CivilClub เว็บบอร์ดองค์ความรู้ทางด้านวิศวกรรมโยธา วิศวกรโยธาและสำหรับผู้สนใจ

Civil Engineer => คุยกับวิศวกรโยธา => ข้อความที่เริ่มโดย: USS Submarine ที่ ตุลาคม 27, 2009, 08:49:12 PM



หัวข้อ: สะพาน และโครงสร้างของสะพานรูปแบบต่างๆ
เริ่มหัวข้อโดย: USS Submarine ที่ ตุลาคม 27, 2009, 08:49:12 PM
สะพาน และโครงสร้างของสะพานรูปแบบต่างๆ

สิ่งก่อสร้างที่นับว่าท้าทายวิศวกรมากที่สุดอย่างหนึ่งก็คือสะพานครับ สะพานเชื่อมต่อแผ่นดินที่ถูกขวางกั้นด้วยแม่นํ้าหรือหุบเหว ทำให้การเดินทางของมนุษย์สามารถไปต่อกันได้ แต่ใช่ว่าจะไร้พรมแดนนะครับ เพราะว่าความยาวและความแข็งแรงของสะพานนั้นยังมีขีดจำกัดและการขยายช่วงข้ามให้กว้างออกไปยังคงเป็นสิ่งที่ท้าทายกันต่อไป แรกเริ่มเดิมทีนั้น การสร้างสะพานก็จะสร้างกันแบบง่ายๆพอให้คนข้ามไปได้ อย่างเช่นการใช้สะพานที่ทำด้วยไม้หรือเชือกสำหรับข้ามแม่นํ้า แต่ต่อมาเมื่อโลกเราแคบลง มีการติดต่อค้าขายไปมาหาสู่กันมากขึ้น การใช้งานของสะพานจึงไม่ได้จำกัดอยู่แค่การข้ามของตัวคนเพียงอย่างเดียวเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสิ่งของ สัมภาระ พาหนะ สินค้าอุปกรณ์ อาวุธ และอื่นๆอีกมาก ดังนั้นการสะพานในรุ่นต่อมา จึงต้องมีผ่านการออกแบบ ที่ซับซ้อนและท้าทายมากยิ่งขึ้น เพราะความต้องการของสะพานคือ จะต้องสามารถรองรับนํ้าหนักได้มาก ในขณะเดียวกันก็จะต้องมีช่วงข้าม (span) หรือช่องห่างระหว่างตอม่อที่ยาวยิ่งขึ้นด้วยเช่นกัน

ในเปิดโลกวิศวะตอนนี้ พี่โจก็อยากจะมาแนะนำให้น้องๆได้รู้จักกับสะพานแบบต่างๆกันนะครับ รวมถึงหลักการในการออกแบบว่าทำไมถึงได้มีสะพานรูปร่างแตกต่างกันมากมาย และสุดท้ายก็จะยกตัวอย่างการคำนวณขั้นพื้นฐาน ที่จะนำไปสู่การออกแบบสะพานได้นะครับ

สะพานแบบที่ง่ายที่สุดหรือครับ ก็คือการตัดต้นไม้ลงคร่อมคลองนั่นเอง(ฮา) แต่สะพานแบบพื้นฐานเกิดมาแต่นมนานจริงๆแล้วก็คือ สะพานแบบคาน (beam bridge หรือ grider bridge) ซึ่ง ลักษณะก็เพียงแค่เรานำคานมาวางพาดลงระหว่างเสา การออกแบบและก่อสร้างของสะพานแบบคานนั้นค่อนข้างจะง่าย แต่ว่ามีข้อจำกัดที่ความแข็งแรงของตัวคานครับ สมมุติว่าถ้ามีของหนักๆข้าม เช่นช้างน้อยในรูป


คานจะแอ่นลงตามนํ้าหนัก ส่วนบนของคานจะรับแรงกด (ลูกศรสีแดง) และส่วนล่างจะรับแรงดึง (ลูกศรสีนํ้าเงิน) ซึ่งถ้าแรงที่กระทำต่อคานนั้นมากเกินกว่าความทนทานของวัสดุ ก็จะทำให้คานร้าวและสะพานหักลงในที่สุดได้ ความยาวของยาวของสะพานถูกจำกัด ดังนั้นจึงหาสะพานมีการก่อสร้างแบบคาน และมีช่วงข้ามเกิน 250 ฟิตได้ยาก
 

