คุณเคยสงสัยไหมว่าสะพานที่ทอดข้ามแม่น้ำอันยิ่งใหญ่หรือโครงสร้างเหล็กที่รองรับตึกระฟ้ายังคงมั่นคงอยู่ได้อย่างไรท่ามกลางลมและสภาพอากาศ? คำตอบมักจะซ่อนอยู่ในรูปแบบการออกแบบโครงสร้างที่เรียกว่า "โครงสร้างแบบแข็ง" บทความนี้จะสำรวจคำจำกัดความ ลักษณะการใช้งาน และความสำคัญอย่างยิ่งของโครงสร้างแบบแข็งในวิศวกรรม
โครงสร้างแบบแข็ง ดังที่ชื่อบอกไว้ คือระบบโครงสร้างที่คานและเสาเชื่อมต่อกันผ่านการเชื่อมต่อแบบแข็งเพื่อสร้างโครงสร้างที่เป็นหนึ่งเดียว หลักการสำคัญคือโครงสร้างที่ทอดและโครงสร้างรองรับต้องมีความแข็งแกร่งที่เทียบเท่ากันเพื่อสร้างโครงสร้างแบบแข็งที่แท้จริง ในโครงสร้างเหล็ก สิ่งนี้มักจะแสดงออกเป็นการเชื่อมต่อแบบเชื่อมเต็มรูปแบบระหว่างคานแผ่นและเสารองรับ ในขณะที่โครงสร้างคอนกรีตจะบรรลุการรวมเข้าด้วยกันผ่านการหล่อแบบหลอมรวมของแผ่นพื้นโครงสร้างกับผนังรับแรง
เป็นที่น่าสังเกตว่า เมื่อความแข็งแกร่งของโครงสร้างส่วนบนเกินกว่าโครงสร้างส่วนล่างอย่างมาก การเชื่อมต่อจะไม่ถือว่าเป็นโครงสร้างแบบแข็งที่แท้จริง แม้ว่าจะเชื่อมต่อกันทางกายภาพก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในโครงสร้างแผ่นพื้นโค้งคอนกรีตเสริมเหล็กที่แผ่นพื้นเชื่อมต่อแบบหลอมรวมกับคานเสาและเสา ระบบนี้ไม่มีคุณสมบัติเป็นโครงสร้างเฟรมหากความแข็งแกร่งของเสามีผลกระทบน้อยที่สุดต่อประสิทธิภาพของแผ่นพื้น
ในการวิเคราะห์ทางกล โหนดทุกโหนดในโครงสร้างแบบแข็งต้องเป็นไปตามสมการสมดุลสามสมการ: ผลรวมของแรงในแนวนอนเท่ากับศูนย์ (∑H=0) แรงในแนวตั้งเท่ากับศูนย์ (∑V=0) และโมเมนต์เท่ากับศูนย์ (∑M=0) ดังนั้น องค์ประกอบเฟรมแต่ละชิ้นจึงมีแรงตามแนวแกน แรงเฉือน และโมเมนต์ดัดที่ไม่ทราบค่า
สำหรับโครงสร้างแบบแข็งที่มี + สมาชิกและ =3 ข้อจำกัดภายนอก จำนวนตัวแปรที่ไม่ทราบค่าเท่ากับ (3 + c =3 ) โครงสร้างจะกลายเป็นตัวกำหนดเมื่อตัวแปรที่ไม่ทราบค่าตรงกับสมการสมดุล (3 + c =3 j + c + แสดงถึงโหนดรวมถึงการรองรับ) ไม่สามารถระบุได้เมื่อตัวแปรที่ไม่ทราบค่าเกินสมการ (3 + c =3 >3 + ) และไม่เสถียรเมื่อสมการมีจำนวนมากกว่าตัวแปรที่ไม่ทราบค่า (3 + c =3 <3 + ) การใช้งานด้านความปลอดภัย
Esvagt พร้อมวงแหวนลอยตัวและบังโคลนสำหรับผู้โดยสารที่ยืน และแคปซูลขนส่งพร้อมแผ่นลอยตัวที่บุคลากรที่นั่งยังคงถูกรัดไว้ สะพานโครงสร้างแบบแข็ง: โซลูชันช่วงกลางที่ประหยัด
ตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่ สะพานโครงสร้างแบบแข็งอัดแรงต่อเนื่องรางคู่ Shibanpo ของฉงชิ่งที่ทอดข้ามแม่น้ำแยงซีโดยมีช่วงหลัก 330 เมตร ซึ่งเป็นสถิติใหม่ และสะพาน Higashi-Ohashi ของโตเกียว อย่างไรก็ตาม ในฐานะโครงสร้างที่ไม่สามารถระบุได้ การออกแบบและการวิเคราะห์มีความซับซ้อนกว่าสะพานที่รองรับอย่างง่ายหรือสะพานต่อเนื่อง
การออกแบบบานพับในโครงสร้างแบบแข็ง
i การปล่อยตัว เมื่อทั้งหมด n + i การปล่อยตัว เมื่อทั้งหมด n + n + n + c =3 j + c แสดงถึงการปล่อยตัวที่แนะนำ c แสดงถึงการปล่อยตัวที่แนะนำ การใช้งานเฉพาะทาง
เฟรมต้านทานโมเมนต์ (MRF)
วิศวกรรมการบินและอวกาศ
Airship Design ระบุว่าโครงสร้างแบบแข็งไม่สามารถใช้งานได้จริงต่ำกว่าปริมาตรหนึ่งล้านลูกบาศก์ฟุต ซึ่งส่วนใหญ่เกินสองล้าน ในขณะที่เรือเหาะแบบไม่แข็งครองการใช้งานในปัจจุบัน ตัวเรือแบบแข็งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบสำหรับเรือขนาดใหญ่โดยการกำจัดข้อจำกัดด้านความแข็งแรงของผ้าและให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่เหนือกว่า พวกเขาป้องกันการยุบตัวของจมูกที่ความเร็วสูงและอนุญาตให้มีการตรวจสอบภายใน แม้ว่าข้อควรพิจารณาด้านน้ำหนักและกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนจะนำเสนอความท้าทายที่สำคัญ ระเบียบวิธีออกแบบพลาสติก
N =1.75 โซลูชันโครงสร้างทั่วไป
คุณเคยสงสัยไหมว่าสะพานที่ทอดข้ามแม่น้ำอันยิ่งใหญ่หรือโครงสร้างเหล็กที่รองรับตึกระฟ้ายังคงมั่นคงอยู่ได้อย่างไรท่ามกลางลมและสภาพอากาศ? คำตอบมักจะซ่อนอยู่ในรูปแบบการออกแบบโครงสร้างที่เรียกว่า "โครงสร้างแบบแข็ง" บทความนี้จะสำรวจคำจำกัดความ ลักษณะการใช้งาน และความสำคัญอย่างยิ่งของโครงสร้างแบบแข็งในวิศวกรรม
โครงสร้างแบบแข็ง ดังที่ชื่อบอกไว้ คือระบบโครงสร้างที่คานและเสาเชื่อมต่อกันผ่านการเชื่อมต่อแบบแข็งเพื่อสร้างโครงสร้างที่เป็นหนึ่งเดียว หลักการสำคัญคือโครงสร้างที่ทอดและโครงสร้างรองรับต้องมีความแข็งแกร่งที่เทียบเท่ากันเพื่อสร้างโครงสร้างแบบแข็งที่แท้จริง ในโครงสร้างเหล็ก สิ่งนี้มักจะแสดงออกเป็นการเชื่อมต่อแบบเชื่อมเต็มรูปแบบระหว่างคานแผ่นและเสารองรับ ในขณะที่โครงสร้างคอนกรีตจะบรรลุการรวมเข้าด้วยกันผ่านการหล่อแบบหลอมรวมของแผ่นพื้นโครงสร้างกับผนังรับแรง
เป็นที่น่าสังเกตว่า เมื่อความแข็งแกร่งของโครงสร้างส่วนบนเกินกว่าโครงสร้างส่วนล่างอย่างมาก การเชื่อมต่อจะไม่ถือว่าเป็นโครงสร้างแบบแข็งที่แท้จริง แม้ว่าจะเชื่อมต่อกันทางกายภาพก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในโครงสร้างแผ่นพื้นโค้งคอนกรีตเสริมเหล็กที่แผ่นพื้นเชื่อมต่อแบบหลอมรวมกับคานเสาและเสา ระบบนี้ไม่มีคุณสมบัติเป็นโครงสร้างเฟรมหากความแข็งแกร่งของเสามีผลกระทบน้อยที่สุดต่อประสิทธิภาพของแผ่นพื้น
