สะพานเป็นโครงสร้างทางวิศวกรรมที่ใช้ในการขยายวัตถุหุบเขา ทางน้ำ หรืออื่น ๆจะช่วยให้ยานพาหนะหรือคนเดินเท้าได้อย่างปลอดภัยเดินทางข้ามอุปสรรคต่างๆ

ความยิ่งใหญ่ของสะพานไม่ได้อยู่ที่การออกแบบให้ใหญ่โตสวยงามเท่านั้นการเลือกใช้วัสดุก่อสร้างที่สามารถรับแรงได้มหาศาลย่อมเป็นเครื่องยืนยันความปลอดภัยของผู้คนและรถยนต์ที่วิ่งบนสะพานได้เป็นอย่างดีไม่ว่าจะเป็นเสาสะพาน ถนนบนสะพาน หรือสายเคเบิลที่ช่วยดึงรั้งหรือแขวนสะพาน ส่วนประกอบต่างๆ เหล่านี้ต้องเผชิญกับความเครียดที่เกิดจากแรงที่สำคัญ 2ประเภท คือ แรงบีบอัด (compression) และแรงดึง (tension) ซึ่งสามารถอธิปายอย่างง่ายๆ โดยเปรียบเทียบกับการที่เรากดสปริงให้ย่นลงมา แรงบีบอัดทำให้สปริงหดสั้นเข้าหากัน

และหากเราดึงสปริงให้ยืดออกนั้นคือเราทำให้เกิดแรงดึงในสปริง แรงดึงทำให้สปริงยืดยาวขึ้นนั้นเอง แรงบีบอัดและแรงดึงเกิดขึ้นได้กับทุกสะพาน ผู้ออกแบบสะพานพยายามรักษาสมดุลระหว่างแรงทั้งสอง เพื่อไม่ให้สะพานเกิดการโค้งงอหรือแตกหักพังทรายลง วิธีที่ดีที่สุดคือการออกแบบให้เกิดการกระจายแรงหรือถ่ายเทแรงไปที่ส่วนประกอบอื่นที่เสริมขึ้นมา

โดยทั่วไปการออกแบบสะพานมีด้วยกัน 3 ลักษณะ นอกจากสะพานโดยทั่วไปที่วางพาดระหว่างเสาตอม่อจำนวน 2 เสาเพื่อรับน้ำหนัก ที่เรียกว่า “beam bridge” แล้ว ยังมีการออกแบบเพิ่มเติมโดยใช้เสาค้ำบนสะพานที่เรียกว่า “truss” เพื่อช่วยผ่อนแรงบีบอัดด้านบนสะพานหรือรับแรงดึงที่พื้นผิวด้านใต้สะพาน การใช้ truss จะสร้างความหลากหลายให้กับ beam bridge ทั้งในเรื่องของรูปแบบและวัสดุที่ใช้ หรือการออกแบบให้มีส่วนโค้งเว้าที่เรียกว่า “arch bridge” นั้น ก็ทำเพื่อช่วยถ่ายเทแรงเช่นเดียวกันโดยแรงจะถูกกระจายมาอยู่ตามเสาโค้งของสะพานนั้นเอง arch bridge เป็นสะพานที่มีเสน่ห์และความสวยงามตามรูปแบบของธรรมชาติ นิยมสร้างกันมากในสมัยโบราณด้วยวัสดุจำพวกหินและอิฐ และมีความแข็งแรงมาจนถึงปัจจุบัน ดังจะเห็นได้ในประเทศแถบยุโรปที่สะพานแบบนี้สร้างขึ้นจากหินธรรมชาติก่อขึ้นเป็นสะพานโดยไม่ต้องฉาปปูนหรือวัสดุใดๆที่ทำหน้าที่เป็นกาวที่จะเชื่อมหินเหล่านั้นเข้าด้วยกัน

