สำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็กนั้น ไม่ต่างอะไรเลยก็การออกแบบโครงสร้างทั่วไป อย่างที่เราทราบกันดีว่าจะต้องมีการพิจารณาด้วยกันหลักๆ อยู่ 2 ส่วน คือ

• การพิจารณาแรงภายนอกที่มากระทำ ที่ส่งผลให้เกิดแรงภายในขึ้นในโครงสร้าง (การวิเคราะห์โครงสร้าง) และ
• การหากำลังรับน้ำหนักของโครงสร้าง การพิจารณา 2 ส่วนนี้จะต้องมาควบคู่กัน ถึงจะสามารถออกแบบอาคารได้อย่างถูกต้อง และเกิดความปลอดภัยกับผู้ใช้งานหรือผู้อยู่อาศัย

แต่นอกจากเรื่องความปลอดภัยแล้ว การออกแบบให้เกิดความประหยัด คุ้มค่า โดยการเลือกใช้วัสดุที่มีขนาดที่เหมาะสม (กำลังรับน้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างไม่มากและไม่น้อยเกินไป เมื่อเทียบกับแรงภายในที่เกิดขึ้น) ก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่ง ที่วิศวกรผู้ออกแบบควรจะนำเข้ามาพิจารณาร่วมด้วย ซึ่งสามารถทำได้หลายวิธี เช่น การคำนวณด้วยมือ การใช้ computer software เข้าช่วย หรืออื่นๆ

ดังนั้น ศิลปะในการออกแบบจึงเป็นเรื่องที่ค่อนข้างสำคัญ ที่จะเข้ามาช่วยให้เราสามารถออกแบบโครงสร้างได้อย่างถูกต้องและประหยัดคุ้มค่ามากที่สุดครับ

การออกแบบคานเหล็ก (Steel Beam Design)

สำหรับการออกแบบคานเหล็ก (โครงสร้างเหล็ก) อย่างที่เราทราบกันดีว่า เมื่อคานรับน้ำหนัก ก็จะทำให้คานเกิดการดัดตัว และเกิด bending moment และ shear force ขึ้น โดย element ที่จะต้องรับโมเมนต์ดัดเยอะ (flexural moment) ก็คือ บริเวณปีกคาน (flange) และส่วนที่รับแรงเฉือนเยอะ (shear force) ก็จะเป็นส่วนของเอวคาน (web)
ในส่วนกำลังรับน้ำหนักของคาน จะมีตัวแปรอยู่ 2 ตัวหลักๆ ที่เกี่ยวข้อง นั่นก็คือ (1.) วัสดุ ซึ่งก็คือ ค่า Fy ของเหล็ก และ (2.) หน้าตัด ซึ่งก็คือ Sx / Zx ดังนั้นจะได้ว่า (1.) My = Fy * Sx (2.) Mp = Fy * Zx

สำหรับตัวแปรแรก Fy หากเราใช้เหล็กที่มีค่า yield สูงๆ (เหล็กเกรดสูง) เช่น เปลี่ยนจากเหล็กเกรด SS400 ซึ่งมีค่า yield stress  = 2,400 ksc ไปเป็น SM490 ที่มีค่า yield stress = 3,500 ksc ก็จะสามารถเพิ่มกำลังรับโมเมนต์ดัดของคานได้เป็นอย่างดี

และตัวแปรตัวที่ 2 นี้ สำคัญมาก ซึ่งเราทุกคนทราบกันดีว่า ค่า elastic section modulus (Sx) นั้นสามารถคำนวณมาจาก Ix / C และ Plastic Section Modulus (Zx) ในหาได้จากการทำสมดุลแรงที่หน้าตัดของคาน Fy* Acompression = Fy * Atension เพื่อหาตำแหน่งของ neutral axis และนำ A * moment Arm เพื่อให้ได้ค่า Zx ออกมา (ดูวิธีการคำนวณ Zx ได้จาก https://www.youtube.com/watch?v=OfdLP4-IAcY)

โมเมนต์ความเฉื่อย (Moment of Inertia)

แล้วทำอย่างไรคานถึงจะมีค่า moment of inertia รับแรงหลัก (Ix) ที่เยอะได้ …… ตรงนี้แหละครับที่เป็นศิลปะในการออกแบบหรือเลือกใช้หน้าตัด โดยปกติ rule of thumb ในการออกแบบคานก็คือ 2 ต่อ 1 ซึ่งมีความหมายว่า ความลึกควรจะมีค่าเป็น 2 เท่าของความกว้างนั่นเองครับ เช่น ปีกคานกว้างเท่ากับ 100 มม. และคานมีความลึกเท่ากับ 200 มม.

ที่เป็นเช่นนี้มันมีเหตุผลนะครับ นั่นก็คือ ยิ่งคานมีความลึกมากเท่าไร่ ค่า moment of inertia (Ix) ก็จะยิ่งมีความลึกเพิ่มขึ้นเท่านั้น เนื่องจากสมการที่ใช้ในการคำนวณ moment of inertia นั้นมาจาก Ix = 1/12 b h^3 + ad^2

ส่วนของ Ad^2 นี่แหละครับ ที่เข้ามาช่วยให้ค่า Ix เพิ่มได้อย่างมากเลย เพราะว่า Cg ของ flange ที่เป็นส่วนที่รับโมเมนต์เป็นหลักนั้น อยู่ห่างจาก neutral axis มากทำให้ค่า d ซึ่งเป็น moment arm เพิ่มขึ้นมากตามไปด้วย จะเห็นได้จากรูปตัวอย่าง ก็คือ คานที่มีหน้าตัดเท่ากัน (A) แต่ค่า Ix เมื่อเท่ากัน ….. ยิ่งค่า Ix เยอะ คานยิ่งรับน้ำหนักได้เยอะ

