Part3-1

บทที่ 3

ระบบโครงสร้างอาคารสูงประเภทต่าง ๆ

ความสูงของอาคารในแต่ละระดับจะมีการออกแบบที่แตกต่างกันออกไป ทั้งนี้ในการออกแบบจะต้องคำนึงถึงความสามารถในการรองรับผลของแรงกระทำในแนวราบและแรงที่กระทำในแนวดิ่ง ซึ่งแรงกระทำในแนวดิ่งคือ น้ำหนักที่เกิดจาก เสา ผนัง กำแพง ของแต่ละชั้นและจะมีความผันแปรไปตามสัดส่วนของความสูงอาคาร ส่วนแรงกระทำทางด้านข้างเกิดจากแรงที่กระทำโดยลมหรือแรงที่เกิดจะการเกิดแผ่นดินไหว เมื่อเปรียบเทียบน้ำหนักของอาคารที่ใช้สำหรับรับแรงกระทำในแนวดิ่งและแนวราบ จะพบว่าอาคารที่มีความสูงต่ำถึงปานกลาง ผลของแรงกระทำในแนวราบจะมีผลน้อยมากๆ

ซึ่งการเลือกใช้ระบบในการก่อสร้าง โครงสร้างสมควรจะสอดคล้องกับระดับความสูงของอาคารเพราะจะช่วยในการลดน้ำหนักของโครงสร้างอาคาร

3.1 ประเภทระบบโครงสร้างอาคารสูง

3.1.1 Rigid Frame (โครงข้อแข็ง) เป็นระบบโครงสร้างที่เหมาะสำหรับอาคารที่สูงประมาณ 20-30 ชั้น ถ้าอาคารที่มีความสูงมากกว่านี้ทำให้ใช้วัสดุเปลืองมากเพราะไม่เหมาะกับระบบนี้ส่งผลให้น้ำหนักของตัวอาคารเพิ่มมากขึ้น ในกรณีที่องค์อาคารในแนวราบเป็นระบบพื้นไร้คาน (Flat plate) พฤติกรรมของโครงข้อแข็งจะเข้าใกล้พฤติกรรมของผนังรับแรงเฉือน กล่าวคือเสาจะมีลักษณะเป็นเสายืนจะมีผลให้เกิดระยะโก่งในแนวราบสูงกว่าโครงสร้างระบบพื้นและคานทั่วไป

ภาพที่ 3.1.1
Rigid frame
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.2 Shear wall (ผนังรับแรงเฉือน) เป็นระบบโครงสร้างที่เหมาะสำหรับอาคารที่สูง 30-40 ชั้น เป็นระบบที่ใช้กำแพงในแต่ละชั้นช่วยในการรับแรงที่เกิดจากแนวดิ่งและแนวราบ

ภาพที่ 3.1.2
Shear wall structure
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.3 Frame + Shear wall (โครงข้อแข็ง + ผนังรับแรงเฉือน) เป็นระบบโครงสร้างที่เหมาะสำหรับอาคารสูงประมาณ 40-50 ชั้น โดยโครงข้อแข็งอย่างเดียวจะมีพฤติกรรมในการรับแรงด้านข้างจากแรงเฉือน (Shear mode) ในขณะที่ระบบผนังรับแรงเฉือนอย่างเดียว จะมีพฤติกรรมเป็นการรับแรงดัด (Bending mode) เมื่อรวมทั้งสองระบบเข้าด้วยกันจะพบว่าเกิดแรงที่ผิวของแต่ละระนาบโดยส่วนบนของอาคารจะเกิดแรงผลักในโครงข้อแข็ง ขณะเดียวกันจะเกิดแรงดึงกลับในผนังรับแรงเฉือน ซึ่งเหตุที่เกิดขึ้นดังที่กล่าวมาส่งผลให้ระยะการโก่งตัวในแนวระนาบของโครงสร้างรวมมีค่าลดลง

