แนวทางเลือกโครงสร้างสะพาน (แนะนำโดยกรมทางหลวง)

คัดลอกจาก http://www.geocities.com/pwdmaehongson/bridge/bridge2.htm

แนวทางเลือกโครงสร้างสะพาน (แนะนำโดยกรมทางหลวง) เป็นทางเลือกซึ่งมาจากประสบการณ์ออกแบบ (Experimental) ของกรมทางหลวง ซึ่งสามารถเลือกใช้ได้ ดังนี้ - Span ช่วง 5 – 10 เมตร มักใช้เป็น แบบพื้นท้องเรียบ (Slab Type)

- Span ช่วง 10 – 15 เมตร มักใช้เป็น แบบคอนกรีตเสริมเหล็กธรรมดา (Girder Type) - Span ช่วง 15 – 20 เมตร มักใช้เป็น แบบคอนกรีตอัดแรง (Box Girder Type) (ถ้าใช้คอนกรีตเสริมเหล็กจะทำให้โครงสร้างใหญ่ ไม่ประหยัด) - ถ้า Span ยาวมาก ๆ กล่าวคือ 40 – 60 เมตร ใช้แบบ Truss ในการออกแบบ นอกจากข้อมูลที่ได้แล้ว ยังมีความจำเป็นอย่างอื่นอีกดังนี้ - ความกว้างของรถ - จำนวนเลน - ความกว้างทางเท้า เช่น ย่านชุมชน กว้าง 1.00 – 1.50 เมตร ชนบท กว้าง 0.50 เมตรหรือไม่มี - เลือกขนาด และชนิดสะพาน น้ำหนักที่ใช้ในการออกแบบ (Loading Design) น้ำหนักบรรทุกใช้งานคงที่ (Dead Load) คือ น้ำหนักทั้งหมดของโครงสร้าง เช่น พื้น, คาน, ราว, ทางเท้า ฯลฯ น้ำหนักบรรทุกจร (Live Load) ประกอบด้วยน้ำหนักของรถที่วิ่งบนโครงสร้าง, คนเดินเท้า, น้ำหนักส่วนเพิ่ม (Surcharge) และอื่น ๆ น้ำหนักบรรทุกจรที่ใช้ออกแบบ แรงกระแทกของน้ำหนักบรรทุกจร (Impact Load) เกิดเนื่องจากรถวิ่งแรงตะกุยของล้อที่ทำให้เกิดหน่วยแรง (Stress) เกิดในสะพานในลักษณะ Dynamic Loading แรงลม (Wind Load) ลมอาจพัดปะทะสะพาน หรือรถวิ่ง เข้าสะพานถูกลมพัดทำให้เกิด Effect กับสะพาน (ตอม่อ) แรงหนีศูนย์ (Centrifugal Force) รถวิ่งเข้าทางโค้งจะเกิดแรงเหวี่ยง ทำให้เกิด Stress กับสะพาน แรงดันดิน (Earth Pressure) การคำนวณแรงดันดินใช้สูตรของ Rankine อย่างไรก็ตาม แรงดันที่กระทำต่อโครงสร้างต้อง ไม่น้อยกว่าแรงดันของเหลวที่มีมวลเท่ากับ 80 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ในกรณีที่มียวดยานแล่นใกล้ส่วนบนของโครงสร้าง ในระยะทางน้อยกว่าครึ่งหนึ่งของความสูงของโครงสร้างให้เพิ่ม Surcharge Load อีกไม่น้อยกว่าน้ำหนักดินถมสูง 0.60 เมตร แรงลอยตัว (Buoyancy Force) เป็นแรงที่น้ำยกตอม่อให้ลอย เมื่อได้แรงมาแล้ว จะนำไปจัดชั้นของแรง (Class of Loading) โดยจัดดังนี้ LL. Of Highway Loading 1. H – Loading 2. HS – Loading 3. Lane Loading การพิจารณาว่าเมื่อใดจะใช้ Load ชนิดใดมีแนวทางดังนี้ - H – Loading - HS – Loading - Lane Loading เป็นตัว Check เปรียบเทียบ เช่น - Primary Highway ซึ่งกำหนดรถหนัก 32 ตัน อาจใช้ HS – Loading เวลาออกแบบใช้ Lane Loading เปรียบเทียบกับ H, HS – Load ชนิดใดมากกว่า ใช้เป็นตัว Control 4. Side Walk Loading Span 0' - 25' ใช้ 85 lb/ft2 Span 26' - 100' ใช้ 60 lb/ft2 Span มากกว่า 100' ใช้ P = ( 30 + 3000/L) x (55 – W)/L 60 lb/ft2 เมื่อ P = Live load per ft2 (max. 60 lb/ ft2) L = Length of side walk (feet) W = Width of side walk (feet) 5. Curb Loading เป็น Lateral load ขนาด 500#/ft กระทำที่จุดยอดของ Curb (มาตรฐานกำหนดจุดยอด Curb ที่ 9” หรือประมาณ 23 เซนติเมตร) ถ้า Curb สูงเกิน 10” ให้กระทำที่ 10” 6. Railing Loading Railing Loading นี้ AASHTO มีการปรับปรุงอยู่เสมอ ดังนั้น Load จะเปลี่ยนแปลงเสมอ แต่หลักการคำนวณยังคงเดิม a) Traffic Railing ซึ่งออกแบบให้กันรถชนได้ b) Combination Railing c) Pedestrian Railing โดยที่ ทั้ง a, b, c P = 10,000 L = Spacing of Post W = 50#/ft 7. Impact load เกิดจากน้ำหนักบรรทุกจร ทำให้สั่นสะเทือนโดยล้อรถตะกุย จะให้เพิ่มหน่วยแรง (Stress) ในโครงสร้าง แบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือ โครงสร้าง กลุ่ม A : คิดแรงกระแทก แต่คิดไม่เกิน 30% 1. โครงสร้างส่วนบน (Super Structure) ได้แก่ คาน, พื้น, ราว, ทางเท้า ฯลฯ 2. โครงสร้างคอนกรีต โครงสร้างเหล็กที่ต่อเนื่องกับโครงสร้างส่วนบน (Super Structure) เสมือนเป็น Rigid Frame โครงสร้าง กลุ่ม B : ไม่คิดแรงกระแทก 1. ตอม่อตับริม กำแพงกันดิน เสาเข็ม 2. ฐานราก 3. โครงสร้างไม้ 4. ท่อระบายน้ำและโครงสร้างซึ่งมีดินคลุมมากกว่า 0.90 เมตร 5. น้ำหนักจรบนทางเท้า ตามมาตรฐาน AASHTO Art. 3.8 Impact Factor ; I = 15.24 [ 0.3 L + 38 โดยที่ L = ความยาวช่วงคานที่น้ำหนักบรรทุกจรให้โมเมนต์ดัดสูงสุด หน่วยเมตร 8. Wind Load 1. แรงลมที่กระทำบนโครงสร้างส่วนบน (Superstructures) AASHTO กำหนดให้ ออกแบบ ให้รับความเร็วลม 100 ไมล์ ต่อชั่วโมง สำหรับกรมทางหลวงกำหนดให้ ออกแบบ ให้รับความเร็วลม 200 Kg/m2 2. แรงลมที่กระทำบนน้ำหนักบรรทุกจร แรงลมตามแนวขวาง = 150 Kg/ m2 แรงลมตามแนวยาว = 60 Kg/ m2 9. Longitudinal Force แรงตามยาวเท่ากับ 5% ของน้ำหนักบรรทุกจรทั้งหมดในทุกช่องทางรถวิ่ง ในทิศทางเดียวกันน้ำหนักไม่รวม ใช้ตาม Standard Lane Loading สำหรับกรณีโมเมนต์ จุดศูนย์ถ่วงของแรงตามแนวยาวอยู่ที่ 1.80 เมตร เหนือผิวสะพาน (AASHTO Art. แรงกระแทก 3.9) แรงตามยาวเกิดขึ้นจากการที่รถวิ่ง แล้วมีแรงตะกุยของล้อเกิดขึ้นไปตามแนวยาว การหา Bending Moment on Slab ตาม ข้อกำหนด AASHTO ให้เสริมเหล็กใน 2 ทิศทาง 1. เสริมเหล็กตั้งฉากกับทิศทางการจราจร ; CASE 1 2. เสริมเหล็กขนานกับทิศทางการจราจร ; CASE 2 CASE 1 เหล็กเสริมหลักตั้งฉากกับทิศทางการจราจร LL. Moment for Simple Span สำหรับ HS-20 Loading = ((S+2)/2)P20 ft - pound/ft of width of slab เมื่อ P20 = 16000 # S = Span Length (feet) . LL. Moment for Simple Span สำหรับ HS-15 Loading = ((S+2)/32)P15 ft - pound/ft of width of slab เมื่อ P20 = 16000 # S = Span Length (feet) ASSHTO แนะนำในกรณีที่เป็น Continuous Span มากกว่า 3 Support ให้ใช้ continuty 0.8 (คำนวณ Moment จาก Simple Span แล้วคูณด้วย 0.8) CASE 2 เหล็กเสริมหลักขนานกับทิศทางการจราจร LL. Moment for Simple Span สำหรับ HS-20 Loading สำหรับ Span 0 ' - 50 ' = 900S ft-pound/ft of width of slab LL. Moment for Simple Span สำหรับ HS-20 Loading สำหรับ Span 50 ' - 100' = 1000(1.3S-20) ft-pound/ft of width of slab เมื่อ S = Span Length of Slab (feet) การหา Bending Moment on side walk on curb พิจารณา คานตัวริม( Edge Beam ) LLM. = 0.1 PS (จากล้อรถ) เมื่อ P = wheel Load = 16000 # สำหรับ HS-20 = 12000 # สำหรับ H-15 S = Span Length of Slab (feet) นอกจากนี้ยังต้องรวม LLM. ที่เกิดจาก คน, ราวสะพาน ฯลฯ การหา Distribution Reinforcement สำหรับ เหล็กเสริมหลักซึ่งขนานกับทิศทางจราจร Percentage = 1000/ S1/2 ; (max 50%) สำหรับ เหล็กเสริมหลักซึ่งตั้งฉากกับทิศทางจราจร Percentage = 220/ S1/2 ; (max 67%) เมื่อ S = Span Length of Slab (feet)