ไม่ว่าจะเป็นโกดัง โรงงาน หรืออาคารพาณิชย์ การคำนึงถึงน้ำหนักบรรทุกอย่างสมเหตุสมผลเมื่อออกแบบอาคารถือเป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันความปลอดภัยและความทนทานของโครงสร้าง
เราจะเจาะลึกประเภท วิธีการคำนวณ และจุดออกแบบของน้ำหนักโครงสร้างเหล็ก เพื่อช่วยให้คุณเข้าใจปัญหาทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนนี้ได้ดีขึ้น และให้คำแนะนำที่เป็นประโยชน์สำหรับการออกแบบในทางปฏิบัติ ไม่ว่าคุณจะเป็นมือใหม่ในอุตสาหกรรมหรือเป็นวิศวกรอาวุโส บทความนี้จะนำเสนอข้อเสนอแนะเชิงปฏิบัติและจุดทางเทคนิคเฉพาะเจาะจงแก่คุณ
ประเภทของภาระในโครงสร้างเหล็ก
ในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก ภาระเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดความปลอดภัยและความมั่นคงของอาคาร ภาระประเภทต่างๆ มีผลกระทบต่อโครงสร้างต่างกัน ดังนั้น การทำความเข้าใจลักษณะเฉพาะของภาระเหล่านี้และความสำคัญของการออกแบบจึงเป็นสิ่งสำคัญ ต่อไปนี้คือภาระประเภททั่วไปในการออกแบบโครงสร้างเหล็กและคำอธิบายสั้นๆ
1. โหลดตาย
น้ำหนักบรรทุกตายตัวประกอบด้วยน้ำหนักคงที่ของโครงแข็ง รวมถึงน้ำหนักของส่วนประกอบต่างๆ เช่น แผงหลังคา แป ผ้าฝ้ายกันความร้อน และอื่นๆ ด้านล่างนี้คือค่าน้ำหนักบรรทุกตายตัวทั่วไป:
- แป + แผ่นหลังคา (ความหนา 0.5 มม.) : 0.10 KN/m²
- แปหลังคา + แผ่นหลังคา (หนา 0.5 มม.) + แผ่นบุหลังคา (หนา 0.5 มม.) : 0.15 KN/m²
- แป + แผงแซนวิช : 0.15 KN/m²
การคำนวณน้ำหนักบรรทุกตายที่แม่นยำจะต้องปรับให้เหมาะกับสถานการณ์เฉพาะ ในกรณีที่มีการติดตั้งอุปกรณ์แขวนจำนวนมากบนหลังคา ไม่ควรมองข้ามน้ำหนักของคานที่ใช้เชื่อมต่อและรองรับอุปกรณ์เหล่านี้ และควรนำไปรวมไว้ในการประเมินน้ำหนักบรรทุกตายของหลังคา
2. น้ำหนักบรรทุกสดและน้ำหนักแขวนหลังคา
การรับน้ำหนักบนหลังคา: เมื่อใช้แผ่นเหล็กกล้าลูกฟูกหลังคาเบา ค่ามาตรฐานของน้ำหนักบรรทุกเคลื่อนที่แนวตั้งของหลังคาควรเป็น 0.5KN/m2 (หมายเหตุ: เมื่อโครงแข็งหรือแปมีตัวแปรเพียงตัวเดียวและพื้นที่รับน้ำหนักเกิน 60m2 น้ำหนักบรรทุกเคลื่อนที่ของโครงเหล็กสามารถเป็น 0.3KN/m2 ได้)
โหลดแขวนหลังคา: รวมถึงสปริงเกอร์ ท่อ โคมไฟ ฯลฯ สามารถรวมน้ำหนักแขวนหลังคาไว้ในน้ำหนักบรรทุกบนหลังคาได้
ค่ารับน้ำหนักหลังคาที่ใช้กันทั่วไปสามารถอ้างอิงได้ดังนี้:
- ฝ้ายิปซัม 0.15KN/m2
- ท่อน้ำยาแอร์ 0.05 KN/m2
