การออกแบบเพื่อเสถียรภาพ design for stability Ep.1

(เนื้อหาจากการบรรยาย SSI Steel Construction Forum)

ก่อนจะไปสู่ขั้นตอนการพิจารณาขออ้างอิงพื้นฐานจากงานสัมมนา หัวข้อ “Analysis and Design of Combined Axial-Bending Members with New Approach on Stability of Steel Structures” โดย คุณณัฐพล สุทธิธรรม เมื่อวันที่ 17 พฤศจิกายน 2563 ซึ่งได้สรุปถึงรายละเอียดเชิงพฤติกรรมของ compression member เมื่อรับแรงอัด

ปกติเวลาพิจารณาว่า member จะปลอดภัยหรือไม่ วิศวกรผู้ออกแบบที่คำนวณโครงสร้างด้วย commercial software จะคุ้นเคยกับ P-M ratio หรือ utility ratio หรือ พิจารณา แรงต่อกำลัง ว่า เกิน 1.0 หรือไม่ ถ้าเกิน ก็จะขึ้นสีแดง แปลว่าไม่ปลอดภัย หรือ แรง > กำลังที่รับได้ แต่หากเป็นสี ส้ม แรง < กำลัง แบบปริ่ม ๆ (0.9 กว่าๆ) แต่หากเป็นสีเขียว หรือ ฟ้า ก็แปลว่า แรง <<< กำลัง หรือ ออกแบบเปลืองจนเกินไป

การพิจารณา member ที่รับทั้งแรงอัดและโมเมนต์ดัด ก็ควรจะพิจารณา โดยใช้หลักการที่ว่า แรงอัด/กำลังรับแรงอัด + โมเมนต์/กำลังรับโมเมนต์ จะต้องไม่เกิน 1.0 … “แต่” ในทางการพิจารณานั้น #ไม่ถูกต้อง

ก่อนจะไปถึงรายละเอียดว่าเพราะเหตุใดจึงไม่ถูกต้อง วิทยากรก็ได้นำเสนอถึงความแตกต่างระหว่าง #Strength #Stability และ #Stiffness ซึ่งโดยสรุป (จาก post ก่อนด้วย) #Stability หรือ #เสถียรภาพ เป็น กำลังรับแรง #Strength ของ compression member หรือ compression element ที่พิจารณา #การเสียรูป ซึ่งเป็นผลมาจาก #stiffness

สาเหตุว่า ทำไมนั้น … ดูจากสมการพอได้ครับ #Stiffness ด้านทานการดัดตัว ประกอบไปด้วย EI และ L โดย Pcr = pi^2*EI/L^2 จะเห็นว่า EI และ L ล้วนเป็น #Stiffness ต้านทานการดัดตัว และเป็นส่วนหนึ่งของสมการ #Strength หรือ Pcr ทั้งนี้ ภาพในเชิงพฤติกรรมที่เราเข้าใจกันมาตลอดคือ หาก P < Pcr ก็ไม่เกิด buckle ช่วงนี้ไม่เกิด deformation ในทิศทางการ buckle (แต่อาจเกิด elastic shortening) และทันทีที่ P = Pcr ก็จะเกิด buckle เกิด deformation ในทิศทางการ buckle อย่างมหาศาล (very large deformation)

หากมาลงรายละเอียด “อย่างละเอียดยิ่งๆ ขึ้น” และเข้าใจ “ธรรมชาติ” ของเหล็กกับงานก่อสร้างมากยิ่งขึ้น ตั้งแต่ (1) เหล็กมันผลิตออกมาแล้วมีความ “ไม่ตรงแด่ว out of straightness” เป็นธรรมดา และ (2) ผลิตภัณฑ์เหล็กที่นำมาติดตั้งหน้างาน ย่อม “ไม่ได้ดิ่ง 100% เด๊ะๆ” เป็นธรรมดา เกิดสิ่งที่โดยรวมเรียกว่า #imperfection มี initial deformation เกิดขึ้น ซึ่งย่อมส่งผลให้เกิด extra moment = initial deformation * axial load และยิ่ง axial load (P) เพิ่ม (แม้ว่าจะน้อยกว่า Pcr) deformation beyond initial deformation ก็ยิ่งเพิ่ม ก็ยิ่งก่อให้เกิด extra moment เพิ่มขึ้น ต่อเนื่องกันไป หรืออาจกล่าวได้ว่า total deformation ที่เกิดขึ้น จะขึ้นกับระดับของแรง P เทียบกับแรงที่เกิด buckle (Pcr หรือ Pe = Euler’s buckling load)

สะท้อนว่า #Bifurcation ที่เราใช้กันมานาน มันไม่เป็นพฤติกรรมจริงนะครับ

แล้วเดี๋ยวครั้งหน้ามาลงรายละเอียดให้ลึกขึ้นต่อไปครับ

# การออกแบบเพื่อเสถียรภาพ design for stability 

#WeLoveSteelConstruction