21/09/2026
#เติมคอนกรีตในท่อเหล็ก HSS ช่วยเพิ่มกำลัง “ #จุดต่อ” ได้อย่างไร?
เข้าใจกลไกแรงอัด แรงดึง และจุดต่อโครงถัก เพื่อให้เกิดประโยชน์สูงสุด
Ref: Packer (2020), "Concrete-Filled HSS Connection," Steel Tube Institute (STI)
เมื่อพูดถึงการเติมคอนกรีตในท่อเหล็ก หรือ Concrete-Filled HSS หลายคนอาจนึกถึงเสาประกอบเหล็ก–คอนกรีตที่รับน้ำหนักได้มากขึ้นและทนไฟดีขึ้น แต่ประโยชน์อีกด้านหนึ่งที่น่าสนใจคือ “การเสริมกำลังบริเวณจุดต่อ” โดยเฉพาะจุดต่อที่มีแรงอัดกระทำขวางเข้าหาผนังท่อ บทความ Concrete-Filled HSS Connections (June 2020) ได้อธิบายทั้งประโยชน์ กลไก และแนวทางคำนวณจุดต่อประเภทต่าง ๆ ซึ่งมีสาระสำคัญดังนี้
1. ควรคิดเรื่องการเติมคอนกรีตตั้งแต่เริ่มออกแบบ
2. หน้าตัดท่อกลมและหน้าตัดท่อเหลี่ยมให้ประโยชน์ไม่เท่ากัน
3. ข้อได้เปรียบด้านการก่อสร้างเมื่อเทียบกับเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก
4. การยึดเหนี่ยวระหว่างเหล็กกับคอนกรีต
5. ไม่จำเป็นต้องเติมคอนกรีตตลอดความยาว HSS truss member
6. จุดที่ได้ประโยชน์มากๆ คือบริเวณที่ transverse load กระทำกับ HSS
7. จุดต่อ X-connection ของ truss จาก compression branch : พิจารณาการกดอัดคอนกรีตและการกระจายแรง
8. จุดต่อรูป T และ Y ที่สมาชิกสาขารับแรงอัด: เส้นทางถ่ายแรงต่างจาก X
9. จุดต่อรูป T, Y และ X กับ Tension branch: ใช้เกณฑ์ของ HSS ไม่เติมคอนกรีต
10. จุดต่อ Gapped K Connection: คอนกรีตเปลี่ยนกลไกการวิบัติได้
11. ผลของการหดตัวของคอนกรีต: มีประเด็นที่น่าสนใจ ที่ควรใช้ดุลพินิจเพิ่มเติม
1. ควรคิดเรื่องการเติมคอนกรีตตั้งแต่เริ่มออกแบบ
ในทางปฏิบัติ การเติมคอนกรีตใน HSS มักเป็นการตัดสินใจภายหลัง เพื่อแก้ปัญหาที่พบระหว่างออกแบบหรือการก่อสร้าง เช่น ต้องเพิ่มความสามารถในการทนไฟ หรือเสริมกำลังเฉพาะส่วนที่วิกฤต ซึ่งหากวิศวกรได้พิจารณาแนวทางและความเป็นไปได้ในการดำเนินการตั้งแต่ต้น จะสามารถใช้ประโยชน์จากการทำงานร่วมกันของเหล็กและคอนกรีตได้อย่างเต็มที่ ทั้งด้านการกำหนดขนาดหน้าตัดและปริมาณเหล็กที่เหมาะสมอันส่งผลต่อความแข็งแกร่งของโครงสร้าง และรายละเอียดจุดต่อ
ประโยชน์เมื่อเติมคอนกรีต เทียบกับ HSS ที่ไม่เติมคอนกรีต มีดังนี้
• เพิ่มกำลังรับแรงอัดและโมเมนต์ดัดของ member
• ลดปริมาณเหล็กที่ต้องใช้เพื่อรองรับแรงกระทำเท่าเดิม
• ลดขนาดหน้าตัด ทำให้เสากินพื้นที่อาคารน้อยลง เพิ่มพื้นที่ขาย / พื้นที่เช่า / พื้นที่ใช้สอย ให้มากยิ่งขึ้น
• ลดพื้นที่ผิว (perimeter) ทำให้งานสีเคลือบกันสนิม/กันไฟ ลดน้อยลง
• เพิ่มความสามารถในการทนไฟ โดยอาจใช้ร่วมกับหรือไม่ใช้วัสดุป้องกันไฟภายนอก ทั้งนี้ การเสริมเหล็กตามยาวหรือเส้นใยเหล็กในคอนกรีตสามารถช่วยเพิ่มสมรรถนะได้
• เพิ่มความแข็งแกร่งของเสาในโครงอาคาร โดยพิจารณาค่าความแข็งแกร่งดัดประสิทธิผล หรือ EIeff จากส่วนร่วมของเหล็ก HSS เหล็กเสริม และคอนกรีต
