ประโยชน์ของสะพานโครงสร้างเหล็ก
ก่อนที่จะพูดเรื่อง ประโยชน์ของสะพานโครงสร้างเหล็ก เรามาลองดูตัวเลขที่น่าสนใจกันก่อนนะครับ เกี่ยวกับงานก่อสร้างสะพานในประเทศไทย
งานก่อสร้างสะพานทางหลวงในประเทศไทย
สำหรับงานก่อสร้างและบำรุงรักษาสะพาน ตามแนวเส้นทางหลวงในประเทศไทย ซึ่งอยู่ในความดูแลของกรมทางหลวง และกรมทางหลวงชนบทนั้น ปัจจุบันกรมทางหลวง มีสะพานจำนวนทั้งสิ้นกว่า 15,000 แห่ง
โดยสัดส่วนปริมาณของสะพานช่วงสั้น (สะพานที่มีช่วงความยาวน้อยกว่าหรือเท่ากับ 18 เมตร) ต่อสะพานทั้งหมดมีอยู่ราว 94% และสะพานเหล่านี้ระบบเป็นโครงสร้างคอนกรีตแทบทั้งสิ้น ในรูปแบบที่แตกต่างกัน
เช่น คอนกรีตเสริมเหล็กเทในที่ (ประเภท slab type) ราว 40% คอนกรีตอัดแรง (ประเภท plank, box หรือ I-girder type) ราว 48% แบบที่ผสมผสานระบบต่างๆ เข้าด้วยกัน อีกราว 6% และสะพานระบบอื่นๆ อีกราว 6%
โดยปัจจุบัน ยังมิได้ริเริ่มพิจารณาถึงทางเลือกในการนำสะพานโครงสร้างเหล็กเข้ามาใช้ แม้ว่าผลการศึกษาจาก “โครงการส่งเสริมการใช้งานโครงสร้างเหล็กประเภทชิ้นส่วนประกอบสำเร็จ” (สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย, 2554) โดยสำนักงานเศรษฐกิจอุตสาหกรรม
ได้แสดงให้เห็นว่าต้นทุนค่าก่อสร้างโครงสร้างส่วนบนของสะพานคอนกรีตอัดแรง (I-girder type) อาจจะประหยัดกว่า สะพานโครงสร้างเหล็กราว 9% แต่อย่างไรก็ดี หากพิจารณาถึงปัจจัยต่าง ๆ และ ประโยชน์ของสะพานโครงสร้างเหล็ก เช่น
- ค่าจ้างแรงงานที่เพิ่มสูงขึ้น อันส่งผลทำให้สะพานโครงสร้างเหล็กน่าจะประหยัดต้นทุนได้มากกว่าสะพานโครงสร้างคอนกรีต ด้วยสะพานโครงสร้างเหล็ก ใช้แรงงานในการก่อสร้างที่น้อยกว่า
- ค่าวัสดุที่เปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งราคาเหล็กที่ลดต่ำลง และราคาคอนกรีตที่มีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้น (จากปีที่ทำการศึกษา)
- มูลค่าซากที่เหลือเมื่อสิ้นอายุ
- การเลือกใช้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนเพื่อลดผลกระทบต่อมูลค่าการบำรุงรักษาที่เพิ่มสูงขึ้น
- การลดจำนวนเสาตอม่อ จำนวนเสาเข็มและฐานรากที่ใช้ ด้วยการใช้สะพานโครงสร้างเหล็ก (กำลังสูง) จะช่วยลดน้ำหนักบรรทุกคงที่ (dead load) ที่กระทำลงเสาตอม่อได้มาก ตัวอย่างดังรูปด้านล่าง
- การลดระยะเวลาการก่อสร้าง เพื่ออำนวยความสะดวกให้แก่ผู้ใช้รถใช้ถนนได้เร็วยิ่งขึ้น
- การลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยการนำเหล็กซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถรีไซเคิลได้ 100% เข้ามาใช้
จะเห็นได้ว่า หากพิจารณาสะพานโครงสร้างเหล็กเข้ามาเป็นทางเลือกสำหรับงานก่อสร้างสะพานใหม่ และ/หรือ การเปลี่ยนสะพานโครงสร้างคอนกรีตที่ชำรุดในอนาคต ก็จะสามารถก่อให้เกิดประโยชน์ต่อหน่วยงานที่กำกับดูแล อีกทั้งยังเป็นการสร้างสาธารณะประโยชน์ให้กับผู้ใช้รถใช้ถนนซึ่งเป็นผู้ใช้ปลายทางได้อีกด้วย
นอกจากนี้ด้วยการพัฒนากระบวนการผลิตและแปรรูปเหล็กในปัจจุบัน ที่เปลี่ยนรูปแบบการทำงานมาเป็นการทำงานในโรงงาน กล่าวคือ โครงสร้างเหล็กจะถูกแปรรูปและต่อประกอบในโรงงาน ก่อนจะถูกขนส่งและนำไปติดตั้งที่หน้างาน หรือที่เรียกว่า prefabrication system
ซึ่งทำให้การทำงานสามารถควบคุมคุณภาพของชิ้นส่วนโครงสร้างได้เป็นอย่างดี ประหยัดเวลาการก่อสร้าง และใช้ปริมาณแรงงานน้อยกว่าการทำงานในรูปแบบเดิม
อีกทั้ง หากเลือกระบบโครงสร้างที่เหมาะสมกับลักษณะการนำไปใช้งานเป็นสะพานช่วงสั้น ก็จะสามารถช่วยให้เจ้าของโครงการก่อสร้าง และ/หรือ การเปลี่ยนโครงสร้างสะพาน ซึ่งก็คือ กรมทางหลวง และกรมทางหลวงชนบท ลดต้นทุนโดยรวมของโครงการโดยเฉลี่ยประมาณ 10.6 % และส่วนของ Superstructure ลดลงได้ 25.6% สำหรับสะพานช่วงสั้น (Dr. Michael G. B. 2020) อีกด้วย
วัฏจักรชีวิตและการใช้งานโครงสร้างสะพาน
ทั้งนี้หากพิจารณาถึงวัฏจักรชีวิตและการใช้งานโครงสร้างสะพาน จะเห็นว่ามีปัจจัยเรื่องอายุการใช้งานของสะพานเข้ามาเกี่ยวข้อง โดยจะพบว่า ในปัจจุบันสะพานเหล่านี้มีอายุที่ผ่านการใช้งานแล้วราว 20 – 30 ปี
ซึ่งถือว่ามีอายุการใช้งานปานกลางซึ่งอาจเกิดการเสื่อมสภาพไปบ้างตามระยะเวลาและความรุนแรงของสภาพแวดล้อม โดยหากนับจากนี้ไปอีก 10-20 ปีข้างหน้า สะพานเหล่านี้จะเข้าสะพานที่มีอายุการใช้งานมาก ซึ่งจะเห็นได้ถึงการเสื่อมสภาพในหลายๆ จุด โดยอาจส่งผลทำให้กำลังรับแรงของโครงสร้างลดลงได้ แสดงดังรูปด้านล่าง
ด้วยสาเหตุที่กล่าวถึงในข้างต้น โครงสร้างสะพานอาจต้องการการบำรุงรักษาที่ถูกต้อง ตามผลการประเมินที่อาจแตกต่างกันไปตามอายุการใช้งานและความรุนแรงของสภาพแวดล้อม
โดยหากอ้างอิงตามมาตรฐาน AASHTO LRFR แล้ว จะเห็นได้ว่าการประเมินประสิทธิภาพกำลังรับน้ำหนักของโครงสร้าง มีเรื่องของการลดทอนกำลังรับน้ำหนักเนื่องจากสภาวะการใช้งานเข้ามาเกี่ยวข้อง