สะพานแบบโค้ง (arch bridge) เป็น แบบที่นับว่ามีความแข็งแรงมาก โดยธรรมชาติครับ สะพานแบบนี้ถูกสร้างมาตั้งแต่สมัยโรมัน โดยสำหรับใช้ในการเดินทัพ คน-ม้า-อาวุธ-เสบียง ออกจากเมืองไปรบกับเมืองอื่น การก่อสร้างของชาวโรมันก็คือ แกะสลักก้อนหินออกเป็นแท่งๆ ให้ได้รูปร่างพอดีที่จะมาต่อกับเป็นส่วนโค้ง เสร็จแล้วจึงนำมาเรียงต่อกัน เป็นส่วนโค้งด้านใต้สะพาน ส่วนด้านข้างของส่วนโค้ง ก็จะวางก้อนหินมาวางเพิ่ม เพื่ออุดช่องว่างไม่ให้ส่วนโค้งนั้นเสียรูป ดังนั้นเมื่อมีนํ้าหนักกดจากทางด้านบน แรงก็จะถ่ายต่อให้ส่วนโค้งนั้นรับแรงกด ไปตามลูกศรสีแดงในรูปครับ ข้อดีของสะพานแบบนี้คือ เมื่อสะพานได้รับแรงกดไปนานเข้า ก็จะดันให้ก้อนหินบีบเข้าใกล้กันแน่นขึ้นๆ ทำให้เพิ่มความแข็งแรงของสะพานยิ่งๆ ขึ้น ดังตัวอย่างเช่น สะพานที่สร้างในสมัยโรมันนั้น บางสะพานยังสามารถใช้งานได้ในปัจจุบัน มีรถยนต์วิ่งข้ามกันฉลุยเลยครับ


ข้อเสียของสะพานแบบนี้คือ ข้อจำกัดในการหาวัสดุ และความยากลำบากในการก่อสร้าง สะพานหนึ่งๆ ต้องใช้เวลาก่อสร้างนานมาก ต่อมาเมื่อมีอุตสาหกรรมเหล็กเกิดขึ้น ความนิยมในการสร้างสะพานโค้งด้วยหินจึงลดลง และได้มีการพัฒนามาใช้โครงเหล็ก มาแทนก้อนหินดังตัวอย่างในรูปครับ


สะพานแบบโครง (truss bridge) อาศัยการรวมกันของโครง (truss) ครับ ซึ่งเจ้าโครงนี้ก็คือคานตรง (beam) สาม แท่ง ต่อกันเป็นรูปสามเหลี่ยม ซึ่งจะรับ-ถ่ายแรงกันอย่างสมดุลอยู่ภายในแต่ละโครง และเมื่อนำโครงหลายๆชุดมารวมกันเป็นโครงร่างสะพาน ก็จะทำให้สะพานแข็งแรงไม่บิดหรือแอ่นครับ

ตัวอย่างเช่นเมื่อมีนํ้าหนักกดอยู่บนสะพาน แทนที่พื้นสะพานจะรับนํ้าหนักนี้โดยตรง แรงจากนํ้าหนักนั้น ก็จะถูกถ่ายลงไปเป็นแรงอัด และแรงดึงภายในคานต่างๆ ของโครงสร้าง ความสมดุลในการถ่ายแรง ระหว่างคานนี้เองจะป้องกันไม่ให้คานบิดหรือแอ่น ทำให้สามารถสร้างสะพาน ที่มีช่วงข้ามยาวขึ้นได้กว่า สะพานแบบคานธรรมดาครับ


ขอขอบคุณข้อมูลจาก bpi-concretepile.co.th  http://www.bpi-concretepile.co.th/index.php?option=com_content&view=article&id=57:2009-05-25-07-11-38&catid=35:-concrete-works-&Itemid=98