• มีโอกาสเพิ่มกำลังของจุดต่อ ซึ่งเป็นประเด็นหลักของบทความนี้
คำว่า “ลดน้ำหนัก” ในบริบทนี้หมายถึงการลดน้ำหนักส่วนเหล็กที่ต้องใช้ แต่อาจไม่ได้หมายความรวมถึงการลดน้ำหนักรวมของ composite member (CFT) หลังเติมคอนกรีตจะลดลงเสมอ
2. หน้าตัดท่อกลมและหน้าตัดท่อเหลี่ยมให้ประโยชน์ไม่เท่ากัน
อ้างอิง AISC 360-16 Chapter I: Design for Composite Member ระบุว่า วิธี Plastic Stress Distribution สามารถใช้ได้กับหน้าตัดประกอบ HSS ท่อกลมและท่อเหลี่ยมอ้างอิง ASTM A500 Grade C และ ASTM A1085 โดยหน้าตัดอ้างอิงมาตรฐานดังกล่าวเกือบทั้งหมดจัดเป็น compact section (มีเพียง 5 ขนาดที่ไม่ compact สำหรับ axial compression และ 11 ขนาด ที่ไม่ compact สำหรับ bending)
สำหรับหน้าตัดกลม การป้องกันการระเบิตแตกออกของคอนกรีต หรือ Concrete confinement เป็นข้อได้เปรียบสำคัญ (จากลักษณะทางกายภาพของท่อกลมที่เปรียบเสมือน tension ring แตกต่างจากท่อเหลี่ยม ที่ confinement effect ไม่ได้มีประสิทธิภาพดีเท่ากับท่อกลม) โดยข้อกำหนดในการออกแบบได้กำหนดให้ใช้หน่วยแรงออกแบบของคอนกรีตกรณีกรอกใส่ท่อกลม สูงกว่ากรณีกรอกใส่ในท่อเหลี่ยม เพื่อสะท้อนผลของ highly efficient confinement ดังกล่าว
3. ข้อได้เปรียบด้านการก่อสร้างเมื่อเทียบกับเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก
Concrete-Filled HSS ใช้ผนังเหล็กเป็นแบบหล่อถาวร จึงไม่ต้องมีแบบหล่อเสาแยกต่างหาก และในหลายกรณีสามารถไม่ใช้เหล็กเสริมภายในได้
ข้อดีอื่น ๆ ได้แก่ การลดพื้นที่หน้าตัดเสา การผลิตชิ้นส่วนจากโรงงาน การก่อสร้างหน้างานที่รวดเร็วขึ้น และการควบคุมค่า tolerance ได้ในระดับงานโครงสร้างเหล็ก (ได้ละเอียด แม่นยำกว่างานคอนกรีตเสริมเหล็ก) แต่อย่างไรก็ตาม เป็นความยุ่งยากในขั้นตอนของการก่อสร้างที่ผู้รับเหมาก่อสร้างต้องประสานงานระหว่างผู้รับเหมาช่วงงานโครงสร้างเหล็กกับงานคอนกรีตเสริมเหล็ก รวมถึงพิจารณาต้นทุนของการเติมวัสดุด้วย
4. การยึดเหนี่ยวระหว่างเหล็กกับคอนกรีต
บทความอ้างงานวิจัย ซึ่งพบว่า HSS ขนาดมาตรฐานที่นำมาใช้ในศึกษาการยึดเหนี่ยวระหว่างผนังเหล็กกับคอนกรีตไม่เป็นอุปสรรคหรือเป็นข้อจำกัดในการทำงานร่วมกันของเหล็กและคอนกรีต ซึ่งไม่จำเป็นต้องติดตั้งสลักรับแรงเฉือนเพิ่มเติมเพื่อให้เกิด Full Composite Action แต่อย่างไรก็ดี วิศวกรก็ #ไม่ควรสรุปว่า “จุดต่อทุกแบบไม่ต้องมีรายละเอียดเชื่อมประสานคอนกรีตเข้ากับเหล็ก” ทั้งนี้ในบทความได้มีคำแนะนำ ระบุใช้คอนกรีตหรือเกราต์ชนิดไม่หดตัว หรือ Non-Shrink Concrete/Grout
5. ไม่จำเป็นต้องเติมคอนกรีตตลอดความยาว HSS truss member
สำหรับโครงถัก member หลักเรียกว่า Chord ส่วน member ที่มาต่อเข้ากับ Chord เรียกว่า Branch การเติมคอนกรีตภายใน Chord สามารถใช้เป็นวิธีเสริมกำลังจุดต่อได้ โดย
