วิศวกรรมโครงสร้าง

วิศวกรโครงสร้าง (มืออาชีพ)

บทความหลัก: วิศวกรโครงสร้าง
วิศวกรโครงสร้างรับผิดชอบในการออกแบบทางวิศวกรรมและการวิเคราะห์โครงสร้าง. วิศวกรโครงสร้างระดับเริ่มต้นอาจจะออกแบบองค์ประกอบโครงสร้างของแต่ละส่วนของโครงสร้างใหญ่เช่นคาน, เสา, และพื้นของอาคาร. วิศวกรที่มีประสบการณ์มากกว่าอาจจะรับผิดชอบในการออกแบบโครงสร้างและความสมบูรณ์ของระบบทั้งหมดเช่นอาคารทั้งอาคาร.
วิศวกรโครงสร้างมักจะเชี่ยวชาญในสาขาเฉพาะอย่างเช่นวิศวกรรมสะพาน, วิศวกรรมอาคาร, อาคารท่อส่ง, โครงสร้างอุตสาหกรรม, หรือโครงสร้างเครื่องจักรกลพิเศษเช่นรถยนต์, เรือหรืออากาศยาน.
วิศวกรรมโครงสร้างมีมาตั้งแต่มนุษย์เริ่มที่จะสร้างโครงสร้างของพวกเขาเอง. มันกลายเป็นอาชีพที่ชัดเจนและเป็นทางการมากขึ้นกับวิวัฒนาการของวิชาชีพสถาปัตยกรรมที่แตกต่างจากวิชาชีพวิศวกรรมในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรมปลายศตวรรษที่ 19. จนกระทั่งจุดนั้นสถาปนิกและวิศวกรโครงสร้างมักจะเป็นหนึ่งเดียวกัน - นักสร้างต้นแบบ. ด้วยการพัฒนาความรู้เป็นพิเศษของหลายทฤษฎีโครงสร้างที่โผล่ออกมาในช่วงที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20 เท่านั้นที่ทำให้วิศวกรโครงสร้างมืออาชีพปรากฏแก่สายตา.
บทบาทของวิศวกรโครงสร้างวันนี้เกี่ยวข้องกับความเข้าใจอย่างมีนัยสำคัญของการโหลดทั้งแบบคงที่และแบบไดนามิก, และโครงสร้างที่จะต่อต้านพวกมัน, ความซับซ้อนของโครงสร้างที่ทันสมัยมักจะต้องมีความคิดสร้างสรรค์อย่างมากจากวิศวกรเพื่อให้มั่นใจว่าโครงสร้างจะสามารถรองรับและต่อต้านโหลดทั้งหลายที่พวกโครงสร้างจะต้องทำหน้าที่. วิศวกรโครงสร้างมักจะมีระดับปริญญาตรีหลักสูตรสี่หรือห้าปี, ตามด้วยอย่างน้อยสามปีของการปฏิบัติที่เป็นมืออาชีพก่อนที่จะได้รับการพิจารณาว่ามีคุณสมบัติครบถ้วน. วิศวกรโครงสร้างได้รับอนุญาตหรือได้รับการรับรองจากสังคมการเรียนรู้และหน่วยงานกำกับดูแลที่แตกต่างกันทั่วโลก (เช่นสถาบันวิศวกรโครงสร้างในสหราชอาณาจักร). ขึ้นอยู่กับหลักสูตรปริญญาที่พวกเขาได้ศึกษามาและ/ หรือเขตอำนาจที่พวกเขากำลังมองหาใบอนุญาต, พวกเขาอาจจะได้รับการรับรอง (หรือได้รับอนุญาต) เป็นแค่วิศวกรโครงสร้าง, หรือวิศวกรโยธา, หรือเป็นทั้งวิศวกรโยธาและโครงสร้าง. อีกองค์กรระหว่างประเทศหนึ่งคือ IABSE (Internation Association for Bridge and Structural Engineering) . จุดประสงค์ของสมาคมนี้คือเพื่อแลกเปลี่ยนความรู้และเพื่อก้าวไปสู่​​การปฏิบัติของวิศวกรรมโครงสร้างทั่วโลกในการให้บริการของวิชาชีพและสังคม.