ปัจจุบันนิยมสร้างสะพานแขวนและสะพานขึง เป็นสะพานที่สร้างขึ้นให้มีขนาดใหญ่และยาวมากๆ ได้ โดยที่สามารถออกแบบให้มีช่วงกว้างระหว่างเสาตอม่อที่รองรับสะพานหรือเรียกว่า “span” ได้มากถึง 2100 เมตร สะพานแบบนี้มีเสาขนาดใหญ่ที่ช่วยรับแรงบีบอัดของตัวสะพานเพื่อถ่ายเทลงสู่พื้นดิน นอกจากนั้นยังช่วยรับแรงดึงจากเชือกหรือสายเคเบิลให้ถ่ายลงไปยังพื้นดินอีกทีหนึ่งด้วย

สะพานแขวน (Suspension bridge)

คือ รูปแบบของสะพานแบบหนึ่ง ซึ่งพื้นสะพานถูกแขวนด้วยสายเคเบิลในแนวตั้งถือน้ำหนักของพื้นสะพานด้านล่างและมีการจราจรอยู่ด้านบน สะพานแขวนนั้นถือว่าเป็นแบบที่มีช่วงข้ามยาวที่สุด เมื่อเทียบกับสะพานแบบ อื่นๆ โดยโครงสร้างของสะพาน จะประกอบด้วยการโยงสายเคเบิล ข้ามฝั่งจากฝั่งหนึ่งไปอีกฝั่งหนึ่ง โดยที่แต่ละฝั่งก็จะสร้างฐาน ยึดสายเคเบิลนี้ไว้อย่างแน่นหนา ส่วนเคเบิลนี้จะขึ้นไป พาดอยู่บนเสาที่อยู่ระหว่างฝั่ง โดยส่วนมากจะออกแบบให้มีสองเสา ส่วนตัวพื้นสะพานก็จะถูกยึดแขวน ด้วยสายโยงไปยังสายเคเบิลนี้

สำหรับในการทำงานนั้น นํ้าหนักบนสะพานจะดึง สายโยงย่อยไปยังสายเคเบิล และแรงดึงที่เกิดขึ้นในสายเคเบิล ก็จะถูกถ่ายออกไปยังฐานยึดของสายเคเบิล ที่อยู่บนฝั่งตลิ่งทั้งสองข้าง ส่วนเสาตรงกลางทั้งสอง จะเป็นตัวรับนํ้าหนักของสะพานนั่นเอง ด้วยการใช้สายเคเบิลในช่วยถ่ายนํ้าหนัก จากพื้นสะพานนี้เอง ทำให้สามารถขยายช่วงข้ามในยาวออกไปได้ นอกจากนั้น พื้นสะพานก็ออกแบบเป็นโครง เพื่อไม่ให้พื้นสะพานเกิดการบิดตัวได้จากแรงลม ตัวอย่างของสะพานแบบนี้ก็เช่น Golden Gate Bridgeที่เมืองซานฟรานซิสโก Clifton-Suspension-Bridge ของประเทศอังกฤษ

สะพานโกลเดนเกต ทอดยาวข้ามอ่าวตอนเหนือของเมืองซานฟรานซิสโก รัฐแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา สร้างในสมัยประธานาธิบดีแฟรงคลิน ดี. รูสเวลท์ เมื่อปี ค.ศ. 1933 เสร็จสมบูรณ์ในปี ค.ศ. 1937 ตอนกลางสะพานยาว 1,280 เมตร กว้าง 27 เมตร สูงกว่าระดับน้ำทะเล 67 เมตร มีทางรถยนต์ 6 ทาง รถบรรทุก 3 ทาง รถไฟ 2 ทาง ใช้งบประมาณก่อสร้างราว 35 ล้านดอลลาร์สหรัฐ

สะพานขึง (Cable-stayed bridge)

คือสะพานรูปแบบหนึ่งที่มีหนึ่งหอคอยหรือมากกว่า ซึ่งมีสายเคเบิลในการพยุงพื้นสะพาน รูปแบบของสะพานนี้มีสองแบบหลัก ๆ ได้แก่ ฮาร์ป (harp) และแฟน (fan)

