โครงสร้างสะพานเหล็ก ในประเทศญี่ปุ่น
สำหรับเนื้อหาในวันนี้ก็จะเป็นเนื้อหาที่พูดถึง โครงสร้างสะพานเหล็ก ในประเทศญี่ปุ่น ซึ่งถือว่าเป็นประเทศที่มีความเชี่ยวชาญด้านสะพานโครงสร้างเหล็กเป็นอย่างมากครับ โดยเนื้อหานี้ก็จะต่อเนื่องจากโพสต์ก่อน ในหัวข้อ “สะพานโครงสร้างเหล็ก (steel bridges) เรียนรู้จากผู้เชี่ยวชาญ เพื่อการพัฒนาที่ยั่งยืน” ซึ่งหากท่านใดต้องการอ่านบทความนี้ ก็สามารถ คลิกที่นี่ ได้เลย
รูปแบบสะพานโครงสร้างเหล็กในประเทศญี่ปุ่น
รูปแบบของ โครงสร้างสะพานเหล็ก ในประเทศญี่ปุ่น มีอยู่มากมายหลายประเภท ขึ้นกับลักษณะการใช้งาน สภาพภูมิประเทศ และความยาวช่วงสะพาน ตัวอย่างของประเภทสะพานโครงสร้างเหล็กแสดงดังรูป
โดยสำหรับ โครงสร้างสะพานเหล็ก ที่มีความยาวช่วงไม่มากนัก เช่น สะพานระบบคานเหล็กช่วงเดี่ยวรูปตัวไอ (simple I-shape main girder) สะพานระบบคานเหล็กต่อเนื่องรูปตัวไอ (continuous I-shape main girder) สะพานระบบคานเหล็กช่วงเดี่ยวรูปกล่อง (simple box-shape main girder) สะพานระบบคานเหล็กต่อเนื่องรูปกล่อง (continuous box-shape main girder) สะพานระบบโครงถักช่วงเดี่ยว (simple truss) สะพานระบบโครงถักต่อเนื่อง (continuous truss) และสะพานแบบโค้ง (arch bridge)
ได้สรุปถึงลักษณะการใช้งาน และช่วงความยาวที่เหมาะสม ของสะพานทางด่วน ดังนี้
หมายเหตุ
- O หมายถึง สามารถดัดเป็นแนวโค้งได้
- X หมายถึงไม่สามารถดัดเป็นแนวโค้งได้
- สี่เหลี่ยม หมายถึงนิยมนำมาใช้อย่างแพร่หลาย
- I-shape main girder ในวงเล็บ หมายถึง I-girder ที่ใช้แผ่นพื้นหล่อคอนกรีตในที่ (composite construction)
สำหรับสะพานระบบคานเหล็กรูปตัวไอ (I-shape girder) นั้น ในอดีตได้ใช้ระบบพื้นคอนกรีตเสริมเหล็กหล่อในที่ (cast-in-place reinforced concrete slab) ที่ไม่เป็นระบบวัสดุผสมที่รับน้ำหนักร่วมกับคาน หรือ non-composite system ส่งผลทำให้จำนวนคานเหล็กรูปตัวไอมีจำนวนมากหลายท่อน
แต่ต่อมาได้มีการปรับรูปแบบการก่อสร้าง เพื่อสนองตอบต่อแรงงานที่หายากและค่าแรงงานที่เพิ่มสูงขึ้น โดยได้นำระบบ “พื้นคอนกรีตอัดแรง” ระบบวัสดุผสมที่มีการต่อเชื่อมกับคานเหล็กรูปตัวไอจนมีพฤติกรรมการรับน้ำหนักร่วมกัน หรือ composite system (ดูรูปด้านล่าง) ซึ่งมีข้อดีต่าง ๆ อันประกอบไปด้วย
- การลดปริมาณงานขึ้นรูป (fabrication process) ลง จากการลดปริมาณคานเหล็กรูปตัวไอลง
- สามารถทำงานได้รวดเร็วยิ่งขึ้น จากการใช้ระบบพื้นคอนกรีตอัดแรงที่หล่อสำเร็จมาจากโรงงาน
- ลดปริมาณเหล็กปลีกย่อย และเพิ่มความสามารถต้านทานการล้า
ผลิตภัณฑ์สำหรับงานก่อสร้างสะพานโครงสร้างเหล็กในประเทศญี่ปุ่น
ด้วยสะพานโครงสร้างเหล็กของประเทศญี่ปุ่น ได้มีการใช้งานมายาวนาน พัฒนาการด้านการผลิตก็ได้มีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่องให้เหมาะกับลักษณะการใช้งาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตเหล็กทรงแบน (หมายถึง เหล็กแผ่นหนา หรือ steel plate และ เหล็กแผ่นรีดร้อนชนิดม้วน หรือ hot-rolled coil)
