กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 7 นาที

มัด

โครงสร้างแบบโครงถักคือการประกอบชิ้นส่วนต่างๆเช่นคานที่เชื่อมต่อกันด้วยจุดเชื่อมต่อซึ่งสร้างโครงสร้างที่แข็งแรง

มัด

สะพานโครงถักสำหรับทางรถไฟรางเดี่ยว ดัดแปลงเพื่อใช้เป็นทางเดินเท้าและรองรับท่อส่ง ในตัวอย่างนี้ โครงถักคือกลุ่มของชิ้นส่วนรูปสามเหลี่ยมที่รองรับสะพาน
รายละเอียดทั่วไปของโครงเหล็ก ซึ่งถือเป็นข้อต่อแบบหมุนได้
รายละเอียดทางประวัติศาสตร์ของโครงเหล็กที่มีข้อต่อหมุนได้จริง

โครงสร้างแบบโครงถักคือการประกอบชิ้นส่วนต่างๆเช่นคานที่เชื่อมต่อกันด้วยจุดเชื่อมต่อซึ่งสร้างโครงสร้างที่แข็งแรง[ 1 ]

ในทางวิศวกรรม โครงถักคือโครงสร้างที่ "ประกอบด้วยชิ้นส่วนรับแรงสองจุดเท่านั้น โดยที่ชิ้นส่วนต่างๆ ถูกจัดเรียงเพื่อให้โครงสร้างโดยรวมมีพฤติกรรมเหมือนวัตถุชิ้นเดียว" [ 2 ] ชิ้นส่วนรับแรงสองจุด คือส่วนประกอบโครงสร้างที่แรงกระทำต่อจุดเพียงสองจุดเท่านั้น แม้ว่าคำจำกัดความที่เข้มงวดนี้จะอนุญาตให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างใดก็ได้ที่เชื่อมต่อกันในรูปแบบที่มั่นคง แต่โครงถักทางสถาปัตยกรรมโดยทั่วไปจะประกอบด้วยหน่วยสามเหลี่ยมห้าหน่วยขึ้นไปที่ สร้างขึ้นด้วยชิ้นส่วนตรงซึ่งปลายเชื่อมต่อกันที่ข้อต่อที่เรียกว่าโหนด

ในบริบททั่วไปนี้ แรงภายนอกและปฏิกิริยาต่อแรงเหล่านั้นจะถือว่ากระทำเฉพาะที่จุดต่อและส่งผลให้เกิดแรงในชิ้นส่วนซึ่งเป็นแรงดึงหรือแรงอัดสำหรับชิ้นส่วนตรง โมเมนต์ ( แรงบิด ) จะถูกยกเว้นอย่างชัดเจน เนื่องจาก (และเฉพาะในกรณีที่) ข้อต่อทั้งหมดในโครงสร้างแบบโครงถักถือเป็นข้อต่อแบบหมุนซึ่งจำเป็นสำหรับข้อต่อที่จะเป็นชิ้นส่วนรับแรงสองแรง

โครงสร้างแบบระนาบคือโครงสร้างที่สมาชิกและจุดเชื่อมต่อทั้งหมดอยู่ภายในระนาบสองมิติ ในขณะที่โครงสร้างแบบ สามมิติ จะมีสมาชิกและจุดเชื่อมต่อที่ขยายออกไปในสามมิติคานด้านบนในโครงสร้างแบบระนาบเรียกว่าคอร์ดบนและโดยทั่วไปจะอยู่ในสภาวะรับแรงอัดและคานด้านล่างเรียกว่าคอร์ดล่างและโดยทั่วไปจะอยู่ใน สภาวะรับ แรงดึงคานภายในเรียกว่าเว็บและพื้นที่ภายในเว็บเรียกว่าแผง[ 3 ] หรือจากสถิตศาสตร์กราฟิก (ดูแผนภาพเครโมนา ) รูปหลายเหลี่ยม[ 4 ]

นิรุกติศาสตร์

คำว่า Trussมาจากคำภาษาฝรั่งเศสโบราณtrousseซึ่งใช้กันราวปี ค.ศ. 1200 ซึ่งหมายถึง "กลุ่มของสิ่งของที่ผูกติดกัน" [ 5 ] [ 6 ]คำว่าTrussมักถูกใช้เพื่ออธิบายการประกอบชิ้นส่วนต่างๆ เช่นโครงค้ำยัน[ 7 ] [ 8 ]หรือคานหลังคาคู่หนึ่ง[ 9 ] [ 10 ]

ลักษณะเฉพาะ

เรืออียิปต์โบราณที่มีโครงสร้างเชือกแบบคานรับน้ำหนัก ซึ่งเป็นการใช้คานรับน้ำหนักที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ทราบ คานรับน้ำหนักแบบนี้เพิ่งเริ่มใช้กันอย่างแพร่หลายในยุคโรมัน