ในส่วนของฮาร์ปหรือการออกแบบแนวขนาน สายเคเบิลเกือบจะขนานกันเพื่อที่จะให้ความสูงและการเชื่อมต่อของหอคอยได้สัดส่วน ในส่วนของแฟน สายเคเบิลทั้งหมดเชื่อมต่อหรือผ่านส่วนบนสุดของหอคอย การออกแบบของแฟนเหนือกว่าในด้านโครงสร้าง เพราะสายเคเบิลจบใกล้กับส่วนบนสุดของหอคอย แต่มีช่องว่างของแต่ละสายอย่างเพียงพอ ซึ่งปรับปรุงด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม และการเข้าถึงสายเคเบิลแต่ละสายได้อย่างดีในการดูแลรักษา

สะพานขึงเหมาะสมสำหรับช่วงกลางที่ยาวกว่าสะพานยื่น (cantilever bridge) และสั้นกว่าสะพานแขวน (suspension bridge) เพราะสะพานยืนจะหนักขึ้นอย่างรวดเร็วหากมีการสร้างช่วงกลางที่ยาวขึ้น และสะพานแขวนจะไม่ประหยัดมากขึ้นหากมีการสร้างช่วงกลางที่สั้นลง เพราะฉะนั้นสะพานขึงจึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสำหรับสะพานที่ไม่สั้นหรือยาวมากเกินไป

สะพานประเภทนี้มีในประเทศไทยหลายสะพานเลย เช่น สะพานพระราม 9, สะพานพระราม 8, สะพานวงแวนอุตสาหกรรม และสะพานกาญจนาภิเษก

ข้อสังเกต

สะพานแขวนและสะพานขึงมีรูปแบบที่ต่างกันอย่างเห็นได้ชัด

ถ้าเป็นสะพานแขวน (suspension bridge)จะมีสายเคเบิลหลักที่โยงจากฝั่งนึงไปอีกฝั่งนึง และจะไปพาดอยู่บนเสาระหว่างฝั่ง โดยน้ำหนักบนสะพาน เหมือนกับการเอาสายเคเบิลไปแขวนกับโครงสะพานนั่นเอง และจะมีสายโยงย่อยๆ จากเคเบิลลงมาผูกติดกับตัวสะพาน ทำให้แรงดึงเกิดขึ้นที่สายเคเบิลหลักและถูกถ่ายออกไปยังฐานยึดของสายเคเบิลทั้งสองฝั่ง ส่วนเสาตรงกลางทั้งสองจะเป็นตัวที่รับน้ำหนักของสะพาน

ส่วนสะพานขึง (Cable Stay bridge)จะมีลักษณะเหมือนสะพานข้ามแม่น้ำเจ้าพระยาบ้านเรา ที่จะมีสลิงเรียงๆ และไปยึดติดกับยอดเสา เวลาขับรถผ่านก็จะสวยงามมาก จุดที่แตกต่างจากสะพานแขวนอย่างเห็นได้ชัดสุดๆ ก็คือ สลิงของสะพานขึงจะยึดตรึงสะพานไว้กับโครงเสาโดยตรง มีจุดรวมแรงการรับน้ำหนักเพียงจุดเดียว ซึ่งถ้าเรามองจากด้านข้างจะเห็นคล้ายๆ กับตัว A นั่นเอง แต่สะพานแขวนจะมีสายเคเบิลหลักคอยรับน้ำหนักเอาไว้ก่อนส่งถ่ายไปยังฐานยึดทั้งสองฝั่ง

