โครงสร้างอาคาร

ดูเพิ่มเติม: วิศวกรรมอาคาร

ซิดนีย์โอเปร่าเฮ้าส์, ออกแบบโดย Ove Arup & Partners, กับสถาปนิก Jørn Utzonมิลเลนเนียมโดมในกรุงลอนดอน, ประเทศอังกฤษ, โดย Buro Happold และ Richard RogersBurj Khalifa, ในดูไบ, ตึกที่สูงที่สุดในโลก, ภาพแสดงระหว่างการก่อสร้างในปี 2007

วิศวกรรมโครงสร้างอาคารรวมถึงวิศวกรรมโครงสร้างทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบอาคาร, มันเป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมโครงสร้างที่ใกล้เคียงกับงานสถาปัตยกรรม.

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

สถาปนิกมักจะเป็นนักออกแบบอาคารผู้นำ, ที่มีวิศวกรโครงสร้างที่ได้รับการว่าจ้างให้เป็นที่ปรึกษาย่อย. ปริมาณที่แต่ละสาขาจะนำ​​การออกแบบได้จริงขึ้นอยู่อย่างมากกับชนิดของโครงสร้าง. หลายโครงสร้างมีโครงสร้างที่ง่ายและถูกนำโดยสถาปัตยกรรม, เช่นอาคารสำนักงานและบ้านที่อยู่อาศัยหลายชั้น, ในขณะที่โครงสร้างอื่น ๆ, เช่นโครงสร้างความตึง (อังกฤษ: tensile structure), 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

ปิรามิดที่ทนต่อแผ่นดินไหว, El Castillo, Chichen Itza

วัตถุประสงค์หลักของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือเพื่อเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างกับการสั่นของพื้นดิน, คาดการณ์ผลที่ตามมาของการเกิดแผ่นดินไหวที่เป็นไปได้, และออกแบบและสร้างโครงสร้างที่จะคงทนในระหว่างการเกิดแผ่นดินไหว.

ไฟล์:Snapshot of base isolation effect.jpgภาพจากวิดีโอแสดงการสั่นไหวของโต๊ะ สำหรับฐานทดสอบที่ถูกแยกออกต่างหาก (ขวา) และรูปแบบอาคารปกติ (ซ้าย)

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

หนึ่งในเครื่องมือที่สำคัญของวิศวกรรมแผ่นดินไหวคือการแยกฐาน, ซึ่งจะช่วยให้ฐานของโครงสร้างที่จะเตลื่อนไหวได้อย่างอิสระจากพื้นดิน

โครงสร้างวิศวกรรมโยธา

โครงสร้างแบบฐานแรงโน้มถ่วง 'Statfjord' ระหว่างการก่อสร้างในนอร์เวย์. เกือบทั้งหมดของโครงสร้างจะจมอยู่ใต้น้ำในที่สุด

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

โครงสร้างเครื่องกล

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

แรงซึ่งหลายชิ้นส่วนของเครื่องกลที่จะต้องได้รับอาจจะแปรเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญ, และอาจจะรุนแรงในอัตราที่สูง. แรงที่เรือหรือเครื่องบินได้รับอาจจะแปรเปลี่ยนอย่างมากและอาจจะเป็นหลายพันครั้งตลอดช่วงอายุการใช้งานของโครงสร้าง. การออกแบบโครงสร้างต้องให้แน่ใจว่าโครงสร้างดังกล่าวมีความสามารถที่จะทนต่อโหลดเช่นนั้นได้ตลอดช่วงอายุของมันโดยไม่ล้มเหลว.

งานเหล่านี้ต้องการวิศวกรรมโครงสร้างเครื่องจักรกล:

• หม้อไอน้ำและภาชนะความดัน
• ขบวนรถและรถลาก
• รถเครน
• ลิฟท์
• บันไดเลื่อน
• เรือ

โครงสร้างการบินและอวกาศ

Airbus A380, เครื่องบินโดยสารที่ใหญ่ที่สุดในโลกการออกแบบขีปนาวุธต้องการความเข้าใจอย่างลึกซึ้งของการวิเคราะห์โครงสร้าง

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 [disambiguation needed ] 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

การออกแบบอุปกรณ์การแพทย์ต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในวิศวกรรมโครงสร้าง

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.