เมื่อพิจารณาถึงการรับแรงแล้ว ท่อสี่เหลี่ยมสามารถกระจายแรงได้อย่างสม่ำเสมอทั้งสี่ด้าน ทำให้มีความต้านทานต่อแรงดัดและแรงบิดได้ค่อนข้างดี มุมฉากของท่อเพิ่มความแข็งแกร่งตามธรรมชาติให้กับโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมเกรด ASTM A500 Grade B สามารถรองรับแรงได้ประมาณ 46,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ก่อนเกิดการเปลี่ยนรูป เมื่อเทียบกับท่อแบบกลมที่มีขนาดใกล้เคียงกัน ท่อนี้มีโมเมนต์ของความเฉื่อยมากกว่าประมาณ 1.7 เท่า เนื่องจากรูปร่างที่มีประสิทธิภาพนี้ วิศวกรจึงมักเลือกใช้ท่อสี่เหลี่ยมในการสร้างเสา โครงถักสะพาน และโครงสร้างต่างๆ ที่ต้องรับน้ำหนักจากหลายทิศทางตลอดทั้งวัน
ท่อสี่เหลี่ยมโครงสร้างมาตรฐานผลิตจากเหล็กกล้าคาร์บอนเกรดที่ออกแบบมาให้เหมาะสมกับความต้องการด้านประสิทธิภาพเฉพาะเจาะจง:
| คุณสมบัติ | ASTM A500 Grade B | ASTM A513 Type 5 |
|---|---|---|
| ความต้านทานแรงดึง (psi) | 46,000 | 50,000 |
| แรงดึง (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) | 58,000 | 70,000 |
| การใช้หลัก | โครงสร้างกรอบ | ชิ้นส่วนเครื่องจักร |
หน้าตัดกลวงช่วยลดน้ำหนักได้สูงสุดถึง 40% เมื่อเทียบกับแท่งตัน ขณะที่ยังคงความสามารถในการรับน้ำหนักไว้ได้ 85–92% โดยอาศัยการกระจายแรงตามแนวเส้นรอบรูปอย่างมีประสิทธิภาพ
ท่อสี่เหลี่ยมมีความต้านทานการโค้งได้มากกว่าท่อรอบ 1.3 เท่า และมีความแข็งแรงต่อการบิดได้สูงกว่าท่อรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า 22% เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตที่สมมาตร ซึ่งช่วยขจัดจุดอ่อนที่ขึ้นกับแนวแกน การทดสอบพบว่าท่อสี่เหลี่ยมขนาด 4 นิ้ว สามารถรองรับแรงอัดได้ถึง 15,000 ปอนด์โดยไม่โก่งงอ ในขณะที่ท่อรอบที่มีขนาดเทียบเท่ากันรองรับได้เพียง 11,200 ปอนด์
ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมคาร์บอนต่ำแบบรีดร้อนแสดงรูปแบบการล้มเหลวที่คาดเดาได้ภายใต้ภาระเกิน โดยมีความต้านทานแรงดึงตั้งแต่ 36,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (เกรด A) ถึง 50,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (เกรด C) ด้วยค่าโมเมนต์ของพื้นที่ (I") เฉลี่ยอยู่ที่ 8.22 นิ้ว⁴ ต่อฟุตยาว ซึ่งช่วยให้สามารถรองรับช่วงความยาวของการค้ำยันได้ยาวขึ้นถึง 30% เมื่อเทียบกับคานรูปตัวไอในงานที่ไม่ใช่เชิงวิกฤต
รูปร่างสี่เหลี่ยมของท่อเหล็กทำให้มีความแข็งแรงต่อการบิดได้ดีเยี่ยม เนื่องจากมุมฉากช่วยกระจายแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ท่อชนิดนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับต้านทานทั้งแรงกดในแนวตั้งจากด้านบนและแรงด้านข้างที่กระทำต่อโครงสร้าง จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมท่อเหล็กจึงเป็นที่นิยมใช้ในการก่อสร้างอาคารหลายชั้น