ภาพที่ 3.1.3

Frame + Shear wall

ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

ภาพที่ 3.1.3
Frame + Shear wall (ต่อ)
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.4 Belt Truss Outrigger เป็นระบบโครงสร้างที่สามารถใช้กับอาคารสูงประมาณ 60 ชั้น โดยระบบนี้จะมี โครงถักที่ยื่นออกมาจาก core ถึงเสาตัวนอกจะทำหน้าที่ถ่ายแรงในแนวดิ่งจาก core ไปยังเสาตัวนอกทำให้โครงสร้างมีพฤติกรรมเป็นแบบ cantilever tube-in-tube ซึ่งส่งผลให้การโก่งตัวในแนวราบและโมเมนต์ที่ core ลดลงเป็นอย่างมาก และข้อดีระบบนี้อีกอย่างคือเราสามารถเพิ่มโครงถักได้ตามต้องการโดยตำแหน่งที่เพิ่มโครงถัก ค่าโมเมนต์ใน core จะลดลงทุกครั้ง

ภาพที่ 3.1.4
Belt Truss Outriggers
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.5 Framed Tube เป็นระบบโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพกับอาคารสูงในระดับ 80-90 ชั้น ลักษณะโครงสร้างประกอบด้วยเสารอบนอกที่อยู่ชิดกันโดยปกติจะห่างไม่เกิน 5 เมตร และมีคานยึดเสารอบนอกแต่ละตัวเข้าด้วยกัน คานจะมีความลึกประมาร 1 เมตร เสาและคานรอบนอกดังกล่าวทำให้โครงอาคารมีพฤติกรรมรับแรงด้านข้างในลักษณะกล่อง และระบบนี้ผนังรอบนอกมีช่องเปิดดังนั้นการกระจายของแรงตลอดความยาวตามขอบอาคารจึงไม่เป็นเส้นตรงเป็นผลเนื่องจาก shear leg

ภาพที่ 3.1.5

Frame Tube.

ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.6 Truss Tube เป็นระบบโครงสร้างที่ใช้กับอาคารสูงในระดับ 100 ชั้น เป็นการเสริมโครงถักบริเวณรอบนอกอาคารช่วยให้แรงกระจายได้สม่ำเสมอ มีผลทำให้โครงสร้างสามาระรับแรงด้านข้างได้ขึ้น เป็นการประหยัดและสามารถลดค่าระยะโก่งในแนวราบให้อยู่ในค่าที่กำหนดอีกด้วย

ภาพที่ 3.1.6
Truss Tube
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.1.7 Bundled Tube เป็นระบบโครงสร้างที่ใช้ได้ดีกับอาคารสูงกว่า 100 ชั้นขึ้นไประบบนี้มีการกระจายแรงที่อยู่ตามขอบอาคารมีค่าค่อนข้างสม่ำเสมอลักษณะเป็นกล่องเหมือน Framed Tube พฤติกรรมในการรับแรงจะมีลักษณะที่คล้ายกัน

Sears Tower, Chicago, lllinois

ภาพที่ 3.1.7
Bundled Tube
ที่มา : ทักษิณ เทพชาตรี. (2553)

3.2 ประเภทของระบบโครงสร้างเหล็กและคอนกรีต

ระบบโครงสร้างของอาคารสูงไม่ว่าจะก่อสร้างด้วยเหล็ก คอนกรีต หรือโครงสร้างองค์ประกอบก็ตาม โดยปกติจะประกอบขึ้นจากระบบโครงสร้างย่อยๆ (Sub-system) หรือส่วนประกอบโครงสร้าง เช่นระบบพื้น ระบบต้านทานแรงในแนวดิ่ง ระบบต้านทานแรงในแนวราบ และระบบกระจายพลังงานที่เกิดขึ้นในโครงสร้างให้หมดไปหรือเบาบางลง จนไม่เป็นอันตรายต่อโครงสร้าง แต่อย่างไรก็ตามทุกระบบในโครงสร้างจะต้องทำงานร่วมกันต่อเนื่องเป็นส่วนเดียวกันในลักษณะสามมิติหรือทุกทิศทาง จากการสำรวจอาคารสูงในประเทศต่างๆพบว่า ระบบโครงสร้างที่นิยมใช้กันมากถ้าพิจารณาในแง่ของความสูงเป็นหลักเพียงอย่างเดียวจะได้ว่า (Khan 1974)

1. อาคารโครงสร้างเหล็ก (ภาพที่ 3.2.1 )

2. อาคารโครงสร้างคอนกรีต (ภาพที่ 3.2.2 )

ระบบพื้นอาคารโดยทั่วไปจะประกอบด้วย แผ่นพื้น ตง คาน หรือคานซอย เป็นส่วนประกอบโครงสร้าง ซึ่งทำหน้าที่รับน้ำหนักบรรทุกโดยตรงและมีหน้าที่รับแรงกระทำต่างๆในแนวราบด้วย เพื่อถ่ายสู่เสา คาน หรือ Shear wall ต่อไป

ภาพที่ 3.2.1
ประเภทของโครงสร้างเหล็กที่ใช้ในอาคารสูง (khan, 1974)
ที่มา : Council on Tall Buildings & Urban Habitat. Tall Buildings Systems and Concept. Vol. SC. (New York: American Society of Civil Engineers, 1980), p. 5.

