304417 การออกแบบโครงสร้างเหล็ก Design of Steel Structures ดร.ศิริชัย ตันรัตนวงศ์

องค์อาคารรับแรงในแนวแกน แรงดึง แรงอัด องค์อาคารรับแรงในแนวแกน องค์อาคารรับแรงดัด องค์อาคารรับแรงในแนวแกนพร้อมแรงดัด การเชื่อม การใช้หมุดยึด /สลักเกลียว รอยต่อองค์อาคาร องค์อาคารรับแรงบิด เพื่อให้มีความรู้ ความเข้าใจ ในหลักการออกแบบ องค์อาคารต่างๆ ของโครงสร้างเหล็ก สามารถนำไปปฏิบัติได้ อย่างถูกต้องและปลอดภัย ตามหลักทฤษฎีและมาตรฐานปฏิบัติทางวิศวกรรม วัตถุประสงค์

1 โครงสร้างเหล็ก อาคารช่วงยาว โครงถัก (Truss) โครงอาคาร: 1 โครงสร้างเหล็ก อาคารช่วงยาว โครงถัก (Truss) โครงอาคาร: อาคารชั้นเดียว อาคารสูง โรงงานอุตสาหกรรม โครงสะพาน: รถยนต์ รถไฟ โครงหลังคา: โรงภาพยนตร์ อาคารห้องประชุม โครงเปลือกบาง: อาคาร ไซโล โครงแขวนหรือขึง: อาคาร สะพาน

ออกแบบสถาปัตยกรรม เหล็กกล้าคาร์บอน ท่อนเหล็กรูปพรรณ เหล็กแผ่น โครงสร้างเหล็ก เหล็กกล้าคาร์บอน ท่อนเหล็กรูปพรรณ เหล็กแผ่น ประกอบและยึด หมุดย้ำ สลักเกลียว เชื่อม รับน้ำหนักบรรทุก ตามต้องการ วิเคราะห์โครงสร้าง ออกแบบโครงสร้าง

อาคารแบบผสม: คอนกรีตเสริมเหล็ก & เหล็กรูปพรรณ ฐานรากของอาคาร: คอนกรีตเสริมเหล็ก คานและเสา : เหล็กรูปพรรณหรือเหล็กรูปตัดที่ประกอบ รอยต่อ : เชื่อม / ขันด้วยสลักเกลียวกำลังสูง / หล่อหุ้มด้วยคอนกรีต พื้น : เหล็กแผ่น / พื้นคอนกรีตเทกับที่ / พื้นคอนกรีตเสริมเหล็กสำเร็จรูป ผนัง : ก่ออิฐฉาบปูน / อื่นๆ

โครงสร้างเหล็ก vs. โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก ระยะเวลาการก่อสร้าง (การประกอบและติดตั้ง) น้อยกว่า มีกำลังต้านทานต่อแรงดึงและแรงอัดได้สูงกว่า น้ำหนักเบากว่าโครงสร้างเมื่อต้องการรับน้ำหนักบรรทุกเท่ากัน คุณสมบัติคงทนสม่ำเสมอไม่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ความยืดหยุ่นสูง ทนต่อการกระแทกหรือเปลี่ยนรูปร่างก่อนเกิดการวิบัติได้มากกว่า ทนต่อการผุกร่อนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันได้ดี เมื่อบำรุงรักษาสม่ำเสมอ สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีกภายหลังการรื้อถอน ราคาค่าวัสดุก่อสร้างแพงกว่า เป็นสนิม ไม่ทนไฟ ทาสีป้องกัน หุ้มด้วยคอนกรีต เสริมด้วยลวดตาข่าย & ฉาบปูนทรายหนา4-5 ซม. พ่นด้วยสารเคมีที่มีคุณสมบัติทนไฟ

1.2 เหล็กโครงสร้าง เหล็กโครงสร้าง เป็นเหล็กกล้าที่ผลิตขึ้นจากส่วนผสม แร่เหล็ก คาร์บอน ธาตุอื่น เช่น ฟอสฟอรัส กำมะถัน ซิลิกอน แมงกานีส ทองแดง นิกเกิลวานาเดียม โครเมียม โคลัมเบียม โมลิดินัม เป็นต้น เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการใช้งานด้านต่าง ๆ เพิ่งกำลังแรง การเชื่อมต่อดีขึ้น ทนต่อการผุกร่อนจากปฏิกิริยาออกซิเดชันมากขึ้น มีความเหนียวและยืดหยุ่นตัวได้มากขึ้น