แม้ว่า สะพานแขวน และสะพานขึง จะมีรูปแบบที่แตกต่างกัน แต่ก็มีอะไรบางอย่างที่คล้ายกัน นั่นก็คือการอาศัย "แรงดึง" เป็นการรับน้ำหนักของสะพานโดยมีเคเบิล เป็นวัสดุหลักที่สำคัญในการทำสะพาน เพราะจะต้องทำหน้าที่รับน้ำหนักและสร้างสมดุล ซึ่งเคเบิลแต่ละเส้นจะต้องแข็งแรงมาก ไหนจะต้องรับน้ำหนักสะพานแล้ว ยังมีน้ำหนักของรถยนต์ที่วิ่งไปมาบนสะพานอีก นอกจานี้ยังมีผลกระทบในเรื่องของสภาพแวดล้อม ทั้งลม ฝนโดยเคเบิลหนึ่งเส้น จะประกอบไปด้วยเส้นหลายๆ เส้นพันอยู่ด้วยกัน ซึ่งจะต้องชุบสังกะสี และอาบขี้ผึ้งเพื่อกันสนิมก่อนด้วย หลังจากนั้นจึงนำไปตีเกลียวให้ได้ขนาดใหญ่และแข็งแรง ดังนั้นการจะสร้างสะพานประเภทนี้ได้ จึงต้องออกแบบและวางแผนกันเป็นอย่างดี ตั้งแต่ในเรื่องอุปกรณ์กันเลยทีเดียว

from the situation

บริษัท ส่งไว จำกัด เป็นบริษัทขนส่งสินค้าอันดับหนึ่งของจังหวัด วันหนึ่งระหว่างการขนส่งสินค้ามาเต็มคัน รถมีน้ำหนัก 750 กรัม และสินค้าหนัก 250 กรัม โดยคนขับต้องขับรถผ่านเส้นทางคดเคี้ยว และสะพานข้ามแม่น้ำแห่งหนึ่ง ซึ่งแม่น้ำมีความกว้าง 30 เซนติเมตร และต้องใช้เวลาขับรถบนสะพานเป็นเวลา 3 นาที หากนักเรียนเป็นวิศวกรจะออกแบบสะพานอย่างไร เพื่อให้การขนส่งสินค้าคันดังกล่าวข้ามสะพานไปได้อย่างปลอดภัย

objective

1.เพื่อสร้างและทดสอบประสิทธิภาพของสะพานด้วยกระบวนการทางวิศวกรรม 

2.เพื่อถ่ายทอดแนวคิดในการออกแบบสะพานเพื่ออธิบายและสื่อสารเพื่อให้ผู้อื่นเข้าใจ

concept

Science (วิทยาศาสตร์) หลักการและความรู้เกี่ยวกับเรื่องวัสดุ แรงบีบอัด (compression) และ แรงดึง (tension) และกระบวนการทางวิทยาศาสตร์

Technology (เทคโนโลยี) การใช้เทคโนโลยีต่างๆ เช่น การสืบค้นข้อมูลข้อมูลผ่านอินเตอร์เน็ต การใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์เป็นเครื่องมือในการทำงาน

Engineering (วิศวกรรมศาสตร์) กระบวนการออกแบบเชิงวิศวกรรมและการออกแบบย(สร้างสะพาน)

Mathematics (คณิตศาสตร์) แนวคิดที่นำมาใช้ในการสร้างที่บูรณาการหลายๆด้าน ทั้งรูปทรงเรขาคณิต มาตรส่วนที่ถูกต้องในการออกแบบ น้ำหนัก พื้นที่ ปริมาตร การวัด รวมทั้งด้านการคำนวณน้ำหนักของวัตถุ

ขั้นที่ 1 ระบุปัญหา ( Problem Identification)

จากสถานการณ์นี้มีเงื่อนไขและข้อจำกัด คือ

1.รถมีน้ำหนัก 750 กรัม และมีสินค้าหนัก 250 กรัม 

2.แม่น้ำมีความกว้าง 30 เซนติเมตร 

3.ใช้เวลาขับรถบนสะพาน 3 นาที

ขั้นที่ 2 รวมรวบข้อมูลและแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับปัญหา (Related Information Search)

