วิศวกรรมโครงสร้าง

วิศวกรรมโครงสร้าง () เป็นสาขาหนึ่งของ วิศวกรรม ที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์และการออกแบบโครงสร้างที่รองรับหรือต้านหน่วยแรงที่เกิดขึ้นในวัสดุ, อาคาร, เครื่องจักรกล, ยานพาหนะ, อากาศยาน, และแม้แต่ยานอวกาศ.

วิศวกรโครงสร้างเป็นธรรมดามากที่สุดที่จะมีส่วนร่วมกับการออกแบบอาคารและสิ่งปลูกสร้างขนาดใหญ่ที่ไม่ใช่อาคาร แต่พวกเขายังสามารถมีส่วนร่วมกับการออกแบบเครื่องจักร, อุปกรณ์ทางการแพทย์, ยานพาหนะหรือรายการใด ๆ ที่ความสมบูรณ์ของโครงสร้างมีผลกระทบต่อการทำงานหรือความปลอดภัยของรายการนั้น ๆ. วิศวกรโครงสร้างจะต้องให้แน่ใจว่าการออกแบบของพวกเขาตอบสนองกับกฏเกณฑ์การออกแบบที่กำหนดให้, ตั้งบนพื้นฐานของความปลอดภัย (เช่นโครงสร้างจะต้องไม่ยุบโดยไม่มีการเตือนตามกำหนด) หรือมีความสามารถการให้บริการและประสิทธิภาพการทำงาน (เช่นการแกว่งไปแกว่งมาของอาคารจะต้องไม่ทำให้เกิดความรู้สึกไม่สบายกับผู้อยู่อาศัย).

ทฤษฎีวิศวกรรมโครงสร้างจะยึดตามกฎทางกายภาพที่ถูกประยุกต์ใช้และความรู้เชิงประจักษ์ของประสิทธิภาพการทำงานของโครงสร้างของวัสดุและรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกัน. การออกแบบทางวิศวกรรมโครงสร้างใช้ประโยชน์จากองค์ประกอบโครงสร้างที่เรียบง่ายหลายอย่างเพื่อสร้างระบบโครงสร้างที่ซับซ้อน. วิศวกรโครงสร้างรับผิดชอบในการใช้เงินทุน, องค์ประกอบโครงสร้างและวัสดุด้วยความคิดที่สร้างสรรค์และมีประสิทธิภาพเพื่อที่จะบรรลุเป้าหมายเหล่านี้.

แต่ในประเทศไทย เมื่อกล่าวถึงวิศวกรรมโครงสร้าง มักจะเข้าใจว่าเป็นวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์, คำนวณ, การออกแบบอาคารและสิ่งก่อสร้างเท่านั้น. โดยวิศวกรรมโครงสร้างที่วิเคราะห์และออกแบบในด้านเครื่องกลหรือสิ่งอื่น ๆ มักจะถูกเรียกแยกไปตามวิศวกรรมสาขานั้น ๆ เช่น วิศวกรรมยานยนต์, วิศวกรรมอากาศยาน เป็นต้น.

 การวิเคราะห์โครงสร้าง 
การวิเคราะห์ใด ๆ ในงานวิศวกรรมโครงสร้าง จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ
 การวิเคราะห์แรงภายนอกที่กระทำกับ ชิ้นส่วน อาคารนั้น ๆ ที่ทำให้เกิด แรงดึง แรงอัด แรงเฉือน แรงบิด และโมเมนต์ดัด
 การวิเคราะห์แรงภายในที่เกิดขึ้นภายในวัสดุ ที่ถูกกระทำจากแรงภายนอก ที่ทำให้เกิดความเค้น (Stress) และความเครียด (Strain) รวมไปถึงการเสียรูป และการแอ่นตัว (Deflection) ของชิ้นส่วน
 การวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของชิ้นส่วน เช่นการเสียรูป และการแอ่นตัว (Deflection) ของชิ้นส่วน