คุณสมบัติที่สำคัญทางวิศวกรรมของเหล็กโครงสร้าง หน่วยแรงดึงที่จุดคราก หน่วยแรงดึงประลัย ความเหนียวหรือการยืดหดตัว ก่อนเกิดการชำรุดเสียหาย ขึ้นกับปริมาณของคาร์บอน และความหนาของเหล็ก เหล็กที่มีปริมาณของคาร์บอนมากขึ้นและความหนาน้อย จะมีกำลังแรงดึงและความแข็งมากขึ้น แต่การยืดหดตัวจะลดลงหรือมีความเปราะมากขึ้น

นำท่อนหรือแท่งเหล็กที่มีขนาดตามมาตรฐานกำหนด (เช่น ASTM) การพิจารณาหาคุณสมบัติด้านรับแรงดึงของเหล็กโครงสร้าง นำท่อนหรือแท่งเหล็กที่มีขนาดตามมาตรฐานกำหนด (เช่น ASTM) มาทดสอบรับแรงดึง โดยอาศัยเครื่องทดสอบหากำลังต้านทานของวัสดุ (Testing Machine) P : แรงดึง A : เนื้อที่หน้าตัดชิ้นทดสอบ L : ความยาวเดิม L : ความยาว เมื่อเหล็กเกิดการยืดตัว หน่วยแรงดึงที่เกิดขึ้น : f = P/A หน่วยการยืดตัวที่เกิดขึ้น :  = L/L

คุณสมบัติของเหล็กโครงสร้าง: จากพฤติกรรมการรับแรงดึงของเหล็ก- เขียนความสัมพันธ์ระหว่าง หน่วยแรงดึง(tensile stress) และหน่วยการยืดตัว (tensile strain) ตั้งแต่เหล็กเริ่มรับแรงกระทำ จนกระทั่งสภาวะประลัยที่เหล็กเกิดการวิบัติ d หน่วยแรงดึง e c b a E 1 o หน่วยการยืดตัวของเหล็ก

พฤติกรรมทั่วไปของเหล็กโครงสร้าง ช่วง o ถึง a หน่วยแรงดึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับหน่วยการยืดตัวตามกฎของฮุค เพราะในช่วงนี้เหล็กมีคุณสมบัติยืดหยุ่น หน่วยแรงดึงที่จุด a เรียกว่า หน่วยแรงดึงที่ขีดพิกัดยืดหยุ่น (Proportional Limit) ค่าความชันในช่วง oa เรียกว่าโมดูลัสของความยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity) หรือโมดูลัสของยังก์(Young’s Modulus) ถือว่าเป็นค่าคงที่ในช่วงนี้ E สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนหรือเหล็กกล้ากำลังสูง: 2000 - 2100 ตันต่อตร.ซม. การยืดตัวของเหล็กในช่วงยืดหยุ่นนี้ค่อนข้างน้อย และสามารถหดกลับลงมาตามแนวเดิมได้เมื่อเลิกดึง เมื่อพ้นจากจุด a เหล็กเริ่มคราก

ช่วง a ถึง b การยืดของเหล็กมักจะไม่เป็นไปตามกฎของฮุค เหล็กจะเริ่มคราก หรือล้า (yield) หน่วยแรงดึงที่จุดครากของเหล็ก (Yield Strength: Fy) หน่วยการยืดตัวจะเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่หน่วยแรงดึงมีค่าเกือบคงที่ การยืดตัวในช่วง bc ถือว่าเป็นช่วงพลาสติก ปกติมีค่ามากกว่าการยืดตัวในช่วงยืดหยุ่นหรืออิลาสติก ประมาณ 10 ถึง 12 เท่า แสดงถึงความเหนียวของเหล็กโครงสร้างทั่วไป

จุด C เหล็กเริ่มมีพฤติกรรมใหม่เรียกว่าการแข็งตัวเพิ่ม (strain hardening) เมื่อเพิ่มแรงกระทำต่อไปอีกจะได้ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึง และหน่วยการยืดตัวตามรูป จุด d เหล็กสามารถรับแรงดึงได้มากที่สุด เรียกว่า หน่วยแรงดึงประลัย (ultimate tensile strength : Fu) จุด d - e หน่วยแรงดึงในเหล็กจะเริ่มลดลง หน้าตัดของเหล็กที่ถูกดึงก็เริ่มมีคอคอดเกิดขึ้น จุด e เหล็กจะถูกดึงและขาดออกจากกัน เรียกจุดนี้ว่า หน่วยแรงดึงที่ จุดขาดของเหล็ก

