พิจารณาโครงสร้างพื้นฐานของตึกระฟ้าหรือกระดูกสันหลังของสะพาน โครงสร้างเหล่านี้รักษาเสถียรภาพและความปลอดภัยได้อย่างไรในขณะที่รับน้ำหนักมหาศาล คำตอบมักจะอยู่ในงานออกแบบโครงสร้างที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบคานเหล็กและคานคอมโพสิต บทความนี้จะสำรวจหลักการพื้นฐาน กระบวนการออกแบบ และการประยุกต์ใช้งานจริงของคานเหล็กและคานคอมโพสิต ซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อมูลอ้างอิงที่ครอบคลุมสำหรับวิศวกรและสถาปนิก

ในการก่อสร้างสมัยใหม่และวิศวกรรมสะพาน คานเหล็กถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความแข็งแรงสูง มีความเหนียว และผลิตได้ง่าย อย่างไรก็ตาม คานเหล็กแบบเดิมอาจไม่เป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของโครงสร้างเสมอไป คานคอมโพสิตได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนัก ลดการโก่งตัว และเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุโดยการรวมคานเหล็กเข้ากับแผ่นคอนกรีตอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อสร้างระบบโครงสร้างแบบบูรณาการที่ใช้ประโยชน์จากข้อดีของวัสดุทั้งสองชนิด

การออกแบบคานเหล็กเป็นรากฐานของวิศวกรรมโครงสร้าง ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบโครงสร้างที่รับน้ำหนักในแนวขวาง คานเหล็กส่วนใหญ่ต้านทานแรงเฉือนและโมเมนต์ดัด วัตถุประสงค์ในการออกแบบคือการเลือกรูปร่างและขนาดหน้าตัดที่เหมาะสมในขณะที่ทำการตรวจสอบที่จำเป็นเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านความแข็งแรง เสถียรภาพ และการเสียรูป

คานเหล็กมีรูปร่างหน้าตัดที่หลากหลาย รวมถึงคาน I-beam, คานช่อง และคานกล่อง คาน I-beam เป็นที่นิยมอย่างยิ่งเนื่องจากการต้านทานการดัดที่ดีเยี่ยมและความคุ้มค่า การเลือกส่วนต้องพิจารณาอย่างครอบคลุมถึงขนาดของน้ำหนัก ช่วงความยาว สภาพการรองรับ และความแข็งแรงของวัสดุ โดยทั่วไป น้ำหนักและช่วงที่ใหญ่กว่าต้องการหน้าตัดที่ใหญ่กว่า

การตรวจสอบความแข็งแรงแสดงถึงหัวใจสำคัญของการออกแบบคานเหล็ก เนื่องจากคานเหล็กต้องทนต่อทั้งแรงดัดและแรงเฉือน จึงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบแยกต่างหากสำหรับความแข็งแรงในการดัดและความแข็งแรงในการเฉือน

• การตรวจสอบความแข็งแรงในการดัด: สิ่งนี้ประเมินความต้านทานของคานต่อการเสียรูปจากการดัด โดยพิจารณาจากความแข็งแรงของเหล็กที่จุดคราก การพัฒนาพลาสติกของหน้าตัด และโหมดการโก่งตัวที่อาจเกิดขึ้น สำหรับคานที่ออกแบบด้วยพลาสติก การตรวจสอบจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าส่วนนั้นสามารถสร้างบานพับพลาสติกที่มีความสามารถในการหมุนที่เพียงพอ สำหรับคานที่ออกแบบด้วยความยืดหยุ่น การตรวจสอบจะยืนยันว่าความเค้นสูงสุดไม่เกินขีดจำกัดที่อนุญาต
• การตรวจสอบความแข็งแรงในการเฉือน: สิ่งนี้ประเมินความต้านทานต่อการเสียรูปจากการเฉือน โดยคำนึงถึงความแข็งแรงในการเฉือนของเหล็กและพื้นที่เฉือนของส่วน สำหรับคานที่มีเว็บบาง จะต้องตรวจสอบเสถียรภาพการโก่งตัวของเว็บด้วย

เสถียรภาพหมายถึงความสามารถของคานในการรักษาสมดุลภายใต้ภาระ โหมดการโก่งตัวที่อาจเกิดขึ้น ได้แก่:

• การโก่งตัวทั่วโลก: เกี่ยวข้องกับการโก่งตัวด้านข้าง-บิดของคานทั้งหมด ซึ่งได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติของส่วน ช่วงความยาว สภาพการรองรับ และการค้ำยันด้านข้าง กลยุทธ์การบรรเทา ได้แก่ การลดช่วงความยาว การเพิ่มความแข็งแกร่งในการบิด หรือการเพิ่มตัวรองรับด้านข้าง
• การโก่งตัวเฉพาะที่: เกิดขึ้นเมื่อส่วนประกอบแต่ละส่วน (ปีกหรือเว็บ) โก่งตัว ความเค้นวิกฤตขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความกว้างต่อความหนา วิธีการป้องกัน ได้แก่ การลดอัตราส่วนเหล่านี้ การเพิ่มความหนาของส่วนประกอบ หรือการเพิ่มตัวแข็ง

การโก่งตัวหมายถึงการเสียรูปภายใต้ภาระ การโก่งตัวที่มากเกินไปอาจทำให้การทำงานและสุนทรียภาพบกพร่อง การตรวจสอบเกี่ยวข้องกับการจำกัดการโก่งตัวสูงสุดตามข้อกำหนดของรหัส กลยุทธ์การลด ได้แก่ การเพิ่มโมเมนต์ความเฉื่อยของส่วน การลดช่วงความยาว หรือการเพิ่มความแข็งแกร่งในการรองรับ

คานคอมโพสิตรวมคานเหล็กเข้ากับแผ่นคอนกรีตผ่านตัวเชื่อมต่อทางกล ผสมผสานความแข็งแรงในการดึงของเหล็กเข้ากับความแข็งแรงในการอัดของคอนกรีตเพื่อให้ได้ความสามารถในการรับน้ำหนักสูง ความแข็งแกร่งที่สำคัญ และน้ำหนักที่ลดลง

การออกแบบคานคอมโพสิตเป็นไปตามหลักการพื้นฐานเหล่านี้:

• การกระทำแบบคอมโพสิต: ตัวเชื่อมต่อรวมส่วนประกอบเหล็กและคอนกรีตเข้าด้วยกันเพื่อให้ทำงานพร้อมกันภายใต้ภาระ
• การกระจายความเครียด: ความเครียดที่เกิดจากภาระจะกระจายอย่างเหมาะสมระหว่างวัสดุเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของแต่ละชนิด
• การถ่ายโอนแรงเฉือน: ตัวเชื่อมต่อส่งผ่านแรงเฉือนระหว่างวัสดุเพื่อรักษากิจกรรมแบบคอมโพสิต

ตัวเชื่อมต่อเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่ถ่ายโอนแรงเฉือนระหว่างเหล็กและคอนกรีต ประเภททั่วไป ได้แก่ เดือยหัว, ช่อง และเหล็กเสริม ข้อกำหนดในการออกแบบ ได้แก่:

• ความแข็งแรง: ความต้านทานแรงเฉือนที่เพียงพอในการถ่ายโอนแรงเฉือนสูงสุด
• ความแข็งแกร่ง: ความแข็งแกร่งเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ามีการกระทำแบบคอมโพสิต
• ความทนทาน: ความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากสิ่งแวดล้อมและความเมื่อยล้า

เนื่องจากแผ่นคอนกรีตโดยทั่วไปกว้างกว่าคานเหล็ก คอนกรีตทั้งหมดจึงไม่ได้มีส่วนร่วมเท่ากันในการกระทำแบบคอมโพสิต ความกว้างที่มีประสิทธิภาพหมายถึงส่วนที่สันนิษฐานว่าจะทำงานร่วมกับคานเหล็ก ซึ่งกำหนดโดยบทบัญญัติของรหัสโดยพิจารณาจากช่วงความยาว ระยะห่างของคาน และความหนาของแผ่น

การตรวจสอบความแข็งแรงของคานคอมโพสิตประกอบด้วย:

• ความแข็งแรงในการดัด: พิจารณาความแข็งแรงของเหล็กที่จุดคราก ความแข็งแรงในการอัดของคอนกรีต ความแข็งแรงในการเฉือนของตัวเชื่อมต่อ และการพัฒนาส่วนพลาสติก การคำนวณแตกต่างกันไปตามตำแหน่งแกนกลางพลาสติก (ภายในแผ่นคอนกรีต ปีกเหล็ก หรือเว็บเหล็ก)
• ความแข็งแรงในการเฉือน: ประเมินความสามารถในการเฉือนของคานเหล็กและความต้านทานแรงเฉือนของตัวเชื่อมต่อ พร้อมกับการตรวจสอบการโก่งตัวของเว็บเพิ่มเติมสำหรับคานที่มีเว็บบาง

เช่นเดียวกับคานเหล็ก การโก่งตัวของคานคอมโพสิตต้องเป็นไปตามขีดจำกัดของรหัส โดยทั่วไปความแข็งแกร่งที่มากกว่าจะส่งผลให้เกิดการโก่งตัวที่น้อยกว่า

แนวทางการก่อสร้างส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพสุดท้าย ปัจจัยสำคัญ ได้แก่:

• ภาระการก่อสร้าง: คานเหล็กต้องรองรับภาระการก่อสร้าง (น้ำหนักตัวเอง คอนกรีตเปียก คนงาน และอุปกรณ์) ก่อนที่คอนกรีตจะแข็งตัว ซึ่งต้องใช้ความแข็งแรงและความมั่นคงชั่วคราวที่เพียงพอ
• วิธีการทำแบบหล่อ: การก่อสร้างแบบค้ำยันใช้ตัวรองรับชั่วคราวในระหว่างการวางคอนกรีต ในขณะที่การก่อสร้างแบบไม่ค้ำยันอาศัยคานเหล็กเพียงอย่างเดียว การก่อสร้างแบบไม่ค้ำยันช่วยเร่งตารางเวลา แต่ต้องการการตรวจสอบคานที่เข้มงวดมากขึ้น
• การติดตั้งตัวเชื่อมต่อ: ตำแหน่งที่เหมาะสม คุณภาพการเชื่อม และการป้องกันการกัดกร่อนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพ

ตามความสามารถในการเฉือนของตัวเชื่อมต่อ คานคอมโพสิตแบ่งออกเป็น:

• การกระทำแบบคอมโพสิตเต็มรูปแบบ: ตัวเชื่อมต่อถ่ายโอนแรงเฉือนทั้งหมด ทำให้เกิดการโต้ตอบที่สมบูรณ์และความจุสูงสุด
• การกระทำแบบคอมโพสิตบางส่วน: ตัวเชื่อมต่อถ่ายโอนแรงเฉือนเพียงบางส่วน ส่งผลให้ความจุลดลง แต่มีปริมาณตัวเชื่อมต่อและต้นทุนที่ต่ำกว่า

ในคานต่อเนื่องหรือเฟรม โมเมนต์ลบทำให้เกิดแรงดึงที่ด้านบนและการอัดที่ด้านล่าง เนื่องจากความแข็งแรงในการดึงของคอนกรีตมีน้อย ความต้านทานจึงขึ้นอยู่กับคานเหล็กและการเสริมแรง วิธีการปรับปรุง ได้แก่ การเพิ่มขนาดส่วนเหล็ก การเพิ่มการเสริมแรง หรือการใช้เหล็กเส้นที่มีความแข็งแรงสูง

รหัสการออกแบบเหล็กให้แนวทางที่จำเป็น ในประเทศจีน ข้อมูลอ้างอิงหลักคือ GB 50017 (รหัสสำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็ก) ซึ่งระบุการเลือกวัสดุ การออกแบบส่วน การตรวจสอบความแข็งแรง การตรวจสอบเสถียรภาพ และการออกแบบการเชื่อมต่อ การปฏิบัติตามรหัสอย่างเคร่งครัดช่วยให้มั่นใจได้ถึงความปลอดภัยของโครงสร้าง

ซอฟต์แวร์เฉพาะทาง เช่น ASDIP STEEL ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำในการออกแบบคานเหล็กและคานคอมโพสิต โดยนำเสนอ:

• ความสามารถที่ครอบคลุมสำหรับคานประเภทต่างๆ (แบบง่าย, ต่อเนื่อง, คานยื่น, แบบมีเฟรม)
• ส่วนต่อประสานที่ใช้งานง่าย
• วิธีการคำนวณขั้นสูง
• การรายงานโดยละเอียด (การคำนวณ, ผลการตรวจสอบ, ปริมาณวัสดุ)

คานเหล็กและคานคอมโพสิตเป็นสิ่งจำเป็นในการก่อสร้างสมัยใหม่และวิศวกรรมสะพาน ด้วยการทำความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงหลักการออกแบบและการประยุกต์ใช้ และการใช้ประโยชน์จากเครื่องมือขั้นสูง ผู้เชี่ยวชาญสามารถสร้างโครงสร้างที่ปลอดภัย ประหยัด และสวยงามยิ่งขึ้น เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้า การออกแบบเหล็กกำลังพัฒนาไปสู่ความชาญฉลาดและความแม่นยำที่มากขึ้น ในขณะที่ข้อควรพิจารณาด้านความยั่งยืนส่งเสริมวัสดุและกระบวนการที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยแบบจำลองข้อมูลอาคาร (BIM) ที่ช่วยให้การประสานงานระหว่างสหสาขาวิชาชีพดีขึ้น โครงสร้างเหล็กจะยังคงมีบทบาทสำคัญในการกำหนดรูปร่างสภาพแวดล้อมที่สร้างขึ้น