ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับโครงสร้างเหล็ก

1. โครงสร้างเหล็ก คืออะไร

โครงสร้างเหล็ก คือ การก่อสร้างอาคารที่ทำจากเหล็กรูปพรรณ (*) ที่มีรูปร่างเฉพาะ โดยรูปแบบที่ใช้ต้องมีความสอดคล้องกับมาตรฐานที่กำหนด  และมีองค์ประกอบทางเคมีที่เฉพาะเจาะจง เพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานของแต่ละโครงการ โดยปัจจุบันมีความต้องการในการสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กเพิ่มขึ้นและใช้ในหลายโครงการ ไม่ว่าจะเป็น สะพาน สนามกีฬา คลังสินค้า โรงงานอุตสาหกรรม และโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ

(*) เหล็กรูปพรรณเป็นวัสดุหลักที่เลือกนำมาใช้ในการก่อสร้าง ถูกออกแบบด้วยรูปร่างและองค์ประกอบทางเคมีเฉพาะเพื่อตอบสนองความต้องการของโครงการต่างๆ ซึ่งจะดีกว่าคอนกรีตในเรื่องการรับแรงดึง ความสามารถในการรับแรงดึงที่ดีกว่านี้เป็นคุณสมบัติสำคัญของเหล็กรูปพรรณ

ตามข้อกำหนดเฉพาะของโครงการ ส่วนประกอบเหล็กสามารถมีรูปร่าง ขนาด และความหนาที่แตกต่างกันไป โดยผ่านกระบวนการรีดร้อนหรือรีดเย็น ในขณะที่บางส่วนมีการผลิตโดยการเชื่อมแผ่นเรียบหรือแผ่นโค้งเข้าด้วยกัน รูปทรงทั่วไปได้แก่ I-beams,เหล็กกล้าความเร็วสูง , เหล็กรางน้ำ, เหล็กฉาก และแผ่นเหล็ก

2. รูปแบบหลักของโครงสร้างเหล็ก

รูปแบบหลักโดยทั่วไปของโครงสร้างเหล็กมีดังนี้:

• โครงสร้างแบบเฟรม (frame structure)
• โครงถัก (truss structure)
• โครงสร้างกริด (grid structure)
• โครงสร้างแบบโค้ง (arch structure)
• โครงข้อแข็ง (portal rigid steel frame)
• เหล็กรูปพรรณยังมีเหล็กโครงสร้างโค้ง สะพานโค้ง สะพานคาน สะพานเคเบิล และสะพานแขวน

การเข้าใจข้อดีและข้อเสียของระบบเหล็กโครงสร้างที่แตกต่างกัน นับเป็นสิ่งสำคัญในการออกแบบโครงการให้ถูกต้องตามความต้องการเฉพาะของแต่ละโครงการก่อสร้าง

3. ข้อดีและข้อเสียของโครงสร้างเหล็ก

โครงสร้างเหล็กเป็นทางเลือกที่นิยมและเชื่อถือได้สำหรับโครงการก่อสร้างหลากหลายประเภท ตั้งแต่อาคารพาณิชย์ โรงงานอุตสาหกรรม สะพาน การพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ เนื่องจากมีข้อดีของเหล็กโครงสร้างที่หลากหลาย เช่น:

• เหล็กนั้นมีอัตราความแข็งแรงต่อการรับน้ำหนักสูงมากเมื่อเทียบกับวัสดุก่อสร้างอื่นๆ เช่น คอนกรีตและไม้ นั่นหมายความว่าส่วนประกอบเหล็กสามารถทำให้น้ำหนักเบาได้มากโดยไม่ลดทอนความแข็งแรง
• โครงสร้างเหล็กให้ความยืดหยุ่นในการรับแรงได้มากกว่าโดยที่โครงสร้างยังคงสภาพเดิมไม่เสียหาย ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องรับแรงกระแทกสูง เช่น ในพื้นที่เสี่ยงแผ่นดินไหวหรือในโรงงานอุตสาหกรรม
• โครงสร้างเหล็กสำเร็จรูปช่วยลดเวลาการก่อสร้าง
• โครงสร้างเหล็กสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ทำให้เป็นทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
• โครงสร้างเหล็กมีค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำ ทำให้ช่วยประหยัดในระยะยาวได้
• โครงสร้างเหล็กสามารถปรับเปลี่ยนหรือขยายได้ง่าย
• โครงสร้างเหล็กที่ออกแบบมาอย่างถูกต้องสามารถทนไฟได้สูง