 ขั้นตอนในการวิเคราะห์โครงสร้าง 
 สร้างแบบจำลอง
 คำนวณแรงที่กระทำภายนอก
 เลือกวัสดุและหน้าตัดโดยประมาณ
 วิเคราะห์แรงที่เกิดขึ้น
 เลือกวัสดุและขนาดให้สามารถรับแรงที่เกิดขึ้น
 วิเคราะห์ซ้ำอีกครั้ง
 ตรวจสอบผลลัพธ์ที่ได้ พร้อมกับค่าหน่วยแรงที่ยอมรับได้ และค่าการเสียรูปหรือการเคลื่อนตัว

 หลักพื้นฐานในการวิเคราะห์โครงสร้าง 
 สมการหลักในการวิเคราะห์โครงสร้าง คือ สมการความสมดุล (Statically Equilibrium)
 ผลรวมแรงในแนวราบ = 0
 ผลรวมแรงในแนวดิ่ง = 0
 ผลรวมโมเมนต์ดัด = 0

 เสถียรภาพของโครงสร้าง (Structural Stability)

 ดีเทอร์มิเนซี่สถิตของโครงสร้าง (Statically Determinacy)
 โครงสร้างประเภทดีเทอร์มิเนททางสถิต (Determinate) หมายถึงโครงสร้างที่สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยสมการสมดุลสถิตของโครงสร้าง
 โครงสร้างอินดีเทอร์มิเนท (Indeterminate) คือโครงสร้างที่ไม่สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยสมการสมดุลตามลำพัง

 ทฤษฎีในการวิเคราะห์กำลังของวัสดุ 
 ทฤษฎีหน่วยแรงใช้งาน (Working Stress) จะพิจารณาจากความเค้นคราก (Yield Stress) คือขีดกำหนดสูงสุดของความยืดหยุ่นของวัสดุ
 ทฤษฎีกำลังประลัย (Ultimate Strength) จะพิจารณาจากกำลังประลัย (Ultimate Strength) คือขีดความสามารถสูงสุดของวัสดุ

 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 () และมีการพัฒนามาตั้งแต่นั้นมาให้เป็นแอปพลิเคชันที่ทำโดยคอมพิวเตอร์ที่ถูกใช้เป็นหัวหอกในปี 1970s.

 Timeline 
 1452-1519 เลโอนาร์โดดาวินชีได้มีส่วนช่วยเป็นอย่างมาก
 1638: กาลิเลโอกาลิเลอีตีพิมพ์หนังสือ "สองวิทยาศาสตร์ใหม่" ที่เขาได้ตรวจสอบความล้มเหลวของโครงสร้างง่าย ๆ
 1660: 'กฎของฮุค' โดยโรเบิร์ต ฮุค
 1687: Isaac Newton ตีพิมพ์ "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" ที่ประกอบด้วย'กฎการเคลื่อนไหวของนิวตัน'
 1750: สมการเกี่ยวกับคานของ Euler-Bernoulli
 1700-1782: แดเนียล Bernoulli แนะนำหลักการของงานเสมือน
 1707-1783: Leonhard Euler พัฒนาทฤษฎีของการโก่งงอของคอลัมน์


 1826: Claude-Louis Navier ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับพฤติกรรมการยืดหยุ่นของโครงสร้าง
 1873: Carlo Alberto Castigliano นำเสนอวิทยานิพนธ์ของเขา "Intorno ai Sistemi elastici" ซึ่งประกอบด้วยทฤษฎีบทของเขาสำหรับการเคลื่อนย้ายแบบคอมพิวเตอร์เป็นอนุพันธ์ย่อยของพลังงานความเครียด. ทฤษฎีบทนี้รวมถึงวิธีการของ "งานน้อยที่สุด" เป็นกรณีพิเศษ
 1874: อ็อตโต Mohr รวบรวมความคิดของโครงสร้างแบบไม่ได้กำหนดที่คงที่
 1922: Stephen Timoshenko แก้ไขสมการเกี่ยวกับคานของ Euler-Bernoulli
 1936: งานตีพิมพ์ของ Hardy Cross เรื่องวิธีการกระจายโมเม้นท์, นวัตกรรมที่สำคัญอันหนึ่งในการออกแบบเฟรมต่อเนื่อง
 1941: Alexander Hrennikoff แก้ไขปัญหาการแยกส่วนของปัญหาความยืดหยุ่นของเครื่องบินโดยใช้กรอบงานแบบตาข่าย
 1942: Richard Courant แบ่งโดเมนออกเป็นภูมิภาคย่อยที่แน่นอน
 1956: เอกสารของ J. Turner, R. W. Clough, H. C. Martin, และ L. J. Topp เรื่อง "ความแข็งและการโก่งของโครงสร้างที่ซับซ้อน" แนะนำชื่อ "วิธีการองค์ประกอบที่แน่นอน" และเป็นที่ยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นครั้งแรกของการรักษาที่ครอบคลุมของวิธีการที่มันเป็นเป็นที่รู้จักกันในวันนี้

