คอนกรีตเสริมเหล็ก จากกระถางธรรมดาสู่ตึกที่สูงที่สุดในโลก

มันเป็นวัสดุที่พบเห็นได้ทั่วไปและถูกใช้งานบ่อยมากจนวิศวกรส่วนใหญ่ไม่ได้คิดถึงมันอย่างลึกซึ้ง สำหรับพวกเราส่วนใหญ่ มันเป็นเพียงวัสดุที่ต้องตอบสนองพารามิเตอร์ที่กำหนดในรูปทรงต่างๆ แต่เมื่อทำงานกับมัน คุณเคยสงสัยไหมว่ามันมาจากประเทศใด? หรือประวัติศาสตร์ของวัสดุที่หากไม่มีมัน อาคารชื่อดังระดับโลกหลายแห่งคงไม่มีวันถูกสร้างขึ้นเลยนั้นเป็นอย่างไร?

สำหรับบทความนี้ ขอให้เราวางปัญหาวิศวกรรมที่ซับซ้อน การออกแบบและการประเมินโครงสร้าง การวิเคราะห์แรงกระทำ และการประยุกต์ใช้มาตรฐานไว้ก่อน มาเดินทางสั้นๆ ย้อนสู่ประวัติศาสตร์ด้วยกัน และดูว่าวัสดุนี้มาจากไหน มีต้นกำเนิดอย่างไร และพัฒนาการของมันนำไปสู่อาคารที่มีจุดประสงค์และน่าชื่นชมจำนวนมหาศาลได้อย่างไร

ตามชื่อที่บ่งบอก คอนกรีตเสริมเหล็กในยุคแรกประกอบด้วยองค์ประกอบสำคัญสองอย่าง ได้แก่ เหล็กและ Concrete ก่อนที่เราจะพูดถึงคอนกรีตเสริมเหล็กเอง ขอให้เราดูภาพรวมของ Concrete อย่างรวดเร็ว ซึ่งมนุษยชาติรู้จักมันมานานกว่า 2,000 ปีแล้ว

ชาวโรมัน (บางคนบอกว่าชาวอียิปต์) ได้ใช้ประโยชน์จาก Concrete มาแล้ว อาคารบางส่วนที่พวกเขาสร้างโดยใช้มันยังคงตั้งอยู่จนถึงทุกวันนี้ ตัวอย่างที่ดีเยี่ยมคือโดมโมโนลิธิกที่ใหญ่ที่สุดในโลกบนวิหารแพนธีออนในกรุงโรม (ภาพด้านล่าง) ซึ่งสร้างโดยใช้เทคโนโลยีคอนกรีตเทในที่ในศตวรรษที่สองหลังคริสตกาล นี่ไม่ใช่ตัวอย่างเดียวของการนำ Concrete มาใช้ในยุคแรก ยังมีโครงสร้างที่คล้ายกันอีกมากมายในโลก

จึงเป็นเรื่องน่าแปลกใจที่แนวคิดในการเสริม Concrete ด้วยองค์ประกอบเหล็กไม่ปรากฏขึ้นจนกระทั่งศตวรรษที่สิบเก้า ด้วยการพูดเกินจริงเล็กน้อย ช่วงเวลานี้สามารถเรียกได้ว่าเป็นยุคฟื้นฟูทางเทคนิค นอกจากคอนกรีตเสริมเหล็กแล้ว การใช้เหล็กกล้ายังได้ปฏิวัติการก่อสร้างอีกด้วย มันเริ่มปรากฏในวงกว้างในรูปแบบขององค์ประกอบรับแรงเพียงไม่นานก่อนที่คอนกรีตเสริมเหล็กจะปรากฏขึ้น

ในศตวรรษที่ 19^th ผู้บุกเบิกหลายคนได้ทดลองกับคอนกรีตเสริมเหล็ก ในบรรดาผู้บุกเบิกที่เก่าแก่และสำคัญที่สุดคือชาวอังกฤษ William Boutland Wilkinson ผู้ทดลองหาวิธีป้องกันไฟในการก่อสร้างอาคาร ในปี 1854 เขาใช้เหล็กเส้นและเชือกเพื่อเสริม Concrete ในการก่อสร้างบ้านสำหรับคนรับใช้ของเขา เขาได้จดสิทธิบัตรวิธีแก้ปัญหาที่พิสูจน์แล้วว่าประสบความสำเร็จ