ภาพที่ 3.2.2
ระบบโครงสร้างคอนกรีตที่ใช้ในอาคารสำนักงาน (Khan, 1974)
ที่มา : Ibid., p. 5.

ภาพที่ 3.2.3
ระบบโครงสร้างที่มีความสูงถึง 70 ชั้นอาคาร
ที่มา : Council on Tall Buildings & Urban Habitat. Developments in Tall Buildings 1983
(New York: Van Nostrand Reinhold Company, 1983), p. 44.

ภาพที่ 3.2.4
เปรียบเทียบระบบโครงสร้างอาคารสูงชนิดต่าง ๆ

ที่มา : The Steel Construction Institute. Architecture and Construction is Steel (London: E&FN SPON, 1993), p, 261.

ภาพที่ 3.2.5
ระบบโครงสร้างในผังของอาคารสูง (The structure in plane)

ที่มา : Schuller Wolfgang. The Vertical Building Structure (New York: Van Nostrand Reinhold, 1990), p. 92.

รูปที่ 3.2.6
พัฒนาการของโครงสร้างส่วนฐานอาคารสูง เพื่อให้ความรู้สึกว่าตัวอาคารมีความอิสระ
หรือหลุดลอยจากพื้นดิน
ที่มา : Ibid., p. 107.

3.3 ระบบพื้นที่นิยมใช้กับอาคารสูง

3.3.1 ระบบพื้นคอนกรีต

1. แผ่นพื้นท้องเรียบหนาเท่ากันตลอด (Slab of uniform thickness)

พื้นชนิดนี้อาจออกแบบให้เสริมเหล็กรับแรงเป็นระบบพื้นทางเดียว หรือระบบพื้น 2 ทางก็ได้ เช่น Flat slab Flat plate ความหนาของพื้นที่ใช้กับอาคารสูงประมาณ 100 - 250 มม. ช่วงพาดประมาณ 3 - 8 ม.

ข้อได้เปรียบ ความลึกของพื้นน้อยมาก จึงทำให้ความสูงของชั้นอาคารลดลงด้วย สามารถปรับให้เหมาะสมกับตำแหน่งเสาที่ไม่ลงตัว หรือรูปร่างอาคารที่พิเศษออกไปได้

ข้อเสียเปรียบ มีน้ำหนักมาก ทำให้พาดช่วงได้ไม่กว้างนัก มีการโก่งตัวมาก ถ้าพาดช่วงกว้างควรเป็นระบบพื้นอัดแรง

การใช้งาน เหมาะกับอาคารประเภทโรงแรม อพาร์ทเมนต์

2. พื้นประกอบด้วยตงหรือคานซอยคอนกรีต (Concrete joist structure)

อาจเป็นระบบตงวิ่งทางเดียวที่เรียกว่า Pan joist (หากหล่อในที่) หรือระบบตงวิ่ง 2 ทาง ที่เรียกว่า Waffle slab ระบบตงวิ่งทางเดียวเหมาะสำหรับใช้กับชิ้นส่วนหล่อสำเร็จ แต่ระบบตงวิ่ง 2 ทางจะใช้ระบบหล่อมาตรฐาน (ภาพที่ 3.3.1.2) ในประเทศอังกฤษ Waffle slab ลึกประมาณ 300 - 500 มม. (12, 16, 20 นิ้ว) ใช้กับช่วงพาดระหว่าง 6 – 16 ม. ส่วนพื้นตงทางเดียว ความลึก 200 – 500 มม. พาดช่วงระหว่าง 4.5 - 13.5 ม. ส่วนในประเทศสหรัฐอเมริกา ระบบหล่อในที่มีความลึกระหว่าง 150 – 610 มม. และระบบหล่อสำเร็จ มีความลึกระหว่าง 510 มม. – 1 ม. ใช้พาดระหว่าง 8 – 14 ม. แต่อาจจะใช้พาดได้เพิ่มขึ้นกว่า 50% ถ้าใช้ตงหรือคานซอยที่มีการอัดแรงภายหลัง