- การให้แสงสว่าง 0.05 KN/m2
- หัวพ่นน้ำ 0.15KN/m2
ควรสังเกตว่าเนื่องจากระบบหลังคาโครงสร้างเหล็กเบามีน้ำหนักเบามาก เมื่อใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบ เช่น STS (ซอฟต์แวร์ไม่อนุญาตให้ผู้ใช้เพิ่มเงื่อนไขการรับน้ำหนักแบบแขวน) จึงเหมาะสมกว่าที่จะรวมการรับน้ำหนักแกนรับน้ำหนักหลังคาเข้ากับการรับน้ำหนักแบบเคลื่อนที่ หากพิจารณาการรับน้ำหนักแบบแขวนหลังคาเป็นการรับน้ำหนักตาย การออกแบบจะไม่ปลอดภัยเมื่อรวมการรับน้ำหนักตาย + การรับน้ำหนักแบบลมเข้าด้วยกัน
3. ปริมาณหิมะ
เมื่อพิจารณาปริมาณหิมะ โปรดทราบ:
- จำเป็นต้องพิจารณาค่าสัมประสิทธิ์การกระจายหิมะบนหลังคา μr ตามรหัส 50009-2001 แรงดันหิมะพื้นฐานคูณด้วยค่าสัมประสิทธิ์การสะสมหิมะเป็นค่ามาตรฐานของภาระหิมะ
- ในการออกแบบส่วนประกอบรับน้ำหนักของโครงสร้างอาคารและหลังคา การกระจายตัวของหิมะที่สะสมสามารถดำเนินการได้ตามเงื่อนไขต่อไปนี้:
- แผงหลังคาและแปจะถูกปรับให้เหมาะกับสถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดของการกระจายหิมะที่ไม่สม่ำเสมอ
- โครงหลังคาและเปลือกโค้งสามารถนำมาใช้ได้ตามการกระจายตัวที่สม่ำเสมอของหิมะที่สะสมในช่วงทั้งหมด การกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอของหิมะที่สะสม และการกระจายตัวที่สม่ำเสมอของหิมะที่สะสมในครึ่งหนึ่งของช่วงตามลำดับ
- สามารถปรับกรอบและคอลัมน์ให้เหมาะกับการกระจายตัวที่สม่ำเสมอของหิมะที่สะสมในช่วงทั้งหมดได้
4. แรงลม
ค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างของแรงลมของโครงพอร์ทัลสามารถนำมาพิจารณาได้ตาม “รหัสการรับน้ำหนักโครงสร้างอาคาร” (GB50009-2001) หรือ “รหัสเทคนิคสำหรับโครงสร้างเหล็กน้ำหนักเบาของโครงพอร์ทัล” (CECS102:2002) โปรดทราบข้อมูลดังต่อไปนี้:
- ควรใช้แรงดันลมพื้นฐานตามแรงดันลม 50 ปีที่ระบุไว้ในภาคผนวก D.4 ของรหัสโหลด แต่ต้องไม่น้อยกว่า 0.3kN/m2
- ไม่สามารถใช้กรอบพอร์ทัลทั้งหมดได้ตาม CECS รหัสพอร์ทัลใช้ได้เฉพาะกับ: ความลาดชันของหลังคา α≤10, ความสูงของหลังคาโดยเฉลี่ย ≤18 ม., อัตราส่วนความสูงต่อความกว้างของบ้าน ≤1 และความสูงของชายคา ≤ขนาดแนวนอนขั้นต่ำของบ้าน
- เมื่อฐานเสามีบานพับและระยะ l/h ของโครงน้อยกว่า 2.3 และฐานเสาเชื่อมต่ออย่างแน่นหนาและระยะ l/h น้อยกว่า 3.0 จะปลอดภัยกว่าหากใช้ค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างตัวถังตามแรงลมที่ระบุไว้ใน GB50009 สำหรับการออกแบบโครง ในขณะที่การใช้ค่า GB50009 ในกรณีอื่นๆ จะนำไปสู่การออกแบบที่ไม่ปลอดภัย