ในการวิเคราะห์ทางกล โหนดทุกโหนดในโครงสร้างแบบแข็งต้องเป็นไปตามสมการสมดุลสามสมการ: ผลรวมของแรงในแนวนอนเท่ากับศูนย์ (∑H=0) แรงในแนวตั้งเท่ากับศูนย์ (∑V=0) และโมเมนต์เท่ากับศูนย์ (∑M=0) ดังนั้น องค์ประกอบเฟรมแต่ละชิ้นจึงมีแรงตามแนวแกน แรงเฉือน และโมเมนต์ดัดที่ไม่ทราบค่า
สำหรับโครงสร้างแบบแข็งที่มี + สมาชิกและ =3 ข้อจำกัดภายนอก จำนวนตัวแปรที่ไม่ทราบค่าเท่ากับ (3 + c =3 ) โครงสร้างจะกลายเป็นตัวกำหนดเมื่อตัวแปรที่ไม่ทราบค่าตรงกับสมการสมดุล (3 + c =3 j + c + แสดงถึงโหนดรวมถึงการรองรับ) ไม่สามารถระบุได้เมื่อตัวแปรที่ไม่ทราบค่าเกินสมการ (3 + c =3 >3 + ) และไม่เสถียรเมื่อสมการมีจำนวนมากกว่าตัวแปรที่ไม่ทราบค่า (3 + c =3 <3 + ) การใช้งานด้านความปลอดภัย
Esvagt พร้อมวงแหวนลอยตัวและบังโคลนสำหรับผู้โดยสารที่ยืน และแคปซูลขนส่งพร้อมแผ่นลอยตัวที่บุคลากรที่นั่งยังคงถูกรัดไว้ สะพานโครงสร้างแบบแข็ง: โซลูชันช่วงกลางที่ประหยัด
ตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่ สะพานโครงสร้างแบบแข็งอัดแรงต่อเนื่องรางคู่ Shibanpo ของฉงชิ่งที่ทอดข้ามแม่น้ำแยงซีโดยมีช่วงหลัก 330 เมตร ซึ่งเป็นสถิติใหม่ และสะพาน Higashi-Ohashi ของโตเกียว อย่างไรก็ตาม ในฐานะโครงสร้างที่ไม่สามารถระบุได้ การออกแบบและการวิเคราะห์มีความซับซ้อนกว่าสะพานที่รองรับอย่างง่ายหรือสะพานต่อเนื่อง
การออกแบบบานพับในโครงสร้างแบบแข็ง
i การปล่อยตัว เมื่อทั้งหมด n + i การปล่อยตัว เมื่อทั้งหมด n + n + n + c =3 j + c แสดงถึงการปล่อยตัวที่แนะนำ c แสดงถึงการปล่อยตัวที่แนะนำ การใช้งานเฉพาะทาง
เฟรมต้านทานโมเมนต์ (MRF)
วิศวกรรมการบินและอวกาศ
Airship Design ระบุว่าโครงสร้างแบบแข็งไม่สามารถใช้งานได้จริงต่ำกว่าปริมาตรหนึ่งล้านลูกบาศก์ฟุต ซึ่งส่วนใหญ่เกินสองล้าน ในขณะที่เรือเหาะแบบไม่แข็งครองการใช้งานในปัจจุบัน ตัวเรือแบบแข็งแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบสำหรับเรือขนาดใหญ่โดยการกำจัดข้อจำกัดด้านความแข็งแรงของผ้าและให้ความสมบูรณ์ของโครงสร้างที่เหนือกว่า พวกเขาป้องกันการยุบตัวของจมูกที่ความเร็วสูงและอนุญาตให้มีการตรวจสอบภายใน แม้ว่าข้อควรพิจารณาด้านน้ำหนักและกระบวนการผลิตที่ซับซ้อนจะนำเสนอความท้าทายที่สำคัญ ระเบียบวิธีออกแบบพลาสติก
N =1.75 โซลูชันโครงสร้างทั่วไป