LO : ระยะวัดการยืดตัว/ความยาวพิกัด (gage length) ของเหล็กก่อนรับแรงดึง Lf : ความยาวของเหล็กที่จุดเหล็กขาดระหว่างจุดพิกัด เปอร์เซ็นต์การยืดตัว (elongation) ของเหล็กก่อนที่จะขาด = (Lf – LO) LO X 100 สำหรับเหล็กที่มีกำลังจุดครากสูงมาก ตำแหน่งของจุดคราก อาจไม่ปรากฏชัดเจน ASTM ให้หาหน่วยแรงที่จุดครากจากจุดที่หน่วยการยืดตัวเท่ากับ 0.002 (0.20% off-set) : จากจุดที่หน่วยการยืดตัวเท่ากับ 0.002 ให้ลากเส้นขนานกับความชันขึ้นไป ตัดเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึงกับหน่วยการยืดตัว จุดตัด=หน่วยแรงที่จุดครากของเหล็ก หรือ หน่วยแรงดึงพิสูจน์ (proof stress) ที่ 0.20%

ประเภทของเหล็กโครงสร้างแบบรีดร้อน (เหล็กรูปพรรณ เหล็กแผ่น และท่อนหรือท่อเหล็ก) ตามมาตรฐาน ASTM: 1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel): สำหรับโครงสร้างเหล็กทั่วไปที่สามารถทำรอยต่อโดยใช้ตัวยึดหรือโดยการเชื่อม มีปริมาณคาร์บอนสูงสุดไม่เกิน 1.70% ASTM A 36 (ปริมาณคาร์บอน0.25-0.29% ขึ้นกับความหนา) A 53, A 500, A 501 และ A529 กำลังจุดครากประมาณ 2500 ksc. ถึง 29000 ksc. การยืดตัวประมาณ 20%

2. เหล็กกล้าประสมบาง-กำลังสูง (High Strength Low-Alloy steel) เหล็กกล้าคาร์บอน (ใช้ปริมาณคาร์บอนไม่เกิน 0.2%) ผสมโลหะอื่น เช่น โครเมียม โคลัมเบียม โมลิดินัม นิกเกิล วานาเดียม ซิลิกอนและทองแดง รวมกันในปริมาณไม่เกิน 5% มีกำลังจุดครากสูงกว่าประเภทแรก (มีค่าระหว่าง 2750 ถึง 4500 ksc.) บางชนิดทนต่อการผุกร่อนสูงกว่าเหล็กประเภทแรก เหล็กชนิด ASTM A 242, A441, A 572, A 588, A 607 และ A618 การยืดตัวประมาณ 15-19 %

3. เหล็กกล้าประสม-ชุบแข็ง (Heat-treated Constructional Alloy Steel) เหล็กกล้าประสมบาง ได้จากการชุบแข็ง (โดยทำให้เย็นลงทันที หรือ นำมาอบ เพิ่มที่อุณหภูมิสูงแล้ว ปล่อยให้เย็นตัวตามธรรมชาติ) มีกำลังจุดครากสูงขึ้นมากประมาณ 6200 ถึง 6900 ksc. การยืดตัวประมาณ 17-18% ที่มีความยาวพิกัดเท่ากับ 5 ซม. ทนต่อการผุกร่อนสูงกว่าเหล็กชนิด A36 ถึง 4 เท่า เหล็กชนิด ASTM A 514 เป็นเหล็กแผ่นไม่แสดงกำลังที่จุดครากชัดเจน พิจารณาที่กำลังพิสูจน์ 0.20%

เหล็กโครงสร้างที่นิยมใช้มากที่สุด เหล็ก ASTM A36: กำลังจุดคราก ประมาณ 2500 ksc. สามารถรับน้ำหนักหรือแรงที่กระทำได้ดีพอควร ไม่มีปัญหาในเรื่องสติฟเนสของส่วนโครงสร้างตามข้อกำหนดของ AISC หากใช้เหล็กที่มีกำลังจุดครากสูงขึ้น ราคาแพงขึ้น แม้ว่าขนาดของหน้าตัดจะเล็กลง แต่จะมีปัญหาในเรื่องสติฟเนสของส่วนโครงสร้างตามข้อกำหนด AISC ซึ่งในที่สุดอาจต้องใช้ขนาดของหน้าตัดเท่ากับขนาดที่ต้องใช้ในเหล็กA36 ทำให้ไม่ประหยัดแต่อย่างใด

ประเทศไทย: มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.) กำหนดเหล็กโครงสร้างไว้ 2 ชั้นคุณภาพ Fe 24 : เหล็กกล้าคาร์บอน กำลังจุดคราก 2400 ksc. มีกำลังต้านทานแรงดึงประลัย 4100 ksc. การยืดตัวไม่น้อยกว่า 23% เครื่องหมายด้วยสีขาว Fe 30: เหล็กกล้าคาร์บอน กำลังจุดครากเท่ากับ 3000 ksc. มีกำลังต้านทานแรงดึงประลัย 5000 ksc. เครื่องหมายด้วยสีเขียว