- ในทุกกรณีผลรวมพีชคณิตของค่าสัมประสิทธิ์รูปร่างผนังทั้งสองด้านของกรอบแนวนอนไม่ควรน้อยกว่า 1.2
5. การโหลดเครน
ควรรับน้ำหนักแนวตั้งของเครนสะพาน (คาน) หรือเครนแขวนตามตำแหน่งที่ไม่เหมาะสมของเครน ส่วนน้ำหนักแนวนอนสามารถละเลยได้สำหรับเครนแบบใช้มือและรอกไฟฟ้า
6. การรับน้ำหนักแผ่นดินไหว
เมื่อความเข้มของการป้องกันแผ่นดินไหวสูงและช่วงอาคารกว้าง ความสูงสูง หรือมีเสาค้ำจำนวนมากในทิศทางความกว้าง สามารถตรวจสอบผลกระทบจากแผ่นดินไหวในแนวนอนได้ตาม "รหัสการออกแบบแผ่นดินไหวในอาคาร" ภายใต้การผสมผสานแผ่นดินไหวแบบโครงแข็งด้านซ้ายและด้านขวา เมื่อคำนวณ อัตราส่วนการหน่วงจะเท่ากับ 0.05
4. โหลดอื่น ๆ
7. โหลดอื่น ๆ
นอกเหนือจากภาระทั่วไปที่กล่าวไว้ข้างต้นแล้ว โครงสร้างเหล็กอาจได้รับผลกระทบจากภาระพิเศษบางอย่างด้วยเช่นกัน
โหลดความร้อน: การขยายตัวและการหดตัวของวัสดุที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอาจทำให้เกิดความเครียดในโครงสร้าง ผลกระทบของภาระความร้อนสามารถบรรเทาได้โดยการตั้งข้อต่อขยายหรือใช้ตัวเชื่อมต่อแบบยืดหยุ่น
โหลดระเบิด: แรงกระแทกที่เกิดจากการระเบิด มักใช้ในการออกแบบอาคารที่มีความปลอดภัยสูง
ภาระการก่อสร้าง: ภาระชั่วคราวที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการก่อสร้าง เช่น อุปกรณ์ก่อสร้าง การเรียงซ้อนวัสดุ ฯลฯ
โหลดการสั่นสะเทือน: ภาระที่เกิดจากอุปกรณ์ทางกล การจราจร หรือแหล่งกำเนิดแรงสั่นสะเทือนจากภายนอกอื่นๆ
ภาระการกัดกร่อน: ประสิทธิภาพของวัสดุลดลงเนื่องจากการกัดกร่อนของสิ่งแวดล้อม ส่งผลให้ภาระโครงสร้างเพิ่มขึ้นโดยอ้อม
ในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก การวิเคราะห์น้ำหนักถือเป็นขั้นตอนสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าอาคารมีความปลอดภัยและมั่นคง ไม่ว่าจะเป็นน้ำหนักบรรทุกคงที่ น้ำหนักบรรทุกจร น้ำหนักบรรทุกจากสิ่งแวดล้อม หรือน้ำหนักบรรทุกพิเศษอื่นๆ เราจะให้การวิเคราะห์และแนวทางการออกแบบที่ครอบคลุมแก่คุณ หากคุณมีคำถามใดๆ เกี่ยวกับการวิเคราะห์หรือการออกแบบน้ำหนักบรรทุก โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเรา เรามุ่งมั่นที่จะให้บริการคุณด้วยความจริงใจ!
โครงสร้างเหล็กผสมรับน้ำหนัก
เหตุใดเราจึงต้องใช้การรวมโหลด?