โครงสร้างแบบโครงถักโดยทั่วไป (แต่ไม่จำเป็นเสมอไป) จะประกอบด้วยชิ้นส่วนตรงที่เชื่อมต่อกันที่จุดต่อ ซึ่งตามธรรมเนียมเรียกว่าจุดแผง โครงถักโดยทั่วไป (แต่ไม่จำเป็นเสมอไป[ 11 ] ) จะประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมเนื่องจากความเสถียรทางโครงสร้างของรูปทรงและการออกแบบนั้น รูปสามเหลี่ยมเป็นรูปทรงเรขาคณิตที่ง่ายที่สุดที่จะไม่เปลี่ยนรูปทรงเมื่อความยาวของด้านคงที่[ 12 ]ในทางเปรียบเทียบ ทั้งมุมและความยาวของรูปสี่เหลี่ยมจะต้องคงที่เพื่อให้คงรูปทรงไว้ได้

โครงสร้างคานเรียบง่าย

โครงหลังคาแบบระนาบ
โครงหลังคาของมหาวิหารซานตาโครเชในเมืองฟลอเรนซ์

โครงสร้างโครงถักที่ง่ายที่สุดคือรูปสามเหลี่ยมเพียงรูปเดียว โครงสร้างโครงถักประเภทนี้พบได้ในโครงหลังคาที่ประกอบด้วยคานหลังคาและคานเพดาน[ 13 ]และในโครงสร้างเชิงกลอื่นๆ เช่นจักรยานและเครื่องบิน เนื่องจากความเสถียรของรูปทรงนี้และวิธีการวิเคราะห์ที่ใช้ในการคำนวณแรงภายใน โครงสร้างโครงถักที่ประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมทั้งหมดจึงเรียกว่าโครงถักแบบง่าย[ 14 ]อย่างไรก็ตาม โครงถักแบบง่ายมักถูกกำหนดอย่างเข้มงวดมากขึ้นโดยกำหนดให้สามารถสร้างได้โดยการเพิ่มชิ้นส่วนเป็นคู่ๆ อย่างต่อเนื่อง โดยแต่ละคู่เชื่อมต่อกับข้อต่อที่มีอยู่สองข้อและเชื่อมต่อกันเองเพื่อสร้างข้อต่อใหม่ และคำจำกัดความนี้ไม่จำเป็นต้องให้โครงถักแบบง่ายประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมเท่านั้น[ 11 ]โครงจักรยานรูปทรงเพชรแบบดั้งเดิมซึ่งใช้รูปสามเหลี่ยมสองรูปที่เชื่อมต่อกันเป็นตัวอย่างของโครงถักแบบง่าย[ 15 ]

โครงสร้างระนาบ

โครงหลังคา

โครงสร้างระนาบวางอยู่ในระนาบเดียว[ 14 ]โดยทั่วไปโครงสร้างระนาบจะใช้ขนานกันเพื่อสร้างหลังคาและสะพาน[ 16 ]

ความลึกของโครงถัก หรือความสูงระหว่างคอร์ดบนและคอร์ดล่าง เป็นสิ่งที่ทำให้โครงถักมีประสิทธิภาพ คานหรือโครงสร้าง แบบ ทึบที่มีความแข็งแรงเท่ากันจะมีน้ำหนักและต้นทุนวัสดุที่สูงกว่าโครงถักมาก สำหรับช่วงความยาว ที่กำหนด โครงถักที่ลึกกว่าจะต้องการวัสดุในคอร์ดน้อยลง และใช้วัสดุในแนวตั้งและแนวทแยงมากขึ้น ความลึกที่เหมาะสมของโครงถักจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด[ 17 ]

โครงสร้างเฟรมอวกาศ

โครงสร้าง โครงถัก สามมิติเป็นโครงสร้างสามมิติที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่ยึดไว้ที่ปลาย รูปทรง ทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่าเป็นโครงสร้างโครงถักสามมิติที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยชิ้นส่วนหกชิ้นที่มาบรรจบกันที่ข้อต่อสี่จุด[ 14 ]โครงสร้างระนาบขนาดใหญ่อาจประกอบขึ้นจากทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่าที่มีขอบร่วมกัน และยังใช้ในโครงสร้างฐานของเสาไฟฟ้าแรงสูงแบบตั้งอิสระขนาดใหญ่ด้วย

ประเภท

สำหรับประเภทโครงสร้างคานเพิ่มเติม โปรดดูที่ประเภทโครงสร้างคาน
โครงสร้างคาน ไม้ขนาดใหญ่แบบ Howe Trussในอาคารพาณิชย์

โครงสร้างคานมีสองประเภทพื้นฐาน:

  • โครงสร้างหลังคาแบบสามเหลี่ยม หรือโครงสร้างหลังคาแบบธรรมดา มีลักษณะเด่นคือรูปทรงสามเหลี่ยม นิยมใช้ในการก่อสร้างหลังคาเป็นส่วนใหญ่ โครงสร้างหลังคาแบบธรรมดาบางชนิดตั้งชื่อตามลักษณะของคานรับน้ำหนัก โดย ขนาดของคานและลักษณะของคานรับน้ำหนักจะถูกกำหนดโดยช่วงความยาว น้ำหนักบรรทุก และระยะห่างระหว่างคาน
  • โครงสร้างคานขนาน หรือโครงสร้างคานแบน ได้ชื่อมาจากคานบนและคานล่างที่ขนานกัน มักใช้ในการก่อสร้างพื้น

การผสมผสานระหว่างสองอย่างนี้เรียกว่าโครงสร้างคานตัด ซึ่งใช้ใน การก่อสร้างหลังคา ทรงปั้นหยาโครงสร้างคานไม้ที่เชื่อมต่อด้วยแผ่นโลหะ คือโครงสร้างคานหลังคาหรือคานพื้นที่มีชิ้นส่วนไม้เชื่อมต่อกันด้วยแผ่นโลหะ