ประวัติความเป็นมาของวิศวกรรมโครงสร้าง

บทความหลัก: ประวัติศาสตร์ของวิศวกรรมโครงสร้าง
วิศวกรรมโครงสร้างย้อนกลับไป 2700 ปีก่อนคริสตกาล เมื่อปิรามิดขั้นบันไดสำหรับฟาโรห์ Djoser ถูกสร้างขึ้นโดย Imhotep, วิศวกรคนแรกในประวัติศาสตร์ที่รู้จักชื่อ. ปิรามิดเป็นโครงสร้างสำคัญที่พบมากที่สุดที่สร้างขึ้นโดยอารยธรรมโบราณเพราะรูปแบบโครงสร้างของปิรามิดมีเสถียรภาพโดยเนื้อแท้และเกือบไม่สามารถปรับขนาดให้แน่นอนได้ (ซึ่งตรงข้ามกับรูปแบบส่วนใหญ่ของโครงสร้างอื่น ๆ, ซึ่งไม่สามารถจะเพิ่มขนาดขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับโหลดที่เพิ่มขึ้น) .
อย่างไรก็ตาม มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะสังเกตว่าเสถียรภาพทางโครงสร้างของปิรามิดเบื้องต้นไม่ได้เป็นผลมาจากรูปร่างของมัน. ความสมบูรณ์ของปิรามิดจะเป็นเหมือนเดิมตราบใดที่หินแต่ละก้อนมีความสามารถที่จะรองรับน้ำหนักของหินที่อยู่เหนือมัน. บล็อกหินปูนถูกนำมาจากเหมืองใกล้สถานที่ก่อสร้าง. เนื่องจากแรงอัดของหินปูนอยู่ที่ประมาณ 30-250 MPa (MPa = Pa*10^6), บล็อกจะไม่พังลงมาภายใต้แรงอัด. ดังนั้นความแข็งแรงของโครงสร้างของพีระมิดเกิดจากคุณสมบัติของหินที่ก่อกันขึ้นมามากกว่ารูปทรงเรขาคณิตของพีระมิด.
ตลอดประวัติศาสตร์ยุคโบราณและยุคกลาง การออกแบบทางสถาปัตยกรรมและการก่อสร้างส่วนใหญ่ได้รับการดำเนินการโดยช่างฝีมือ, เช่นช่างก่ออิฐก่อหินและช่างไม้, ที่เติบโตขึ้นมาในบทบาทของผู้สร้างต้นแบบ. ทฤษฎีของโครงสร้างก็ยังไม่เกิดและความเข้าใจว่าโครงสร้างสามารถตั้งขึ้นได้อย่างไรถูกจำกัดอย่างมาก, และเกือบทั้งหมดขึ้นอยู่กับหลักฐานเชิงประจักษ์ของ'สิ่งที่เคยทำงานได้มาก่อน'. ความรู้ถูกเก็บรักษาไว้โดยสมาคมวิชาชีพและไม่ค่อยอัปเดตตามความก้าวหน้า. โครงสร้างทั้งหลายถูกทำซ้ำ ๆ กันแต่เพิ่มขึ้นในขนาดที่ใหญ่ขึ้น.
ไม่มีบันทึกว่าการคำนวณครั้งแรกของความแข็งแรงของโครงสร้างหรือพฤติกรรมของวัสดุโครงสร้าง, แต่อาชีพของวิศวกรโครงสร้างเป็นรูปเป็นร่างจริง ๆ ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรมและการประดิษฐ์ขึ้นใหม่ของคอนกรีต (ดูประวัติของคอนกรีต). วิทยาศาสตร์กายภาพที่อยูใต้วิศวกรรมโครงสร้างเริ่มที่จะได้รับการเข้าใจในยุคฟื้นฟูศิลปวิทยา (อังกฤษ: Renaissance) และมีการพัฒนามาตั้งแต่นั้นมาให้เป็นแอปพลิเคชันที่ทำโดยคอมพิวเตอร์ที่ถูกใช้เป็นหัวหอกในปี 1970s.

