าได้ ตอบ วิธีท า จากสมการ 8-2 F = W t e เมื่อ t e = 12 mm, = 90 mm F = (50)103 N แทนค่าในสมการ W = te F = (12)(90) (50)103 = 46.296 N/mm2 รูปที่8-13 (ที่มา: ปราโมทย์, 2556)
163 ตัวอย่าง 8.4 ข้อต่อเหล็ก ASTM A7 ท าการเชื่อมรอยต่อหลอมลึกโดยตลอดรอยต่อ ดังรูปที่ 8.14 ใช้ลวดเชื่อม E6010 ชิ ้นงานมีความหนา 15 mm จงหารอยเชื่อมรับแรงสูงสุดได้เท่าไร รูปที่8.14 (ที่มา: ปราโมทย์, 2556) วิธีท า จากสมการ 8-2 F = all t e จากตารางที่ 8-1และ 8-2 ความเค้นที่ยอมให้เกิดขึ ้นได้กับรอยเชื่อมมีค่าเท่ากับ Minimum yield strength ของเหล็ก A7 ค่า all = 33000 psi = (33000)(6.8948)(103 ) N/m2 แทนค่าในสมการ F = (33000)(6.8948)(103 )(0.01)(0.015) = 34129.26 N = 34.129 kN ดังนั ้นรอยเชื่อมรับแรงสูงสุดได้34.129 kN ตอบ