ในงานวิศวกรรมจริง โครงสร้างมักต้องรับน้ำหนักหลายส่วนในเวลาเดียวกัน การออกแบบภายใต้น้ำหนักเพียงส่วนเดียวไม่สามารถสะท้อนสถานการณ์ที่ซับซ้อนในการใช้งานจริงได้ทั้งหมด ดังนั้น การรวมน้ำหนักจึงต้องคำนึงถึงผลเสริมฤทธิ์กันของน้ำหนักที่แตกต่างกัน และเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างเหล็กมีความปลอดภัยและมั่นคงภายใต้เงื่อนไขที่เป็นไปได้ต่างๆ
การรวมโหลดทั่วไป
- น้ำหนักบรรทุกตายตัว + น้ำหนักบรรทุกจร: นี่คือการรวมกันของน้ำหนักที่พบได้บ่อยที่สุด ซึ่งใช้ในการพิจารณาน้ำหนักคงที่และน้ำหนักแบบไดนามิกของโครงสร้างภายใต้สภาวะการใช้งานปกติ
- แรงลม + แรงหิมะ: มักใช้ในอาคารสูงหรือสถานที่เปิดโล่ง โดยพิจารณาจากการซ้อนทับของน้ำหนักลมและหิมะ
- ภาระแผ่นดินไหว + ภาระคงที่: ในพื้นที่เสี่ยงแผ่นดินไหว ให้พิจารณาถึงเสถียรภาพของโครงสร้างภายใต้แรงแผ่นดินไหวและผลรวมของภาระคงที่
การรวมน้ำหนักเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงปัจจัยด้านความปลอดภัยของการออกแบบเท่านั้น แต่ยังสามารถคาดการณ์ประสิทธิภาพของโครงสร้างภายใต้สภาวะการทำงานที่ซับซ้อนได้อย่างสมเหตุสมผลอีกด้วย
การออกแบบชุดโหลดต้องปฏิบัติตามกฎหมายอาคารในท้องถิ่น (เช่น ASCE, กฎหมายยุโรป ฯลฯ) กฎหมายเหล่านี้ได้กำหนดข้อกำหนดชุดโหลดเฉพาะตามลักษณะเฉพาะของแต่ละภูมิภาคเพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบนั้นทั้งปลอดภัยและประหยัด การปฏิบัติตามกฎหมายไม่เพียงแต่จะช่วยเพิ่มความปลอดภัยของโครงสร้างเท่านั้น แต่ยังหลีกเลี่ยงการออกแบบที่มากเกินไปและประหยัดต้นทุนได้อีกด้วย
การวิเคราะห์น้ำหนักและการออกแบบโครงสร้างเหล็ก
การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA)
การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ (FEA) ทำหน้าที่เป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการวิเคราะห์โครงสร้างเหล็ก ช่วยให้วิศวกรสามารถมองเห็นการกระจายตัวของความเค้นภายในโครงสร้างภายใต้ภาระที่ซับซ้อนต่างๆ (รวมถึงภาระคงที่ ภาระเคลื่อนที่ ภาระลม ภาระแผ่นดินไหว เป็นต้น) และระบุปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้
การออกแบบคานและเสา
คานและเสาเป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดของโครงสร้างเหล็ก ซึ่งทำหน้าที่รองรับและถ่ายโอนน้ำหนัก
โหลดถูกถ่ายโอนจากคานไปยังเสา:
- หน้าที่ของคานคือรับน้ำหนัก (เช่น น้ำหนักของพื้น น้ำหนักของคนหรือเฟอร์นิเจอร์) จากนั้นจึงถ่ายโอนน้ำหนักไปยังเสา จากนั้นเสาจะถ่ายโอนน้ำหนักไปยังฐานราก เมื่อออกแบบ ต้องแน่ใจว่าสามารถถ่ายโอนน้ำหนักได้อย่างราบรื่นเพื่อหลีกเลี่ยงความไม่สมดุลของโครงสร้าง
การเลือกขนาดคานและเสา:
- ขนาดของคานและเสาควรพิจารณาตามขนาดของน้ำหนัก หากขนาดเล็กเกินไปอาจไม่สามารถรองรับน้ำหนักได้เพียงพอ ในขณะที่หากขนาดใหญ่เกินไปก็อาจส่งผลให้เกิดการสิ้นเปลืองวัสดุ วิศวกรจำเป็นต้องเลือกขนาดที่เหมาะสมตามน้ำหนักและรหัส