 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' () ซึ่งทรุดตัวลงในประเทศออสเตรเลียในช่วงปี 1970s.

 ความเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน 
 โครงสร้างอาคาร 
ดูเพิ่มเติม: วิศวกรรมอาคาร




วิศวกรรมโครงสร้างอาคารรวมถึงวิศวกรรมโครงสร้างทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบอาคาร, มันเป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับงานสถาปัตยกรรม.

วิศวกรรมโครงสร้างอาคารเบื้องต้นจะขับเคลื่อนโดยการจัดการความคิดสร้างสรรค์ของวัสดุและรูปแบบและความคิดทางคณิตศาสตร์และวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่จะบรรลุวัตถุประสงค์ปลายสุดที่ตอบสนองความต้องการตามหน้าที่ของมันและมีความปลอดภัยด้านโครงสร้างเมื่อต้องแบกโหลดทั้งหมดที่มันอาจถูกคาดหวังที่จะได้สัมผัส. สิ่งนี้ค่อนข้างจะแตกต่างจากการออกแบบทางสถาปัตยกรรมซึ่งถูกผลักดันโดยการจัดการที่สร้างสรรค์ของวัสดุและรูปแบบ, มวล, พื้นที่, ปริมาณ, เนื้อหาและแสงสว่างเพื่อให้บรรลุจุดสิ้นสุดซึ่งเป็นความงาม, หน้าที่การทำงานและมักจะเป็นศิลปะ.

สถาปนิกมักจะเป็นนักออกแบบอาคารผู้นำ, ที่มีวิศวกรโครงสร้างที่ได้รับการว่าจ้างให้เป็นที่ปรึกษาย่อย. ปริมาณที่แต่ละสาขาจะนำ​​การออกแบบได้จริงขึ้นอยู่อย่างมากกับชนิดของโครงสร้าง. หลายโครงสร้างมีโครงสร้างที่ง่ายและถูกนำโดยสถาปัตยกรรม, เช่นอาคารสำนักงานและบ้านที่อยู่อาศัยหลายชั้น, ในขณะที่โครงสร้างอื่น ๆ, เช่นโครงสร้างความตึง (), Thin-shell structure และ gridshell ที่ขึ้นอยู่อย่างมากกับรูปแบบของพวกมันเพื่อความแข็งแรงของพวกมันเอง, และวิศวกรอาจจะมีอิทธิพลที่มีนัยสำคัญมากขึ้นต่อรูปแบบ, ด้วยเหตุนี้ความงามจึงมีมากกว่าสถาปัต.

การออกแบบโครงสร้างอาคารต้องให้แน่ใจว่าอาคารจะสามารถตั้งตรงได้อย่างปลอดภัย, สามารถทำงานได้โดยไม่มีการโก่งตัวหรือการเคลื่อนไหวมากเกินไปซึ่งอาจก่อให้เกิดความเมื่อยล้าขององค์ประกอบโครงสร้าง, การแตกร้าวหรือความล้มเหลวของอุปกรณ์, ส่วนติดตั้งหรือผนังกั้นห้อง, หรือไม่สบายสำหรับผู้อยู่อาศัย. มันจะต้องรับผิดชอบสำหรับการเคลื่อนไหวและแรงเนื่องจากอุณหภูมิ, การคืบ, การแตกและโหลดที่ทับอยู่ข้างบน. นอกจากนี้ยังต้องให้แน่ใจว่าการออกแบบสามารถสร้างได้จริงภายในความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ของการผลิตวัสดุ. มันจะต้องยอมให้สถาปัตยกรรมในการทำงาน, และบริการของอาคารเพื่อให้เหมาะพอดีกับภายในอาคารและการทำงานตามหน้าที่ (เครื่องปรับอากาศ, การระบายอากาศ, สารสกัดจากควัน, ไฟฟ้า, แสงสว่างและอื่น ๆ). การออกแบบโครงสร้างของอาคารที่ทันสมัย​​สามารถที่ซับซ้อนอย่างสุดขั้ว, และมักจะต้องการทีมงานขนาดใหญ่เพื่อให้เสร็จสมบูรณ์.