ทั้งการปรับปรุงส่วนผสมทางเคมี ควบคู่ไปกับการควบคุมแร่ธาตุที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของเนื้อเหล็ก การเติมโลหะพิเศษเพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการใช้งาน ตลอดจนการปรับปรุงลักษณะทางโครงสร้างจุลภาคของเนื้อเหล็ก ผ่านการปรับกระบวนการผลิต และอื่น ๆ อีกมากมาย
ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการพัฒนาด้วยการปรับกระบวนการผลิต เช่น การผลิตเหล็กที่ผ่านกระบวนการ Thermo-Mechanical Control Process หรือ TMCP ซึ่งมีการควบคุมกระบวนการและสภาพแวดล้อมในขั้นตอนการรีดร้อน และการปรับอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็ว (accelerated cooling)
เพื่อปรับโครงสร้างทางจุลภาคของเนื้อเหล็กจากเฟอร์ไรต์และเพอร์ไรต์ ให้มีโครงสร้างที่ละเอียดขึ้นเป็นอนุภาคมาร์เทนไซต์ ซึ่งทำให้เหล็กมีความสามารถในการรับแรง โดยเฉพาะอย่างยิ่งค่าหน่วยแรงดึงที่จุดคราก (yield stress) ที่เพิ่มสูงขึ้น โดยเพิ่มจาก เกรดปกติที่ระดับ 235 ถึง 450 MPa ไปถึงราว 590 ถึง 885 MPa ตารางที่ 1
หมายเหตุ
- JIS standard ครอบคลุมผลิตภัณฑ์ ถึงเกรด SM570
- HT หรือ High Tensile เป็นเกรดที่รับรองโดย Honsyu-Shikoku Bridge Authority
- Allowable stress = Fy/1.7 (กรอบสีน้ำเงิน) และ Fy/2.2 (กรอบสีแดง)
ตัวอย่างสะพานที่มีการนำเหล็กกำลังสูงพิเศษมาใช้นั้น เช่น สะพานแขวนที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในโลกที่มีชื่อว่า Akashi-Kaikyou-Ohashi Bridge โดยได้มีการใช้ผลิตภัณฑ์เหล็กกำลังสูงที่หลากหลายตามลักษณะการใช้งาน ดังรูปด้านล่างนี้
สำหรับสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอ ก็ได้มีการศึกษาเปรียบเทียบโดย Kato (2017) ว่าสามารถลดปริมาณเหล็กลงได้ราว 20% สำหรับสะพานระบบคานต่อเนื่อง 3 ช่วง ที่ยาว 65 เมตร + 80 เมตร + 65 เมตร และสามารถลดน้ำหนักลงได้ราว 40% สำหรับสะพานระบบคานต่อเนื่อง 3 ช่วง ที่ยาว 80 เมตร + 100 เมตร + 80 เมตร
นอกจากนี้ Kato (2017) ยังได้ศึกษาถึงความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาณเหล็ก กับค่าหน่วยแรงดึงที่จุดครากของเหล็กที่ใช้กับสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอ ที่ความยาวช่วงสะพาน 63 เมตร และ 53 เมตร ดังแสดงในรูปด้านล่าง ซึ่งพบว่าการเพิ่มหน่วยแรงดึงที่จุดครากจนถึงระดับราว 500 MPa จะเป็นจุดที่ทำให้การออกแบบสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอมีความประหยัดมากที่สุด
นอกเหนือเหล็กกำลังสูง เกรด HT ที่หน่วยงานสะพาน Honsyu-Shikoku Bridge Authority ให้ระบุเป็นมาตรฐานให้สามารถนำมาใช้กับงานสะพานของตนได้แล้ว มาตรฐานอุตสาหกรรมของประเทศญี่ปุ่น หรือ JIS ยังได้กำหนดมาตรฐานเหล็กชนิดใหม่ขึ้นมาสำหรับงานก่อสร้างสะพานโดยเฉพาะ ที่ชื่อว่า SBHS (Steel for Bridge High Performance Structure)
ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการพัฒนาและวิจัยร่วมกันระหว่างภาคเอกชนและภาควิชาการ ซึ่งผลิตด้วยกรรมวิธี TMCP และปรับส่วนผสมทางเคมีของเหล็ก โดยจุดเด่นของ SBHS นี้คือ นอกจากจะเป็นเหล็กที่มีกำลังสูงแล้ว ยังมีสมรรถนะที่ดีด้านความแข็งแกร่ง (toughness ซึ่งทดสอบด้วย Charpy Impact Test) และสามารถเชื่อมให้มีคุณภาพได้ง่าย
ซึ่งตาม JIS G3140 จะมีระบุอยู่ 3 ระดับความสามารถต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (yield stress หน่วย MPa) ทั้งแบบที่เป็นเหล็กกำลังสูงทั่วไป และแบบที่เป็นเหล็กกำลังสูงชนิดทนการกัดกร่อน หรือ weathering steel (มี W ต่อท้าย) คือ SBHS400, SBHS400W, SBHS500, SBHS500W, SBHS700 และ SBHS700W
โดยหากเปรียบเทียบระหว่าง SBHS500 (Fy ~ 500 MPa) กับ SM570 ซึ่งมีค่า (Fy ~ 450 MPa) ดังรูปด้านล่าง จะเห็นได้ว่า SBHS จะให้กำลังที่สูงกว่า ในขณะที่มีค่าสมมูลคาร์บอนที่เป็นดัชนีบ่งชี้ด้านโอกาสที่จะเกิดการแตกร้าวในรอยเชื่อม (PCM = carbon equivalent for crack parameter) ที่ต่ำกว่า หรือมีความเสี่ยงต่อการแตกร้าวของรอยเชื่อมที่น้อยกว่า SM570
เหล็กต้านทานการกัดกร่อน (Weathering Steel)
สำหรับเหล็กต้านทานการกัดกร่อน หรือเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน (weathering steel) นั้น จากข้อมูลโดย www.steelconstruction.info ได้นำเสนอไว้ว่า เหล็กกล้าทนการกัดกร่อน เป็นเหล็กกำลังสูงผสมอัลลอยที่พัฒนาขึ้นโดย บริษัท United States Steel (USS) ในช่วงทศวรรษ 1930 โดยใช้ชื่อทางการค้าว่า Cor-ten
โดยในทวีปยุโรป ใช้ชื่อทั่วไปว่า “เหล็กโครงสร้างเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน หรือ structural steel with improved atmospheric resistance” ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ทั่วไปที่มิได้เป็นลิขสิทธิ์ของบริษัทใด ๆ (nonproprietary product)
เหล็กต้านทานการกัดกร่อนนี้ หากใช้กับงานก่อสร้างสะพานที่อยู่ในสภาพบรรยากาศทั่วไป จะสามารถให้อายุการใช้งานได้ถึง 120 ปี (ควบคู่ไปกับการบำรุงรักษาทั่วไป) โดยลักษณะของเหล็กต้านทานการกัดกร่อนที่สำคัญคือ การ “ทำให้สนิมที่มีความเสถียร (กลุ่ม FeOOH) มีการฟอร์มตัวอย่างสม่ำเสมอเป็นชั้นที่แน่นหนา ที่สามารถป้องกันเหล็กโครงสร้างจากการเข้าแทรกซึมของอิออน”
ด้วยคุณลักษณะที่ให้คุณค่าด้านการลดต้นทุนการบำรุงรักษาโครงสร้างสะพาน และราคาผลิตภัณฑ์ที่ไม่เพิ่มสูงขึ้นมากนัก ส่งผลให้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนเป็นที่นิยมนำไปใช้ในการก่อสร้างสะพานเพิ่มขึ้น ซึ่งพบว่าสัดส่วนของการนำเหล็กกล้าทนการกัดกร่อนมาใช้กับงานสะพานในประเทศญี่ปุ่น เพิ่มขึ้นจนถึงราว 20% ของสะพานที่ใช้เหล็กเกรดอื่น ๆ
การใช้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนนี้ ในช่วงระยะแรก จะเห็นสีที่ผิวเหล็กเป็นสีสนิมที่ไม่ค่อยสม่ำเสมอ แต่เมื่อเวลาผ่านไป สีที่ผิวเหล็กจะค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงเป็นสีน้ำตาลเข้มที่สม่ำเสมอ ส่งผลต่อความสวยงามของโครงสร้างที่ดียิ่งขึ้น