โดยการศึกษาความรู้ทางวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง คือ 

1.โครงสร้างและรูปแบบของสะพานในรูปแบบต่างๆ เช่น แบบคาน แบบโค้ง แบบแขวน แบบขึง 

2.วัสดุก่อสร้างที่สามารถรับแรงได้ 

3.แรงต่างๆที่เกี่ยวข้อง เช่น แรงบีบอัด (compression) และ แรงดึง (tension) 4.การวัด การคาดคะเนขนาดของสะพานที่ต้องการสร้าง

ข้อดี 

1.ทำให้รู้ว่าโครงสร้างและรูปแบบใดเหมาะสำหรับนำมาสร้างสะพาน 

2.ทำให้รู้ว่าวัสดุใดเหมาะสำหรับนำมาใช้สร้างสะพาน 

3.ทำให้รู้ว่ามีแรงบีบอัด (compression) และ แรงดึง (tension) ที่มีผลต่อการออกแบบสะพาน 

4.ทำให้ได้ขนาดที่มีความเหมาะสมต่อการสร้างสะพาน 

ข้อจำกัด 

ต้องออกแบบสะพานและสร้างสะพานในเวลาที่มีจำกัด

ขั้นที่ 3 ออกแบบวิธีการแก้ปัญหา (Solution Design)

นำข้อมูลหรือแนวคิดที่เกี่ยวข้องมาประยุกต์ใช้ในการออกแบบสะพาน โดยได้คำนึงถึงข้อจำกัดและเงื่อนไขตามสถานการณ์ จากที่ได้ออกแบบภาพร่างลักษณะของสะพาน สรุปได้ว่า เลือกสร้างสะพานจากโครงสร้าง สะพานแบบโค้ง เพราะ มีความแข็งแรงและรับน้ำหนักได้มากที่สุด

ขั้นที่ 4 วางแผนและดำเนินการแก้ปัญหา (Planning and Development)

1.วางแผนการดำเนินงาน 

2.สร้างสะพานตามแบบจำลองที่ได้ออกแบบไว้

ขั้นที่ 5 ทดสอบประเมินผลและปรับปรุงแก้ไขวิธีการปัญหาหรือชิ้นงาน (Testing Evaluation and Design improvement)

จากการทดลองสะพานแล้ว สรุปได้ว่าสามารถรับน้ำหนักรถมีน้ำหนัก 750 กรัม และสินค้าหนัก 250 กรัมได้ มีความกว้างที่สามารถพาดระหว่างแม่น้ำ 30 เซนติเมตรได้ รถสามารถขับบนสะพานได้เป็นเวลา 3 นาที แต่รูปแบบของสะพานยังไม่สวยงามทางผู้จัดทำจึงได้มีการเพิ่มเติมให้มีความสวยงามมากขึ้น

ขั้นที่ 6 นำเสนอวิธีการแก้ปัญหาผลงานหรือแก้ปัญหาชิ้นงาน (Presentation)

จากการทดลองพบว่าการแก้ไขปัญหาโดยใช้ขั้นตอนการออกแบบแบบวิศวกรรมนั้นสามารถนำมาใช้ได้จริงตามที่ได้ออกแบบสะพานไว้ ตั้งแต่สร้างสะพานขึ้นในขั้นตอนแรก จนแก้ไขปัญหาและพัฒนามาเป็นชิ้นงานที่เสร็จสมบูรณ์

conclusion

จากการที่เราได้แก้ไขและพัฒนาสะพาน จนได้เป็นชิ้นงานที่สมบูรณ์แล้วนั้น ทำให้เราได้สะพานที่สามารถนำไปใช้งานได้จริง คือ สะพานสามารถรับน้ำหนักรถที่มีน้ำหนัก 750 กรัม และสินค้าหนัก 250 กรัมได้ มีความกว้างที่สามารถพาดระหว่างแม่น้ำ 30 เซนติเมตรได้ และรถสามารถขับบนสะพานได้เป็นเวลา 3 นาที