ความล้มเหลวของโครงสร้าง

บทความหลัก: ความล้มเหลวของโครงสร้างและรายชื่อของความล้มเหลวและพังทลายลงมาของโครงสร้าง
ประวัติศาสตร์ของวิศวกรรมโครงสร้างประกอบด้วยการพังทลายลงมาและความล้มเหลวจำนวนมาก. บางครั้งเรื่องเหล่านี้เกิดจากความประมาทที่เห็นได้ชัด, เช่นในกรณีของการล่มสลายในโรงเรียน Petionville, ที่ท่านสาธุคุณ Fortin Augustin กล่าวว่า "เขาสร้างอาคารทั้งหมดด้วยตัวเขาเอง, เขาพูดว่าเขาไม่ต้องการวิศวกรสักคนเพราะเขามีความรู้ที่ดีในการก่อสร้าง" หลังจากการล่มสลายบางส่วนของโรงเรียนขนาดสามชั้นที่ส่งเพื่อนบ้านวิ่งหนีอลหม่าน. สุดท้ายการล่มสลายเสียชีวิต 94 คน, ส่วนใหญ่เป็นเด็ก.
ในกรณีอื่น ๆ ความล้มเหลวของโครงสร้างจำเป็นต้องมีการศึกษาอย่างรอบคอบ, และผลของการสอบถามข้อมูลเหล่านี้ส่งผลในการปฏิบัติที่ดีขึ้นและมีความเข้าใจมากขึ้นของวิทยาศาสตร์ของวิศวกรรมโครงสร้าง. บางการศึกษาดังกล่าวเป็นผลมาจากการตรวจสอบทางนิติวิทยาศาสตร์ในที่ซึ่งวิศวกรคนเดิมดูเหมือนว่าจะได้ทำทุกอย่างให้สอดคล้องกับสภาพของแนวทางการปฏิบัติอย่างมืออาชีพและแนวทางก็เป็นที่ยอมรับกันแต่ความล้มเหลวก็ยังคงเกิดขึ้น. กรณีที่มีชื่อเสียงหนึ่งของความรู้และการปฏิบัติด้านโครงสร้างที่ก้าวหน้าในลักษณะนี้สามารถพบได้ในชุดของความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับ'คานกล่อง' (อังกฤษ: box girders) ซึ่งทรุดตัวลงในประเทศออสเตรเลียในช่วงปี 1970s.

โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหว

บทความหลัก: โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหว
โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือพวกผู้ที่ถูกทำด้านวิศวกรรมเพื่อให้ทนต่อแผ่นดินไหว
วัตถุประสงค์หลักของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือเพื่อเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างกับการสั่นของพื้นดิน, คาดการณ์ผลที่ตามมาของการเกิดแผ่นดินไหวที่เป็นไปได้, และออกแบบและสร้างโครงสร้างที่จะคงทนในระหว่างการเกิดแผ่นดินไหว.
โครงสร้างที่ทนต่อแผ่นดินไหวไม่จำเป็นต้องมีความแข็งแรงมากอย่างเช่นพีระมิด El Castillo Chichen Itza ที่แสดงไว้ด้านบน. ในความเป็นจริง, หลายโครงสร้างที่ได้รับการพิจารณาว่าแข็งแกร่งอาจจะแข็งทื่อ, ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพการคงอยู่เมื่อเกิดการสั่นไหวที่ไม่ดี.
หนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือการแยกฐาน, ซึ่งจะช่วยให้ฐานของโครงสร้างที่จะเตลื่อนไหวได้อย่างอิสระจากพื้นดิน

โครงสร้างการบินและอวกาศ

โครงสร้างการบินและอวกาศมีหลายประเภทรวมถึงยานส่ง (Atlas, เดลต้า, ไททัน), ขีปนาวุธ (ALCM, Harpoon), ยานเหนือเสียง (กระสวยอวกาศ), เครื่องบินรบ (F-16, F-18) และเครื่องบินพาณิชย์ (โบอิ้ง 777, MD-11). โครงสร้างการบินและอวกาศมักจะประกอบด้วยแผ่นบางที่มีแผ่นเสริมแรงสำหรับพื้นผิวภายนอก, ผนังที่แบ่งตัวเครื่องบินออกเป็นส่วน ๆ และกรอบเพื่อรองรับรูปร่างและตัวยึดเช่นการเชื่อม, หมุด, สกรูและน็อตที่ยึดชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน.