โครงสร้างวอร์เรน

ชิ้นส่วนโครงสร้างแบบโครงถักประกอบกันเป็นรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าสลับกันขึ้นลง

โครงสร้างแปดเหลี่ยม

ชิ้นส่วนโครงสร้างแบบโครงถักประกอบขึ้นจากรูปสามเหลี่ยมด้านเท่าที่เท่ากันทั้งหมด องค์ประกอบขั้นต่ำคือรูปทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่าปกติสองรูปและรูปทรงแปดเหลี่ยมหนึ่งรูป ชิ้นส่วนเหล่านี้จะเติมเต็มพื้นที่สามมิติในรูปแบบต่างๆ

โครงสร้างแพรตต์

สะพานรถไฟเซาเทิร์นแปซิฟิก เทมเป้ ซอลท์ ริเวอร์

โครงสร้างแพรตต์โครงสร้างPrattได้รับการจดสิทธิบัตรในปี พ.ศ. 2387 โดยวิศวกรทางรถไฟชาวบอสตัน สองคน [ 18 ] คือ Caleb Pratt และThomas Willis Prattบุตร ชายของเขา [ 19 ] การออกแบบนี้ใช้ชิ้นส่วนแนวตั้งสำหรับรับแรงอัดและชิ้นส่วนแนวทแยงเพื่อรับแรงดึงโครงสร้าง Pratt ยังคงได้รับความนิยมอย่างต่อเนื่องเมื่อนักออกแบบสะพานเปลี่ยนจากไม้เป็นเหล็ก และจากเหล็กเป็นเหล็กกล้า[ 20 ] ความนิยมอย่างต่อเนื่องของโครงสร้าง Pratt อาจเป็นเพราะการจัดเรียงชิ้นส่วนทำให้ชิ้นส่วนแนวทแยงที่ยาวกว่าจะรับแรงดึงเฉพาะจากผลกระทบของแรงโน้มถ่วงเท่านั้น ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เนื่องจากผลกระทบของความเรียวที่เกี่ยวข้องกับการโก่งงอภายใต้แรงอัด (ซึ่งเพิ่มขึ้นตามความยาวของชิ้นส่วน) โดยทั่วไปจะไม่ควบคุมการออกแบบ ดังนั้น สำหรับโครงสร้างระนาบที่มีความลึกคงที่ การจัดเรียงแบบ Pratt มักจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดภายใต้การรับน้ำหนักแนวตั้งแบบคงที่

สะพานรถไฟ Southern Pacificในเมืองเทมพีรัฐแอริโซนาเป็น สะพานโครงถัก ยาว 393 เมตร (1,289 ฟุต)สร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2455 [ 21 ] [ 22 ] โครงสร้างนี้ยังคงใช้งานได้จนถึงปัจจุบัน ประกอบด้วยช่วงโครงถัก Pratt จำนวน 9 ช่วงที่มีความยาวแตกต่างกัน 

เครื่องบินWright Flyerใช้โครงสร้าง Pratt truss ในการสร้างปีก เนื่องจากการลดความยาวของชิ้นส่วนรับแรงอัดทำให้มีแรงต้านอากาศพลศาสตร์ต่ำ ลง [ 23 ]

โครงสร้างตาข่ายของเมือง

โครงสร้างตาข่าย
โครงสร้าง ตาข่าย

สถาปนิกชาวอเมริกันอิเธียล ทาวน์ออกแบบโครงสร้างคานไม้แบบทาวน์ (Town's Lattice Truss) เพื่อเป็นทางเลือกแทนสะพานไม้ ขนาดใหญ่ การออกแบบของเขา ซึ่งได้รับการจดสิทธิบัตรในปี 1820 และ 1835 ใช้แผ่นไม้ที่จัดการได้ง่าย จัดเรียงในแนวทแยงโดยมีช่องว่างสั้นๆ ระหว่างแผ่นไม้ เพื่อสร้างเป็นโครงสร้างคานไม้

โครงสร้างคานโค้ง

โครงสร้างแบบคานโค้ง (bowstring truss) ถูกนำมาใช้ในสะพานโลหะที่เก่าแก่ที่สุดในรัฐเวอร์จิเนีย

โครงสร้างแบบคานโค้ง (bowstring trusses) ได้ชื่อมาจากรูปทรงของมัน โดยเริ่มแรกนำมาใช้กับสะพานโครงถัก โค้ง ซึ่งมักสับสนกับสะพานโครงถักแบบผูกยึด (tied-arch bridges )

โครงสร้างคานโค้ง (bowstring trusse) นับพันชิ้นถูกนำมาใช้ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเพื่อรองรับหลังคาโค้งของโรงเก็บเครื่องบินและอาคารทางทหารอื่นๆ มีการจัดเรียงชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อจุดต่อของส่วนโค้งด้านบนกับจุดต่อของชิ้นส่วนตรงด้านล่างหลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่รูปสามเหลี่ยมหน้าจั่วเกือบสมบูรณ์ไปจนถึงโครงสร้างคานแบบแพรตต์ (Pratt trusse) รูปแบบต่างๆ