ตารางที่ 1.1 คุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้าง ประเภทและ ชนิดของเหล็ก กำลังจุดคราก กก./ซม.2 กำลังดึงประลัย การยืดตัว % ความหนา นิ้ว เหล็กกล้าคาร์บอน : A 36 A529 เหล็กกล้าประสมบาง – กำลังสูง : A441 A572 A242 (ทนการผุกร่อน) 2500 2900 3150 3450 4150 4500 4000-5000 4150-5850 4350 4600 4800 5200 5500 20* 19* 16* 18* 15* 8 0.5 1.5-4 0.75-1.5 0.75 6 2 1.25  0.75

Note: เมื่อเหล็กมีความหนามากขึ้น กำลังจุดครากจะลดลง ตารางที่ 1.1 คุณสมบัติทางกลของเหล็กโครงสร้าง ประเภทและ ชนิดของเหล็ก กำลังจุดคราก กก./ซม.2 กำลังดึงประลัย การยืดตัว % ความหนา นิ้ว A588 (ทนการผุกร่อน) เหล็กกล้าประสม - ชุบแข็ง : A514 (ทนการผุกร่อนสูง) 2900 3150 3450 6200 6900 4350 4600 4800 6900-8950 7600-8950 19-21** 17** 18** 5-8 4-5 4 2.5-6  2.5 * ความยาวพิกัด 20 ซม. ** ความยาวพิกัด 5 ซม. Note: เมื่อเหล็กมีความหนามากขึ้น กำลังจุดครากจะลดลง

1.3 เหล็กโครงสร้างรูปพรรณ เหล็กตัดที่ผลิตขึ้นโดยมีขนาดและน้ำหนักตามที่มาตรฐานกำหนด ความยาวขนาดมาตรฐานท่อนละ 6 เมตร การผลิต แบบรีดร้อน (hot rolled): ทำส่วนของโครงสร้างหลัก มีรูปตัดต่าง ๆ กัน เช่น รูปตัดฉาก (Angle, L) แบบ S (ตัว I เดิม), แบบปีกกว้าง (Wide Flange, W), แบบตัว T, ท่อเหล็กกลมหรือสี่เหลี่ยม เป็นต้น แบบรีดเย็น (cold rolled): หรือเหล็กไลท์เกจ จะบางและมีน้ำหนักเบากว่าแบบรีดร้อน เพราะได้จากการนำแผ่นเหล็กที่มีความกว้างพอเหมาะมาเข้าเครื่องพับทำเป็นรูปตัด ต่าง ๆ เช่นรูปตัว L ตัว C เป็นต้น เมื่อทำรอยต่อโดยการเชื่อมต้องระวังเป็นพิเศษ เพราะอาจเชื่อมทะลุเนื่องจากชิ้นส่วนบางเกินไป ทำให้เหล็กเกิดสนิมในภายหลัง

การออกแบบ พิจารณาเลือกใช้เหล็กรูปพรรณ ที่มีรูปตัดที่ให้ค่าโมดูลัสอิลาสติก/พลาสติกของหน้าตัดมาก เมื่อเทียบกับพื้นที่หน้าตัดหรือน้ำหนัก นั่นคือพยายามเลือกใช้เหล็กรูปพรรณแบบต่าง ๆ เช่น ขนาด น้ำหนัก พื้นที่หรือเนื้อที่หน้าตัด โมเมนต์อินเนอร์เชีย รัศมีไจเรชัน และโมดูลัสอิลาสติก/พลาสติกของหน้าตัด ซึ่งต้องใช้ในการออกแบบ

การระบุขนาดและชนิดของเหล็กรูปพรรณซึ่งใช้กันเป็นมาตรฐานสากลทั่วไป W หรือ WF 350 x 49.6 : เหล็กรูปพรรณที่มีรูปตัดแบบปีกกว้าง (wide flange) มีความลึกโดยประมาณเท่ากับ 350 มม. มีน้ำหนักเท่ากับ 49.6 กิโลกรัมต่อเมตร C 125x13.4 : เหล็กรูปพรรณที่มีรูปตัดแบบเหล็กราง หรือ ร่อง (channel) มีความลึกโดยประมาณเท่ากับ 125 มม. มีน้ำหนักเท่ากับ 13.4 กิโลกรัมต่อเมตร L 90 x 60 x 12 : เหล็กรูปพรรณตัดฉากที่มีขาด้านยาวเท่ากับ 90 มม. ขาด้านสั้นเท่ากับ 60 มม.และมีความหนาเท่ากับ 12 มม. WT 150 x 47 : เหล็กรูปพรรณที่มีรูปตัดแบบตัวที (Tee) ซึ่งได้จากการตัดครึ่งที่เหล็กแผ่นตั้งของเหล็กW 300 x94 เหล็กรูปพรรณแบบนี้เรียกว่า Structural Tee

