Bridge (สะพาน)
โครงสร้างสะพานเหล็ก ในประเทศญี่ปุ่น

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

รูปแบบสะพานโครงสร้างเหล็ก (Aoki, 2014)

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)
ลักษณะการใช้งานสะพานทางด่วน (Aoki, 2014)

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
รูปที่ 5 การปรับเปลี่ยนรูปแบบโครงสร้างสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอ ของทางหลวงญี่ปุ่น (Aoki, 2014)

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

รูปที่ 6 ตารางที่ 1 คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กแผ่นเกรดต่าง ๆ (Kato, 2017)

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

สะพาน Akashi-Kaikyou-Ohashi Bridge ที่ได้มีการนำเหล็กเกรดที่หลากหลาย มาใช้กับส่วนต่าง ๆ ของโครงสร้างสะพาน (Kato, 2017)
การลดปริมาณการใช้เหล็กด้วยการใช้เหล็กกำลังสูง (Kato, 2017)

นอกจากนี้ Kato (2017) ยังได้ศึกษาถึงความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาณเหล็ก กับค่าหน่วยแรงดึงที่จุดครากของเหล็กที่ใช้กับสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอ ที่ความยาวช่วงสะพาน 63 เมตร และ 53 เมตร ดังแสดงในรูปด้านล่าง ซึ่งพบว่าการเพิ่มหน่วยแรงดึงที่จุดครากจนถึงระดับราว 500 MPa จะเป็นจุดที่ทำให้การออกแบบสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอมีความประหยัดมากที่สุด

ความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาณเหล็ก กับค่าหน่วยแรงดึงที่จุดครากของเหล็กที่ใช้กับสะพานโครงสร้างเหล็กรูปตัวไอ (Kato, 2017)

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

การเปรียบเทียบคุณสมบัติด้านการรับแรงดึง และด้านความเสี่ยงของการแตกร้าวที่รอยเชื่อม ชองเหล็ก SBHS500 และ SM570 (Kato, 2017)

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”

ลักษณะทางโครงสร้างของเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน (Kato, 2017)

ด้วยคุณลักษณะที่ให้คุณค่าด้านการลดต้นทุนการบำรุงรักษาโครงสร้างสะพาน และราคาผลิตภัณฑ์ที่ไม่เพิ่มสูงขึ้นมากนัก ส่งผลให้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนเป็นที่นิยมนำไปใช้ในการก่อสร้างสะพานเพิ่มขึ้น ซึ่งพบว่าสัดส่วนของการนำเหล็กกล้าทนการกัดกร่อนมาใช้กับงานสะพานในประเทศญี่ปุ่น เพิ่มขึ้นจนถึงราว 20% ของสะพานที่ใช้เหล็กเกรดอื่น ๆ

ปริมาณการใช้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนในประเทศญี่ปุ่น จำแนกตามปี รวบรวมโดย สมาคมสะพานแห่งประเทศญี่ปุ่น (Kato, 2017)

การใช้เหล็กกล้าทนการกัดกร่อนนี้ ในช่วงระยะแรก จะเห็นสีที่ผิวเหล็กเป็นสีสนิมที่ไม่ค่อยสม่ำเสมอ แต่เมื่อเวลาผ่านไป สีที่ผิวเหล็กจะค่อย ๆ เปลี่ยนแปลงเป็นสีน้ำตาลเข้มที่สม่ำเสมอ ส่งผลต่อความสวยงามของโครงสร้างที่ดียิ่งขึ้น

สีของผิวเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน เมื่อเวลาต่าง ๆ (Kato, 2017)




Spread the love

1 thought on “โครงสร้างสะพานเหล็ก ในประเทศญี่ปุ่น

Comments are closed.