เมื่อพิจารณาถึงข้อกำหนดเฉพาะทาง ท่อ ASTM A500 Grade B ได้กลายเป็นมาตรฐานในโครงสร้างที่ต้านทานแผ่นดินไหวหลายประเภท โดยท่อเหล่านี้ต้องมีค่าความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำประมาณ 46 ksi (กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว) การที่วัสดุเหล่านี้สามารถจัดการกับแรงเครียดได้อย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งพื้นผิว ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดจุดอ่อนขึ้นในช่วงเกิดแผ่นดินไหว การกระจายแรงอย่างเท่าเทียมกันนี้ช่วยป้องกันปัญหาการโก่งตัวแบบเฉพาะจุด และทำให้อาคารโดยรวมมีความทนทานมากขึ้นเมื่อเผชิญกับกิจกรรมแผ่นดินไหว
ขนาดมาตรฐานของท่อสี่เหลี่ยมช่วยให้การผลิตจำนวนมากในงานก่อสร้างแบบโมดูลาร์เป็นไปอย่างราบรื่น โครงการที่ใช้ท่อสี่เหลี่ยมชุบสังกะสีขนาด 4"x4" ที่เชื่อมต่อด้วยวิธี MIG-welded มีรายงานว่าใช้เวลาประกอบเร็วขึ้น 20–30% เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ความแม่นยำของขนาดนี้ช่วยลดแรงงานในสถานที่ก่อสร้าง และรองรับค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบในชิ้นส่วนพรีแฟบริเคต เช่น บันได โครงหลังคา และแผงผนัง
ท่อสี่เหลี่ยมจัตุรัสได้กลายเป็นวัสดุยอดนิยมสำหรับสถาปนิกที่ต้องการสิ่งที่ใช้งานได้ดีทางด้านโครงสร้างและยังมีรูปลักษณ์ที่สวยงาม ลองพิจารณาท่อสแตนเลสขนาด 2 นิ้วต่อ 2 นิ้วที่เคลือบผง - ท่อเหล่านี้สามารถอยู่ได้นานถึงครึ่งศตวรรษโดยไม่เกิดสนิม แม้จะติดตั้งบนอาคารใกล้ชายฝั่งทะเล ซึ่งถือว่าประทับใจมากเมื่อพิจารณาว่าอากาศเค็มทำลายวัสดุทั่วไปได้อย่างรวดเร็ว เมืองต่างๆ ทั่วโลกเริ่มติดตั้งท่อสี่เหลี่ยมขนาดหนาพิเศษเบอร์ 8 ถึง 12 ที่ทนทานมากขึ้นในสถานที่ต่างๆ เช่น พื้นที่จอดจักรยานและป้ายรถโดยสารสาธารณะ วัสดุชนิดนี้ทนต่อการก่อวินาศกรรมได้ดีกว่าทางเลือกอื่นๆ ส่วนใหญ่ ในขณะเดียวกันก็ยังคงให้ลุคที่ทันสมัยและโฉบเฉี่ยว ซึ่งเป็นสิ่งที่องค์กรปกครองส่วนท้องถิ่นหลายแห่งต้องการสำหรับโครงการโครงสร้างพื้นฐานในปัจจุบัน
อาคารใหม่สูง 15 ชั้นที่รวมพื้นที่อยู่อาศัยและพื้นที่เชิงพาณิชย์เพิ่งได้รับสถานะ LEED Gold ซึ่งเกิดจากนวัตกรรมการใช้ท่อเหล็กรีไซเคิลที่นำมาใช้ในการสร้างโครงโครงสร้างภายนอก (exoskeleton) ถึงครึ่งหนึ่งของทั้งหมด สถาปนิกสามารถลดการใช้เหล็กโดยรวมลงได้ประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่ยังคงรักษามาตรฐานความแข็งแรงของโครงสร้างตามข้อกำหนดทั้งหมดไว้ได้ หลังจากการก่อสร้างแล้วเสร็จ การตรวจสอบการใช้พลังงานแสดงให้เห็นว่ามีการประหยัดค่าใช้จ่ายด้านการให้ความร้อนได้ประมาณ 12 เปอร์เซ็นต์ตลอดทั้งปี ส่วนหนึ่งเกิดจากท่อเหล็กกลวงที่มีประสิทธิภาพด้านความร้อนดีกว่าท่อแบบทึบ จึงช่วยลดการสูญเสียความร้อนในส่วนต่างๆ ของเปลือกอาคาร
ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมมีลักษณะหน้าตัดที่เท่ากันทุกด้าน ทำให้มีความแข็งแรงต่อการบิดเบี้ยวได้ดีเยี่ยม จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องจักรความแม่นยำสูง เช่น แขนหุ่นยนต์ และระบบรางลำเลียง ในฐานเครื่อง CNC ท่อนี้ช่วยกระจายแรงสั่นสะเทือนขณะทำงานได้สม่ำเสมอกว่าคานรูปตัวไอ (I-beams) ลดการบิดเบือนเชิงฮาร์มอนิกได้สูงสุดถึง 40% (ASM International 2023)
ท่อเหล็กกล้าคาร์บอนสี่เหลี่ยมจัตุรัสมีความทนทานมากเมื่อถูกใช้งานภายใต้แรงหมุนเวียนซ้ำๆ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ใช้ร่วมกับเครื่องกดขึ้นรูปหรือภายในระบบไฮดรอลิก ขอบของท่อเหล่านี้สามารถเชื่อมได้รอบทั้งหมด ซึ่งหมายความว่าเราสามารถเสริมความแข็งแรงในจุดที่ได้รับแรงกระทำหนักที่สุดได้ นอกจากนี้ผนังของท่อจะมีความหนาเท่ากันตลอดทั้งชิ้น ทำให้ไม่เกิดการแตกหักอย่างฉับพลัน แม้จะต้องรับแรงดันที่สูงกว่า 700 เมกะพาสคัล ก่อนที่จะเสียรูป โครงสร้างท่อสี่เหลี่ยมยังมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าท่อสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่ใช้ในอุปกรณ์จัดการวัสดุประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ เมื่อวิศวกรทำการทดสอบความล้าของวัสดุ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมที่การหยุดทำงานของเครื่องจักรมีค่าใช้จ่ายสูง
ขนาดท่อสี่เหลี่ยมมาตรฐานที่มีขนาดตั้งแต่ 25 คูณ 25 มิลลิเมตร ไปจนถึง 150 คูณ 150 มิลลิเมตร ช่วยให้กระบวนการผลิตในภาคส่วนต่างๆ เช่น อุปกรณ์การเกษตรและเครื่องจักรบรรจุภัณฑ์ มีความราบรื่นขึ้นอย่างมาก เมื่อผู้ผลิตเลือกใช้ท่อเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ได้รับการรับรองตามมาตรฐาน ASTM A500 จะได้รับคุณภาพที่สม่ำเสมอจากชุดผลิตหนึ่งไปยังอีกชุดหนึ่ง ความสม่ำเสมอนี้ช่วยประหยัดเวลาในระหว่างกระบวนการประกอบด้วยหุ่นยนต์ โดยบางโรงงานรายงานว่าสามารถลดเวลาเตรียมการได้ประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการใช้โปรไฟล์ที่ผลิตขึ้นเฉพาะสำหรับงานนั้นๆ สำหรับผู้ที่ต้องการการป้องกันเพิ่มเติมจากการเกิดสนิมและการปนเปื้อน รุ่นชุบสังกะสีล่วงหน้า (pre-galvanized) จะช่วยเร่งกระบวนการทำงานได้ดีเป็นพิเศษในโรงงานแปรรูปอาหารและสถานที่ผลิตยา ซึ่งการรักษาระบบพื้นผิวให้สะอาดและป้องกันการกัดกร่อนนั้นจำเป็นอย่างยิ่งต่อการปฏิบัติตามข้อกำหนดและเหตุผลด้านความปลอดภัย
ท่อสี่เหลี่ยมมีประสิทธิภาพในการใช้กับสะพานคนเดินและสะพานที่มีการจราจรต่ำ เนื่องจากสามารถกระจายแรงได้อย่างสมดุลและมีความมั่นคงต่อแรงบิด รูปร่างสมมาตรของท่อช่วยลดจุดรวมความเครียดที่บริเวณข้อต่อ การวิเคราะห์โครงสร้างแสดงให้เห็นว่า สำหรับช่วงความยาวถึง 18 เมตรในสะพานคนเดิน จะเกิดการโก่งตัวเพียง 8% เมื่อเทียบกับคานรูปตัวไอที่มีขนาดเทียบเท่ากัน (Bridge Design International 2023)