ข้อได้เปรียบ เหมาะกับช่วงพาดขนาดกลางและใหญ่ มีช่องสำหรับเดินท่อได้ มีน้ำหนักเบาแต่พื้นมีความแข็งมาก สามารถใช้เป็นส่วนประกอบทางโครงสร้างที่รับแรงกระทำทางด้านข้างได้ดี

ข้อเสียเปรียบ ไม่เหมาะกับอาคารที่มีจุดรองรับที่ไม่ลงตัวตามระบบ หรือผังพื้นที่มีรูปร่างผิดปกติและความกว้างของช่วงเสาไม่คงที่ บางกรณีจะมีปัญหาเรื่องการเจาะช่องเปิดขนาดใหญ่

การใช้งาน ใช้กับอาคารสำนักงาน หรืออาคารพาณิชยกรรม

ภาพที่ 3.3.1.1

พื้น Flat slab

(a) ชนิดท้องเรียบเท่ากันตลอด รองรับด้วยเสา (Flat plate)

(b) ชนิดมีหัวเสา (Capital)

ภาพที่ 3.3.1.2

พื้นคอนกรีตระบบ 2 ทาง (Two – way systems)

(a) พื้นแผ่นเรียบรองรับด้วยคานหรือผนังรับน้ำหนัก

(b) Waffle slab รองรับด้วยเสา

ภาพที่ 3.3.1.3

ระบบพื้นที่ใช้ตงเหล็กหรือคานเหล็ก

1. ระบบคาน (Beam and slab system)

ประกอบด้วยพื้น ค.ส.ล. หนา 100 – 180 มม. รองรับด้วยคาน วางห่างกันระหว่าง 3 – 8 ม. ความลึกคานจะไม่น้อยกว่า 1/5 ถึง 1/20 ของช่วงพาด อาจแก้ปัญหาเรื่องความลึกของคานได้โดยใช้ลวดดึงภายหลังหรือใช้ร่วมกับพื้นสำเร็จรูป

ข้อได้เปรียบ เป็นระบบพาดช่วงกว้างและน้ำหนักเบา สามารถเปิดช่องกว้างๆได้ เช่น ช่องลิฟต์ ช่องบันได

ข้อเสียเปรียบ มีความลึกคานมาก เปลืองค่าไม้แบบเพราะขนาดไม่ได้มาตรฐาน แต่สามารถปรับใช้กับอาคารที่มีรูปแบบหรือตำแหน่งเสาผิดปกติได้

การใช้งาน ใช้ได้ทั้งอาคารสานักงาน อพาร์ทเมนต์ พาณิชยกรรม

1.3.2 ระบบพื้นโครงเหล็ก (ภาพที่ 3.3.1.3, 3.3.2.1 – 3.2.2.3)

1. พื้นแผ่นดินเผา (Ceramic slab)

เป็นระบบที่ใช้มาตั้งแต่สมัยโบราณในงานวัสดุก่อสร้าง ประกอบด้วยแผ่นอิฐหรือดินเผา วางเรียงอยู่บนตงเหล็กรูปตัวที ตัวไอ หรือเหล็กปีกกว้าง ซึ่งมีระยะห่างระหว่าง 0.9 – 120 ม. แล้วมีคอนกรีตเททับหน้าบางครั้งอาจมี่การเสริมเหล็กก็ได้ ระบบนี้ปัจจุบันในประเทศไทยเรานิยมใช้คอนกรีตบล็อกร่วมกับคานคอนกรีตอัดแรงรูปตัวที แทนอิฐหรือดินเผากลวง ข้อดีของระบบนี้คือพื้นมีน้ำหนักเบามาก เก็บเสียงได้ดีถ้าใช้อิฐกลวง ไม่ต้องใช้เครื่องจักรในการยกแต่ไม่นิยมใช้ในงานอาคารสูง เพราะ รับน้ำหนักได้ไม่มาก

2. พื้น คอนกรีตเสริมเหล็ก (ค.ส.ล.) หล่อในที่วางบนตงเหล็ก (ภาพที่ 3.3.2.1)