ตัวอย่างเช่น คานโรงงานจะต้องรองรับอุปกรณ์ที่มีน้ำหนักมาก ดังนั้นจึงต้องใช้เหล็กที่มีขนาดใหญ่กว่าหรือแข็งแรงกว่า ในขณะที่คานที่อยู่อาศัยอาจมีขนาดเล็กกว่าได้
การออกแบบฐานราก
วัตถุประสงค์หลักของฐานรากคือการถ่ายโอนน้ำหนักโครงสร้างลงสู่พื้นดินอย่างปลอดภัย เมื่อออกแบบฐานราก สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าฐานรากมีความแข็งแรงเพื่อป้องกันปัญหาที่อาจเกิดขึ้น
การถ่ายโอนโหลดลงพื้นดิน:
- ฐานรากจะต้องสามารถกระจายน้ำหนักไปยังดินได้อย่างสม่ำเสมอ เมื่อออกแบบ ควรคำนึงถึงความสามารถในการรับน้ำหนักของดินและตรวจสอบให้แน่ใจว่าฐานรากสามารถรองรับน้ำหนักของโครงสร้างทั้งหมดได้
ป้องกันการชำระเงินที่ไม่เท่าเทียมกัน:
- หากส่วนต่างๆ ของฐานรากทรุดตัวในอัตราที่แตกต่างกัน อาจทำให้บ้านเอียงหรือพังทลายได้ เพื่อบรรเทาปัญหานี้ วิศวกรจึงออกแบบฐานรากโดยคำนึงถึงสภาพดินและการกระจายน้ำหนัก ตัวอย่างเช่น ในพื้นที่ที่มีดินอ่อน ฐานรากแบบเสาเข็มสามารถใช้เพื่อถ่ายโอนน้ำหนักไปยังชั้นดินที่ลึกกว่าและมั่นคงกว่าได้
โดยผ่านการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด การออกแบบคานและเสาที่เหมาะสม และการออกแบบฐานรากที่มั่นคง วิศวกรสามารถมั่นใจได้ว่าโครงสร้างเหล็กมีความปลอดภัยและเชื่อถือได้ในสถานการณ์ต่างๆ
ความท้าทายของการคำนวณโหลดสำหรับโครงสร้างเหล็ก
ความไม่แน่นอนของการประมาณโหลด
น้ำหนักบรรทุกและน้ำหนักบรรทุกจากสิ่งแวดล้อม เช่น ลม หิมะ และแผ่นดินไหว มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากและท้าทายต่อการคาดการณ์ที่แม่นยำ ตัวอย่างเช่น ความหนาแน่นของผู้คนหรือความเร็วลมในอาคารสำนักงานอาจผันผวน ดังนั้นจำเป็นต้องใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัยในการออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างจะปลอดภัยภายใต้สภาวะต่างๆ
ความซับซ้อนของการรวมโหลด
ในโครงการจริง ภาระหลายรายการ (เช่น ภาระคงที่ ภาระเคลื่อนที่ ภาระลม และภาระหิมะ) อาจมีผลพร้อมกันหรือทับซ้อนกันได้ ตัวอย่างเช่น ลมแรงและแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นพร้อมกันจะเพิ่มแรงแนวนอน วิศวกรจำเป็นต้องสร้างการผสมผสานที่เหมาะสมตามข้อกำหนดเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างยังคงปลอดภัยภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยที่สุด
ข้อจำกัดของซอฟต์แวร์
การคำนวณโหลดนั้นต้องอาศัยซอฟต์แวร์ แต่ความแม่นยำของผลลัพธ์นั้นขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ป้อนเข้ามา ข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง (เช่น คุณสมบัติของวัสดุและเงื่อนไขของโหลด) จะทำให้ผลลัพธ์ที่ได้นั้นเบี่ยงเบนไปจากความเป็นจริง นอกจากนี้ ซอฟต์แวร์ยังจำลองสถานการณ์ที่ซับซ้อนได้ไม่สมบูรณ์แบบ ดังนั้น วิศวกรจึงต้องตรวจสอบข้อมูลอย่างระมัดระวังและนำประสบการณ์มาผสมผสานกันเพื่อตัดสินใจ
เราจะเอาชนะความยากลำบากเหล่านี้ได้อย่างไร?