1.4 การออกแบบโครงสร้างเหล็ก: คำนวณเพื่อ เลือกชนิดและขนาดของเหล็กรูปพรรณที่เหมาะสมซึ่งมีอยู่แล้ว พิจารณานำรูปตัดต่าง ๆ ของเหล็กรูปพรรณและเหล็กแผ่นที่มีอยู่แล้ว มาประกอบร่วมกัน (built-up section) เพื่อให้สามารถต้านทานต่อแรงหรือน้ำหนักบรรทุกที่กระทำได้โดยปลอดภัย ไม่เป็นอันตรายต่อชีวิตและทรัพย์สิน

การออกแบบโครงสร้างเหล็ก มีวิธีการเฉพาะสำหรับแต่ละส่วนโครงสร้าง ขึ้นกับแรงหรือโมเมนต์ที่ส่วนโครงสร้างนั้นต้องรับหรือต้านทาน แรงหรือโมเมนต์ที่กระทำต่อส่วนของโครงสร้าง คำนวณหาค่าได้จากการวิเคราะห์ด้วยทฤษฎีโครงสร้าง ส่วนของโครงสร้างเหล็กที่ต้องพิจารณาออกแบบ ส่วนโครงสร้างที่รับแรงตามแนวแกน ซึ่งอาจเป็นแรงดึงหรือแรงอัด ส่วนโครงสร้างที่รับโมเมนต์ดัดและแรงเฉือน ส่วนโครงสร้างที่รับแรงตามแนวแกนและโมเมนต์ดัดร่วมกัน รอยต่อของส่วนโครงสร้าง

มาตรฐานหรือข้อบัญญัติ (Specifications) ในการคำนวณและออกแบบโครงสร้างใด ๆ วิศวกรผู้ออกแบบ ต้องพิจารณาออกแบบส่วนของโครงสร้างนั้น ๆ ให้สอดคล้องเป็นไปตามมาตรฐานหรือข้อบัญญัติที่กำหนดไว้ มาตรฐานหรือข้อบัญญัติส่วนใหญ่ได้มาจากผลของการวิเคราะห์และวิจัย มาตรฐานสำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็ก: สำหรับโครงสร้างเหล็กที่เป็นส่วนของโครงอาคาร (building structures) มาตรฐาน AISC (American Institute of Steel Construction): สำหรับการคำนวณและออกแบบโครงสร้างเหล็กที่มิได้เป็นส่วนของโครงอาคาร มาตรฐาน AASHTO (American Association of State Highway & Transportation Officials) มาตรฐาน AREA (American Railway Engineering Association) มาตรฐานกำหนดของประเทศไทย: มาตรฐาน ว.ส.ท. (คล้ายกับมาตรฐาน AISC)

วิธีอิลาสติก (Allowable Stress Design : ASD) : ปี 1989 มาตรฐาน AISC : 3 วิธี วิธีอิลาสติก (Allowable Stress Design : ASD) : ปี 1989 ใช้หน่วยแรงที่ยอมให้เมื่อโครงสร้างรับน้ำหนักบรรทุกใช้งาน (Working Load) วิธีพลาสติก (Plastic Design: PD): ใช้กำลังต้านทานสูงสุดเมื่อโครงสร้างนั้นถูกสมมุติให้ต้องรับน้ำหนักบรรทุกใช้งานที่เพิ่มค่าแล้ว (Factored Load) วิธี Load Resistance Factor Design : LRFD : ปี 1994 พิจารณาในสภาวะที่ส่วนโครงสร้างใกล้จะวิบัติ โดยอนุญาตให้ทำการวิเคราะห์โครงสร้างโดยวิธีอิลาสติกหรือวิธีพลาสติกเมื่อส่วนของโครงสร้างนั้นถูกสมมุติให้ต้องรับน้ำหนักบรรทุกใช้งานที่ทำเพิ่มค่าแล้ว (Factored Load) หรือน้ำหนักประลัย พิจารณาออกแบบส่วนของโครงสร้างโดยใช้กำลังที่ใช้ออกแบบ (Design Strength) หรือกำลังต้านทานแรงประลัย ซึ่งเป็นกำลังต้านทานระบุ (Nominal Strength) ของส่วนโครงสร้างนั้นที่ลดค่าแล้วด้วยตัวคูณลดกำลัง (Resistance Factor) การออกแบบโดยวิธี LRFD จะคล้ายกับวิธีการออกแบบโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก ด้วยทฤษฎีกำลังประลัย (Ultimate Strength Design :USD) ซึ่งต่อมาเรียกว่าวิธีกำลัง (Strength Design)

การออกแบบโดยวิธี ASD หลักเกณฑ์: หน่วยแรงที่เกิดขึ้น (actual stress: f ) บนรูปตัดของส่วนโครงสร้าง ที่พิจารณาเลือกใช้ เมื่อรับน้ำหนักบรรทุกใช้งาน ต้องมีค่าไม่เกินกว่า ค่าหน่วยแรงใช้งานที่ยอมให้ (allowable stress : F) f  F