ปกติพื้นจะมีความหนาเท่ากันตลอด โดยอาจวางไว้บนปีกของเหล็กปีกกว้าง หรืออาจใช้คอนกรีตหุ้มตงเหล็กให้รับแรงร่วมกัน และช่วยกันป้องกันไฟกันสนิมก็ได้ ถ้าออกแบบในลักษณะพื้นองค์ประกอบอาจช่วยลดความหนาของแผ่นพื้นได้ อาจหนา 1/30 – 1/15 ของช่วงพาด แบบหล่อพื้นต้องออกแบบให้ถอดออกไปใช้ซ้ำๆกันได้อีก

ข้อได้เปรียบ มีความแข็งแรงมาก รับแรงได้ดีทั้งแนวดิ่งและแนวราบ ไม่ต้องเสริมเหล็กมาก ปรับใช้ได้กับช่วงเสาหลายขนาด หรือแบบแปลนที่ยุ่งยาก เจาะช่องเปิดได้ง่าย

ข้อเสียเปรียบ เสียเวลาและแรงงานในการตั้งแบบมาก หล่อคอนกรีตและบ่มคอนกรีตนานขึ้นอยู่กับสภาพดินฟ้าอากาศ ยุ่งยากในการประสานงานเหล็กกับคอนกรีตเข้าด้วยกัน

3. พื้นคอนกรีตสำเร็จรูป (Precast concrete slab)

แผ่นพื้นคอนกรีตสำเร็จรูปวางบนคอนเหล็ก ซึ่งวางห่างกัน 1.2 – 9 ม. อาจวางในลักษณะ Simple Beam หรือยึดติดกับคานเพื่อให้เกิด Composite action เช่น มี Shear stud หรือใช้ High tensile bolt แผ่นพื้นจะมีผลิตหลายรูปแบบ เช่น แผ่นพื้นกลวง รูปตัวที รูปตัวยู ฯลฯ

ภาพที่ 3.3.2.1

ระบบคานและพื้น (Beam and slab systems) หรือระบบตง (คานซอย)

ภาพที่ 3.3.2.2

แผ่นเหล็กขึ้นรูปชนิดต่าง ๆ ที่นิยมใช้ทำพื้น (Corrugated sheet plates)

ข้อได้เปรียบ ลดแรงงานในสถานที่ก่อสร้าง ติดตั้งได้รวดเร็ว และสามารถติดตั้งได้ทุกสภาพอากาศ ไม่ต้องเสียค่าแบบหล่อหรือโครงค้ำยันมาก

ข้อเสียเปรียบ ไม่เหมาะกับช่วงพาดที่แตกต่างกันมาก หรืออาคารที่มีตำแหน่งเสาผิดปกติ อาจมีปัญหาเรื่องการเจาะช่องเปิด นิยมใช้กับอาคารจอดรถ

ภาพที่ 3.3.2.3

พื้นคอนกรีตที่รองรับด้วยแผ่นเหล็กขึ้นรูป

ภาพที่ 3.3.2.4

โครงสร้างองค์ประกอบ (Composite Structure) ชนิดต่าง ๆ

4. ระบบพื้นแผ่นเหล็กขึ้นรูป (Metal deck) (รูป 3.3.2.3, 3.3.2.4)

พื้นชนิดนี้จะวางแผ่นเหล็กขึ้นรูปบนคาน แล้วเทคอนกรีตทับข้างบน อาจเสริมเหล็กเพิ่มความแข็งแรงได้ตามต้องการ แผ่นเหล็กทำหน้าที่เป็นแบบถาวร รับน้ำหนักหรือออกแบบให้รับแรงร่วมกับคอนกรีตก็ได้ แผ่นเหล็กยึดติดกับคานเหล็กโดยใช้ Tack welds, Gunned pins, หรือ Welded studs แผ่นเหล็กขึ้นรูปที่ใช้กันทั่วไปมี 3 แบบคือ

1. แผ่นพับลอนใหญ่ มีความลึกมาก ใช้เป็นโครงสร้างความหนา 0.6 – 1.5 มม.ความลึก 100 – 200 มม. พาดช่วงได้ถึง 6 ม.