ผู้บุกเบิกอีกคนคือนักอุตสาหกรรมชาวฝรั่งเศส François Coignet ผู้แรกที่สร้างอาคารสี่ชั้นที่ทำจากคอนกรีตเสริมเหล็กทั้งหมดในเมือง Saint-Denis ของฝรั่งเศสในปี 1853 เขายังได้จดสิทธิบัตรวิธีแก้ปัญหาของเขาในปี 1855 อีกด้วย

"บรรพบุรุษ" คนแรกของคอนกรีตเสริมเหล็กอย่างที่เรารู้จักในปัจจุบัน ซึ่งผสมผสานสิ่งที่ดีที่สุดของวัสดุทั้งสองอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวคือ กำลังรับแรงอัดของ Concrete ปกติกับกำลังรับแรงดึงของเหล็ก สามารถกล่าวได้ว่ามีต้นกำเนิดในปี 1867 ในเวลานั้น ชาวสวนชาวฝรั่งเศส Joseph Monier (ภาพด้านล่าง) กำลังมองหาสิ่งทดแทนกระถางดินเผาและไม้ เขาลองทำกระถาง Concrete แต่มันแตก จึงพยายามหาวิธีทำให้มันแข็งแรงพอ

เขาคิดแนวคิดในการใช้โครงสร้างเหล็กเรียบง่าย แล้วหุ้มด้วย Concrete ผลลัพธ์เกินความคาดหมายทั้งหมด และ Joseph Monier ได้จดสิทธิบัตรวิธีแก้ปัญหาของเขาเมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม 1867

เขายังได้นำสิ่งประดิษฐ์ของเขาไปจัดแสดงในงาน Paris Exposition ในปีนั้น ซึ่งวิธีแก้ปัญหาของเขาได้รับความสำเร็จอย่างมาก เดือนกรกฎาคมของปีนี้ (2022) สิทธิบัตรนี้ได้ฉลองครบรอบ 155^th ปี

คอนกรีตเสริมเหล็กต่อมาได้เติบโตอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมการก่อสร้างในโลกสมัยใหม่ มันแพร่กระจายไปยังสหรัฐอเมริกาก่อนสิ้นศตวรรษ

มันกลายเป็นวัสดุที่ถูกนำไปใช้ในอาคารทุกประเภทอย่างรวดเร็ว ตั้งแต่ถนน บ้านเรือน ไปจนถึงอาคารอนุสรณ์ในเขตเมืองใหญ่ที่สุดของโลก ควบคู่กับการขยายตัวนี้ ความต้องการด้านคุณสมบัติของมันก็เพิ่มขึ้นด้วย Concrete ในฐานะองค์ประกอบสำคัญ ได้ผ่านการพัฒนาอย่างปฏิวัติตลอดหลายปีที่ผ่านมา วิศวกรได้ทดลองกับส่วนผสมและการรับแรง มีการสร้างเกรดใหม่ๆ และความเป็นไปได้ในการใช้งานในสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้ขยายออกไป

ดังนั้น เช่นเดียวกับที่เทคโนโลยีการผลิต Concrete พัฒนาขึ้นและคุณสมบัติของมันดีขึ้น การพัฒนาเดียวกันก็เกิดขึ้นกับวิธีการคำนวณโครงสร้าง Concrete ด้วย

โครงสร้างแต่ละแห่งมีสิ่งที่เรียกว่าบริเวณ B และ D ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยแนวทางการออกแบบที่แตกต่างกัน

บริเวณ B คืออะไร?

บริเวณ B สามารถนิยามได้ว่าเป็นบริเวณที่สมมติฐาน Bernoulli-Navier ใช้ได้ ซึ่งสมมติว่าหน้าตัดที่เป็นระนาบก่อนการเสียรูปยังคงเป็นระนาบหลังการเสียรูป สำหรับบริเวณดังกล่าว สามารถใช้วิธีแก้ปัญหาและการตัดสินที่ระบุในมาตรฐานได้อย่างปลอดภัย IDEA StatiCa RCS และ IDEA StatiCa Beam นำเสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับบริเวณ B ที่ทฤษฎีคานใช้ได้

บริเวณ D คืออะไร?

