การคำนวณกำลังรับน้ำหนัก เหล็กขึ้นรูปเย็น เหล็กรีดเย็น สิ่งแรกที่วิศวกรต้องทำความเข้าใจก่อนนะครับ คือ เหล็กรีดเย็น กับเหล็กขึ้นรูปเย็น เป็น 2 สิ่งที่ไม่เหมือนกัน 

เหล็กรีดเย็น cold-rolled steel คือเหล็กแผ่นที่ถูกรีดให้บางโดยไม่ใช้ความร้อนมาช่วย เป็นการบีบอัดให้ความหนาลดน้อยลง บางลง เช่นจาก 1.2 mm เหลือ 0.4 mm ผลจาก #การรีดเย็น หรือ cold rolling ทำให้กำลังรับแรงดึง หรือกำลังครากของเหล็กเพิ่มสูงขึ้น เพราะ microstructure ของเหล็กถูกบีบอัดให้ grain มีความละเอียดขึ้น

เหล็กขึ้นรูปเย็น cold-formed steel คือเหล็กที่ผ่าน #การพับขึ้นรูป ให้มีรูปร่างรูปทรงตามที่ต้องการ เช่น จากเหล็กแผ่นไปสู่เหล็กรางน้ำ รูปตัวยู (U) ตัวซี (C) ตัวแซด (Z) โดยเหล็กแผ่น อาจเป็นเหล็กที่ผ่านกระบวนการรีดร้อน ทั้ง hot-rolled coil หรือเหล็กแผ่นรีดร้อนชนิดม้วนมาคลี่เป็นแผ่นแล้วพับให้ได้รูปร่างรูปทรง หรืออาจใช้ cold-rolled coil เหล็กแผ่นรีดเย็นชนิดม้วน ก็ได้เช่นกัน

หลักในการคำนวณ cold-formed steel section นั้น โดยทั่วไป อิงหลักการของ plate and shell theory ซึ่งพิจารณาเสถียรภาพของ thin-walled section โดยคำว่า เสถียรภาพ หรือ stability นั้น สะท้อนถึงสภาวะที่วิบัติภายใต้รูปร่างที่วิบัติหนึ่งๆ ที่อาจเรียก mode shape ก็ดี หรือด้วย eigenvalue หนึ่งๆ ก็ดี ซึ่งไม่เหมือนกับการวิเคราะห์การวิบัติทั่วๆ ไป ที่ไม่ใช่ stability problem ที่รูปร่างของการวิบัติไม่มีผลต่อกำลังรับแรงของโครงสร้าง

การวิเคราะห์ cold-formed steel section ในทุกวันนี้ มีทั้งวิธีที่สามารถคำนวณด้วยมือ ที่เรียกว่า effective width method แต่จะมีขั้นตอนการคำนวณที่ยุ่งยากกว่าการคำนวณ hot-rolled steel section กลุ่ม H-beam ปกติ ที่ไม่ได้มี thin-walled element ที่จะคำนวณง่ายกว่า และได้น้ำหนักเหล็กมากกว่า จึงทำให้ hot-rolled section นี้ จะคำนวณให้ละเอียดๆ ได้โดยวิศวกรผู้ออกแบบอย่างคุ้ม manpower ที่ต้องใส่ไป ต่างจาก cold-formed section ที่จะต้องใช้ manpower มากแต่ได้นำหนักเหล็กไม่มาก ซึ่งไม่ค่อยตอบโจทย์ด้าน economy of scale ในการทำงาน

การวิเคราะห์ cold-formed section ยังมีอีกวิธีที่ให้ผลได้ดี สะดวกรวดเร็ว แต่ต้องการเครื่องมือเข้ามาช่วย เรียกว่า Direct strength method (DSM) โดยมีลักษณะคล้ายคลึงกับการวิเคราะห์ Finite element analysis (FEA) เพียงแต่จะไม่ตัด element ตามแนวยาวส่งผลให้ element มีลักษณะเป็นแถบ เรียกว่า Strip เรียกรวมๆ ว่า Finite strip method (FSM) เครื่องมือ หรือ software ที่ใช้ ก็อาจเป็น commercial software ชื่อ CFS (น่าจะย่่อมาจาก cold-formed section) หรือ CUFSM ที่เป็น free software แต่อาจไม่ flexible ในด้านการกำหนดรูปร่างรูปทรงมากนัก

เหล็กขึ้นรูปเย็น เหล็กรีดเย็น

รูปแบบการวิบัติ นอกจาก local buckling failure mode และ lateral torsional buckling failure mode ที่เป็นรูปแบบการวิบัติตามหลักการคำนวณโครงสร้างเหล็กทั่วไปแล้ว จากผลการวิเคราะห์ FSM ที่มีผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการรองรับ จะพบว่ามีรูปแบบการวิบัติอีกรูปแบบ ที่เรียกว่า distortional buckling ที่มีลักษณะของการสูญเสียเสถียรภาพ ที่ “ระยะของการสูญเสียเสถียรภาพ ที่เรียกว่า half-sine wave length” จะอยู่ระหว่าง local buckling และ lateral torsional buckling

เหล็กขึ้นรูปเย็น เหล็กรีดเย็น

ทั้งนี้ สำหรับ commercial software ทั่วไปที่เป็น FEA อย่างเช่น SAP2000 ETABS STADD Pro. ฯลฯ แม้ว่าจะเรียกว่า Finite element analysis แต่ไม่ได้ออกแบบโปรแกรมให้รองรับการคำนวณแบบ FSM แต่จะเป็น parametric calculation ตามวิธีการของ Effective width method ที่อาจคำนวณออกมาแล้ว conservative พอสมควร

#เหล็กขึ้นรูปเย็น เหล็กรีดเย็น

#WeLoveSteelConstruction