บทบาทของงานออกแบบโครงสร้างในงานระบบอาคาร

งานออกแบบโครงสร้างทางวิศวกรรมโยธา

งานออกแบบโครงสร้างเป็นงานวิศวกรรมโยธาที่ต้องการความเชี่ยวชาญสูง ซึ่งวิศวกรออกแบบโครงสร้างจะได้รับการฝึกฝนมาให้มีความเข้าใจและสามารถคำนวณความมั่นคง, ความแข็งแรง, และความแข็งแกร่งของโครงสร้างของสิ่งต่าง ๆ ซึ่งเปรียบได้กับการออกแบบส่วนของ 'กระดูกและกล้ามเนื้อ' เพื่อสร้างรูปทรงของมนุษย์ออกมา วิศวกรเหล่านี้จะใช้วิธีการหรือเครื่องมือที่มีความเฉพาะเพื่อทำให้โครงสร้างที่ออกแบบมามีความปลอดภัยและคุ้มค่า อีกทั้งมีความแข็งแรงมากพอในการรองรับนำหนักที่กำหนดไว้ได้

 

นักออกแบบโครงสร้างของอาคารมักให้ความสำคัญกับความแข็งแรง, ความทนทาน, และความปลอดภัยของอาคารโดยยึดตามทฤษฎีและกฎทางกายภาพ เพื่อพิจารณาว่าแรงภายในและภายนอก รวมถึงผังของอาคารจะส่งผลกระทบต่อโครงสร้างของอาคารหรือไม่ จากนั้นจะมีการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมมาใช้เสริมโครงสร้างของอาคารเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ดังที่ได้กล่าวไว้

 

งานออกแบบตามการใช้งาน vs. งานออกแบบโครงสร้าง

โครงสร้างที่มีการออกแบบมาต้องตอบสนองวัตถุประสงค์ในการใช้งานขั้นพื้นฐานและมีรูปแบบที่สวยงาม  อีกทั้งควรมีสภาพแวดล้อมทั้งภายในและภายนอกอาคารที่เหมาะสม ดังนั้นการออกแบบตามการใช้งานของอาคารจึงต้องมีการคำนึงถึงการจัดห้อง/โถงที่มีความเหมาะสม เพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้า เช่น การระบายอากาศที่ดี, แสงไฟ, หรือเสียง ฯลฯ

 

กระบวนการของงานออกแบบโครงสร้างจะเริ่มต้นหลังการเลือกรูปแบบของโครงสร้างเรียบร้อยแล้ว ซึ่งแท้ที่จริงแล้วการออกแบบโครงสร้างถือเป็นการผสมผสานกันระหว่างศาสตร์ศิลปะและวิทยาศาสตร์ เนื่องจากต้องมีการทำความเข้าใจโครงสร้างที่ต้องรับน้ำหนัก และต้องออกแบบให้มีความคุ้มค่าและสวยงามในเวลาเดียวกัน เพื่อให้ได้โครงสร้างที่ปลอดภัยและมีความทนทาน โดยบางครั้งงานออกแบบโครงสร้างอาจรวมถึงการออกแบบเครื่องจักร, อุปกรณ์ทางการแพทย์, และยานพาหนะที่ต้องอาศัยความสมบูรณ์ของโครงสร้างเพื่อให้ใช้งานได้อย่างปลอดภัยอีกด้วย

 

ขั้นตอนของงานออกแบบโครงสร้าง

วิศวกรออกแบบโครงสร้างควรคำนึงถึงคุณสมบัติที่สำคัญสามประการนี้ที่ เพื่อให้โครงสร้างมีความมั่นคงและปลอดภัย

  • ขนาด (ขนาดของแรงที่กระทำกับโครงสร้าง)
  • ทิศทาง (ทิศทางของแรง เช่น ลมแรงอาจพัดเข้าที่ด้านข้างของอาคาร หรือน้ำหนักของหิมะที่ตกลงมากระทบอาคารอย่างหนักตามแรงโน้มถ่วง จากนั้นพิจารณาเลือกวัสดุและวัสดุเสริมแรงประเภทต่าง ๆ ให้เหมาะสมกับแรงแต่ละชนิด)
  • ตำแหน่ง (ตำแหน่งที่แรงมากระทำ โดยนักออกแบบโครงสร้างต้องประเมินผลกระทบของแรงที่อาจเกิดขึ้นในแต่ละตำแหน่ง)

 

โครงสร้างที่ออกแบบต้องอยู่นิ่งจึงจะมีความมั่นคง ดังนั้นผลรวมของกำลังที่กระทำกับโครงสร้างต้องเท่ากับศูนย์เสมอ

ปัจจัยต่อไปที่ควรพิจารณาคือแรงภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งแรงจากสิ่งมีชีวิตหรือสิ่งของ เช่น ผู้พักอาศัยและเฟอร์นิเจอร์ หรือแรงด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ลม, หิมะ, และแผ่นดินไหว

การเลือกวัสดุก่อสร้างที่เหมาะสมต้องดูที่ความแข็งแรง (แรงต้านของวัสดุที่มีต่อความเค้นหรือน้ำหนักที่มากดทับ), ความเหนียว (ความทนต่อการแตกร้าว), ความยืดหยุ่น (สามารถยืดได้และคืนรูปเดิมได้), และความเป็นพลาสติก (ความสามารถของวัสดุในการเปลี่ยนรูปโดยไม่มีการแตกหัก)