อย่างไรก็ตาม เหล็กโครงสร้างก็มีข้อเสียบางอย่าง แต่สามารถเอาแก้ไขได้ด้วยวิธีที่เหมาะสมในค่าใช้จ่ายที่เหมาะสม

• เหล็กมีความไวต่อการกัดกร่อน ดังนั้นเหล็กจำเป็นต้องได้รับการป้องกันด้วยวิธีที่เหมาะสมในแต่ละสภาพแวดล้อม ซึ่งอาจจะมีค่าใช้จ่ายในการป้องกันรักษา
• เหล็กเป็นตัวนำความร้อนที่ดี ทำให้เหล็กร้อนในสภาพอากาศที่มีอุณหภูมิสูง และเย็นในช่วงฤดูหนาว ทำให้อาจจะมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้น

4. คุณสมบัติของเหล็กรูปพรรณ

เหล็กเป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอน โดยมีคุณสมบัติเฉพาะที่สามารถปรับได้โดยการเพิ่มองค์ประกอบต่างๆ เช่น แมงกานีส กำมะถัน ทองแดง ฟอสฟอรัส โครเมียม และนิกเกิล ดังนั้นคุณสมบัติเหล็กรูปพรรณขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี

องค์ประกอบทางเคมีที่มีผลต่อเหล็กมีดังนี้:

• การเพิ่มปริมาณคาร์บอนและแมงกานีสจะเพิ่มความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรง แต่ลดความเหนียวและทำให้เชื่อมได้ยากขึ้น
• ถ้าปริมาณกำมะถันและฟอสฟอรัสเกินร้อยละที่กำหนด จะทำให้เกิดความเปราะ ส่งผลต่อความสามารถในการเชื่อมและความทนทานต่อการล้า
• ปริมาณโครเมียมและนิกเกิลช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กและปรับปรุงความทนทานต่ออุณหภูมิสูง
• ความต้านทานการกัดกร่อนสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการเพิ่มทองแดง

กระบวนการอบชุบและผสมโลหะ ถูกใช้ในการผลิตเหล็กเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่แตกต่างกัน โดยคุณสมบัติของเหล็กโครงสร้างมีดังนี้:

• ความต้านทานแรงดึง (Tensile strength): Stress-strain ของเหล็กมักจะได้มาจากการทดสอบแรงดึงของตัวอย่างเหล็กมาตรฐาน ความต้านทานแรงดึงสามารถกำหนดได้จากความแข็งแรงของ Yield strength และ Ultimate strength
• ความแข็ง (Hardness): ความแข็งถือว่าเป็นความทนทานต่อการบุ๋มและการขูดขีดของวัสดุ มีวิธีต่างๆ ในการวัดความแข็งของโลหะ เช่น การทดสอบความแข็งบริเนล(Brinell hardness testing) การทดสอบความแข็งวิคเกอร์ (Vickers hardness testing) และการทดสอบความแข็งรอกเวล (Rockwell hardness testing)
• ความทนทานของรอยบาก (Toughness of notches): คือความสามารถในการสร้างรอยแตกเล็กๆ ในวัสดุหรือวัสดุที่สามารถสร้างรอยแตกดังกล่าวได้เนื่องจากการรับน้ำหนักหลายครั้ง รอยแตกเหล่านี้อาจนำไปสู่การพังทลายอย่างฉับพลันและเป็นอันตรายอย่างมาก ดังนั้นเพื่อให้แน่ใจว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น ควรให้ความสำคัญกับวัสดุที่มีการขยายรอยแตกช้า เหล็กชนิดนี้เรียกว่าเหล็กความแข็งแรงสูง (High-strength steel) และปริมาณแรงที่มันดูดซับจะถูกวัดโดยการกระแทก จากจุดที่มีรอยบาก
• ความทนทานต่อการล้า (Fatigue strength): ส่วนหนึ่งของโครงสร้างที่ออกแบบให้ทนทานต่อการรับน้ำหนักคงที่ครั้งเดียวอาจล้มเหลวหากน้ำหนักนั้นทำหน้าที่เป็นวงจรซ้ำหลายครั้ง
• ความต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion resistance): การกัดกร่อนของโลหะเป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในที่ที่มีความชื้นสูงและใกล้น้ำเค็ม ดังนั้นจึงมีความพยายามในการควบคุมการกัดกร่อนโดยใช้เหล็กชุบสังกะสีและการเคลือบอีพ็อกซี่ แต่ก็อาจล้มเหลวในการใช้งานจริงเนื่องจากความเสี่ยงในการกระจายและการกัดกร่อนอย่างรวดเร็ว ดังนั้นองค์ประกอบที่จะช่วยป้องกันการกัดกร่อนเช่น ทองแดง ฟอสฟอรัส และโครเมียมที่เพิ่มเข้ามาอย่างเหมาะสมในโลหะจะสร้างเหล็กที่ต้านทานการกัดกร่อน
• เหล็กรีด (Rolled steel): เหมืองเหล็กผลิตชิ้นส่วนที่รีดเป็นรูปร่างและขนาดต่างๆ เช่น เหล็กคาน เสา เหล็กรางน้ำ เหล็กกล่อง เหล็กฉาก แผ่นเหล็ก เหล็กทรงกลม และชิ้นส่วนอาคารเหล็กสำเร็จรูปที่ผลิตในโรงงานเหล็กก่อนถูกส่งเข้มาติดตั้งที่หน้างาน

