น้ำหนักบรรทุกคงที่และน้ำหนักบรรทุกจร

Concept (แนวคิด)

การออกแบบโครงสร้างเริ่มต้นด้วยการระบุและหาปริมาณน้ำหนักบรรทุกที่โครงสร้างต้องรองรับ

• น้ำหนักบรรทุกคงที่ (Dead Loads, $D$) ประกอบด้วยน้ำหนักของวัสดุก่อสร้างทั้งหมดที่รวมอยู่ในอาคาร รวมถึงผนัง พื้น หลังคา เพดาน บันได และอุปกรณ์บริการที่ติดตั้งถาวร น้ำหนักเหล่านี้มีขนาดคงที่และมีตำแหน่งที่ตั้งตายตัวตลอดอายุการใช้งานของโครงสร้าง
• น้ำหนักบรรทุกจร (Live Loads, $L$) คือน้ำหนักบรรทุกที่เกิดจากการใช้งานและการครอบครองอาคารหรือโครงสร้างอื่นๆ โดยไม่รวมถึงน้ำหนักบรรทุกจากการก่อสร้างหรือสิ่งแวดล้อม น้ำหนักบรรทุกจรเป็นสิ่งชั่วคราว ขนาดและตำแหน่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตลอดเวลา (เช่น ผู้คน เฟอร์นิเจอร์ ฉากกั้นที่เคลื่อนย้ายได้)

เนื่องจากการเกิดน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่เป็นไปได้พร้อมๆ กันนั้นมีโอกาสเป็นไปได้น้อยมาก มาตรฐานโครงสร้าง (เช่น ASCE 7) จึงระบุ การรวมน้ำหนักบรรทุก (Load Combinations) เพื่อให้ระดับความปลอดภัยมีความสม่ำเสมอ

Formula & Method (สูตรและวิธีการ)

สำหรับการออกแบบเบื้องต้นโดยใช้วิธีหน่วยแรงที่ยอมให้ (Allowable Stress Design - ASD) การรวมค่าน้ำหนักบรรทุกคงที่และน้ำหนักบรรทุกจรพื้นฐาน ได้แก่:

1. $D$
2. $D + L$

สำหรับการออกแบบด้วยตัวคูณน้ำหนักบรรทุกและความต้านทาน (Load and Resistance Factor Design - LRFD) น้ำหนักบรรทุกจะถูกคูณด้วยตัวคูณน้ำหนักบรรทุกเชิงสถิติ ($\gamma$) เพื่อรองรับความไม่แน่นอน:

1. $1.4 D$
2. $1.2 D + 1.6 L + 0.5 (L_r \text{ หรือ } S \text{ หรือ } R)$

(โดยที่ $L_r$ คือน้ำหนักบรรทุกจรบนหลังคา, $S$ คือน้ำหนักบรรทุกหิมะ และ $R$ คือน้ำหนักบรรทุกฝน)

การออกแบบจะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขที่ว่า กำลังที่ต้องการ (ผลของน้ำหนักบรรทุกที่คูณตัวคูณแล้ว) จะต้องไม่เกินกำลังออกแบบ (ความต้านทานของวัสดุที่คูณตัวคูณแล้ว)

Variables & Units (ตัวแปรและหน่วย)

• $D$ = ผลของน้ำหนักบรรทุกคงที่
• $L$ = ผลของน้ำหนักบรรทุกจร
• หน่วย: น้ำหนักบรรทุกแบบจุดมีหน่วยเป็น นิวตัน (N) หรือ kips; น้ำหนักบรรทุกแบบเส้นมีหน่วยเป็น N/m หรือ lb/ft; น้ำหนักบรรทุกแบบพื้นที่ (ความดัน) มีหน่วยเป็น N/m² (Pa) หรือ psf
• ตัวคูณน้ำหนักบรรทุก (เช่น 1.2, 1.6) เป็นตัวคูณที่ไม่มีหน่วย

Engineering Meaning (ความหมายทางวิศวกรรม)

การแยกความแตกต่างระหว่างน้ำหนักบรรทุกคงที่และน้ำหนักบรรทุกจรมีความสำคัญต่อความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ น้ำหนักบรรทุกคงที่สามารถคาดการณ์ได้สูงมากเนื่องจากทราบความหนาแน่นของวัสดุและปริมาตรทางเรขาคณิต ดังนั้นจึงมีค่าตัวคูณน้ำหนักบรรทุกที่ต่ำกว่า (1.2 ใน LRFD) น้ำหนักบรรทุกจรมีความไม่แน่นอนสูงและต้องอาศัยการประมาณค่าทางสถิติของพฤติกรรมมนุษย์และการใช้พื้นที่ ซึ่งต้องการส่วนเผื่อความปลอดภัยที่สูงกว่า (ตัวคูณน้ำหนักบรรทุก 1.6)

Engineering Check (การตรวจสอบทางวิศวกรรม)

เมื่อคำนวณน้ำหนักบรรทุกคงที่ วิศวกรต้องไม่ลืมที่จะรวมน้ำหนักของชิ้นส่วนโครงสร้างที่กำลังออกแบบด้วย ซึ่งมักต้องใช้กระบวนการทำซ้ำ (iterative process) คือ การคาดเดาขนาดชิ้นส่วนเบื้องต้น การคำนวณน้ำหนัก การตรวจสอบการออกแบบ และปรับขนาดหากจำเป็น นอกจากนี้ น้ำหนักบรรทุกจรบนพื้นที่พื้นขนาดใหญ่อาจสามารถลดลงได้ในทางสถิติ เนื่องจากเป็นไปไม่ได้ที่พื้นทั้งหมดจะรับน้ำหนักเต็มพิกัดในเวลาเดียวกัน

Explicit Exclusions (ข้อยกเว้นที่ระบุชัดเจน)

บทความพื้นฐานนี้ไม่ครอบคลุมถึงการคำนวณการลดค่าน้ำหนักบรรทุกจร น้ำหนักบรรทุกจากสิ่งแวดล้อม (ลม, แผ่นดินไหว, หิมะ) น้ำหนักบรรทุกเคลื่อนที่บนสะพาน (เส้นอิทธิพล - influence lines) และตัวคูณแรงกระแทกเชิงพลวัต