ซึ่งก็คือ ค่า Structural Condition Factor (ϕc) ดังแสดงในตารางโดยวิธีนี้เป็นการประเมินสภาวะการใช้งานของโครงสร้างที่เกิดการชำรุดเสียหายจากการสังเกตด้วยตาเปล่าโดยผู้เชี่ยวชาญ
และวิธีการประเมินนี้ยังแสดงให้เห็นว่า เมื่อโครงสร้างสะพานมีอายุการใช้งานที่มากขึ้น ประสิทธิภาพในการทำงาน ซึ่งสะท้อนไปถึงกำลังรับแรงของโครงสร้างก็จะลดลงตามไปด้วย
บทสรุป
ดังนั้น หากต้องการบำรุงรักษาโครงสร้างสะพานให้กลับมามีประสิทธิภาพการใช้งานที่ดีขึ้น ก็สามารถทำได้หลากหลายวิธี เช่น
- การซ่อมบำรุงให้มีสภาพเหมือนปกติและมีกำลังรับแรงเท่ากับของเดิม
- การเสริมกำลังให้กับโครงสร้างที่ชำรุด เพื่อทำให้โครงสร้างมีกำลังรับน้ำหนักที่มากขึ้น
- การเปลี่ยนมาใช้สะพานโครงสร้างเหล็ก โดยใช้ตอม่อเดิม ซึ่งจะช่วยให้สะพานสามารถรับน้ำหนักจากพาหนะที่สัญจรไปมาได้มากขึ้น เนื่องจากการลดน้ำหนักบรรทุกคงที่ (dead load) ของตัวโครงสร้างสะพานเอง ดังแสดงใน หัวข้อ ตัวอย่าง Case Study
ซึ่งหากเลือกวิธีการบำรุงรักษาโครงสร้างสะพาน ด้วยการเปลี่ยนโครงสร้างส่วนบน (superstructure) จากสะพานโครงสร้างคอตกรีตเป็นสะพานโครงสร้างเหล็กสำหรับสะพานช่วงสั้น ด้วยวิธีนี้ ประโยชน์ที่เจ้าของโครงการจะได้รับ สามารถจำแนกได้ดังต่อไปนี้
- น้ำหนักบรรทุกคงที่ของโครงสร้างส่วนบนที่ลดลง เนื่องจากสะพานโครงสร้างเหล็ก มีน้ำหนักที่เบากว่าสะพานโครงสร้างคอนกรีต จึงสามารถเพิ่มน้ำหนักบรรทุกของรถขนส่ง
- การติดตั้งสะพานโครงสร้างเหล็กสามารถทำได้รวดเร็ว ลดการติดขัดทางจราจร
- ลดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างเพื่อทดแทนสะพานที่ชำรุด
ดังนั้น หากพิจารณาถึง ประโยชน์ของสะพานโครงสร้างเหล็ก และมีการพิจารณานำเหล็กมาใช้กับงานก่อสร้างสะพานในอนาคตจริง ก็มีความเป็นไปได้ที่น่าจะนำประโยชน์มาให้กับหน่วยงานทางหลวง ทั้งกรมทางหลวงและกรมทางหลวงชนบทรวมไปจนถึงประชาชนผู้ใช้รถใช้ถนน
ตลอดจนเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ของอุตสาหกรรมพื้นฐานของประเทศในภาพรวม ทั้งด้านวิชาการผ่านการศึกษาวิจัยและพัฒนา ตลอดจนผู้ประกอบการในกลุ่มอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้าของประเทศไทย ให้เกิดความก้าวหน้า อันเป็นพื้นฐานที่สำคัญต่อการพัฒนาประเทศอย่างยั่งยืนต่อไป
ตัวอย่าง Case Study
พิจารณาที่สะพานช่วงสั้นที่ความยาว 10 เมตร (simple span) และถนน 2 เลน กว้าง 8.5 เมตร ซึ่งจะมีน้ำหนักบรรทุกคงที่ประมาณ 110 ตัน กำหนดสถานการณ์การใช้งานที่มีน้ำหนักบรรทุกจรสูงสุดคือมีรถบรรทุก 4 คัน