• Short-spanned truss อาจเติมคอนกรีตตลอดความยาว Chord
• Long-spanned truss อาจเติมเฉพาะบริเวณจุดต่อวิกฤต ที่รับแรงมาก
• การแบ่งโครงถักเป็นท่อนและต่อ Chord ด้วยแผ่นหน้าแปลนยึดสลักเกลียว ช่วยให้จัดการเรื่องขนส่ง ติดตั้ง และช่วงที่ต้องเติมคอนกรีตได้
ประเด็นสำคัญคือ ต้องเติมให้มีระยะเพียงพอต่อการกระจายแรง ไม่ใช่เติมเพียงในปริมาตรน้อย ๆ ณ ตำแหน่งจุดต่อเท่านั้น แต่ควรขยาย boundary ออกไปเพื่อให้การกระจายแรงบริเวณจุดต่อเกิดขึ้นได้อย่างสมบูรณ์
6. จุดที่ได้ประโยชน์มากๆ คือบริเวณที่ transverse load กระทำกับ HSS
ผนัง HSS ไม่ได้มี stiffness สูงมาก การเติมคอนกรีตเข้าไปใน HSS จะสามารถช่วยรองรับแรงกดจากผนังเหล็ก และผนังเหล็กก็ช่วย confine คอนกรีตไปพร้อมกันด้วยได้เช่นกัน การ confine นี้ทำให้ความสามารถรับ local bearing (compression) ของคอนกรีตสูงกว่า f′c (จาก cylinder test) ทั้งนี้ ตำแหน่งการกรอกคอนกรีตที่มีแนวโน้มได้ประโยชน์มาก ได้แก่
• จุดรองรับของ truss
• จุดต่อ truss ที่มีแรงภายนอกขนาดมากกระทำ
• จุดต่อคาน–เสารับโมเมนต์ ซึ่งมีแรงอัดถ่ายเข้าสู่เสา HSS
7. จุดต่อ X-connection ของ truss จาก compression branch : พิจารณาการกดอัดคอนกรีตและการกระจายแรง
สำหรับ Rectangular HSS Cross Connections ที่ compression branch ต่อกับ chord บทความเสนอสมการกำลังระบุสำหรับสภาวะจำกัดการวิบัติของคอนกรีตดังนี้
Pn = [f′c A₁ / sinθ] × √(A₂/A₁)
โดย
• Pn คือกำลังระบุ Nominal compression strength of branch
• f′c คือกำลังอัดของคอนกรีต
• θ คือมุมระหว่าง Branch กับ Chord
• A₁ คือพื้นที่รับแรงกดของ Branch โดยหาก Branch ตั้งฉากกับ Chord มีค่าเท่ากับ Hb × Bb
• A₂ คือพื้นที่รับแรงกดหลังการกระจายแรง
• Hb และ Bb คือความสูงและความกว้างภายนอกของ Branch ตามทิศทางที่กำหนดในระนาบและตั้งฉากกับระนาบจุดต่อ
• H คือความสูง section depth ของ Chord ในระนาบจุดต่อ
แบบจำลองให้แรงกระจายตามแนวยาวของ Chord ด้วยอัตรา 2:1 ลงไปถึงกึ่งกลางความลึกของ Chord โดยไม่คิดการแผ่ออกด้านข้างเพิ่มเติม จึงได้
A₂ = (Hb/sinθ + 2H) × Bb
สำหรับกรณีนี้ บทความจำกัดค่า √(A₂/A₁) ไม่ให้เกิน 3.3
ข้อควรสังเกตคือ 3.3 เป็นเกณฑ์สูงสุดของ “รากที่สองของอัตราส่วนพื้นที่” ไม่ใช่เพดานของ A₂/A₁ โดยตรง
ความยาวช่วงที่เติมคอนกรีต = Lc ซึ่งกำหนดให้มีลักษณะสมมาตรรอบบริเวณรับแรง ควรมากกว่าระยะกระจายแรงดังนี้
Lc > Hb/sinθ + 2H
หากช่วงเติมคอนกรีต Lc สั้นกว่านี้ พื้นที่ A₂ ที่นำมาใช้ย่อมถูกจำกัดด้วยความยาวที่เติมจริง
บทความแนะนำตัวคูณลดกำลังแบบ LRFD = 0.65 ดังนั้นกำลังออกแบบสำหรับสภาวะจำกัดนี้คือ phi*Pn
ที่สำคัญ วิธีดังกล่าวได้รับการตรวจสอบด้วยผลทดลองของหน้าตัดที่มี H/B ≤ 1.4 จึงต้องคำนึงถึงขอบเขต Limit of applicability นี้ก่อนนำไปใช้ โดย B คือความกว้างภายนอกของ Chord ตั้งฉากกับระนาบจุดต่อ
8. จุดต่อรูป T และ Y ที่สมาชิกสาขารับแรงอัด: เส้นทางถ่ายแรงต่างจาก X
ในจุดต่อรูป T และ Y แรงจากสมาชิกสาขาถูกต้านด้วยแรงเฉือนใน Chord ต่างจากกรณีที่แรงอัดถ่ายผ่าน Chord ไปยังสมาชิกฝั่งตรงข้าม
บทความจึงให้พิจารณาการกระจายแรงตามแนวยาวด้วยอัตรา 2:1 ผ่านความลึกทั้งหมดของ Chord ทำให้พื้นที่กระจายแรงเป็น
A₂ = (Hb/sinθ + 4H) × Bb
และความยาวช่วงเติมคอนกรีตที่เหมาะสมเป็น
Lc > Hb/sinθ + 4H
จากนั้นใช้ A₂ ตามกรณีนี้ในสมการกำลัง Pn
สิ่งที่วิศวกรควรทำความเข้าใจคือ จุดต่อที่มีรูปร่างต่างกันอาจมี load path ในการถ่ายแรงต่างกัน จึงไม่ควรใช้พื้นที่กระจายแรงหรือความยาวช่วงเติมแบบเดียวกันทุกกรณี
9. จุดต่อรูป T, Y และ X กับ Tension branch: ใช้เกณฑ์ของ HSS ไม่เติมคอนกรีต
ผลทดสอบที่บทความอ้างอิงนั้น พบว่า การเติมคอนกรีตไม่ได้ทำให้กำลังครากหรือกำลังสูงสุดของจุดต่อรับแรงดึงลดลงเกินกว่าเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับจุดต่อที่ไม่เติม และไม่พบว่าความเหนียวของจุดต่อถูกกระทบอย่างชัดเจน
ข้อเสนอแนะจึงให้ใช้เกณฑ์ออกแบบจุดต่อ HSS ที่ไม่เติมคอนกรีต สำหรับจุดต่อรูป T, Y และ X กับ Tension branch
Reference ที่บทความได้กล่าวถึงนั้น ได้แก่ AISC 360-16 Chapters J และ K, AISC Steel Construction Manual Part 9 และ AISC Design Guide 24
กล่าวโดยสรุป คือ ไม่ควรเพิ่มกำลังออกแบบด้านแรงดึงโดยอัตโนมัติเพียงเพราะมีคอนกรีตอยู่ภายใน
10. จุดต่อ Gapped K Connection: คอนกรีตเปลี่ยนกลไกการวิบัติได้
Gapped K-Connection คือจุดต่อที่ 2 Branches เข้ามาต่อกับ Chord โดยมี gap หรือช่องห่างระหว่าง Branch ซึ่งโดยทั่วไป Branch ตัวหนึ่งจะรับแรงอัด และ Branch อีกตัวจะรับแรงดึง
ในกรณี Chord กลวง แรงจากทั้ง Tension และ Compression Branch จะทำให้ผนัง Chord เกิดการเสียรูปในลักษณะ Push–Pull และอาจนำไปสู่การเกิดการครากของผนัง Chord หรือ Chord Plastification ซึ่งเมื่อเติมคอนกรีต คอนกรีตจะไปช่วยลดผลกระทบต่อกลไกการเสียรูปดังกล่าว โดยผลการทดลองในช่วง Limit of Applicability พบว่า จุดต่อมีทั้งกำลังครากและกำลังสูงสุดสูงขึ้น และรูปแบบการวิบัติเปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ
ผู้เขียนจึงแนะนำให้ตรวจสอบด้านแรงอัดและด้านแรงดึงแยกกัน ดังนี้
Compression Branch : กลไกที่พิจารณาคือการวิบัติจากแรงกดของคอนกรีต โดยคำนวณเช่นเดียวกับจุดต่อรูป Y รับแรงอัด ใช้สมการ Pn และพื้นที่กระจายแรง A₂ ที่มีพจน์ 4H
Tension Branch : 2 Limit States ที่ควรพิจารณา ได้แก่
• การครากจากแรงเฉือนแบบเจาะทะลุของผนัง Chord รอบสมาชิกสาขา หรือ Chord Shear Yielding / Punching Shear
• การครากเฉพาะที่ของ Tension branch due to uneven load distribution จากแรงกระจายไม่สม่ำเสมออันเนื่องจากผนังคอร์ดเกิดการเสียรูป จาก stiffness บริเวณกึ่งกลางผนังด้านที่ต่อเข้ากับ Tension Branch ที่น้อยกว่าบริเวณที่อยู่ใกล้ side wall