โครงสร้างระดับนาโน

โครงสร้างนาโนเป็นวัตถุที่มีขนาดกลางระหว่างโครงสร้างโมเลกุลและต้องส่องกล้องจุลทรรศน์ (ขนาดไมโครเมตร). ในการอธิบายโครงสร้างนาโน มันมีความจำเป็นที่จะต้องแยกความแตกต่างระหว่างตัวเลขของขนาดใน'ระดับนาโน' (อังกฤษ: nanoscale). พื้นผิวสิ่งทอนาโนมีหนึ่งมิติในระดับนาโน, คือเพียงความหนาของพื้นผิวของวัตถุอยู่ระหว่าง 0.1 และ 100 นาโนเมตร. ท่อนาโน มีสองมิติในระดับนาโน, คือขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของท่ออยู่ระหว่าง 0.1 และ 100 นาโนเมตร; ความยาวของมันอาจจะมากกว่ามาก. สุดท้ายอนุภาคนาโนทรงกลมมีสามมิติในระดับนาโน, คืออนุภาคอยู่ระหว่าง 0.1 และ 100 นาโนเมตรใน​​แต่ละมิติเชิงพื้นที่. คำว่าอนุภาคนาโนและอนุภาคขนาดเล็ก (อังกฤษ: ultrafine particles (UFP)) มักจะถุกใช้เป็นคำพ้องเสียง แม้ว่า UFP สามารถมีขนาดถึงในช่วงไมโครเมตร. คำว่า 'โครงสร้างนาโน' มักจะถูกใช้เมื่อพูดถึงเทคโนโลยีแม่เหล็ก.

วิศวกรรมโครงสร้างวิทยาศาสตร์การแพทย์

อุปกรณ์ทางการแพทย์ (ที่เรียกกันว่า Armamentarium) ถูกออกแบบมาเพื่อช่วยในการวินิจฉัย, การตรวจสอบหรือการรักษาสภาวะทางการแพทย์. มีหลายประเภทขั้นพื้นฐานคือ: อุปกรณ์การวินิจฉัยรวมถึงเครื่องถ่ายภาพทางการแพทย์, ที่ใช้เพื่อช่วยในการวินิจฉัยโรค; อุปกรณ์รวมถึงปั๊มฉีดเข้าหลอดเลือด, เลเซอร์ทางการแพทย์และการรักษาด้วยวิธีการผ่าตัดด้วย LASIK; การตรวจสอบทางการแพทย์ยอมให้เจ้าหน้าที่ทางการแพทย์ในการวัดสภาวะทางการแพทย์ของผู้ป่วย. จอภาพอาจวัดสัญญาณชีพผู้ป่วยและพารามิเตอร์อื่น ๆ รวมถึงคลื่นไฟฟ้าหัวใจ, คลื่นไฟฟ้าสมอง, ความดันโลหิตและก๊าซที่ละลายในเลือด; อุปกรณ์วินิจฉัยทางการแพทย์ยังอาจใช้ในบ้านเพื่อจุดประสงค์บางอย่าง, เช่น สำหรับการควบคุมโรคเบาหวาน. ช่างเทคนิคอุปกรณ์ชีวการแพทย์ (BMET) เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของระบบการจัดส่งการดูแลสุขภาพ. ถูกจ้างเบื้องต้นโดยโรงพยาบาล, BMETs เป็นคนที่รับผิดชอบในการบำรุงรักษาอุปกรณ์สิ่งอำนวยความสะดวกทางการแพทย์.