จาก รูปที่ A-1 ในอดีตกฎหมายการขนส่งกำหนดให้รถบรรทุกมีน้ำหนักบรรทุกรวมได้ 20 ตันต่อคัน เมื่อพิจารณาที่รถบรรทุก จำนวน 4 คัน ตอม่อจึงถูกที่ออกแบบรับกำลังได้อยู่ที่ประมาณการ 128 ตันต่อต้น มีค่า Safety factor อยู่ที่ 35%
จาก รูปที่ A-2 เนื่องจากปัจจุบัน กฎหมายการขนส่งกำหนดให้รถบรรทุกน้ำรวมได้ถึง 25 ตันต่อคัน ซึ่งทำให้น้ำหนักบรรทุกจลน์เพิ่มขึ้น 100 ตันส่งผลให้ตอม่อแต่ละต้นรับกำลังที่ 105 ตันต่อต้น แต่การออกการรับกำลังของตอม่อยังคงอยู่ที่ 128 ตันต่อต้น ทำให้มีค่า Safety factor เหลืออยู่ที่ 22% (จากที่ออกแบบไว้ตอนแรก ให้มีค่า Safety factor อยู่ที่ 35%)
จาก รูปที่ A-3 เมื่อสะพานมีอายุการใช้มากขึ้นเกิน 50 ปี สมมติว่าในส่วนของโครงสร้างมีการเสื่อมสภาพ ดังนั้นในการประเมินประสิทธิภาพการรับกำลังในส่วนของตอม่อจึงการถูกลดทอนด้วยค่า Structural Condition Factor: ϕc พิจารณาที่ 0.85 ส่งผลให้ค่ากำลังการรับน้ำหนักบรรทุกของตอม่อเหลืออยู่ที่ 109 ตันต่อต้น และให้มีค่า Safety factor เหลืออยู่ที่ 3%
จาก รูปที่ A-4 ถ้ามีการเปลี่ยนมาใช้สะพานเหล็กจะส่งผลให้ช่วยลดน้ำหนักบรรทุกคงที่ ในส่วนของ Superstructure ลดลงได้ประมาณ 27.5% ขอน้ำหนักบรรทุกคงที่เดิม ทำให้บรรทุกรวมของสาพานลดลงเหลือ 90 ตันต่อต้นและทำให้มีค่า Safety factor อยู่ที่ 21% (พิจารณาที่การรับกำลังของตอม่อลดลง Structural Condition Factor: ϕc = 0.85 หรือกำลังรับน้ำหนักของตอม่อ 109 ตันต่อต้น)
จาก รูปที่ A-5 ถ้าในอนาคตมีการแก้กฎหมายการขนส่งยอมรับให้รถบรรทุกมีน้ำหนักบรรทุกเพิ่มขึ้นเป็น 30 ตันต่อคัน สะพานเหล็กที่นำมาทดแทนสะพานคอนกรีต ก็ยังคงสามารถรับน้ำหนักบรรทุกได้ โดยมีค่า Safety factor อยู่ที่ 9% (Fair, ϕc = 0.85 หรือกำลังรับน้ำหนักของตอม่อ 109 ตันต่อต้น)
ดังนั้นถ้าตอม่ออยู่ในสภาพที่สมบูรณ์ (Good or Satisfactory, ϕc = 1.0 หรือกำลังรับน้ำหนักของตอม่อ 128 ตันต่อต้น) ทำให้มีค่า Safety factor อยู่ที่ 28% หรือถ้าตอม่ออยู่ในสภาพมีการเสียหายเล็กน้อย (Fair, ϕc = 0.95 หรือกำลังรับน้ำหนักของตอม่อ 121 ตันต่อต้น)
ทำให้มีค่า Safety factor อยู่ที่ 21.6 % ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่า Safety factor มีค่ามากว่าและใกล้เคียง ตามลำดับ กับการใช้งานสะพานคอนกรีตในปัจจุบัน ที่รถบรรทุกมีน้ำหนักบรรทุก 25 ตันต่อคัน