5. มาตรฐานโครงสร้างเหล็กในเวียดนาม

มาตรฐานของโครงสร้างเหล็กมีเพื่อกำหนดคุณภาพที่ใช้สำหรับการก่อสร้าง ตัวอย่างเช่น การก่อสร้างจะต้องตรงตามมาตรฐานของเวียดนาม ออสเตรเลีย สหรัฐอเมริกา สหราชอาณาจักร และยุโรป ปัจจุบันมาตรฐานของเหล็กโครงสร้างแบบ National standard คือ TCVN 5575: 2012

มีลักษณะดังนี้:

• มาจากประเทศรัสเซีย โดยมีรหัส SNIP II -23 – 81
• ตามมาตรฐานแห่งชาติที่กำหนดในข้อ 1 ของมาตรา 69 ในกฎหมายเรื่องมาตรฐานและระเบียบปฏิบัติทางเทคนิค และในจุดบี ข้อ 2 ของพระราชบัญญัติของรัฐบาลเลขที่ 127/2007/ND-CP ลงวันที่ 1 สิงหาคม 2007 เกี่ยวกับการระบุรายละเอียดในการดำเนินการของบทความหลายๆ ข้อของกฎหมายเรื่องมาตรฐานและระเบียบปฏิบัติทางเทคนิค
• เป็นไปได้สำหรับการออกแบบเหล็กโครงสร้างของโครงการก่อสร้างทางพลเรือนและอุตสาหกรรม แต่ไม่ใช้สำหรับการออกแบบโครงสร้างทางการคมนาคมและการเกษตร เช่น สะพาน, ถนน, ประตู, วาล์ว และท่อ ฯลฯ
• TCVN 5575: ในปี 2012 ใช้วิธีสถานะจำกัดพร้อมกับตัวคูณความปลอดภัยสำหรับการบรรทุก วัสดุ เงื่อนไขการทำงาน
• TCVN 5575: ในปี 2012 ให้ความสำคัญกับความแข็งแรงและไม่ยอมรับการเปลี่ยนรูปร่างของโครงสร้าง
• TCVN 5575: ในปี 2012 ใช้สูตร:
  • ความหนาแน่นที่คำนวณ = ความหนาแน่นมาตรฐาน/ตัวคูณความปลอดภัยของวัสดุ
  • การบรรทุกที่คำนวณ = การบรรทุกมาตรฐาน/ตัวหารปะสิทธิผล (ตัวคูณประสิทธิภาพในการบรรทุก)
  • หากเหล็กโครงสร้างมีการบรรทุกมากมาย ให้เพิ่มตัวลดการบรรทุกพร้อมกันของการบรรทุก