ความพิเศษของวิศวกรรมโครงสร้างอาคารรวมถึง:

 วิศวกรรมแผ่นดินไหว
 วิศวกรรม ส่วนหน้าของอาคาร
 วิศวกรรมไฟ
 วิศวกรรมหลังคา
 วิศวกรรมอาคารสูง
 วิศวกรรมลม

 โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหว 
บทความหลัก: โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหว

โครงสร้างทางวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือพวกผู้ที่ถูกทำด้านวิศวกรรมเพื่อให้ทนต่อแผ่นดินไหว


วัตถุประสงค์หลักของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือเพื่อเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างกับการสั่นของพื้นดิน, คาดการณ์ผลที่ตามมาของการเกิดแผ่นดินไหวที่เป็นไปได้, และออกแบบและสร้างโครงสร้างที่จะคงทนในระหว่างการเกิดแผ่นดินไหว.

โครงสร้างที่ทนต่อแผ่นดินไหวไม่จำเป็นต้องมีความแข็งแรงมากอย่างเช่นพีระมิด El Castillo Chichen Itza ที่แสดงไว้ด้านบน. ในความเป็นจริง, หลายโครงสร้างที่ได้รับการพิจารณาว่าแข็งแกร่งอาจจะแข็งทื่อ, ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพการคงอยู่เมื่อเกิดการสั่นไหวที่ไม่ดี.

หนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือการแยกฐาน, ซึ่งจะช่วยให้ฐานของโครงสร้างที่จะเตลื่อนไหวได้อย่างอิสระจากพื้นดิน

 โครงสร้างวิศวกรรมโยธา 

วิศวกรรมโครงสร้างโยธารวมถึงวิศวกรรมโครงสร้างทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการสร้างสภาพแวดล้อม ซึ่งจะประกอบด้วย:

 สะพาน
 เขื่อน
 งานดิน
 ฐานราก
 โครงสร้างนอกชายฝั่ง
 ท่อส่ง
 สถานีพลังงาน
 รางรถไฟ
 โครงสร้างยึดและกำแพง
 ถนน
 อุโมงค์
 ทางน้ำ
 โครงสร้างพื้นฐานของน้ำและน้ำเสีย

วิศวกรโครงสร้างเป็นผู้นำนักออกแบบสำหรับโครงสร้างเหล่านี้, และมักจะออกแบบแต่เพียงผู้เดียว. ในการออกแบบโครงสร้างเช่นนี้, ความปลอดภัยของโครงสร้างมีความสำคัญยิ่ง (ในสหราชอาณาจักร การออกแบบเขื่อน, โรงไฟฟ้านิวเคลียร์และสะพานจะต้องมีการลงนามโดยวิศวกรผู้มีใบอนุญาต)

โครงสร้างวิศวกรรมโยธามักจะประสพกับแรงที่รุนแรงสุดขั้ว, เช่นการเปลี่ยนแปลงขนาดใหญ่ในอุณหภูมิ, โหลดแบบไดนามิกเช่นคลื่นหรือการจราจร, หรือแรงกดดันสูงจากน้ำหรือก๊าซที่ถูกบีบอัด. นอกจากนี้ มันยังมักจะถูกสร้างในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน, เช่นในทะเล, ในโรงงานอุตสาหกรรมหรือใต้ดิน.

