สะพานโครงสร้างเหล็ก กับน้ำหนักลงตอม่อที่หายไป (การเปรียบเทียบน้ำหนักของสะพานโครงสร้างเหล็ก และสะพานโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก)
อย่างที่ได้เคยนำเสนอประโยชน์ของ สะพานโครงสร้างเหล็ก ไปในโพสต์ก่อนนะครับ คลิกเลย !! ว่าโครงสร้างเหล็กนั้น เหมาะที่จะนำมาใช้กับงานก่อสร้างสะพาน และสะพานช่วงยาว มากๆ ด้วยความที่เหล็กเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงมากกว่า เมื่อเทียบกับคอนกรีตเสริมเหล็ก
เพราะฉะนั้น จึงทำให้สะพานโครงสร้างเหล็ก ไม่จำเป็นจะต้องออกแบบให้ member มีขนาดที่หนา หรือใหญ่มาก ก็สามารถที่จะรับโมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้นจาก dead load (ที่เป็นพวกพื้นถนน barrier ต่างๆ) live load (จากรถบรรทุก และรถยนต์ทั่วๆ ไป) ได้เท่าๆ กับสะพานคอนกรีตเสริมเหล็กแล้ว
เดี๋ยวลองมาดูกันครับว่า น้ำหนักที่เบาลงนั้น จะเบาลงได้ขนาดไหน โดยต้องบอกว่า ข้อมูลที่นำเสนอนี้ จะเป็นข้อมูลจริงนะครับ
การวิเคราะห์โครงสร้างและแรงภายในที่เกิดขึ้น (Bending moment และ shear force)
สำหรับสะพานที่มีช่วงความยาว 20 เมตร แบบ simple support แล้ว การคำนวณ maximum moment และ maximum shear หากไม่ใช้ software ในการช่วยคำนวณ จะสามารถคำนวณได้จาก ทฤษฎี influence line ครับ
โดยที่เรามีสมมติฐานตาม AASHOTO LRFD ว่า ถนนมีรถยนต์โดยสารวิ่งอยู่เต็มถนน เป็น uniform load และมีรถบรรทุก HL-93 วิ่ง โดยที่รถบรรทุกนี้มีน้ำหนักประมาณ 32 tons วิ่งไปที่ละจุดทีละ 0.1L เพื่อคำนวณหา bending moment ที่เกิดขึ้นในแต่ละจุดออกมา
ซึ่งจากการคำนวณแล้ว พิจารณา load factor สำหรับ load combination I ที่เป็นการพิจารณาสถานะเมื่อสะพานเปิดการใช้งานด้วยนะครับ จะได้ว่า
โมเมนต์สูงสุด (maximum bending moment) เกิดขึ้นที่กลาง span โดยมีค่าโมเมนต์เท่ากับ 3660 kip-ft หรือหากแปลงหน่วยเป็น kg-m จะได้ว่า 506,013 kg-m และมีค่า maximum shear force เกิดขึ้นบริเวณ support เท่ากับ 249.7 kips หรือ 113,250 kg
น้ำหนักของสะพานคอนกรีตเสริมเหล็ก
ขอเริ่มด้วยสะพานคอนกรีตเสริมเหล็กก่อนแล้วกันนะครับ เพื่อสร้าง base line ไว้ก่อน จะได้นำไปเปรียบเทียบ แล้วเห็นภาพได้อย่างชัดเจน
สำหรับตัวอย่างสะพาน ที่จะลองเอามาคิดน้ำหนัก จะนำมาจากแบบที่ใช้ก่อสร้างจริง ซึ่งเป็นสะพานช่วงยาว 20 เมตร และคานหลักรองรับพื้นถนน ถูกออกแบบให้เป็น I-girder จำนวน 5 ตัว โดยวางห่างกันตัวละ 2.25 เมตร
ทีนี้มาลองดู detail ให้ลึกขึ้นกันนิดนึง ถึงขนาดหน้าตัดของคานหลัก (girder) โดยคานแต่ละตัวจะมีความกว้างสูงสุดบริเวณ flange เท่ากับ 50 ซม. มีความลึกเท่ากับ 120 ซม. หรือ 1.20 เมตร และมีส่วนที่ถูกตัดออกไปให้มีลักษณะเป็นตัวไอนะครับ ซึ่งตรงนี้ขอไม่ลงรายละเอียด เพื่อความกระชับของเนื้อหา
ส่วนพื้นถนนและ accessory ต่างๆ บนถนน ขอไม่พูดถึง เพราะว่า เราจะอ้างอิงกรณีเดียวกันทั้งสะพานคอนกรีต และ สะพานเหล็กเลย เพราะฉะนั้น ถือว่ามีน้ำหนักเท่ากัน ตัดออกได้นะครับ