โครงหลังคาแบบเสาคิงและควีน

โครงสร้างคานหลัก
 โครงสร้างคาน หลัก

โครงสร้างแบบเสาหลัก (King Post) เป็นหนึ่งในรูปแบบโครงสร้างที่ง่ายที่สุดในการนำไปใช้ โดยประกอบด้วยเสาค้ำสองต้นที่ทำมุมเอียงเข้าหาเสาค้ำแนวตั้งร่วมกัน

โครงสร้างคานควีนโพสต์
โครงสร้าง คานควีน โพ สต์

โครงสร้างคานหลัก (queen post truss) บางครั้ง เรียกว่า queenpostหรือqueenspostคล้ายกับโครงสร้างคานรอง (king post truss) ตรงที่ส่วนรองรับด้านนอกจะเอียงเข้าหาจุดศูนย์กลางของโครงสร้าง ความแตกต่างหลักคือส่วนขยายแนวนอนที่จุดศูนย์กลางซึ่งอาศัย การทำงาน ของคานเพื่อให้เกิดเสถียรภาพทางกล โครงสร้างแบบนี้เหมาะสำหรับช่วงความยาวที่ค่อนข้างสั้นเท่านั้น[ 24 ]

โครงสร้างคานหลักบนรถไฟ
การประยุกต์ใช้โครงสร้างคานหลัก (queen post truss) ซึ่งครั้งหนึ่งเคยใช้กันทั่วไปในรถไฟขนส่งสินค้าและรถไฟโดยสาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งรถไฟที่มีตัวถังไม้ เป็นการกลับด้านของการออกแบบที่ใช้กับสะพาน เดิมทีโครงสร้างคานหลักนี้ถูกนำมาใช้กับรถไฟที่มีโครงไม้ (และกับรถไฟโครงเหล็กยุคแรกๆ บางคันที่มีคานกลางตื้น) เพื่อเพิ่มความแข็งแรงต้านทานการโก่งตัวในแนวดิ่ง ทำให้รถไฟมีความแข็งแรงและ/หรือน้ำหนักเบากว่าทางเลือกอื่นๆ ที่มีอยู่ในขณะนั้น การออกแบบนี้ถูกแทนที่เมื่อมีเหล็กที่แข็งแรงกว่าและราคาถูกกว่าออกมาใช้ และมีการใช้คานกลางเหล็กแทน[ 25 ]
รถ โดยสารของ ทางรถไฟเซาท์ออสเตรเลียที่สร้างขึ้นในปี 1918 โดยใช้โครงสร้างแบบควีนโพสต์ทรัสส์ ควีนโพสต์คือส่วนประกอบแนวตั้งสองชิ้น ส่วนท่อแนวนอนสั้นๆ ตรงกลางของคานทรัสคือตัวปรับความตึง ซึ่งสามารถปรับได้โดยการหมุนเพื่อให้ได้การรองรับโครงรถตามที่ต้องการ

โครงสร้างเลนส์นูน

สะพานวอเตอร์วิลล์ในอุทยานแห่งรัฐสวาตารา รัฐ เพนซิล เวเนีย เป็นสะพานโครงสร้างแบบเลนส์นูน

โครงสร้างสะพาน แบบเลนส์นูน (Lenticular trusses) ซึ่งจดสิทธิบัตรในปี 1878 โดยวิลเลียม ดักลาส (แม้ว่าสะพานกอนเลสในปี 1823 จะเป็นสะพานประเภทนี้แห่งแรก) มีคานบนและล่างโค้งงอเป็นรูปทรงเลนส์ สะพานแบบเลนส์นูนขนาดเล็ก (Lenticular pony truss bridge) คือการออกแบบสะพานที่ใช้โครงสร้างเลนส์นูนยื่นออกไปเหนือและใต้พื้นถนน

โครงสร้างเวียเรนเดล

สะพานเวียเรนเดลซึ่งไม่มีองค์ประกอบแนวทแยงในโครงสร้างหลัก

สมาชิกของโครงสร้าง Vierendeel ไม่ได้เป็นรูปสามเหลี่ยม แต่สร้างเป็นช่องเปิดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า โครงสร้างนี้มีเฟรมที่มีข้อต่อคงที่ซึ่งสามารถถ่ายโอนและต้านทานโมเมนต์ดัดได้ ดังนั้นจึงไม่ตรงกับคำจำกัดความของโครงถัก เนื่องจากมีสมาชิกที่ไม่ใช่แรงสองแรง: โครงถักปกติประกอบด้วยสมาชิกที่โดยทั่วไปถือว่ามีข้อต่อแบบหมุด ซึ่งหมายความว่าไม่มีโมเมนต์เกิดขึ้นที่ปลายข้อต่อ โครงสร้างแบบนี้ตั้งชื่อตามวิศวกรชาวเบลเยียมArthur Vierendeel [ 26 ]ผู้พัฒนาการออกแบบในปี 1896 ไม่ค่อยได้ใช้สำหรับสะพานเนื่องจากมีต้นทุนสูงกว่าโครงถักรูปสามเหลี่ยม แต่ในอาคารมีข้อดีคือส่วนใหญ่ของเปลือกนอกยังคงไม่ถูกกีดขวาง และสามารถใช้สำหรับ ช่องเปิด หน้าต่างและประตูได้ ในบางการใช้งาน สิ่งนี้ดีกว่าระบบเฟรมค้ำยัน ซึ่งจะทำให้บางพื้นที่ถูกกีดขวางโดยค้ำยันแนวทแยง

สถิตศาสตร์

นักบินอวกาศ อเล็กซานเดอร์ เซเรโบรฟประกอบโครงสร้างโครงถักแบบบูรณาการ " ราปานา " ที่สถานีอวกาศมีร์เมื่อวันที่ 16 กันยายน 1993

โครงสร้างคานที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกันด้วยข้อต่อแบบหมุด และได้รับการรองรับที่ปลายทั้งสองข้างด้วยข้อต่อแบบบานพับและลูกกลิ้ง เรียกว่า โครงสร้างที่กำหนดได้โดยสถิตศาสตร์กฎของนิวตันใช้ได้กับโครงสร้างโดยรวม เช่นเดียวกับแต่ละจุดหรือข้อต่อ เพื่อให้จุดใดๆ ที่อาจรับแรงหรือน้ำหนักภายนอกยังคงอยู่นิ่งในอวกาศ เงื่อนไขต่อไปนี้ต้องเป็นจริง: ผลรวมของแรงทั้งหมด (ทั้งแนวนอนและแนวตั้ง) รวมถึงโมเมนต์ทั้งหมดที่กระทำรอบจุดนั้น ต้องเท่ากับศูนย์ การวิเคราะห์เงื่อนไขเหล่านี้ที่แต่ละจุดจะให้ขนาดของแรงอัดหรือแรงดึง

โครงสร้างคานที่รับน้ำหนักมากกว่าสองตำแหน่งเรียกว่าโครงสร้างที่ไม่สามารถหาค่าได้โดยวิธีสถิตศาสตร์และการใช้กฎของนิวตันเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะหาแรงในชิ้นส่วนต่างๆ ได้

เพื่อให้โครงสร้างคานที่มีชิ้นส่วนเชื่อมต่อแบบหมุดมีความเสถียร ไม่จำเป็นต้องประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมทั้งหมด[ 11 ]ในทางคณิตศาสตร์ เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับความเสถียรของโครงสร้างคานแบบง่ายมีอยู่ดังต่อไปนี้:

2เจ(เอ){\displaystyle m\geq 2j-r\qquad \qquad \mathrm {(a)} }

โดยที่mคือจำนวนชิ้นส่วนโครงสร้างทั้งหมดjคือจำนวนข้อต่อทั้งหมด และrคือจำนวนแรงปฏิกิริยา (โดยทั่วไปเท่ากับ 3) ในโครงสร้าง 2 มิติ

เมื่อไร=2เจ3{\displaystyle m=2j-3}กล่าวได้ว่าโครงสร้างคานสามารถกำหนดได้ทางสถิตเนื่องจากแรงภายในของชิ้นส่วนm + 3 และปฏิกิริยาที่จุดรองรับสามารถกำหนดได้อย่างสมบูรณ์โดยสม การสมดุล 2 j เมื่อทราบ ภาระภายนอกและรูปทรงเรขาคณิตของคานแล้ว เมื่อกำหนดจำนวนข้อต่อที่แน่นอน จำนวนนี้คือจำนวนชิ้นส่วนขั้นต่ำ ในแง่ที่ว่าหากชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งถูกถอดออก (หรือเสียหาย) คานทั้งหมดก็จะเสียหายไปด้วย แม้ว่าความสัมพันธ์ (a) จะมีความจำเป็น แต่ก็ไม่เพียงพอต่อเสถียรภาพ ซึ่งขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของคาน สภาพการรองรับ และความสามารถในการรับน้ำหนักของชิ้นส่วนด้วย

โครงสร้างบางประเภทสร้างขึ้นโดยใช้ชิ้นส่วนโครงถักมากกว่าจำนวนขั้นต่ำนี้ โครงสร้างเหล่านั้นอาจยังคงใช้งานได้แม้ว่าชิ้นส่วนบางส่วนจะเสียหาย แรงที่กระทำต่อชิ้นส่วนเหล่านั้นขึ้นอยู่กับความแข็งแกร่งสัมพัทธ์ของชิ้นส่วนต่างๆ นอกเหนือจากเงื่อนไขสมดุลที่ได้อธิบายไว้แล้ว

การวิเคราะห์

แผนภาพเครโมนาสำหรับโครงสร้างระนาบ

เนื่องจากแรงในคานหลักทั้งสองของโครงสร้างนั้นมีลักษณะเป็นระนาบ จึงมักจำลองโครงสร้างโครงถักเป็นโครงระนาบสองมิติ อย่างไรก็ตาม หากมีแรงนอกระนาบที่สำคัญ โครงสร้างนั้นจะต้องถูกจำลองเป็นพื้นที่สามมิติ

การวิเคราะห์โครงสร้างคานมักจะตั้งสมมติฐานว่าแรงกระทำจะอยู่ที่จุดต่อเท่านั้น ไม่ใช่จุดกึ่งกลางตามแนวยาวของชิ้นส่วน น้ำหนักของชิ้นส่วนมักมีน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงกระทำ จึงมักถูกละเลย หรืออาจจะแบ่งน้ำหนักครึ่งหนึ่งของแต่ละชิ้นส่วนไปไว้ที่จุดต่อปลายทั้งสองข้างก็ได้ หากชิ้นส่วนนั้นยาวและเรียวแรงดัดที่ส่งผ่านจุดต่อจะมีค่าน้อยมาก และสามารถพิจารณาจุดต่อเหล่านั้นเป็นเหมือน " บานพับ " หรือ "จุดต่อแบบหมุด" ได้

ภายใต้สมมติฐานที่เรียบง่ายเหล่านี้ ชิ้นส่วนทุกชิ้นของโครงสร้างจึงอยู่ภายใต้แรงอัดหรือแรงดึงอย่างเดียวเท่านั้นแรงเฉือนโมเมนต์ดัด และ ความเค้นที่ซับซ้อนอื่นๆ แทบจะเป็นศูนย์ โครงสร้างแบบโครงถักมีความแข็งแรงกว่าวิธี การจัดเรียงองค์ประกอบโครงสร้างแบบอื่นๆ เนื่องจากวัสดุเกือบทุกชนิดสามารถรับแรงดึงหรือแรงอัดได้มากกว่าแรงเฉือน แรงดัด แรงบิดหรือแรงชนิดอื่นๆ มาก

การลดความซับซ้อนเหล่านี้ทำให้การวิเคราะห์โครงถักง่ายขึ้นการวิเคราะห์โครงสร้างของโครงถักทุกประเภทสามารถทำได้อย่างง่ายดายโดยใช้วิธีเมทริกซ์ เช่นวิธีความแข็งโดยตรงวิธีความยืดหยุ่นหรือวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์

แรงในสมาชิก

ภาพประกอบแสดงโครงสร้างคานแบนแบบง่ายๆที่สามารถหาค่าได้โดยวิธีสถิตศาสตร์มีจุดต่อ 9 จุด และจำนวนชิ้นส่วน (2 x 9) − 3 = 15 ชิ้น แรงภายนอกจะกระจุกตัวอยู่ที่จุดต่อด้านนอก เนื่องจากเป็น โครงสร้างคาน สมมาตรที่มีแรงในแนวดิ่งสมมาตร แรงปฏิกิริยาที่จุด A และ B จึงมีทิศทางในแนวดิ่ง เท่ากัน และมีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของแรงทั้งหมด

แรงภายในในชิ้นส่วนของโครงสร้างสามารถคำนวณได้หลายวิธี รวมถึงวิธีทางกราฟิก:

การออกแบบสมาชิก

โครงสร้างแบบโครงถัก (truss) อาจเปรียบได้กับคานที่ส่วนกลาง (web) ประกอบด้วยชิ้นส่วนแยกกันหลายชิ้นแทนที่จะเป็นแผ่นเดียวต่อเนื่องกัน ในโครงถัก ชิ้นส่วนแนวนอนด้านล่าง ( คอร์ดล่าง ) และชิ้นส่วนแนวนอนด้านบน ( คอร์ดบน ) จะรับแรงดึงและแรงอัดทำหน้าที่เช่นเดียวกับปีกของคานรูปตัว Iคอร์ดใดรับแรงดึงและคอร์ดใดรับแรงอัดนั้นขึ้นอยู่กับทิศทางการดัด โดยรวม ในโครงถักที่แสดงในภาพด้านขวาบน คอร์ดล่างรับแรงดึง และคอร์ดบนรับแรงอัด

ชิ้นส่วนแนวทแยงและแนวตั้งประกอบกันเป็นโครงสร้างรับแรงเฉือนและรับแรงเฉือนไปพร้อมกัน นอกจากนี้ ชิ้นส่วนแต่ละชิ้นยังรับแรงดึงและแรงอัดด้วย การจัดเรียงแรงที่แน่นอนขึ้นอยู่กับชนิดของโครงสร้างและทิศทางการดัดงอ ในโครงสร้างที่แสดงอยู่ด้านขวาบน ชิ้นส่วนแนวตั้งรับแรงดึง และชิ้นส่วนแนวทแยงรับแรงอัด

โครงสร้างคานสำเร็จรูปช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับอาคารที่กำลังก่อสร้างในเซี่ยงไฮ้และจะเป็นที่ตั้งของชั้นสำหรับงานระบบเครื่องกล

นอกจากจะรับแรงคงที่แล้ว ชิ้นส่วนเหล่านี้ยังทำหน้าที่เสริมความมั่นคงให้กันและกัน ป้องกันการโก่งงอในภาพด้านข้าง คานบนสุดถูกป้องกันไม่ให้โก่งงอด้วยการเสริมแรงและด้วยความแข็งแรงของชิ้นส่วนตรงกลาง

การเลือกองค์ประกอบต่างๆ ที่แสดงไว้นั้น ส่วนใหญ่เป็นการตัดสินใจทางวิศวกรรมโดยพิจารณาจากหลักเศรษฐศาสตร์ ซึ่งเป็นการสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนของวัตถุดิบ การผลิตนอกสถานที่ การขนส่งชิ้นส่วน การติดตั้งในสถานที่ ความพร้อมของเครื่องจักร และต้นทุนแรงงาน ในบางกรณี รูปลักษณ์ของโครงสร้างอาจมีความสำคัญมากกว่า และส่งผลต่อการตัดสินใจด้านการออกแบบมากกว่าแค่เรื่องเศรษฐศาสตร์ วัสดุสมัยใหม่ เช่นคอนกรีตอัดแรงและวิธีการผลิต เช่นการเชื่อม แบบอัตโนมัติ ได้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการออกแบบสะพานสมัยใหม่

เมื่อทราบแรงที่กระทำต่อแต่ละชิ้นส่วนแล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการกำหนดพื้นที่หน้าตัดของชิ้นส่วนโครงสร้างแต่ละชิ้น สำหรับชิ้นส่วนที่รับแรงดึง พื้นที่หน้าตัดAสามารถหาได้โดยใช้สูตร A = F × γ / σ โดยที่Fคือแรงในชิ้นส่วน γ คือค่าความปลอดภัย (โดยทั่วไปคือ 1.5 แต่ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของอาคาร ) และ σ คือความแข็งแรงดึงที่ จุดครา ของเหล็กที่ใช้

ชิ้นส่วนที่รับแรงอัดจะต้องได้รับการออกแบบให้มีความปลอดภัยจากการโก่งงอด้วยเช่นกัน

น้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างขึ้นอยู่กับขนาดหน้าตัดโดยตรง ซึ่งน้ำหนักนี้เป็นส่วนหนึ่งที่กำหนดความแข็งแรงของชิ้นส่วนอื่นๆ ในโครงสร้าง การเพิ่มขนาดหน้าตัดของชิ้นส่วนหนึ่งให้ใหญ่กว่าในแบบก่อนหน้า จำเป็นต้องเพิ่มขนาดหน้าตัดของชิ้นส่วนอื่นๆ ด้วย เพื่อรองรับน้ำหนักที่มากขึ้นของชิ้นส่วนแรก จึงจำเป็นต้องทำการออกแบบซ้ำอีกครั้งเพื่อหาขนาดหน้าตัดที่แน่นอนว่าชิ้นส่วนอื่นๆ ควรมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใด บางครั้งผู้ออกแบบอาจต้องทำการออกแบบซ้ำหลายครั้งเพื่อหาขนาดหน้าตัดที่ "เหมาะสม" สำหรับแต่ละชิ้นส่วน ในทางกลับกัน การลดขนาดของชิ้นส่วนหนึ่งจากแบบก่อนหน้า จะทำให้ชิ้นส่วนอื่นๆ มีค่าความปลอดภัยสูงกว่าที่จำเป็นทางเทคนิค (และมีราคาแพงกว่า) แต่ไม่จำเป็นต้องทำการออกแบบซ้ำอีกครั้งเพื่อหาโครงสร้างที่สามารถสร้างได้

โดยทั่วไปแล้ว ผลกระทบจากน้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างแต่ละชิ้นในโครงสร้างขนาดใหญ่ เช่น สะพาน มักมีน้อยมากเมื่อเทียบกับแรงจากภาระภายนอก

การออกแบบข้อต่อ

หลังจากกำหนดขนาดหน้าตัดขั้นต่ำของชิ้นส่วนแล้ว ขั้นตอนสุดท้ายในการออกแบบโครงสร้างคานคือการออกแบบรายละเอียดของข้อต่อแบบสลักเกลียวเช่น การพิจารณาความเค้นเฉือนของสลักเกลียวที่ใช้ในข้อต่อ โดยขึ้นอยู่กับความต้องการของโครงการ ข้อต่อภายในของโครงสร้างคานสามารถออกแบบเป็นแบบแข็ง แบบกึ่งแข็ง หรือแบบบานพับได้ ข้อต่อแบบแข็งจะช่วยให้สามารถถ่ายโอนโมเมนต์ดัด ทำให้เกิดโมเมนต์ดัดรองในชิ้นส่วนได้

แอปพลิเคชัน

โครงสร้างแบบหนึ่งที่ใช้ในการมุงหลังคา

โครงสร้างเสาและคาน

การเชื่อมต่อส่วนประกอบต่างๆ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความแข็งแรงของโครงสร้างระบบเฟรม ในอาคารที่มีโครงไม้ขนาดใหญ่และไม่มีช่วงกว้าง การเชื่อมต่อที่สำคัญที่สุดคือการเชื่อมต่อระหว่างโครงไม้กับส่วนรองรับ นอกจากแรงที่เกิดจากแรงโน้มถ่วง (หรือที่เรียกว่าแรงรับน้ำหนัก) การเชื่อมต่อเหล่านี้ต้องต้านทานแรงเฉือนที่กระทำตั้งฉากกับระนาบของโครงไม้และแรงยกเนื่องจากลม ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับการออกแบบอาคารโดยรวม การเชื่อมต่ออาจจำเป็นต้องถ่ายโอนโมเมนต์ดัดด้วยเช่นกัน

เสาไม้ช่วยให้สามารถสร้างจุดเชื่อมต่อที่แข็งแรง ตรงไปตรงมา และราคาไม่แพงระหว่างโครงหลังคาขนาดใหญ่กับผนัง รายละเอียดที่แน่นอนสำหรับการเชื่อมต่อเสากับโครงหลังคาจะแตกต่างกันไปตามผู้ออกแบบ และอาจได้รับอิทธิพลจากประเภทของเสา เสาไม้แปรรูปและ เสา ไม้ลามิเนตโดยทั่วไปจะถูกบากเพื่อสร้างพื้นผิวรองรับโครงหลังคา โครงหลังคาจะวางอยู่บนรอยบากและยึดด้วยสลักเกลียว อาจมีการเพิ่มแผ่น/ตัวยึดพิเศษเพื่อเพิ่มความสามารถในการถ่ายโอนน้ำหนักของจุดเชื่อมต่อ สำหรับเสาไม้ลามิเนตเชิงกล โครงหลังคาอาจวางอยู่บนชั้นนอกที่สั้นลงหรือบนชั้นในที่สั้นลง กรณีหลังนี้จะทำให้สลักเกลียวรับแรงเฉือนสองเท่าและเป็นการเชื่อมต่อที่มีประสิทธิภาพมาก

โครงหลังคาถ่ายโอน

ในวิศวกรรมโครงสร้างโครงถักรับน้ำหนักเป็นโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงและลึก ออกแบบมาเพื่อขัดขวางและเปลี่ยนทิศทางการรับน้ำหนักในแนว ดิ่ง ของอาคาร โครงถักรับน้ำหนักจะถูกนำมาใช้เมื่อองค์ประกอบรองรับโครงสร้าง เช่น เสาหรือผนังรับแรงเฉือนไม่สามารถต่อเนื่องลงไปถึงฐานรากได้เนื่องจากข้อกำหนดทางสถาปัตยกรรมหรือการใช้งานในระดับที่ต่ำกว่า การใช้งานทั่วไป ได้แก่ การสร้างพื้นที่ที่ไม่มีเสาสำหรับล็อบบี้หรือห้องจัดเลี้ยง หรือการพาดผ่านโครงสร้างพื้นฐานที่มีอยู่แล้ว เช่น ทางรถไฟหรือทางหลวง[ 27 ]

เนื่องจากโครงคานรับน้ำหนักต้องรับน้ำหนักรวมของทุกชั้นที่อยู่เหนือระดับรับน้ำหนัก จึงต้องรับแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดที่ รุนแรง เพื่อให้ได้ความแข็งแกร่งที่จำเป็นและจำกัดการโก่งตัว โครงคานเหล่านี้มักจะทอดข้ามความลึกของชั้นทั้งหมดหนึ่งชั้นหรือมากกว่านั้น ชิ้นส่วนที่ประกอบเป็นโครงคาน ได้แก่ คอร์ดบนและล่าง เส้นแนวตั้ง และเส้นทแยงมุม ต้องต้านทานแรงดึงและแรงอัดตามแนวแกนมหาศาล[ 28 ]

สมดุลโดยรวมของระบบถ่ายแรงต้องสมดุลอย่างสมบูรณ์แบบระหว่างแรงกดลงจากเสาที่ไม่ต่อเนื่องกับแรงปฏิกิริยาขึ้นของเสาที่ต่อเนื่อง ซึ่งควบคุมโดยสมการสมดุลสถิตมาตรฐาน:เอฟy=0และเอ็มz=0{\displaystyle \sum F_{y}=0\quad {\text{และ}}\quad \sum M_{z}=0}โดยที่โมเมนต์ดัดภายในขนาดใหญ่จะได้รับการแก้ไขเป็นหลักโดยแรงคู่ที่เกิดจากแรงตามแนวแกนในคอร์ดโครงถักด้านบนและด้านล่าง[ 28 ]

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ มัด

โครงสร้างแบบโครงถักคือการประกอบชิ้นส่วนต่างๆเช่นคานที่เชื่อมต่อกันด้วยจุดเชื่อมต่อซึ่งสร้างโครงสร้างที่แข็งแรง

นิรุกติศาสตร์

คำว่า Truss มาจากคำภาษา ฝรั่งเศสโบราณ trousse ซึ่งใช้กันราวปี ค.ศ. 1200 ซึ่งหมายถึง "กลุ่มของสิ่งของที่ผูกติดกัน" [ 5 ] [ 6 ] คำว่า Truss มักถูกใช้เพื่ออธิบายการประกอบชิ้นส่วนต่างๆ เช่นโครง ค้ำยัน [ 7 ] [ 8 ] หรือคานหลังคาคู่หนึ่ง [ 9 ] [ 10 ]

ลักษณะเฉพาะ

โครงสร้างแบบโครงถักโดยทั่วไป (แต่ไม่จำเป็นเสมอไป) จะประกอบด้วยชิ้นส่วนตรงที่เชื่อมต่อกันที่จุดต่อ ซึ่งตามธรรมเนียมเรียกว่า จุดแผง โครง ถักโดยทั่วไป (แต่ไม่จำเป็นเสมอไป [ 11 ] ) จะประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมเนื่องจากความเสถียรทางโครงสร้างของรูปทรงและการออกแบบนั้น...

โครงสร้างคานเรียบง่าย

โครงสร้างโครงถักที่ง่ายที่สุดคือรูปสามเหลี่ยมเพียงรูปเดียว โครงสร้างโครงถักประเภทนี้พบได้ใน โครง หลังคาที่ประกอบด้วย คานหลังคา และ คาน เพดาน [ 13 ] และในโครงสร้างเชิงกลอื่นๆ เช่น จักรยาน และเครื่องบิน...