บริเวณที่สมมติฐาน Bernoulli-Navier ไม่ใช้ได้เรียกว่าบริเวณไม่ต่อเนื่องหรือบริเวณบกพร่อง ได้แก่ บริเวณ D (บริเวณไม่ต่อเนื่อง) เหล่านี้คือบริเวณของการวางตำแหน่ง รอบๆ คานเดี่ยว บริเวณที่หน้าตัดเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหัน รู ฯลฯ ในการออกแบบโครงสร้าง Concrete เราพบบริเวณ D อื่นๆ อีกมากมาย เช่น ผนัง คานสะพาน console สั้น ฯลฯ

แม้จะมีการพัฒนาเครื่องมือคำนวณหลายอย่างในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา วิธีแบบจำลองค้ำยันและตัวดึงยังคงถูกใช้ในการคำนวณด้วยมือ อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้กับโครงสร้างในโลกจริงนั้นใช้เวลานาน เนื่องจากต้องทำการวนซ้ำหลายครั้ง และต้องพิจารณากรณีแรงกระทำหลายกรณีด้วย นอกจากนี้ วิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับการตรวจสอบเกณฑ์ความสามารถในการใช้งาน (การเสียรูป ความกว้างรอยแตก ...)

ความท้าทายเหล่านี้และความท้าทายที่คล้ายกันที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์โครงสร้าง Concrete ทำให้บริษัทต่างๆ ร่วมมือกับสถาบันการศึกษา IDEA StatiCa ดำเนินการตามแนวทางเดียวกัน และร่วมมือกับ ETH Zurich IDEA StatiCa ได้พัฒนาและทดสอบอย่างละเอียดซึ่งวิธีที่เรียกว่า วิธีสนามความเค้นที่สอดคล้อง (CSFM) สำหรับการออกแบบบริเวณไม่ต่อเนื่อง

วิธีนี้ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชัน IDEA StatiCa Concrete และอิงตามการนำแบบจำลองสนามความเค้นไปใช้ด้วยคอมพิวเตอร์ และใช้คุณสมบัติวัสดุพื้นฐานที่ระบุในมาตรฐานการออกแบบ Concrete วิธี CSFM เอาชนะข้อจำกัดของแนวทางแบบคลาสสิกและสามารถถือได้ว่าเป็นวิธีการเปรียบเทียบโครงถักแบบทั่วไป แต่พิจารณาบริเวณที่รับความเค้นจริงแทนที่จะเป็นแรงลัพธ์

Concrete และคอนกรีตเสริมเหล็กจึงกลายเป็นวัสดุที่การใช้งานมักต้องผ่านการวิเคราะห์ที่ซับซ้อน ผู้บุกเบิกยุคแรกที่ทดลองกับมันคงไม่เคยเดาได้ว่าพวกเขาวางรากฐานที่กว้างขวางเพียงใดสำหรับอุตสาหกรรม และการก่อสร้างโดยใช้คอนกรีตเสริมเหล็กจะพัฒนาไปไกลเพียงใด

อนาคตของคอนกรีตเสริมเหล็กคืออะไร? ตามที่ Prof. Kolísko ผู้อำนวยการ Klokner Institute ในกรุงปราก คอนกรีตเสริมเหล็กถูกใช้อย่างแพร่หลายและเป็นวัสดุที่ใช้งานง่ายมากจนเราไม่สามารถคาดหวังการแทนที่ในเร็วๆ นี้ได้ อย่างไรก็ตาม จะมีการปรับปรุงโครงสร้าง Concrete ที่เกี่ยวข้องกับการใช้ซีเมนต์อย่างประหยัดมากขึ้น ซึ่งเป็นผู้มีส่วนสำคัญต่อสิ่งที่เรียกว่าคาร์บอนฟุตพริ้นท์บ่อยขึ้น

อนาคตจะอยู่ที่ UHPC (คอนกรีตกำลังสูงพิเศษ) อย่างไม่ต้องสงสัย ซึ่งกำลังถูกทดลองและให้ผลลัพธ์ที่น่าหวังสำหรับการปรับปรุงโครงสร้าง Concrete อยู่แล้ว

เรายินดีที่แอปพลิเคชัน IDEA StatiCa ของเราและแอปพลิเคชันอื่นๆ จะเป็นส่วนหนึ่งของเรื่องราวนี้ เป็นเวลาหลายปีที่เราช่วยวิศวกรทั่วโลกในการออกแบบและปรับปรุงโครงสร้างเหล็กและ Concrete ประหยัดเวลาในการออกแบบและการตรวจสอบตามมาตรฐานของชิ้นส่วน Concrete ใดๆ

... คุณรู้ไหมว่าเรือบรรทุกสินค้าก็ถูกออกแบบจากคอนกรีตเสริมเหล็กด้วย? แต่เรื่องราวเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนั้นในครั้งหน้า