หน้าตัดปิดของท่อสี่เหลี่ยมมีความสามารถในการดูดซับการสั่นสะเทือนได้ดีกว่าหน้าตัดเปิดถึง 22% คุณสมบัตินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในโครงสร้างพื้นฐานที่ต้องเผชิญกับแรงลมหรือแรงจราจรที่เกิดซ้ำ ผลการทดสอบยืนยันว่า ท่อนี้ยังคงความแข็งแรงแม้ผ่านการรับแรงซ้ำๆ จำนวน 1.2 ล้านรอบ ที่ระดับความเครียด 85 MPa (Materials Performance Report 2023)
การปรับปรุงโครงสร้างในปี 2022 บนชายฝั่งอ่าวฟลอริดา ได้เปลี่ยนเสาคอนกรีตเดิมที่เสื่อมสภาพด้วยท่อเหล็กสี่เหลี่ยมชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน ซึ่งทางเลือกที่เคลือบด้วยสังกะสีนี้ให้ผลลัพธ์ดังนี้:
ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมทำงานได้ค่อนข้างดีสำหรับงานที่ใช้งานทั่วไป แต่เริ่มแสดงข้อจำกัดเมื่อโครงการต้องการวัสดุที่มีความต้านทานแรงดึงเกิน 650 เมกะพาสกาล เมื่อก่อสร้างสะพานขนาดใหญ่มากที่มีช่วงความยาวเกิน 300 เมตร วิศวกรโครงสร้างส่วนใหญ่เลือกใช้วิธีการผสมผสานในปัจจุบัน โดยรวมท่อเหล็กสี่เหลี่ยมเข้ากับแกนคอนกรีตเสริมเหล็กภายใน ซึ่งให้ความมั่นคงที่ดีกว่าโดยรวม ฉบับล่าสุดของรหัสสะพาน ASCE กำหนดขีดจำกัดไว้จริงๆ ว่าท่อเหล็กสี่เหลี่ยมสามารถใช้งานได้ไกลเท่าใดโดยไม่ต้องมีการรองรับ ในพื้นที่ที่มีการเคลื่อนย้ายสินค้าหนักเป็นประจำ ตามฉบับปรับปรุงปี 2023 ช่วงที่ไม่มีการรองรับจะอยู่ที่ประมาณ 45 เมตร ก่อนที่จะจำเป็นต้องมีการเสริมความแข็งแรงเพิ่มเติมเพื่อความปลอดภัย
ท่อเหลี่ยมต่างชนิดกัน เช่น เหล็กกล้าอ่อน เหล็กสเตนเลส และเหล็กชุบสังกะสี มีการใช้งานที่แตกต่างกันไปตามวัตถุประสงค์ งบประมาณที่มี และสถานที่ติดตั้ง เหล็กกล้าอ่อนมีราคาไม่สูงมากและมีความแข็งแรงเพียงพอสำหรับงานในร่มส่วนใหญ่ เนื่องจากสามารถทนแรงดึงได้ประมาณ 370 ถึง 500 เมกกะพาสกาลก่อนจะขาด อย่างไรก็ตาม เมื่อต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยเฉพาะใกล้น้ำเค็มหรือสารเคมี เหล็กสเตนเลสจะกลายเป็นทางเลือกอันดับหนึ่ง เกรด 304 และ 316 มีโครเมียมไม่น้อยกว่า 10.5% ซึ่งทำให้เกิดชั้นผิวเฉื่อยที่ต้านทานสนิมได้ดีเยี่ยม จึงเห็นวัสดุเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในอู่เรือและโรงงานที่ต้องสัมผัสกับสารกัดกร่อนทุกวัน ส่วนเหล็กชุบสังกะสีมีราคาอยู่ระหว่างกลาง แต่ก็ยังเหมาะสำหรับการใช้งานภายนอกอาคารได้ดีเนื่องจากมีชั้นเคลือบสังกะสี ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่ระบุว่าการป้องกันนี้สามารถอยู่ได้นาน 20 ถึง 30 ปี ก่อนที่จะต้องบำรุงรักษาอีกครั้ง
| คุณสมบัติ | เหล็กอ่อน | เหล็กกล้าไร้สนิม | เหล็กชุบสังกะสี |
|---|---|---|---|
| ความต้านทานการกัดกร่อน | ต่ํา | แรงสูง | ปานกลาง |