เสา

บทความหลัก: เสา
เสาเป็นองค์ประกอบที่แบกรับแรงตามแนวแกนเท่านั้น - นั้นคือแรงกดทับ (อังกฤษ: compression) - หรือทั้งแรงตามแนวแกนและแรงโค้งงอ (อังกฤษ: bending) (ซึ่งทางเทคนิคเรียกว่าคาน-เสา (อังกฤษ: beam-column) แต่ในทางปฏิบัติเรียกแค่เสา). การออกแบบของเสาจะต้องตรวจสอบความสามารถในแนวแกนขององค์ประกอบ, และความสามารถในการโค้งงอ.
ความสามารถในการโค้งงอคือความสามารถขององค์ประกอบในการทนต่อความโน้มเอียงในการหักงอ. ความสามารถของมันขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิต, วัสดุ, และความยาวที่มีผลของเสา, ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาวะที่เหนี่ยวรั้งที่ด้านบนและด้านล่างของเสา. ความยาวที่มีผลจะเท่ากับ  โดยที่  คือความยาวที่แท้จริงของเสา.
ความสามารถของเสาในการแบกโหลดในแนวแกนขึ้นอยู่กับระดับของแรงโค้งงอที่มันจะต้องรองรับ, และในทางกลับกัน, ระดับของแรงโค้งงอที่มันจะต้องรองรับก็จะขึ้นอยู่กับความสามารถของเสาในการแบกโหลดในแนวแกน. นี้จะถูกแสดงในแผนภูมิการทำงานร่วมกันและเป็นความสัมพันธ์ที่ไม่เป็นเส้นตรงและซับซ้อนอันหนึ่ง.

Trusses

บทความหลัก: Truss
truss เป็นโครงสร้างแบบหนึ่งที่ประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างสองประเภท ได้แก่; ส่วนประกอบที่ถูกแรงกดทับ (อังกฤษ: compression member) และส่วนประกอบที่ถูกแรงดึง (อังกฤษ: tension member) (เช่นเสาค้ำ (อังกฤษ: strut) และเหล็กประกับ (อังกฤษ: tie) ). truss ส่วนใหญ่ใช้เหล็กฉาก (อังกฤษ: gusset plate) ในการเชื่อมต่อหลาย ๆ องค์ประกอบเข้าด้วยกัน. เหล็กฉากค่อนข้างมีความยืดหยุ่นและช่วยลดโมเม้นท์การโค้งงอ (อังกฤษ: bending moment) ที่จุดเชื่อมต่อ, จึงเป็นการช่วยให้ truss members สามารถแบกรับแรงตึงหรือแรงกดทับหลักได้.
Truss มักจะถูกนำมาใช้ในโครงสร้างขนาดใหญ่, ในที่ซึ่งมันไม่ประหยัดการใช้คานเป็นแท่งแข็ง.

แผ่น

แผ่นแบกรับการหักงอในสองทิศทาง. แผ่นพื้นคอนกรีตเป็นตัวอย่างหนึ่งของแผ่น. แผ่นสามารถเข้าใจได้โดยใช้กลไกต่อเนื่อง (อังกฤษ: continuum mechanics), แต่เนื่องจากความซับซ้อนที่เกี่ยวข้อง, พวกมันส่วนใหญ่มักได้รับการออกแบบโดยใช้วิธีการเชิงประจักษ์ประมวลผลหรือการวิเคราะห์คอมพิวเตอร์.
นอกจากนี้พวกมันยังสามารถได้รับการออกแบบด้วยทฤษฎีเส้นผลตอบแทน (อังกฤษ: yield line theory), ในที่ซึ่งกลไกการล่มสลายที่ได้สันนิษฐานไว้มีการวิเคราะห์เพื่อให้ขอบเขตด้านบน (อังกฤษ: upper bound) บนโหลดที่ล่มสลาย (ดู Plasticity). เทคนิคนี้ถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติ แต่เพราะวิธีการนี้จะให้ ขอบเขตด้านบน, เช่นการคาดการณ์ที่ไม่ปลอดภัยของการโหลดที่ล่มสลาย, สำหรับกลไกการล่มสลายที่ถูกคิดขึนอย่างไม่ดี การดูแลอย่างมากเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ากลไกการล่มสลายที่สันนิษฐานไว้จะเป็นจริง.

เปลือก

บทความหลัก: โครงสร้างเปลือกบาง
ดูเพิ่มเติม: gridshell
เปลือกได้รับกำลังของพวกมันมาจากรูปแบบของพวกมันเอง, และแบกรับแรงกดทับทั้งหมดในสองทิศทาง. โดมเป็นตัวอย่างหนึ่งของเปลือก. พวกมันสามารถได้รับการออกแบบโดยการทำเป็นแบบแขวนห่วงโซ่, ซึ่งจะทำหน้าที่เป็น catenary ในแรงตึงเครียดที่บริสุทธิ์, และกลับหัวรูปแบบเพื่อให้บรรลุแรงบีบอัดที่บริสุทธิ์.

โครงสร้างโค้ง

บทความหลัก: Arch
โครงสร้างโค้งแบกรับแรงกดทับบีบอัดในทิศทางเดียวเท่านั้น, ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีความเหมาะสมที่จะสร้างซุ้มประตูโค้งจากอิฐ. พวกมันได้รับการออกแบบโดยมั่นใจว่าสายของแรงผลักดัน (อังกฤษ: line of thrust) ของแรงยังคงอยู่ภายในความลึกของซุ้มประตูโค้ง. ส่วนใหญ่มันจะถูกใช้เพื่อเพิ่มความโดดเด่นของโครงสร้างใด ๆ.

Catenaries

บทความหลัก: โครงสร้างแรงดึง
Catenaries ได้รับความแข็งแรงของพวกมันจากรูปแบบของพวกมันเอง, และแบกรับแรงตึงอย่างเดียวโดยการเบี่ยงเบน (เช่นเดียวกับเชือกที่จะย้อยลงมาเมื่อมีคนเดินบนนั้น). พวกมันส่วนใหญ่มักจะเป็นโครงสร้างของสายเคเบิลหรือผ้า. โครงสร้างผ้าทำหน้าที่เป็น catenary ในสองทิศทาง.

ทฤษฎีวิศวกรรมโครงสร้าง

บทความหลัก: ทฤษฎีวิศวกรรมโครงสร้าง
วิศวกรรมโครงสร้างขึ้นอยู่กับความรู้ในรายละเอียดของกลศาสตร์ประยุกต์, วัสดุศาสตร์และคณิตศาสตร์ประยุกต์เพื่อที่จะเข้าใจและคาดการณ์ว่าโครงสร้างรองรับและต่อต้านน้ำหนักตัวเองและน้ำหนักของโหลดได้อย่างไร. เพื่อที่จะนำความรู้มาใช้ให้ประสบความสำเร็จ วิศวกรโครงสร้างโดยทั่วไปต้องมีความรู้ในรายละเอียดของรหัสการออกแบบ (อังกฤษ: design codes) ด้านปฏิบัติและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง, เทคนิคของการวิเคราะห์โครงสร้าง, รวมทั้งความรู้บางอย่างเกี่ยวกับความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุและโครงสร้าง, โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโครงสร้างเหล่านั้นจะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมภายนอก. ตั้งแต่ปี 1990s, ซอฟแวร์ผู้เชี่ยวชาญได้มีอยู่ในตลาดเพื่อช่วยในการออกแบบโครงสร้าง, ด้วยฟังก์ชันการทำงานที่จะช่วยในการวาดภาพ, การวิเคราะห์และการออกแบบโครงสร้างที่มีความแม่นยำสูงสุด; ตัวอย่างเช่น AutoCAD, StaadPro, ETABS, Prokon, Revit Structure เป็นต้น. ซอฟต์แวร์ดังกล่าวยังอาจต้องพิจารณาโหลดในสิ่งแวดล้อม, เช่นจากการเกิดแผ่นดินไหวและลม.