การวิเคราะห์โครงสร้าง(Structure Analysis)

มีคำถามที่ถูกโพสต์ใน facebook งานเรื่องของโครงสร้างและเหล็กโครงสร้าง โดยได้แสดงรูปร่างโครงสร้างที่ประกอบด้วยเหล็กโครงสร้างดังภาพที่ 1 คำถามมีอยู่ว่า หากเสาด้านขวารับแรงได้น้อยลงเนื่องจากเกิดความเสียหาย และหากวิศวกรมีเหล็กโครงสร้างสำหรับทำค้ำยัน 1 เส้น ท่านจะเลือกค้ำยันเสาต้นไหนระหว่าง แบบที่ 1 หรือ แบบที่ 2 ซึ่งก็ได้รับคำตอบจากวิศวกรมากมายในการแสดงความคิดเห็นในสำหรับทั้งสองรูปแบบ หากเป็นท่านผู้อ่านท่านจะเลือกค้ำยันแบบไหนและเพราะเหตุใด

ภาพที่ 1 โครงสร้างที่พบปัญหา

เราจะใช้ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ช่วยในการวิเคราะห์และเลือกใช้เอลิเมนต์ ชนิด Beam Element 

สมมุติให้เหล็กโครงสร้างเป็นเหล็ก Wide Flange และเมื่อพิจารณาจากทิศทางและตำแหน่งที่โหลดกระทำ เราจะพบว่า หากไม่มีค้ำยัน คานจะมีโมเมนต์ดัดสูงสุดบริเวณที่โหลดกระทำ และเสาทั้งสองต้นจะรับแรงและโมเมนต์ดัดเท่าๆกัน ทำให้ความเค้นที่กระจายบนเสามีลักษณะสมมาตร ดังแสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 Von Mises Stress บนโครงสร้าง (สีแดงแสดงบริเวณที่มีความเค้นสูง สีน้ำเงินแสดงบริเวณที่มีความเค้นต่ำ)

เมื่อมีการเพิ่มค้ำยันตามแบบที่ 1 และ 2 ความเค้นบนโครงสร้างแสดงได้ดังภาพที่ 3 และ 4

แบบที่ 1 

แบบที่ 2

จากความเค้นที่เกิดขึ้นกับเสาในแบบที่ 1 และ แบบที่ 2 คงจะเห็นแล้วว่า เราควรจะค้ำยันเสาด้านขวาครับ เนื่องจากจะช่วยลดโมเมนต์ที่กระทำกับเสาได้มากแม้ว่าจะมีแรงในแนวแกนเพิ่มขึ้นบ้าง ดังตารางแรงปฎิกิริยาของเสาทั้ง 3 กรณีครับ  (โหลดที่กระทำเท่ากับ 10,000 N)

แบบไม่มีค้ำยัน

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      5,000 N                              เสาด้านขวา      5,000 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,183.2 N                           เสาด้านขวา      -2,183.2 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -1.92 kN-m                           เสาด้านขวา      1.92 kN-m

ค้ำยันแบบที่ 1

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      5,586.91 N                         เสาด้านขวา      4,413.09 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,879.48 N                           เสาด้านขวา     -2,879.48 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -0.84 kN-m                           เสาด้านขวา      3.78 kN-m 

ค้ำยันแบบที่ 2

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      4,409.54 N                         เสาด้านขวา      5,590.46 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,881.34 N                           เสาด้านขวา     -2,881.34 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -3.78 kN-m                           เสาด้านขวา      0.83 kN-m 

ใน FB ที่คุยกันในเรื่องนี้ มีท่านหนึ่งให้ความเห็นแบบง่ายๆไว้ว่า หากท่านมีเสาค้ำยันอันหนึ่ง ท่านจะเลือกค้ำยันเสาที่แข็งแรงหรือเสาที่อ่อนแอ 

จากตัวอย่างการวิเคราะห์ปัญหาการออกแบบโครงสร้างท่านจะเห็นว่าระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์สามารถเป็นเครื่องมือช่วยให้ท่านวิเคราะห์ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว แต่อย่างไรก็ตาม ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการคำนวณก็ยังเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรครับ