ลองนึกภาพสะพานอันงดงามที่ทอดข้ามแม่น้ำ ทะเลสาบ และทะเล สะพานเหล่านี้ทนทานต่อสภาพอากาศที่ไม่หยุดยั้งในขณะเดียวกันก็รองรับการจราจรที่ไหลเวียนไม่รู้จบได้อย่างไร คำตอบมักอยู่ที่การออกแบบภายในที่ซับซ้อน โดยที่คานกล่องมีบทบาทที่ขาดไม่ได้ในฐานะกระดูกสันหลังของโครงสร้าง โดยทำหน้าที่ปกป้องเครือข่ายการขนส่งที่สำคัญอย่างเงียบๆ

คานกล่องหรือที่เรียกว่าคานแบบท่อหรือคานแบบกล่องมีลักษณะหน้าตัดแบบท่อปิดหลายผนัง แตกต่างจาก I-beam หรือ H-beam ทั่วไปตรงที่รูปแบบปิดให้ความต้านทานแรงบิดที่เหนือกว่า เดิมทีสร้างขึ้นจากเหล็กดัดแบบตรึงหมุดในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม คานกล่องสมัยใหม่ในปัจจุบันใช้เหล็กแผ่นรีด/เชื่อม การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียม และคอนกรีตอัดแรง—ขยายการใช้งานผ่านความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์วัสดุ

ความแข็งแกร่งที่กำหนดของคานกล่องอยู่ที่ประสิทธิภาพการบิดที่ยอดเยี่ยม สะพานมักเผชิญกับแรงบิดจากน้ำหนักของยานพาหนะที่ไม่สมมาตรหรือแรงดันลม ซึ่งทำให้โครงสร้างแบบปิดต้านทานการต้านทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ รางหลายอันยังช่วยให้สามารถรับน้ำหนักได้สูงกว่าคาน I ที่มีความสูงเท่ากัน แม้ว่าจะมีการใช้วัสดุมากกว่าก็ตาม วิศวกรรมสมัยใหม่สร้างสมดุลนี้ด้วยการออกแบบที่ได้รับการปรับปรุงให้สร้างไอบีมที่สูงขึ้นและเบาขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นถึงข้อแลกเปลี่ยนที่สำคัญระหว่างประสิทธิภาพและความคุ้มค่าด้านต้นทุน

ความแตกต่างของระบบการตั้งชื่อสะท้อนถึงความแปรผันของโครงสร้าง ภาพตัดขวางเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ามักจะได้ชื่อว่า "คานกล่อง" ในขณะที่ส่วนที่บรรทุกสิ่งของภายใน (เช่น ทางรถไฟของสะพานบริแทนเนีย) เรียกว่า "คานท่อ" ส่วนที่เป็นวงกลม/วงรี (เช่น สะพานรอยัล อัลเบิร์ต) ก็ตกอยู่ใต้คานท่อเช่นกัน คานกล่องขนาดใหญ่ที่มีผนังภายในหลายช่องเรียกว่า "คานมือถือ" ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับตัวของการออกแบบ

กรอบการทำงานทางทฤษฎีสำหรับคานกล่องเกิดขึ้นจากวิศวกร เซอร์ วิลเลียม แฟร์แบร์น และนักคณิตศาสตร์ Eaton Hodgkinson ในการวิจัยในช่วงทศวรรษปี 1830 เกี่ยวกับการเพิ่มประสิทธิภาพแผ่นเหล็กดัดแบบตอกหมุด งานของพวกเขาได้กำหนดหลักการที่ยังคงมีความเกี่ยวข้องมาจนถึงทุกวันนี้

ภายใต้แรงกระทำแบบคงที่ คานทั่วไปจะประสบกับการบีบอัดบนรางด้านหนึ่งและเกิดแรงดึงที่อีกด้าน เครนในยุคแรกๆ ของ Fairbairn ได้รวมเอาโครงสร้างเซลลูลาร์ไว้บนพื้นผิวที่ถูกบีบอัดเพื่อป้องกันการโก่งงอ แขนโค้งและเรียวเหล่านี้ - สร้างจากแผ่นเหล็กตอกหมุด - มีช่องรังผึ้งภายในสามช่องที่ด้านข้างเว้าเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่ง

เมื่อปรับให้เหมาะกับสะพาน (โหลดตรงกลางแทนที่จะเป็นโหลดปลายเหมือนเครน) การบีบอัดจะเลื่อนไปที่รางด้านบน โดยต้องมีการเสริมเซลลูล่าร์ที่นั่น โหลดแบบไดนามิก (ลม การจราจรที่กำลังเคลื่อนที่) อาจจำเป็นต้องมีการเสริมแรงสองด้าน ดังที่เห็นในส่วนสะพาน Britannia ที่อนุรักษ์ไว้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Fairbairn ชี้แจงว่าเซลล์ที่มีหน้าแปลนด้านล่างจัดการกับความท้าทายในการประดิษฐ์เชิงปฏิบัติมากกว่าข้อกำหนดด้านโหลด ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์สมัยใหม่ที่เกินความสามารถในการคำนวณในศตวรรษที่ 19

นวัตกรรมของ Fairbairn สอดคล้องกับการรถไฟที่ต้องการระยะทางที่ยาวขึ้น Robert Stephenson ว่าจ้างเขาและ Hodgkinson ให้เป็นที่ปรึกษาสำหรับ Tubular Britannia และ Conwy Bridges ในขณะที่ Brunel นำท่อกลมคู่มาใช้กับโครงถักของ Chepstow แม้ว่าสะพานรถไฟในทศวรรษปี 1860 จะนิยมการออกแบบแบบท่อ แต่เบนจามิน เบเกอร์ก็วิจารณ์ในภายหลังว่า "คานกล่องที่มีแผ่นใย" ไม่เหมาะสมสำหรับช่วงยาว การใช้งานสมัยใหม่เปลี่ยนไปสู่ส่วนสี่เหลี่ยมตื้นๆ สำหรับสะพานทางหลวง เช่น สะพานเซเวิร์น ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้มากเมื่อเทียบกับการออกแบบโครงถักแบบลึก (เช่น สะพานโกลเดนเกต)

ในช่วงทศวรรษ 1970 มีเหตุการณ์ภัยพิบัติถล่มหลายครั้งระหว่างการก่อสร้างสะพานคานกล่อง รวมถึงสะพาน Cleddau (เวลส์) สะพาน West Gate (ออสเตรเลีย) และสะพาน Koblenz (เยอรมนี) โศกนาฏกรรมเหล่านี้กระตุ้นให้เกิดการตรวจสอบด้านความปลอดภัยอย่างเข้มงวด เร่งการนำแบบจำลองคอมพิวเตอร์มาใช้ และการวิเคราะห์ไฟไนต์เอลิเมนต์ขั้นสูงในวิศวกรรมโยธา ซึ่งท้ายที่สุดแล้วก็ได้ปรับปรุงมาตรฐานการออกแบบ

ในฐานะรากฐานสำคัญของวิศวกรรมสะพาน คานกล่องยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องผ่านนวัตกรรมวัสดุและเทคโนโลยีการออกแบบที่ชาญฉลาด อนาคตของพวกเขาสัญญาว่าจะมีโครงสร้างที่ปลอดภัยกว่า ประหยัดกว่า และได้รับการปรับปรุงอย่างสวยงามเพื่อตอบสนองความต้องการโครงสร้างพื้นฐานในอนาคต