น้ำหนักบรรทุกใช้งาน (working load) คือน้ำหนักหรือแรงกระทำต่าง ๆ ที่คาดว่าส่วนโครงสร้างนั้นจะต้องรับหรือต้านทาน น้ำหนักบรรทุกคงที่ (dead load : D) น้ำหนักบรรทุกจร (live load : L) แรงลม (wind load : W) แรงจากแผ่นดินไหว (earthquake load : E) ในการออกแบบต้องพิจารณาจัดรวมน้ำหนักหรือแรงกระทำต่าง ๆ เพื่อให้ได้น้ำหนักบรรทุกใช้งานสูงสุดที่กระทำต่อส่วนของโครงสร้าง น้ำหนักบรรทุกใช้งาน = D หรือ = D+L หรือ = 0.75 [D+L+(W หรือ E)] น้ำหนักบรรทุกใช้งานสูงสุดที่ได้จาก 3 กรณีข้างต้น เป็นน้ำหนักบรรทุกใช้งานที่จะนำไปออกแบบต่อไป

หน่วยแรงที่เกิดขึ้นจริง (actual stress) : ค่าที่ได้จากการหารค่าแรงหรือโมเมนต์ตัดที่กระทำ ด้วยคุณสมบัติของรูปตัด (เช่น เนื้อที่หน้าตัด หรือ โมดูลัสอิลาสติกของหน้าตัด) หน่วยแรงใช้งานที่ยอมให้ (allowable stress) / หน่วยแรงที่ยอมให้ : ค่าที่ได้จากนำ ค่ากำลังที่จุดครากหรือหน่วยแรงสูงสุดของวัสดุ หารด้วยค่าอัตราส่วนความปลอดภัย (Factor of Safety) Note: ค่าอัตราส่วนความปลอดภัยจะขึ้นอยู่กับประเภทของส่วนโครงสร้าง

ในการออกแบบโดยวิธี ASD ที่กล่าวต่อไป จะพบว่า มาตรฐาน AISC กำหนดหน่วยแรงชนิดต่างๆที่ยอมให้ เป็นค่าร้อยละของกำลังที่จุดครากของเหล็ก เช่น หน่วยแรงดึงที่ยอมให้ เท่ากับ 60% ของกำลังจุดครากของเหล็ก หน่วยแรงเฉือนที่ยอมให้ เท่ากับ 40% ของกำลังจุดครากของเหล็ก ฉะนั้น สามารถหาค่าอัตราส่วนความปลอดภัยที่ใช้สำหรับโครงสร้างส่วนต่าง ๆ เช่น ส่วนโครงสร้างที่รับแรงดึง มีอัตราส่วนความปลอดภัยเท่ากับ1.67 [หารกำลังจุดครากของเหล็ก (Fy) ด้วยหน่วยแรงดึงที่ยอมให้ 0.6 Fy]

การออกแบบโดยวิธี LRFD หลักเกณฑ์ : ในสภาวะที่ส่วนโครงสร้างจะเกิดการวิบัติ กำลังที่ต้องการ (required strength) ของส่วนโครงสร้าง จากน้ำหนักบรรทุกใช้งานที่เพิ่มค่าแล้ว(factored load) หรือน้ำหนักประลัย ต้องมีค่าไม่เกินกำลังที่ใช้ออกแบบ (design strength) หรือกำลังต้านทานประลัยของส่วนโครงสร้างนั้น ซึ่งเป็นกำลังต้านทานที่ระบุ (nominal strength) ของส่วนโครงสร้างนั้นเมื่อได้ลดค่าลงแล้ว i Qi  Rn

กำลังที่ต้องการ (required strength) ของส่วนโครงสร้าง จากน้ำหนักบรรทุกใช้งานที่เพิ่มค่าแล้ว(factored load)หรือน้ำหนักประลัย ได้จากการคูณน้ำหนักหรือแรงกระทำใช้งานต่างๆ (load : Qi) ด้วยตัวคูณเพิ่มน้ำหนัก (load factor : i) จัดรวมน้ำหนักหรือแรงกระทำต่างๆ (iQi) เพื่อให้ได้น้ำหนักประลัยสูงสุดที่คาดว่าส่วนของโครงสร้างนั้นต้องต้านทาน น้ำหนักประลัย = 1.4D (1.4) หรือ = 1.2D + 1.6L (1.5) หรือ = 1.2D + (0.5L หรือ 0.8W) (1.6) หรือ = 1.2D + 1.3W + 0.5L* (1.7) หรือ = 1.2D  1.0E + 0.5L (1.8) หรือ = 0.9  (1.3W หรือ 1.0E) (1.9)