มาตรฐานสำหรับการก่อสร้างโครงสร้างเหล็กของ Pebsteel

ที่ Pebsteel มีมาตรฐานการก่อสร้างโครงสร้างเหล็กที่ปรับปรุงใหม่ล่าสุดตามมาตรฐานการออกแบบและก่อสร้าง

• มาตรฐานการเชื่อม – AWS
• มาตรฐานการรับน้ำหนัก – ASCE
• มาตรฐานการออกแบบเหล็กรีดเย็น – AISI
• มาตรฐานการออกแบบเหล็กโครงสร้าง – AISC

มาตรฐานเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญที่จะสร้างอาคารเหล็กที่คุณภาพสูงของ Pebsteel ที่มีมาตรฐานระดับสากล

6. การประยุกต์ใช้โครงสร้างเหล็ก

โครงสร้างเหล็ก เกิดจากการนำวัสดุที่แข็งแรงและหลากหลายเข้ามาประยุกต์ใช้ในหลายๆ รูปแบบ ทำให้โครงสร้างมีความแข็งแรง เบา และสะดวกต่อการใช้งาน ซึ่งเป็นที่นิยมสำหรับโครงการก่อสร้างหลายประเภท ส่วนนี้คือส่วนประกอบบางส่วนของโครงสร้างเหล็กที่ใช้กันทั่วไปได้แก่

• เหล็กบีม (Steel beams)
• เหล็กโครงสร้าง (Steel frame buildings)
• ราวเหล็ก (Steel railings)
• ประตูเหล็ก (Steel gates)
• บันได (Staircases)
• ตะแกรง (Lintel beams)
• ช่องหน้าแปลนขนาน (Parallel flange channels)
• แผ่นฟลิทช (Flitch plates)

โครงสร้างเหล็กถูกใช้ในหลายๆ รูปแบบ เช่น

• อาคาร: โครงสร้างเหล็กใช้ในการก่อสร้างโครงสร้างของอาคารทุกประเภท ตั้งแต่บ้านพักอาศัยขนาดเล็กจนถึงอาคารสูงขนาดใหญ่
• สะพาน: โครงสร้างเหล็กถือเป็นโครงสร้างหลักที่ใช้สร้างสะพานทุกขนาด ตั้งแต่สะพานเดินเท้าขนาดเล็กจนถึงสะพานหลายช่วงขนาดใหญ่
• โครงสร้างอื่นๆ: โครงสร้างเหล็กยังสามารถใช้กับงานอื่นๆได้ เช่น ถนน ทางรถไฟ และเสาไฟฟ้า
• โครงสร้างอุตสาหกรรม: โครงสร้างเหล็กนิยมใช้สร้างโครงสร้างในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น โรงงาน คลังสินค้า และโรงไฟฟ้า
• เรือและอื่นๆ: โครงสร้างเหล็กเป็นวัสดุหลักที่ถูกนำมาใช้สำหรับสร้างเรือและอื่นๆ เช่น เรือ เรือเล็ก และแท่นขุดเจาะน้ำมัน

7. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับโครงสร้างเหล็ก

• โครงสร้างเหล็กเรียกว่าอะไร?

โครงสร้างเหล็ก หรือที่เรียกว่า “โครงเหล็ก” หรือ “เหล็กโครงสร้าง” เป็นรูปแบบการก่อสร้างชนิดหนึ่งที่ใช้เหล็กมาทำการก่อสร้าง โดยถูกขึ้นรูปเป็นรูปร่างเฉพาะ

• โครงสร้างเหล็กมีประเภทใดบ้าง?

ประเภทหลักๆ ของโครงสร้างเหล็กมี 4 ประเภท ได้แก่ โครงสร้างอาคารพื้นฐาน, โครงพอร์ทัล (portal frames) , โครงถัก (truss structures) และโครงสร้างกริด (grid structures) แต่ละประเภทมีการใช้งานและข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันไปตามความต้องการในการก่อสร้าง

นี่คือข้อมูลบางส่วนเกี่ยวกับโครงสร้างเหล็กและเหล็กโครงสร้าง หากคุณมีคำถามเพิ่มเติม โปรดติดต่อเราที่อีเมล: [email protected] หรือโทรศัพท์: +66 2258 4639-41