การออกแบบเสาเหล็ก : พื้นฐานของการออกแบบโครงสร้างเหล็กนั้น วิศวกรต้องเข้าใจก่อนว่า strength แตกต่างจาก stiffness โดย strength เป็นกำลัง ณ จุดที่เราขีดเส้นเอาไว้ เป็น spot เป็นจุด เช่นค่ากำลังที่ yield ก็มีค่าหนึ่ง ค่ากำลังที่ rupture ก็ค่าหนึ่ง โดยมากขึ้นกับ สมบัติหน้าตัด เช่น Area (A) Section Modulus ซึ่งอาจพิจารณาที่ระดับ first yield ที่เรียกว่า Elastic section modulus (S ใน มอก. ใช้สัญลักษณ์ Z) หรือที่ระดับ fully yield ทั้งหน้าตัดที่เรียกว่า Plastic section modulus (Z ใน มอก. ไม่มีค่านี้แสดง ต้องคำนวณเอง) และสมบัติของวัสดุ เช่น Yield strength (Fy) Tensile strength (Fu) เป็นต้น ส่วน stiffness เป็นค่าความสามารถในการต้านทานการเสียรูป แสดงในหน่วย แรงต่อระยะการเสียรูป (Force/Displacement) หรือ โมเมนต์ต่อมุมการเสียรูป (Moment/Rotation) โดยมากขึ้นกับ สมบัติหน้าตัด เช่น Area (A) Moment of inertia (I) ความยาว Length (L) และสมบัติของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่า Elastic modulus (E) ซึ่งสะท้อน แรงต่อพื้นที่ ที่เรียกว่า stress เทียบสัดส่วนกับ ระยะการเสียรูปต่อความยาวตอนที่ยังไม่รับแรง ที่เรียกว่า strain

นอกจาก #strength และ #stiffness แล้วยังมีอีกตัวหนึ่งซึ่งสำคัญมากๆ เรียกว่า stability โดย #stability เป็น strength ที่มีผลมาจาก stiffness หรือเป็น #กำลังที่มีผลมาจากรูปร่างของการเสียรูป การเสียรูปมามีผลต่อกำลังรับแรง ซึ่งโดยปกติ ลองนึกถึงกำลังรับแรงดึงที่จุดคราก Ty = A.Fy กำลังรับโมเมนต์พลากสติก Mp = Zx.Fy รูปร่างการเสียรูปไม่มีผลใดๆ ต่อความสามารถในการรับแรง แต่หากพิจารณา Euler’s buckling load, Pcr = pi^2.EI/L^2 จะเห็นว่า ทั้ง E, I และ L ก็ล้วนเป็นตัวแปรที่ส่งผลต่อ flexural stiffness หรือความสามารถในการต้านทานการดัดตัวของ flexural member ทั้งสิ้น … อย่าไปมองว่า flexural member คือคานนะครับ แต่ flexural member เป็นองค์อาคารที่เกิดการดัดตัว (flexure) ซึ่งแน่นอนว่า เสา หรือ column ก็เป็นหนึ่งในนั้น โดยหากไปเปิด มาตรฐาน AISC 360 หรือ วสท. 011038 ก็จะพบว่ารูปแบบหนึ่งที่เสาเหล็กจะเกิดการวิบัติเรียกว่า “Flexural Buckling (FB)”

หากเสาที่รับแรงอัด รับแรงจนเกิด buckling ในขณะที่ยังไม่มี element ใดของหน้าตัดเกิดการคราก yield ก็จะเรียกว่า elastic buckling เป็นพฤติกรรม Euler ดังแสดงด้านบน บางครั้งเรียกว่า long column หรือพฤติกรรมเสายาว ซึ่งสะท้อนว่า เมื่อเอาแรงออก (unloading) ก็จะทำให้ เสานี้กลับมาสู่สภาพที่ยังไม่ได้รับแรง ไม่มีส่วนใดครากเสียหายคงค้างไว้ (นึกภาพไม้บรรทัด) แต่หากบางส่วนบาง element ของเสาเกิดการคราก yield ขึ้น แน่นอนว่า element ส่วนนั้นๆ เมื่อ unload แล้ว จะเกิดการครากคงค้างถาวร มีพฤติกรรม inelasticity หรือเลยช่วง elastic ออกไป เรียกว่า inelastic buckling หรือบางครั้งเรียกกันว่า intermediate column พฤติกรรมเสายาวปานกลาง สาเหตุที่บางส่วนเกิด yield นั้น เป็นเพราะ “ก่อนที่จะเกิด flexural buckling บางส่วนบาง element ของเสา หรือ compression member เกิด normal stress ที่เกิน Fy จากผลของความเค้นคงค้าง หรือ residual stress” ซึ่งเป็นความเค้นที่เกิดขึ้นได้อย่างเป็นปกติในธรรมชาติระหว่างกระบวนการผลิต อันเนื่องมาจากการให้ความร้อนระหว่างการผลิต ส่งผลทำให้การเย็นตัวลงเกิดขึ้นไม่เท่ากันทั้งหน้าตัด บางส่วนบาง element ที่เย็นตัวก่อนจะเกิด residual compression และบางส่วนบาง element ที่เย็นตัวทีหลังจะเกิด residual tension ซึ่งส่วนที่เกิด residual compression ซึ่งมักจะเป็นบริเวณขอบปีก H beam นี้เกิด stress ที่ถึง Fy ก่อน element อื่นใน H beam ดังกล่าว และเมื่อเกิดพฤติกรรมของ element ที่ stress > Fy ขึ้น element นั้นๆ ก็จะมีค่า Elastic modulus (E) = 0 ส่งผลทำให้ stiffness ที่ประกอบขึ้นจากสมบัติต่างๆ ทั้ง E I และ L มีค่าเป็น 0 (เพราะ E = 0) เรียกพฤติกรรมนี้ว่า “stiffness reduction” ซึ่งสะท้อนพฤติกรรมของเสาในช่วง Inelastic buckling นั่นเอง (อีกนัยหนึ่ง elastic buckling ไม่เกิด stiffness reduction นะครับ เพราะทุก element ของเสา ยังคงไม่คราก stress < Fy ยังคง 100% elastic จึงเรียกว่า elastic buckling นั่นเอง)