กำลังที่ใช้ออกแบบ(design strength) / กำลังต้านทานแรงประลัย ได้จากการคูณกำลังต้านทานระบุที่คำนวณได้ตามทฤษฎี(nominal resistance: Rn) ด้วยตัวคูณลดกำลัง (resistance factor : ) ซึ่งมีค่าต่างๆกัน (ไม่เกิน 1.00) ขึ้นกับประเภทของส่วนโครงสร้าง

1.5 น้ำหนักบรรทุกในโครงอาคาร น้ำหนักบรรทุกคงที่ (Dead Load): น้ำหนักของส่วนโครงสร้างที่ประกอบรวมเป็นอาคาร คอนกรีตเสริมเหล็ก 1600-2400 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร เหล็ก 7850 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร ไม้เนื้อแข็ง 700-1200 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร อิฐ 1900 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร วัสดุมุงหลังคา 5-18 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร แปไม้ 5 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร โครงหลังคาไม้ 10-20 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร ฝ้าเพดาน 14-26 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร กำแพงอิฐมอญ 180-350 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร กำแพงอิฐบล็อก 100-200 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร กำแพงคอนกรีตบล็อก 100-240 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร ฝาไม้ ไม้อัด รวมเคร่า 12-30 กก. ต่อ ลูกบาศก์เมตร พื้นไม้ รวมตง 30 กก.ต่อ ตารางเมตร

DL โครงหลังคาเหล็ก: ขึ้นอยู่กับความชันและช่วงความยาวของโครง Grinter : ถ้าโครงเหล็กมีช่วงยาว 40 ฟุต ความชัน(pitch) ระหว่าง 1/3-1/4 น้ำหนักบรรทุกคงที่ของโครงเหล็กประมาณ 2-3.5 ปอนด์/ตร.ฟุต (รอยต่อเชื่อมน้ำหนักลดลง/รอยต่อหมุดย้ำ-สลักเกลียว-แผ่นประกับ น้ำหนักเพิ่ม15 % ) โครงเหล็กมีช่วงยาวเกินกว่า 40 -80 ฟุต น้ำหนักเพิ่ม0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต ทุกๆ ความยาวที่เพิ่มขึ้น 10 ฟุต โครงเหล็กแบน(Flat roof) เพิ่มน้ำหนัก 0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต โครงเหล็กชัน (Steep roof) ลดน้ำหนักลง 0.5-1 ปอนด์/ตร.ฟุต

น้ำหนักบรรทุกจร (Live Load): น้ำหนักกระทำในแนวดิ่ง: ผู้ใช้อาคาร เครื่องเรือน เครื่องจักร สิ่งของต่างๆขึ้นกับประเภทและการใช้สอยของอาคารนั้น น้ำหนักที่กระทำทางด้านของอาคาร: แรงลม แรงจากแผ่นดินไหว แรงลมที่กระทำต่อโครงอาคาร ขึ้นอยู่กับแรงดันแบบ dynamic ของลม แรงดัน(Pressure) ด้านเหนือลม แรงดูด(Suction) ด้านใต้ลม ความเร็วลมจะแปรตามสภาพภูมิประเทศ ความสูงเหนือพื้นดิน และอาคารข้างเคียง การออกแบบจะสมมุติให้แรงลมกระทำอย่างสม่ำเสมอต่อโครงอาคารด้านที่รับลม และแรงลมสามารถกระทำได้ทุกทิศทาง

ASCE :แรงลมแบบ static ที่กระทำตั้งฉากกับอาคาร p = 0.00256 CS V2 ปอนด์/ตร.ฟุต V: ความเร็วลม (ไมล์/ชม.) p = 0.00473 CS V2 กก./ตร.เมตร V: ความเร็วลม ( กม./ชม.) CS: shape coeffcient ขึ้นกับรูปทรงและสัดส่วนของอาคาร อาคารสูงรูปกล่องสี่เหลี่ยม(box-type structure)ไม่มีช่องเปิด CS = 0.8 ที่ด้านเหนือลม-แรงดัน / CS = 0.5 ที่ด้านใต้ลม-แรงดูด ดังนั้น แรงลมทั้งหมดที่กระทำ = แรงดันด้านเหนือลม+ แรงดูดด้านใต้ลม p = 0.00473(0.8+0.5)V2 = 0.0062V2 กก. /ตร.เมตร

ASCE: แรงลมที่กระทำตั้งฉาก(Pn) กับแนวหลังคา แรงลมกระทำภายนอกอาคาร: แรงลมที่กระทำตั้งฉากกับแนวหลังคา(Pn) มีทั้งแรงดัน(+) และแรงดูดหรือแรงยกตัว(-) ทั้งทางด้านเหนือลมและใต้ลม ซึ่งขึ้นอยู่กับมุมลาดเอียง()ของโครงหลังคา