ต่อมา หากลองนำคานดังกล่าว มาคิดน้ำหนักแล้ว จะได้ว่าน้ำหนักของคานคอนกรีตเสริมเหล็กรูปตัวไอนี้ มีน้ำหนักเท่ากับ 22.56 tons / girder (ยังไม่ได้คิดรวมส่วนที่เป็น สี่เหลี่ยมตัน บริเวณใกล้ๆ support ทั้ง 2 ข้าง) ดังนั้น มีทั้งหมด 5 girders ก็ นำ 22.56 x 5 = 112.8 tons / span
จะเห็นว่า น้ำหนักของ girder เพียงอย่างเดียว ก็มีน้ำหนักถึงประมาณ 113 tons / span แล้ว หรือหากคิดเป็นน้ำหนักต่อตารางเมตร จะอยู่ที่ 564 กก./ม.2 นี่ยังไม่นับรวมน้ำหนักของคานรองที่ใช้เป็น lateral bracing และพื้นถนนอีกนะครับ
น้ำหนักของสะพานโครงสร้างเหล็ก
ในส่วนของการเปลี่ยนโครงสร้างส่วนบน (superstructure) มาเป็นโครงสร้างเหล็ก โดยยึดความยาวช่วงเท่ากันที่ 20 เมตร และออกแบบโดยพิจารณาเป็นแบบ non-composite นะครับ
แต่จะมีการลดจำนวนของ girder ลง จาก 5 ตัว (ที่ใช้ในคานคอนกรีตเสริมเหล็ก) เหลือเพียง 4 ตัว และยืดระยะห่างระหว่างคานออก เพื่อให้สามารถรับพื้นได้ตามแบบเดิมนะครับ
อย่างไรก็ตาม ถึงจะบอกว่า ออกแบบให้เป็น non-composite แต่ในการทำงานจริงแล้วก็จะมีการติดตั้ง shear stud เพื่อยึดกับพื้นด้วย
ดังนั้นแล้ว ก็จะสามารถตั้งสมมติฐานได้ว่า คานทั้งหมดจะถูกค้ำยันในส่วนของ compression zone ตลอดแนว ซึ่งจะทำให้ไม่เกิดการโก่งเดาะที่เรียกว่า Lateral Torsional Buckling นั่นเองครับ
หากลองคำนวณกำลังรับโมเมนต์ดัดสูงสุดของคานที่มีขนาดหน้าตัดตามที่ได้แสดงอยู่ในรูป (ลึก 1,350 มม. ปีกกว้าง 350 มม. ความหนาปีก 24 มม. และความหนาเอว 12 มม.) โดยออกแบบตาม AISC 360-16 ด้วยแอพออกแบบโครงสร้างเหล็ก SSI Steel Design แล้ว
ก็จะได้ว่า คานดังกล่าว สามารถรับโมเมนต์ดัดได้ 508,935 kg-m ซึ่งเพียงพอต่อโมเมนต์ที่เกิดขึ้นจริง เท่ากับ 506,013 kg-m (phi Mn > Mu) และสามารถรับแรงเฉือนได้ 176,302 kg ซึ่งมากกว่าแรงเฉือนที่เกิดขึ้น 113,250 kg (phi Vn > Vu)
ซึ่งก็สรุปได้ว่า สามารถใช้คานดังกล่าวเป็นคานหลัก สำหรับ superstructure ของสะพานได้ จากนั้น ก็ลองมาคำนวณน้ำหนักของคานแต่ละตัวดูนะครับ ว่ามีน้ำหนักเท่าไหร่ ก็จะได้ว่าคาน 1 ตัว จะมีน้ำหนักเพียง 4.89 tons จะเห็นว่าน้ำหนักต่อคานที่ตัว มีน้ำหนักแค่เกือบๆ 5 tons เท่านั้นเองครับ
ซึ่งในแต่ละช่วงความยาว (span) ก็จะมีคานทั้งหมด 4 ตัว ก็นำ 4.89 x 4 จะได้ว่า น้ำหนักของคานทั้งหมด ต่อ 1 span จะมีน้ำหนักอยู่ที่ 19.57 tons หรือคิดเป็นน้ำหนักต่อตารางเมตรจะได้ว่า น้ำหนักของคานหลักเพียงอย่างเดียว จะมีค่าเท่ากับ 97.85 kg/m2 ซึ่งถึงว่าน้อยมากๆ เลยนะครับ
อันนี้คือ การออกแบบที่เป็น non-composite นะครับ ลองคิดดูว่า ถ้าออกแบบให้เป็น composite แล้ว น้ำหนักจะเหลือเท่าไหร่กัน
การเปรียบเทียบน้ำหนักระหว่าง สะพานโครงสร้างเหล็ก และสะพานคอนกรีตเสริมเหล็ก