2. แผ่นเหล็กลอนลูกฟูก มีความหนา 0.6 - 1.5 มม. ความลึก 40 – 80 มม. พาดช่วง 1 – 4 ม.

3. แผ่นเรียบ มีร่องสำหรับเสริมเหล็กเพิ่มความแข็งแรง

ข้อได้เปรียบ สะดวกในการติดตั้งร่วมกับงานโครงสร้างเหล็กได้ดี เป็นแบบและพื้นสำหรับทำงานชั่วคราวได้ ในต่างประเทศนิยมใช้กับอาคารสูงมาก

ข้อเสียเปรียบ ราคาแพงกว่าระบบอื่นๆ ต้องกันไฟและสนิทที่ผิวล่าง

3.4 ระบบตงและคานเหล็กที่นิยมใช้กับอาคารสูง มี 6 ประเภท

1. คานเหล็กรูปพรรณโครงสร้าง (Rolled joists) ใช้กันทั่วไปแต่ไม่เหมาะกับช่วงพาดขนาดใหญ่ เพราะความลึกคานน้อย

2. แผ่นเหล็กเชื่อมรูปตัวไอ (Welded I section plate girders) ใช้พาดช่วงกว้างได้ดีและประหยัด แต่จะลึกมากถ้าจะเจาะช่องเปิดกลางคานต้องมีการเสริมแรงหรือเพิ่มความหนาของปีกคาน

3. โครงถัก นิยมใช้เหล็กรูปตัดง่ายๆ (Lattice girders) เช่น ท่อประกอบเป็นรูปสามเหลี่ยมเหมาะกับช่วงพาดกว้างๆ โครงสร้างสามารถออกแบบให้มีความลึกมากได้

4. คาน (Vierendeel) ใช้สำหรับคานขนาดใหญ่ที่ต้องการช่องเปิดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีความลึกมาก เป็นระบบคานที่มีราคาแพง เพราะเกิดโมเมนต์ดัดในโครงสร้างมากกว่าคานโครงถักรูปสามเหลี่ยม ปกติจะมีความลึก 1 – 2 ชั้นอาคาร

5. Stub girder เป็นระบบที่ต้องการลดน้ำหนักของวัสดุลง และรวมโครงสร้างพื้นเข้ากับระบบอุปกรณ์อาคารโดยประกอบขึ้นจากมีคานรองรับพื้นเป็นช่วงสั้นๆประมาณ 1.5 – 2 ม. ซึ่งเท่ากับช่องว่างระหว่าง Stub แต่ละตัวทำให้เกิดการรับแรงร่วมกันระหว่างตัวมันเอง

6. Staggered truss เป็นคานขนาดใหญ่ลึก 1 ชั้นของอาคาร เพื่อถ่ายน้ำหนักของผนังและพื้นชั้นบนทั้งหมดลงสู่เสาชั้นล่างซึ่งมีช่วงพาดกว้างมากเป็นพิเศษ Staggered truss มักใช้กับอาคารที่มีผนังภายในถาวร เช่น โรงแรมและอพาร์ทเมนต์ เพื่อซ่อนโครงสร้างไว้ในผนังไม่ให้เกะกะเนื้อที่ใช้สอย

3.5 ระบบโครงสร้างต้านทานแรงในแนวดิ่ง (ภาพที่ 3.5.1)

เป็นองค์ประกอบของอาคารซึ่งทำหน้าที่หลักรองรับโครงสร้างพื้น ได้แก่ เสา ผนังรับน้ำหนัก โครงแขวน อย่างไรก็ตามอาจมีบางโครงสร้างที่รับทั้งแรงแนวดิ่งและแรงแนวราบด้วย เช่น ปล่องลิฟต์และบันได ผนังรับแรงลม หรือโครงแข็งเกร็ง

1. เสา (Columns) เป็นองค์ประกอบอาคารทางแนวตั้งที่รับน้ำหนักโครงสร้างพื้นโดยตรง วัสดุที่ใช้ทำเสาในอาคารสูงใช้ได้แทบทุกชนิด ได้แก่ คอนกรีตเสริมเหล็ก, เหล็ก, และเสาประกอบ (Composite)

2. ผนังรับน้ำหนัก (Bearing wall) เป็นผนังทางตั้งมีช่องเปิดน้อยๆเพราะทำหน้าที่รับน้ำหนักพื้นหรือหลังคา และเป็นผนังกั้นห้องด้วย ซึ่งอาจใช้วัสดุต่างๆ เช่น เหล็ก ค.ส.ล.