การออกแบบเสาเหล็ก (Steel Column Design)

สำหรับการออกแบบเสานั้น ก็มีศาสตร์และศิลป์ที่แตกต่างไปจากการออกแบบคานพอสมควร ด้วยความที่จุดประสงค์หลัก คือ ให้รับแรงอัดเป็นหลัก ดังนั้น เมื่อเหล็กต้องรับแรงอัด ก็จะเกิดการวิบัติที่เราเรียกกันว่า โก่งเดาะ หรือดุ้ง หรือ buckling นั่นเองครับ

โดยปัจจัยที่มีผลต่อกำลังรับน้ำหนักของเสา ก็จะเป็นค่า effective length ของเสา ที่มาจากการพิจารณา Lc/r หรือ KL/r ที่เรารู้จักกันดี (แต่อย่างที่เคยเรียนให้ทุกท่านทราบว่าทาง AISC พยายามจะค่อยๆ เลิกใช้ค่า K ไป โดยให้ K มีค่าเท่ากับ 1)  ซึ่งค่า effective length นี้แหละครับ ที่มีความสำคัญมากๆ เนื่องจากเป็นตัวที่ใช้สำหรับการแบ่งพฤติกรรมของเสา ว่าเสาจะมีพฤติกรรมที่เราเรียกว่า elastic buckling หรือ inelastic buckling

ความยาวประสิทธิผล (Effective Length)

การพิจารณาค่า KL/r นี้ ก็ต้องพิจารณาทั้ง KLx /rx และ KLy / ry ซึ่งก็คือต้องพิจารณาทั้งแกนแข็งและแกนอ่อนของเสา เช่น ในรูปนั้นเสาด้านแกนแข็งจะมีความยาวเท่ากับ 8 เมตร เพราะว่าไม่ได้มีการค้ำยันในแกนแข็งเลย ส่วนความยาวด้านแกนอ่อนจะมีค่าเท่ากับ 4 เมตร เนื่องจากมีการค้ำยันที่ตรงกลางของเสา

รัศมีไจเรชั่น (Radius of gyration)

และต่อด้วยค่า rx และ ry ซึ่งเป็นตัวหาร นั่นหมายความว่า ยิ่งค่า rx และ ry ยิ่งเยอะ ยิ่งทำให้ค่า effective length ของเสามีค่าน้อย (ความยาวของเสาน้อย จะสามารถรับน้ำหนักได้เยอะ) ซึ่งในการออกแบบแล้ว การเลือกใช้ค่า effective length ของเสาเหล็กนั้น จะต้องเลือกใช้ค่าที่มาก (หลักจากคำนวณได้ทั้ง effective length ของทั้ง 2 แกน) เนื่องจาก เสาจะเกิดการวิบัติ (โก่งเดาะ รอบแกนที่มีค่า effective length ที่มีค่ามากก่อน)

โดยธรรมชาติแล้ว เสาจะเกิดการโก่งเดาะรอบแกนอ่อน (แกน y) เนื่องจากเป็นแกนที่ค่า moment of inertia มีค่าน้อยกว่าแกนหลักอยู่แล้ว โดยค่า moment of inertia ก็ไปมีผลต่อค่า radius of gyration (rx และ ry) ที่สามารถคำนวณได้จากการนำ Ix หรือ Iy มาหารด้วยพื้นที่หน้าตัด (A) และถอดสแควรูท >>> rx = sqrt(Ix / A) หรือ ry = sqrt(Iy / A)

คำถามต่อมาก็คือ จะทำยังไงให้ค่า ry มีค่ามากๆ เพื่อจะทำให้ไม่เกิดการโก่งเดาะรอบแกนอ่อนที่ง่าย…… คำตอบก็ง่ายๆ ครับ โดย rule of thumb ของการออกแบบเสาเหล็ก จะเป็น 1 : 1 ซึ่งก็หมายถึง ความกว้างต่อความลึก ควรจะมีค่าเท่าๆ กัน เช่น หากเลือกใช้ H-Beam ก็ควรเลือกใช้หน้าตัดที่มีความกว้างและความยาว เช่น 100 x 100 mm. หรือ 200 x 200 mm. อะไรแบบนี้เป็นต้น  ซึ่งการทำเช่นนี้ก็จะทำให้เราได้ค่า ry ขึ้นมาเยอะหน่อย …. แต่อย่างไรก็ดี ก็ยังไม่มากเท่าไหร่นัก

ดังนั้น หากต้องการให้เสานั้น เกิดเสถียรภาพ (ไม่เกิดการโก่งเดาะที่ง่าย) ลองเปลี่ยนมาเลือกใช้หน้าตัดเหล็กที่ทำมาจากท่อ (HSS หรือ Hollow Steel Section) ดูครับ ซึ่งหน้าตัดประเภทนี้ ทั้งหน้าตัดท่อกลมและท่อสี่เหลี่ยมจตุรัสนั้น จะให้ค่า ry และ ry ที่เท่ากัน ซึ่งหมายความว่า แกนอ่อนและแกนแข็งของเสานั้น มีค่า radius of gyration เท่ากัน ส่งผลให้กำลังรับน้ำหนักของเสารอบแกนหลักและแกนรองมีค่าที่เทียบเท่ากันเลยก็ว่าได้