| ต้นทุน (ต่อเมตร) | $18–$25 | $45–$120 | $28–$40 |
| อายุการใช้งาน (ปี) | 10–15 | 30–50+ | 20–40 |
| การใช้งานที่เหมาะสมที่สุด | โครงสร้างภายในอาคาร | สภาพแวดล้อมที่รุนแรง | โครงสร้างภายนอก |
ตารางที่ 1: ตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่ได้จากการเปรียบเทียกวัสดุตามมาตรฐานอุตสาหกรรม
การทดสอบแสดงให้เห็นว่าท่อชุบสังกะสีมีความต้านทานสนิมได้ดีกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำทั่วไปประมาณ 5 ถึง 7 เท่า เมื่อทำการทดสอบด้วยละอองเกลือตามมาตรฐาน ASTM B117 อย่างไรก็ตาม สแตนเลสสตีลแสดงศักยภาพได้อย่างโดดเด่นในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ซึ่งมีความชื้นหรือสารเคมีสูง แม้จะผ่านการสัมผัสเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมงติดต่อกัน ก็ยังแทบไม่มีอาการกัดกร่อน และมีการสูญเสียวัสดุไม่ถึง 0.1 มิลลิเมตรต่อปี นอกจากนี้ การศึกษาล่าสุดจาก NACE ในปี 2023 ยังค้นพบข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 60 องศาเซลเซียส ชั้นเคลือบสังกะสีจะเริ่มเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว แต่สำหรับสแตนเลสสตีล วัสดุชนิดนี้ยังคงความแข็งแรงได้ดีจนถึงอุณหภูมิประมาณ 870 องศาเซลเซียส ก่อนจะเริ่มมีปัญหาอย่างมีนัยสำคัญ จึงไม่น่าแปลกใจที่หลายอุตสาหกรรมนิยมใช้มันในงานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูง
สำหรับการใช้งานในร่มและแห้ง โลหะเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (mild steel) มีความคุ้มค่าสูงสุด ส่วนเหล็กชุบสังกะสีให้ความทนทานและความคุ้มค่าด้านต้นทุนสำหรับการติดตั้งกลางแจ้ง โดยมีอายุการใช้งาน 35–50 ปี เหล็กสเตนเลสเหมาะสมกับพื้นที่ชายฝั่งหรือพื้นที่อุตสาหกรรม ซึ่งการลงทุนครั้งแรกที่สูงกว่านั้นจะช่วยป้องกันค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนใหม่ในระยะยาวที่อาจเกิน 180 ดอลลาร์สหรัฐต่อเมตรเชิงเส้นภายในสองทศวรรษ
ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมมีความแข็งแรงต่อการบิดและการกระจายแรงอย่างสมดุล ทำให้เหมาะสำหรับโครงสร้างรับน้ำหนัก โครงถัก และโครงกรอบต่างๆ
ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมมีความต้านทานการโค้งงอที่ดีกว่าท่อเหล็กกลม และมีความแข็งต่อการบิดที่สูงกว่าท่อเหล็กสี่เหลี่ยมผืนผ้า ทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าในด้านความแข็งแรงของโครงสร้าง
สแตนเลสสตีลให้ความต้านทานการกัดกร่อนสูง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นหรือสัมผัสกับสารเคมี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในพื้นที่ชายฝั่งหรือพื้นที่อุตสาหกรรม
สิ่งที่ควรพิจารณารวมถึงต้นทุน ความทนทาน ความต้านทานการกัดกร่อน และสภาพแวดล้อมเฉพาะที่ท่อจะติดตั้ง
EN