 โครงสร้างเครื่องกล 

thumb

หลักการของวิศวกรรมโครงสร้างถูกนำมาใช้กับความหลากหลายของโครงสร้างของเครื่องจักรกล (ที่เคลื่อนที่ได้). การออกแบบโครงสร้างคงที่ถือว่าพวกมันมีรูปทรงเรขาคณิตที่เหมือนกันเสมอ (ในความเป็นจริง, โครงสร้างที่เรียกว่าคงที่สามารถเคลื่อนที่อย่างมีนัยสำคัญ, และการออกแบบโครงสร้างทางวิศวกรรมจะต้องนำสิ่งนี้มาพิจารณาถ้าจำเป็น), แต่การออกแบบของโครงสร้างที่เคลื่อนที่ได้หรือกำลังเคลื่อนที่ต้องพิจารณาความล้า, การแปรเปลี่ยนในวิธีการที่โหลดจะถูกแรงต้านและการโก่งตัวของโครงสร้างอย่างมีนัยสำคัญ.

แรงซึ่งหลายชิ้นส่วนของเครื่องกลที่จะต้องได้รับอาจจะแปรเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญ, และอาจจะรุนแรงในอัตราที่สูง. แรงที่เรือหรือเครื่องบินได้รับอาจจะแปรเปลี่ยนอย่างมากและอาจจะเป็นหลายพันครั้งตลอดช่วงอายุการใช้งานของโครงสร้าง. การออกแบบโครงสร้างต้องให้แน่ใจว่าโครงสร้างดังกล่าวมีความสามารถที่จะทนต่อโหลดเช่นนั้นได้ตลอดช่วงอายุของมันโดยไม่ล้มเหลว.

งานเหล่านี้ต้องการวิศวกรรมโครงสร้างเครื่องจักรกล:

 หม้อไอน้ำและภาชนะความดัน
 ขบวนรถและรถลาก
 รถเครน
 ลิฟท์
 บันไดเลื่อน
 เรือ

 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' (). 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 () 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.

 องค์ประกอบโครงสร้าง 
บทความหลัก: Space frame


โครงสร้างใด ๆ จะถูกทำขึ้นหลัก ๆ จากเพียงจำนวนเล็กน้อยของชนิดขององค์ประกอบที่แตกต่างกัน ได้แก่:

 เสา ()
 คาน ()
 แผ่น ()
 โครงสร้างรูปโค้ง ()
 เปลือกนอก ()
 Catenaries

องค์ประกอบทั้งหลายเหล่านี้สามารถจำแนกตามรูปแบบ (ตรง, แผ่น, โค้ง) และมิติ (มิติเดียว/สองมิติ) ดังนี้:

มิติเดียวสองมิติตรงโค้งแผ่นโค้ง แรงโค้งงอ () เป็นหลักคาน  โครงสร้างรูปโค้งต่อเนื่องแผ่น, แผ่นพื้นคอนกรีต  lamina, โดม แรงตึง () เป็นหลัก เชือก, เหล็กประกับ () Catenary เปลือกนอก แรงกดทับ () เป็นหลัก ตอม่อหรือเสาสะพาน, เสา กำแพงรับน้ำหนัก

 เสา 
บทความหลัก: เสา

เสาเป็นองค์ประกอบที่แบกรับแรงตามแนวแกนเท่านั้น - นั้นคือแรงกดทับ () - หรือทั้งแรงตามแนวแกนและแรงโค้งงอ () (ซึ่งทางเทคนิคเรียกว่าคาน-เสา () แต่ในทางปฏิบัติเรียกแค่เสา). การออกแบบของเสาจะต้องตรวจสอบความสามารถในแนวแกนขององค์ประกอบ, และความสามารถในการโค้งงอ.

ความสามารถในการโค้งงอคือความสามารถขององค์ประกอบในการทนต่อความโน้มเอียงในการหักงอ. ความสามารถของมันขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิต, วัสดุ, และความยาวที่มีผลของเสา, ซึ่งขึ้นอยู่กับสภาวะที่เหนี่ยวรั้งที่ด้านบนและด้านล่างของเสา. ความยาวที่มีผลจะเท่ากับ  โดยที่  คือความยาวที่แท้จริงของเสา.

