API RP2A Tubular Joint Strength Criteria for Earthquake

K.KUROJJANAWONG

19-Dec-2013

เนื่องจากมีคนถามเรื่อง Tubular Joint Strength ของ API สำหรับ Earthquake บ่อยมาก วันนี้เลยให้ข้อสังเกตุตามข้างล่างแล้วกัน

1) ตั้งแต่ API RP2A 14th Ed. มีข้อกำหนดว่าอย่างน้อย ultimate joint capacity (ในกรณีนี้ใช้ FS=1.0) ต้องรับ 50% tension หรือ compression capacity ของ brace นั้นได้ ไม่ใช่แค่ actual load ที่กระทำ เค้าระบุไว้อย่างนี้ ก็เพื่อให้ โครงสร้างมี reserve strength คือ joint ต้องแข็งกว่า member ซึ่งก็ทำให้โครงสร้างมี ductility ในกรณีที่ต้องรับ ultimate load ด้วย

2) แต่ปัญหาก็คือ ตั้งแต่ 14th Ed. มาจนถึง 21st Ed. Supplement 1 (2002) มันมีสมการ 4.1-1 ติดมาด้วย (ดูในรูปทางซ้ายมือ) คือบอกว่า ถ้า geometry มันเข้าได้ตามสมการนี้ ไม่จำเป็นต้องเช็คว่า Joint Strength รับ 50% tension หรือ compression capacity ของ brace ได้หรือไม่ ถือว่า ผ่านเลย

3) พอมา API RP2A 21st Ed. Supplement 2 (2005) เค้าตัด สมการที่ 4.1-1 ออกไปแล้ว แต่ยังมีหลายคนยังเอามาใช้อยู่่ เพราะว่าการจะเช็คที่ 50% capacity มันยากเอาเรื่องนะ แล้วโปรแกรมก็ยังพัฒนาตามไม่ทันด้วย แต่มาถึงปีนี้ คิดว่า ทุกโปรแกรม คงคำนวณได้แล้ว ซึ่งมันก็ให้ผลที่แย่ลง (ตามความเข้าใจผมนะ)

4) ในกรณีที่โครงสร้างต้องรับ Earthquake load ที่มี PGA > 0.05g ตามข้อกำหนดของ API RP2A ปัจจุบันบอกว่า อย่างน้อย joint ต้องรับ actual load (Load UC, มี FS ในสมการ) แล้วก็ 100% tension หรือ compression capacity ของ brace ได้ด้วย (Strength UC, FS=1 ในสมการ)

5) ใน API RP2A 21st (2000) section 2.3.6e พูดถึงการออกแบบรับ Earthquake โดยเขียนไว้ทั้งการที่ต้องออกแบบที่ 100% tension หรือ compression capacity ของ brace ใน paragraph แรก แล้วก็ดันมาพูดว่าต้องออกแบบที่ 2 เท่า earthquake load โดยให้เพิ่ม allowable ได้ 70% ใน paragraph ที่สองอีก ทำให้คนสับสน เลยเข้าใจตาม paragraph ที่ 2 โดยไม่สน paragraph แรก ที่เกี่ยวกับ 100% capacity ไป โดยเข้าใจว่า เช็คที่ actual load 2 เท่า seismic load แล้วเพิ่ม allowable ได้ 70% ซึ่งผิด

“ในความหมายของ Section 2.3.6e เวอร์ชั่นปี 2000 คือ ต้องเช็คที่ 100% tension หรือ compression capacity ของ brace อยู่ดี เพียงแต่ว่าในการคำนวณหาค่า joint capacity จะมีค่า chord stress อยู่ซึ่งติดอยู่ในค่า Qf แล้ว Qf ก็ติดอยู่ในตัว A ซึ่งค่า A นี้ ให้ใช้ 2 เท่า seismic load ในการคำนวณ แล้วต้องถอดค่า 0.6 ซึ่งคือ FS ที่อยู่ในสมการ A ออกด้วย ส่วนค่า FS ที่อื่นยังคงอยู่ แต่ค่า acting load ก็ยังเป็น 100% tension หรือ compression capacity ของ brace อยู่ดี”

6) ใน ความเข้าใจของคนส่วนใหญ่สำหรับ Section 2.3.6e ปี 2000 คือ ใช้ 2เท่า seismic load ออกแบบ แล้วทุกอย่างไปเช็ค สมการเดิม เหมือนปกติ ซึ่งผิด ตามที่อธิบายในข้อ 5