แรงลมกระทำภายในอาคาร: อาคารมีช่องเปิดของหน้าต่างหรือประตูเท่ากับร้อยละ n ของเนื้อที่ผนัง ค่าของ n อยู่ระหว่าง 0 ถึง 30% แรงลมภายในที่ด้านเหนือลม pn = (+0.225+0.0125n)p 0.6p แรงลมภายในที่ด้านใต้ลม Pn = (-0.225+0.0075n)p -0.45p ถ้า n มีค่ามากกว่า 30%ให้ใช้ค่าสูงสุดตามที่กำหนดข้างต้น

สูตร: พิจารณาเฉพาะแรงดันด้านเหนือลมเพียงอย่างเดียว (1) pn = p(2 sin )/(1+sin2  ) Duchemin Formula (2) pn = p sin  1.84 cos - 1 Hutton Formula (3) pn = p  / 45 Ketchum or Straight – line Formula  : มุมลาดเอียงของหลังคา หน่วยเป็นองศา สูตร Duchemin ได้รับความนิยมและเชื่อถือมาก ส่วนอีกสองสูตรให้ค่าสอดคล้องกับการทดลองเมื่อมุม  ไม่เกิน 35 องศา สำหรับข้อบัญญัติกรุงเทพมหานคร พ.ศ. 2522 กำหนดน้ำหนักบรรทุกจร สำหรับการออกแบบโครงอาคารประเภทต่างๆ ซึ่งต้องไม่น้อยกว่าอัตราต่อไปนี้

หลังคา 50 กก.ต่อ ตารางเมตร กันสาด หรือ หลังคาคอนกรีต 100 กก.ต่อ ตารางเมตร ที่พักอาศัย โรงเรียนอนุบาล ห้องน้ำ ห้องส้วม 150 กก.ต่อ ตารางเมตร อาคารชุด หอพัก โรงแรม 200 กก.ต่อ ตารางเมตร สำนักงาน ธนาคาร 250 กก.ต่อ ตารางเมตร อาคารพาณิชย์ มหาวิทยาลัย วิทยาลัย โรงเรียน 300 กก.ต่อ ตารางเมตร ห้องโถง บันได ทางเดินของอาคารชุด หอพัก โรงแรม โรงพยาบาล สำนักงาน และธนาคาร 300 กก.ต่อ ตารางเมตร ห้างสรรพสินค้า โรงมหรสพ หอประชุม ภัตตาคาร

ที่จอดหรือเก็บรถยนต์นั่ง 400 กก.ต่อ ตารางเมตร ที่จอดหรือเก็บรถยนต์นั่ง 400 กก.ต่อ ตารางเมตร ห้องโถง บันได ทางเดินของอาคารพาณิชย์ มหาวิทยาลัย วิทยาลัย และโรงเรียน 400 กก.ต่อ ตารางเมตร คลังสินค้า พิพิธภัณฑ์ อัฒจันทร์ โรงงานอุตสาหกรรม โรงพิมพ์ ห้องเก็บเอกสารและพัสดุ 500 กก.ต่อ ตารางเมตร ห้องโถง บันได ทางเดินของห้างสรรพสินค้า โรงมหรสพ หอประชุม ภัตตาคาร และหอสมุด ห้องเก็บหนังสือของหอสมุด 800 กก.ต่อ ตารางเมตร แรงลมสำหรับส่วนของอาคารสูง - H  10 เมตร 50 กก.ต่อ ตารางเมตร - 10 เมตร  H  20 เมตร 80 กก.ต่อ ตารางเมตร - 20 เมตร  H  40 เมตร 120 กก.ต่อ ตารางเมตร - H  40 เมตร 160 กก.ต่อ ตารางเมตร สำหรับการออกแบบในจังหวัดอื่นในประเทศไทย ผู้ออกแบบ ต้องพิจารณาจากประกาศของกรมโยธาธิการ/เทศบาล/กระทรวงมหาดไทย

น้ำหนักบรรทุกกระแทก: น้ำหนักบรรทุกจรที่กระแทกหรือกระทำต่อส่วนโครงสร้างอย่างทันทีทันใด การออกแบบ AISC ให้เพิ่มค่าน้ำหนักบรรทุกจรนั้นตามจำนวน % ที่กำหนด สำหรับส่วนที่รองรับลิฟท์ และห้องเครื่องลิฟท์ 100% สำหรับส่วนที่รองรับเครื่องจักรกลชนิดเบา ≥ 20% สำหรับส่วนที่รองรับเครื่องจักรกลชนิดหนัก ≥ 50% สำหรับส่วนที่แขวนรับพื้นหรือระเบียง 100% สำหรับคานและรอยต่อที่รองรับเครนวิ่งที่ใช้ยกของ 10-20%