ตารางในบทความอ้างสมการ AISC 360-16 (K3-8) และ (K3-9) ตามลำดับ โดยใช้ตัวคูณลดกำลัง phi = 0.95 สำหรับทั้งสองสภาวะจำกัด และเลือกกำลังที่ควบคุม
สำหรับสมการ Punching Shear ตารางระบุเงื่อนไข Bb < B − 2t และใช้ความกว้างประสิทธิผลในการประเมินกำลัง จึงไม่ควรสมมติว่าผนังเหล็กทุกส่วนรับแรงได้สม่ำเสมอเต็มหน้าตัด
11. ผลของการหดตัวของคอนกรีต: มีประเด็นที่น่าสนใจ ที่ควรใช้ดุลพินิจเพิ่มเติม
สำหรับ Gapped K-Connections ที่ศึกษา พบว่าการหดตัวระดับปานกลางจนคอนกรีตแยกออกจากผนัง Chord ไม่ได้ส่งผลต่อกำลังของจุดต่ออย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งวิศวกรอาจพิจารณาเติมคอนกรีตสำหรับการเสริมความแข็งของจุดต่อ Gapped K-Connections
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมี Limit of Applicability เป็นกรอบของการศึกษา ไม่ใช่ข้อสรุปว่าการหดตัวของคอนกรีตอันส่งผลต่อช่องว่างภายในไม่มีผลกับจุดต่อทุกชนิด และคำแนะนำทั่วไปของบทความยังคงเป็นการระบุใช้วัสดุเติมชนิดไม่หดตัว
12. บทเรียนสำคัญสำหรับผู้ออกแบบและผู้ผลิต
การเติมคอนกรีตใน HSS ให้ประโยชน์กับทั้ง member และ connection แต่ประโยชน์เหล่านี้ต้องพิจารณาตามกลไกการถ่ายแรง
• member อาจรับแรงอัดและโมเมนต์ได้มากขึ้น
• จุดต่อที่รับ transverse compression มักจะมีกำลังรับแรงสูงขึ้นอย่างชัดเจนจากคอนกรีตที่รองรับอยู่ภายใน
• จุดต่อรับ "แรงดึง" รูปแบบ T, Y และ X ยังใช้แนวทางออกแบบของ HSS ไม่เติมคอนกรีต
• จุดต่อรูปแบบ Gapped K ต้องพิจารณาการเปลี่ยนกลไกการวิบัติ และตรวจด้านแรงอัดกับแรงดึงแยกกัน
• การเติมเฉพาะบริเวณวิกฤตเป็นทางเลือกได้ แต่ต้องมีความยาวเพียงพอสำหรับการกระจายแรง
• การเพิ่มกำลังของสภาวะจำกัดหนึ่งจากการกรอกคอนกรีตไม่ได้หมายความว่าจุดต่อทั้งหมดจะมีกำลังเพียงพอ
สิ่งสำคัญที่วิศวกรควรตระหนักคือ “คอนกรีตภายใน HSS สามารถเปลี่ยนวิธีที่จุดต่อรับและถ่ายแรงได้” การเลือกใช้จึงควรเริ่มจากความเข้าใจเส้นทางถ่ายแรงและสภาวะจำกัดที่ควบคุม แล้วจึงกำหนดรูปแบบและความยาวช่วงเติมให้เหมาะสม
หมายเหตุ: โพสต์นี้สรุปแนวทางจากบทความปี 2020 ซึ่งอ้างอิง AISC 360-16 และเอกสารในช่วงเวลานั้น ส่วน AISC Design Guide 24 ฉบับปี 2010 ที่ผู้เขียนอ้างถึงยังไม่ครอบคลุมแนวทางจุดต่อเติมคอนกรีตดังกล่าวโดยตรง ผู้อ่านสามารถศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมจาก CIDECT Design Guide No. 3 ฉบับที่ 2, หนังสือ Concrete-Filled Tubular Members and Connections และงานวิจัยที่บทความอ้างอิง การนำสมการไปใช้ออกแบบต้องตรวจนิยามตัวแปร ขอบเขตการใช้ และมาตรฐานของโครงการประกอบด้วย
ที่มา: Jeffrey A. Packer, “Concrete-Filled HSS Connections,” Steel Tube Institute, June 2020.
#โครงสร้างเหล็ก
