วัสดุโครงสร้าง : เหล็ก (steel)

เหล็ก (steel)

เป็นวัสดุสำหรับโครงสร้างที่ก้าวขึ้นมามีบทบาทต่องานสถาปัตยกรรมมากขึ้น ตั้งแต่ช่วงปฏิวัติอุตสาหกรรมอาจจะกล่าวได้ว่าเป็นวัสดุโครงสร้างที่ถูกกว่าในบางภูมิภาค โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับการลดทอนปริมาณ ของวัสดุที่จะต้องใช้ในการก่อสร้าง ดังที่กล่าวมาข้างต้นว่า ในการก่อสร้างในไทยมีการนำเอาเหล็กมาใช้มากขึ้น ความสำคัญของโครงสร้างโดยวัสดุนี้จึงมีความสำคัญมากขึ้นสำหรับสถาปนิก

โดยคุณสมบัติแล้วเหล็กมีน้ำหนักต่อหน่วยมากเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นที่กล่าวมาแล้ว แต่รูปแบบในการนำมาใช้ในโครงสร้างจะสามารถลดน้ำหนักโดยรวมของอาคารได้โดยเฉพาะสำหรับโครงสร้างขนาดใหญ่ หรือโครงสร้างพิเศษ อย่างไรก็ตามรูปทรงสถาปัตยกรรมที่จะใช้เหล็กเป็นโครงสร้างอาจจะมีความจำกัดกว่าคอนกรีตแต่ก็มีความยืดหยุ่นในรูปแบบมากกว่าไม้ โดยเฉพาะในปัจจุบันมีการผสานกับวัสดุที่หลากหลายกว่าอดีต และเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าในการก่อสร้าง ทำให้แม้แต่รูปทรงที่ซับซ้อนสามารถใช้โครงสร้างเหล็กได้
เหล็กจะสูญเสียคุณสมบัติแห่งการรับแรงในอุณหภูมิที่สูงประมาณ 480 องศาเซลเซียส

ดังนั้นอันตรายที่เกิดจากการเลือกใช้เหล็กเป็นโครงสร้างของอาคาร คือ ในสถานการณ์เพลิงไหม้ โครงสร้างจะพังทลายได้โดยง่าย ในบางประเทศจึงมีเทศบัญญัติให้ห่อหุ้มเหล็กที่ใช้เป็นโครงสร้างเพื่อให้ต้านทานเพลิงไหม้ได้ในระยะหนึ่ง ปัญหาอีกประการหนึ่งของโครงสร้างเหล็กคือ การเกิดสนิมซึ่งจะนำไปสู่การผุกร่อนได้โดยง่าย โดยในเฉพาะในเขตร้อนชื้นอย่างไทย ความชื้นในอากาศที่มากกว่า 70% จะทำให้เกิดสนิมได้ โครงสร้างเหล็กควรจะหลีกเลี่ยงการสัมผัสกับน้ำและความชื้น แม้ว่าจะมีการเคลือบน้ำยากันสนิมหรือทาสีกันสนิมแล้วก็ตาม การทาสีกันสนิมควรจะมีการเตรียมพื้นผิวที่จะทาก่อน โดยการขัดทำความสะอาด เพื่อป้องกันผุโป่งจากภายใน

การเชื่อมต่อของโครงสร้างเหล็กทำได้โดยการเชื่อม (Welding)หรือการใช้น๊อต (Bolting) ในการใช้น๊อตจะต้องมีการเตรียมการที่ดี โดยเฉพาะในอาคารขนาดใหญ่ซึ่งอาจจะทำชิ้นส่วนต่างๆสำเร็จรูปมาจากโรงงาน ควรจะเผื่อความผิดพลาดในขณะประกอบและการขยายตัวของโครงสร้างด้วย ส่วนการเชื่อมนั้นเป็นวิธีการที่ถูกที่สุด แต่ในการเชื่อมจะต้องทำตามที่วิศวกรโครงสร้างระบุเพื่อให้ได้ประโยชน์ในการรับแรงกระทำได้ดีที่สุด ซึ่งเป็นยากมากในการควบคุมคุณภาพในที่ก่อสร้างจริง

ในการก่อสร้างเหล็กสามารถตัดได้โดยใช้เลื่อยตัดเหล็กหรือการใช้การตัดด้วยความร้อนซึ่งเป็น ที่นิยมมากกว่า ในการตัดหรือการเชื่อมโดยใช้ความร้อนจะทำให้เกิดประกายไฟ ซึ่งจะต้องระมัดระวังในการจัดการและทำงานอย่างมาก รวมทั้งการป้องกันสายตาผู้ทำงานด้วยเพราะจะเกิดแสงที่จ้าเกินกว่าที่สายตาเปล่าจะทนได้

ข้อดีของเหล็กนอกจากจะง่ายในการติดตั้งแล้ว ยังง่ายต่อการรื้อถอนด้วย จึงเป็นโครงสร้างที่นิยมสำหรับอาคารชั่วคราวหรือส่วนประกอบอาคารที่อาจจะเกิดการเปลี่ยนแปลงในอนาคตด้วย นอกจากนี้ด้วยเหตุที่เหล็กสามารถรับความยืดหยุ่นหรือแรงดึงได้ดีจึงเป็น โครงสร้างที่เหมาะสมสำหรับอาคารในเขตแผ่นดินไหว
ปัจจุบันเหล็กและโลหะอื่นมีการพัฒนาไปมาก วัตถุประสงค์ในการพัฒนาก็คงจะคล้ายคลึงกันพัฒนาการของโครงสร้างคอนกรีต กล่าวคือเป็นการแก้ข้อด้อยหรือปัญหาต่างๆ ในวัสดุ เพื่อใช้ในการก่อสร้างต่อไป

ชนิดของเหล็กในงานก่อสร้าง
ในอาคารเหล็กที่ใช้เป็นโครงสร้างอาจจะแบ่งออกเป็น 4 กลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่

Carbon Steel
High-Strength Low-Alloy (HSLA) Steel
Heat-Treated Carbon and HSLA Steel
Heat-Treated Alloy Steel

โดยมาตราฐานของแต่ละประเภทแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