เนื่องจากเราเป็นซัพพลายเออร์โครงสร้างเหล็กมืออาชีพ เราตระหนักดีถึงความท้าทายในการคำนวณโหลด
เพื่อจุดประสงค์นี้ เราจึงผสมผสานซอฟต์แวร์การออกแบบขั้นสูงและประสบการณ์ด้านวิศวกรรมที่หลากหลายเพื่อประมาณภาระอย่างแม่นยำและผสมผสานกันอย่างสมเหตุสมผล ในเวลาเดียวกัน เรายังปฏิบัติตามข้อกำหนดการออกแบบอย่างเคร่งครัดและกำหนดปัจจัยด้านความปลอดภัยที่เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าโครงสร้างมีความปลอดภัยและเชื่อถือได้ภายใต้สถานการณ์ต่างๆ
นอกจากนี้ ทีมงานจะตรวจสอบข้อมูลหลายๆ ครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าทุกขั้นตอนถูกต้อง และสุดท้าย ให้ลูกค้าได้รับโซลูชั่นโครงสร้างเหล็กที่ปลอดภัยและประหยัด
คำถามที่พบบ่อย
ความแตกต่างระหว่างน้ำหนักบรรทุกตายตัวกับน้ำหนักบรรทุกจรคืออะไร?
น้ำหนักบรรทุกตายตัวหมายถึงน้ำหนักถาวรของโครงสร้างเอง ซึ่งรวมถึงคาน เสา และแผ่นพื้น ซึ่งคงที่ ในขณะที่น้ำหนักบรรทุกจริงหมายถึงน้ำหนักแปรผันที่อาจเปลี่ยนแปลงไปในระหว่างการใช้งาน เช่น น้ำหนักของผู้คน เฟอร์นิเจอร์ และอุปกรณ์ต่างๆ พูดง่ายๆ ก็คือ น้ำหนักบรรทุกตายตัวคือ “น้ำหนักคงที่” ในขณะที่น้ำหนักบรรทุกจริงคือ “น้ำหนักที่เปลี่ยนแปลง”
แรงลมส่งผลต่ออาคารโครงสร้างเหล็กสูงอย่างไร?
ผลกระทบของแรงลมต่ออาคารสูงนั้นสะท้อนให้เห็นเป็นหลักในแรงแนวนอน ลมแรงจะทำให้เกิดแรงดันหรือแรงดูดบนพื้นผิวของอาคาร ซึ่งอาจทำให้โครงสร้างสั่นไหวหรือเสียรูปได้ ดังนั้นจึงต้องพิจารณาแรงลมเป็นพิเศษเมื่อออกแบบโครงสร้างเหล็กอาคารสูงเพื่อให้มั่นใจถึงเสถียรภาพและความสบายของอาคารภายใต้ลมแรง
คำนวณภาระแผ่นดินไหวบนโครงสร้างเหล็กอย่างไร?
การคำนวณแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวต้องคำนึงถึงพื้นที่ที่เกิดแผ่นดินไหว น้ำหนักอาคาร และการออกแบบโครงสร้าง โดยทั่วไปจะใช้สูตรดังนี้: แรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว = น้ำหนักอาคาร × อัตราเร่งจากแผ่นดินไหว × ค่าสัมประสิทธิ์โครงสร้าง การคำนวณเฉพาะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดการออกแบบแผ่นดินไหวในพื้นที่เพื่อให้แน่ใจถึงความปลอดภัยของโครงสร้างในกรณีเกิดแผ่นดินไหว