ความสามารถของเสาในการแบกโหลดในแนวแกนขึ้นอยู่กับระดับของแรงโค้งงอที่มันจะต้องรองรับ, และในทางกลับกัน, ระดับของแรงโค้งงอที่มันจะต้องรองรับก็จะขึ้นอยู่กับความสามารถของเสาในการแบกโหลดในแนวแกน. นี้จะถูกแสดงในแผนภูมิการทำงานร่วมกันและเป็นความสัมพันธ์ที่ไม่เป็นเส้นตรงและซับซ้อนอันหนึ่ง.

 คาน 
บทความหลัก: คาน


คานอาจถูกนิยามว่าเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่มีด้าน ๆ หนึ่งใหญ่กว่าอีกสองด้านและโหลดที่ถูกใส่ให้มักจะถูกกดลงบนแกนหลักขององค์ประกอบนั้น. คานและเสาจะถูกเรียกว่าองค์ประกอบของเส้นและมักจะถูกแทนด้วยเส้นที่เรียบง่ายในการสร้างแบบจำลองโครงสร้าง.

 แบบคานยื่น () (มีรองรับที่ปลายด้านหนึ่งเท่านั้นด้วยการเชื่อมต่อแบบถาวร เช่นเสาธงแนวราบหรือเอียง)
 มีการรองรับง่าย ๆ (การรองรับอยู่ในแนวตั้งที่ปลายแต่ละด้าน, ในแนวนอนมีเพียงด้านเดียวเพื่อทนต่อแรงเสียดทาน เช่นกระดานโดดน้ำ, และสามารถหมุนที่จุดรองรับ เช่นสะพานเปิด/ปิดได้)
 คงที่ (รองรับที่ปลายทั้งสองด้านโดยการเชื่อมต่อตายตัว, ไม่สามารถหมุนได้ที่จุดรองรับ)
 อย่างต่อเนื่อง (รองรับสามจุดหรือมากกว่า)
 ผสมกันของแบบข้างต้น (เช่น รองรับที่ปลายด้านหนึ่งและตรงกลาง)

คานเป็นองค์ประกอบที่แบกรับแรงโค้งงออย่างเดียวเท่านั้น. แรงโค้งงอทำให้ส่วนหนึ่งของคาน (แบ่งตามความยาวของมัน) อยู่ในสภาพ​​การกดทับและส่วนอื่น ๆ อยู่ในความตึง. ส่วนที่ถูกกดทับจะต้องถูกออกแบบเพื่อต้านทานการโค้งงอและการบด, ในขณะที่ส่วนที่อยู่ในความตึงจะต้องมีความสามารถเพียงพอที่จะต่อต้านความตึงนั้น.

 Trusses 
บทความหลัก: Truss


truss เป็นโครงสร้างแบบหนึ่งที่ประกอบด้วยองค์ประกอบโครงสร้างสองประเภท ได้แก่; ส่วนประกอบที่ถูกแรงกดทับ () และส่วนประกอบที่ถูกแรงดึง () (เช่นเสาค้ำ () และเหล็กประกับ () ). truss ส่วนใหญ่ใช้เหล็กฉาก () ในการเชื่อมต่อหลาย ๆ องค์ประกอบเข้าด้วยกัน. เหล็กฉากค่อนข้างมีความยืดหยุ่นและช่วยลดโมเม้นท์การโค้งงอ () ที่จุดเชื่อมต่อ, จึงเป็นการช่วยให้ truss members สามารถแบกรับแรงตึงหรือแรงกดทับหลักได้.

Truss มักจะถูกนำมาใช้ในโครงสร้างขนาดใหญ่, ในที่ซึ่งมันไม่ประหยัดการใช้คานเป็นแท่งแข็ง.

 แผ่น 
แผ่นแบกรับการหักงอในสองทิศทาง. แผ่นพื้นคอนกรีตเป็นตัวอย่างหนึ่งของแผ่น. แผ่นสามารถเข้าใจได้โดยใช้กลไกต่อเนื่อง (), แต่เนื่องจากความซับซ้อนที่เกี่ยวข้อง, พวกมันส่วนใหญ่มักได้รับการออกแบบโดยใช้วิธีการเชิงประจักษ์ประมวลผลหรือการวิเคราะห์คอมพิวเตอร์.