อย่างไรก็ดี ตั้งแต่ API RP2A 21st Ed. Supplement 2 (2005) ไอ้ paragraph ที่ 2 ที่พูดว่า 2 เท่า earthquake load กับ 70% increase allowable มันหายไปแล้ว งั้นเอามาใช้ไม่ได้อีกแล้วตั้งแต่ปี 2005 นะครับ งั้นการที่จะได้ตามข้อกำหนด API ตั้งแต่ปี 2005 ถึงปัจจุบัน ต้องใช้ที่ 100% tension หรือ compression capacity ของ brace มาออกแบบเท่านั้น ไม่ต้องคูณ 2 ที่ seismic load แล้วต้องเซ็คค่า FS ในสมการ tubular capacity ให้เป็น 1.0 ให้หมด แล้วก็ห้ามเพิ่ม 70% allowable แล้ว เพราะเอา ultimate capacity มาใช้แล้วอย่างไรก็ดีผมก็คิดว่ายังไม่ค่อยใช้กัน แต่ยังไปใช้ ตามข้อ 5 ที่ผิดๆ กันอยู่

7) งั้นโดยสรุปในกรณีที่โครงสร้างที่ ต้องรับ Earthquake load ที่มี PGA > 0.05g ตัว strength UC จะไปโดนกำหนดด้วย 100% tension หรือ compression capacity ของ brace เสมอ (เพราะ other load กำหนดไว้แค่ 50% capacity) งั้นเวลาทำ ไปเช็ค Earthquake ก่อนเลย เพราะมัน govern ทุกกรณี แน่นอน

8) ปัญหาคือ ถ้าเรา overdesign member ไปเยอะ เช่น member UC แค่ 0.3 แต่ joint โดนบังคับให้ ออกแบบที่ 100% capacity คิดแบบง่ายๆ มันจะทำให้ joint โดนออกแบบมากกว่า inplace condition ไปเท่ากับ 1/(0.3/1.6) = 5.3 เท่า (กรณี สมมติ FS=1.6 ใน inplace)

9) วัตถุประสงค์หลักสำหรับข้อกำหนดนี้คือ ต้องการให้โครงสร้างมี ductility ในช่วง ultimate load คือ member ต้องพังก่อน joint งั้น ตามข้อ 8 จะเห็นว่าถ้าเรา overdesign member ไปเยอะทำให้ joint มันโดน overdesign ไปด้วยหลายเท่าตัว งั้นผมคิดว่าการที่จะหลีกเลี่ยงข้อกำหนดนี้ คือ เราสามารถที่จะออกแบบรับ ultimate load โดยตรงเลย เช่น การทำ pushover analysis หรือ ออกแบบรับ ductility earthquake load (Rare Intense Earthquake) โดยตรง ถ้ามันสามารถรับได้ ข้อกำหนดที่ว่าก็ไม่จำเป็นที่จะต้องนำมาใช้ แต่ถ้าเราไม่ได้ทำ เราก็จำเป็นต้องออกแบบให้ได้ตามข้อกำหนด

10) สำหรับคนที่ใช้ SACS ในการที่จะใช้ โค๊ดเวอร์ชั่น ปี 2000
– ออกแบบ ส่วนใหญ่แค่ไปใส่ factor 2 ใน STCMB สำหรับ joint design แต่ยังไปเรียก joint equation ปกติ (AP21 หรือ API) มาใช้ซึ่งผิด เพราะ
– มันไม่ได้เอา 100% tension หรือ compression capacity ของ brace ไปใช้ออกแบบ แต่มันเอา 2เท่า seismic load ไปออกแบบ แทน ซึ่งไม่ถูกตามโค๊ด
– ในสมการนั้นมันยังมี FS ติดอยู่ ในสมการของ A ซึ่งโค๊ดสั่งให้มันเป็น 1.0
– ถ้าต้องการจะใช้เวอร์ชั่นปี 2000 ต้องไปเรียก option EQ21 ขึ้นมาใช้ แล้วก็ต้อง เพิ่ม 70% ไปใน basic allowable

11) สำหรับคนที่ใช้ SACS ในการที่จะใช้ โค๊ดเวอร์ชั่น ตั้งแต่ปี 2005 ขึ้นมา
– ไม่ต้องไปใส่ factor 2 ใน STCMB แล้ว
– ต้องใช้ 100% tension หรือ compression capacity ของ brace ไปใช้ออกแบบ
– ต้องใช้ FS เป็น 1.0 ในการคำนวณ tubular capacity
– ห้ามเพิ่ม 70% inc. allowable
– เวลาทำให้ เรียก option ‘EQK’ ไม่ใช่ ‘API’
12) สรุป
– ใช้ โค๊ดเวอร์ชั่นปี 2000 STMB ต้องมี 2 สำหรับ joint แล้วต้องเรียก EQ21 บวกกับ 70% inc. allowable
– ใช้ โค๊ดเวอร์ชั่นปี 2005 เป็นต้นไป STMB ไม่ต้องมี สำหรับ joint แล้วต้องเรียก EQK ต้องไม่มี 70% inc. allowable

หวังว่าจะเข้าใจกันเคลียร์ขึ้นนะ