เมื่อได้น้ำหนักของโครงสร้างหลัก (primary structure) ของสะพานทั้ง 2 ระบบมาแล้ว ก็ลองเอาน้ำหนักมาเทียบกันดูครับ โดยน้ำหนักของคานคอนกรีตเสริมเหล็กรูปตัวไอ (Pre-stressed I-Girder (concrete)) จะมีน้ำหนักต่อ span อยู่ที่ 112.8 tons ส่วนคานเหล็กรูปตัวไอ มีน้ำหนักต่อ span ที่ 19.57 tons
หากลองคิดเป็นเปอร์เซนต์ดู จะเห็นว่า การเปลี่ยนจากคอนกรีตมาเป็นเหล็กแล้ว จะสามารถลดน้ำหนักของโครงสร้างหลัก (คาน) ไปได้ถึง 82% เลยทีเดียว ซึ่งถือว่าเยอะมากๆ ครับ
และสิ่งที่สะพานโครงสร้างเหล็ก สามารถให้กับท่านได้อีก ก็คือ ขนาดของเสาตอม่อที่เล็กลง เนื่องจากน้ำหนักจากโครงสร้างหลักที่หายไปอย่างมหาศาล ครับ หากดูจากรูป จะเห็นว่า
น้ำหนักที่ตอม่อจะต้องรับหายไปถึง 93.23 tons ซึ่งน้ำหนักที่หายไปขนาดนี้ ก็จะทำให้เสาตอม่อมีขนาดที่เล็กลง ขนาดฐานรากที่เล็กลง และจำนวนเสาเข็มที่น้อยลงอีกด้วย
ข้อสรุป
โดยสรุปแล้ว การนำโครงสร้างเหล็กมาใช้กับงานก่อสร้างสะพาน ก็น่าจะเป็นอะไรที่ดีมากๆ นะครับ ถึงแม้หลายๆ คนจะบอกว่าเหล็กแพงกว่าคอนกรีตเยอะมากๆ แต่ถ้าลองพิจารณาประโยชน์ในมุมอื่นๆ (คิดให้ครบถ้วนนอกเหนือจากราคาวัสดุ) ที่ project owner จะได้ นั้น ก็น่าจะคุ้มค่ามากกว่า ครับ เช่น
- การก่อสร้างที่รวดเร็ว – ด้วยน้ำหนักที่เบาของโครงสร้างเหล็ก ทำให้สามารถทำการยกติดตั้งแต่ง่ายขึ้น และรวดเร็วมากขึ้น จากยกคานทีละตัว หากเป็นโครงสร้างคอนกรีต ก็อาจจะยกได้ที 2 ตัว ลดระยะเวลาลงได้ครึ่งหนึ่ง ซึ่งเวลา ก็คือต้นทุนนะครับ ที่จะไปสะท้อนกับค่าจ้างแรงงาน หรือค่าเช่าเครื่องจักร
- ลดต้นทุนเครื่องจักร – เช่นเดียวกันครับ ด้วยน้ำหนักที่เบาของโครงสร้างเหล็ก ก็จะทำให้สามารถ ลดการใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่มากๆ ลงมาได้ ทำให้ต้นทุนในการก่อสร้างลดลง
- ลดจำนวนแรงงาน – ค่าแรง ก็ถือว่าเป็นต้นทุนหลักๆ ของงานก่อสร้างอื่นตัวแปรนึงนะครับ ซึ่งการเปลี่ยนระบบการก่อสร้างนี้ ก็จะช่วยลดจำนวนการใช้แรงงานในไซท์งานได้เช่นเดียวกัน
- ลดขนาดของเสาตอม่อ ฐานราก และจำนวนเสาเข็ม – ตรงนี้ก็เป็นต้นทุนที่สำคัญของงานสะพานนะครับ โดยค่าใช้จ่าย ที่เคยได้รับข้อมูลมาจะอยู่ที่ superstructure 50% และ lower structure อีก 50% นั่นก็แปลว่า ค่าใช้จ่ายที่จะลดลงจากงานตอม่อและฐานราก ก็จะลดได้อย่างมีนัยยะครับ
- ลดมลพิษ เนื่องจากฝุ่นละออง – ก่อนหน้านี้ ในประเทศไทย เราก็มีปัญหาเรื่องของฝุ่น PM 2.5 กันนะครับ การเปลี่ยนมาใช้โครงสร้างเหล็ก ก็จะช่วยลดฝุ่นเหล่านี้ได้เช่นกัน
- มูลค่าซากเมื่อหมดอายุการใช้งาน – ตรงนี้ก็เป็นอีกจุดหนึ่งที่เหล็กได้เปรียบคอนกรีตนะครับ ซึ่งเหล็กนั้น สามารถนำกลับไป recycle ได้ หรือขายซากก็มีมูลค่ามากกว่าโครงสร้างคอนกรีต ที่หมดอายุการใช้งาน
จะเห็นว่า ประโยชน์ของการเปลี่ยนมาใช้โครงสร้างเหล็กมากมายเลยนะครับ ดังนั้น เวลาคิดต้นทุนงานก่อสร้าง เราอาจจะต้องคิดพิจารณาในหลายๆ มุม มากกว่าที่จะคิดเพียงต้นทุนของวัสดุเพียงอย่างเดียวครับ