นอกจากนี้พวกมันยังสามารถได้รับการออกแบบด้วยทฤษฎีเส้นผลตอบแทน (), ในที่ซึ่งกลไกการล่มสลายที่ได้สันนิษฐานไว้มีการวิเคราะห์เพื่อให้ขอบเขตด้านบน () บนโหลดที่ล่มสลาย (ดู Plasticity). เทคนิคนี้ถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติhttp://www.ramsay-maunder.co.uk/downloads/precast_roof_slabs.pdf แต่เพราะวิธีการนี้จะให้ ขอบเขตด้านบน, เช่นการคาดการณ์ที่ไม่ปลอดภัยของการโหลดที่ล่มสลาย, สำหรับกลไกการล่มสลายที่ถูกคิดขึนอย่างไม่ดี การดูแลอย่างมากเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ากลไกการล่มสลายที่สันนิษฐานไว้จะเป็นจริงhttp://www.ramsay-maunder.co.uk/downloads/l_shaped_landing.pdf.

 เปลือก 
บทความหลัก: โครงสร้างเปลือกบาง

ดูเพิ่มเติม: gridshell

เปลือกได้รับกำลังของพวกมันมาจากรูปแบบของพวกมันเอง, และแบกรับแรงกดทับทั้งหมดในสองทิศทาง. โดมเป็นตัวอย่างหนึ่งของเปลือก. พวกมันสามารถได้รับการออกแบบโดยการทำเป็นแบบแขวนห่วงโซ่, ซึ่งจะทำหน้าที่เป็น catenary ในแรงตึงเครียดที่บริสุทธิ์, และกลับหัวรูปแบบเพื่อให้บรรลุแรงบีบอัดที่บริสุทธิ์.

 โครงสร้างโค้ง 
บทความหลัก: Arch


โครงสร้างโค้งแบกรับแรงกดทับบีบอัดในทิศทางเดียวเท่านั้น, ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีความเหมาะสมที่จะสร้างซุ้มประตูโค้งจากอิฐ. พวกมันได้รับการออกแบบโดยมั่นใจว่าสายของแรงผลักดัน () ของแรงยังคงอยู่ภายในความลึกของซุ้มประตูโค้ง. ส่วนใหญ่มันจะถูกใช้เพื่อเพิ่มความโดดเด่นของโครงสร้างใด ๆ.

 Catenaries 
บทความหลัก: โครงสร้างแรงดึง

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

 ทฤษฎีวิศวกรรมโครงสร้าง 
บทความหลัก: ทฤษฎีวิศวกรรมโครงสร้าง


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

 วัสดุ 
บทความหลัก: วัสดุโครงสร้าง

วิศวกรรมโครงสร้างขึ้นอยู่กับความรู้ของวัสดุและคุณสมบัติของพวกมัน, เพื่อที่จะเข้าใจว่าวัสดุที่แตกต่างกันรองรับและต่อต้านโหลดได้อย่างไร.

วัสดุโครงสร้างที่พบบ่อยคือ

 เหล็ก: เหล็กดัด, เหล็กหล่อ
 คอนกรีต: คอนกรีตเสริมเหล็ก, คอนกรีตอัดแรง
 โลหะผสม: เหล็กกล้า, เหล็กสเตนเลส
 อิฐ
 ไม้: ไม้เนื้อแข็ง, ไม้เนื้ออ่อน
 อะลูมิเนียม; ยูพีวีซี
 วัสดุคอมโพสิต: ไม้อัด
 วัสดุโครงสร้างอื่น ๆ : อิฐที่ตากแห้ง, ไม้ไผ่, คาร์บอนไฟเบอร์, พลาสติกเสริมไฟเบอร์, อิฐโคลน, วัสดุมุงหลังคา, อะคริลิค

 อ้างอิง 

 วิวัฒนาการ วิศวกรรมโครงสร้างไทย
 การออกแบบโครงสร้างอาคารใบหยก 2 เพื่อรับแรงด้านข้าง
 The Community for Civil Engineer.

หมวดหมู่:สาขาทางวิศวกรรมศาสตร์
หมวดหมู่:วิศวกรรมโยธา