3. โครงแขวน (Hangers) ทำหน้าที่รับแรงดึง โดยอาจแขวนห้อยจากคานซึ่งยื่นออกจากปล่องลิฟต์ (Core) พื้นแต่ละชั้นจะถ่ายน้ำหนักลงสู่โครงแขวน โดยอาจเป็นลวดท่อนเหล็ก เหล็กรูปตัวไอ สายเคเบิล หรือเป็นคอนกรีตอัดแรงก็ได้ เช่น ใช้สายเคเบิลแขวนระหว่างปล่องลิฟต์สองข้างคล้ายๆสะพานเพื่อรับน้ำหนักพื้นชั้นต่างๆ ซึ่งลอยอยู่เหนือพื้นดิน (ภาพที่ 3.5.1)

ภาพที่ 3.5.1
แสดงโครงสร้างต้านทานแรงในแนวดิ่ง (เสา ผนังรับน้ำหนัก และโครงแขวน)

ภาพที่ 3.4.1

แสดงโครงสร้างต้านทานแรงในแนวดิ่ง (เสา ผนังรับน้ำหนัก และโครงแขวน) (ต่อ)

3.6 ระบบโครงสร้างต้านทานแรงในแนวราบ (ภาพที่ 3.6.1)

ภาพที่ 3.6.1

โครงสร้างใช้ต้านทานแรงในแนวราบ (แรงลม)

1. Moment resistance frame

2. Shear wall

3. Braced frame

ตารางที่ 3.6.1

ตารางใช้ในการคำนวณแรงลม (Wind Load) ในประเทศไทย (ตามกฎหมาย)

ภาพที่ 3.6.2
ค่าของแรงลมในประเทศไทย (ตามกฎหมาย)

ภาพที่ 3.6.3
ค่าของแรงลมในประเทศสหรัฐอเมริกา (ตามกฎหมาย)

ที่มา : Schuller, Wolfgang. The Vertical Building Structure

(New York: Van Nostrand Reinhold, 1990), p. 191.

แรงในแนวราบที่สำคัญที่สุดคือแรงลมและแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว อาคารยิ่งสูงมากก็ต้องให้ความสำคัญกับการออกแบบให้สามารถต้านทานแรงทั้งสองให้มากขึ้นด้วย องค์ประกอบโครงสร้างที่รับแรงในแนวราบพื้นฐานจะมี 3 ชนิด คือ

1. โครงสร้างต้านทานโมเมนต์ (Moment resistant frames)

ประกอบด้วยโครงในแนวราบคือคาน และแนวดิ่งคือเสา ซึ่งต่อกันแบบแข็งเกร็ง หรือกึ่งแข็งเกร็ง ความแข็งแรงของโครงสร้างเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของเสาและคาน และยังเป็นสัดส่วนผกผันกับความสูงของชั้นอาคาร และความกว้างของช่วงเสา ตำแหน่งของโครงต้านทานโมเมนต์ โดยปกติจะวางไว้ที่ผนังด้านนอกอาคารเพราะสามารถออกแบบให้มีเสาถี่และคานลึกๆได้ ถ้านำไปไว้ในอาคารก็ยังสามารถได้เช่นกันแต่อาจจะมีปัญหาเรื่องความลึกของคาน และโดยปกติอาคารสูงต้องการเนื้อที่ใช้สอยภายในกว้างๆ ไม่สามารถวางช่วงเสาแคบๆได้ โครงสร้างต้านทานโมเมนต์มีด้วยกันหลายลักษณะ ได้แก่

- โครงสร้างคอนกรีตหล่อในที่ ทั่วไปมี 3 แบบ คือ โครงสร้างคานและเสา แผ่นพื้นไร้คาน และพื้นคอนกรีตกับผนังรับน้ำหนัก เนื่องจากหล่อในที่การทำรอยต่อจึงแข็งแรง สามารถเสริมเหล็กต่อเนื่องในเสาและคานได้ ระบบนี้นิยมใช้กับอาคารสูงปานกลางขึ้นไป

- โครงสร้างคอนกรีตสำเร็จรูป อาจหล่อชิ้นส่วนเสาและคานแยกออกจากกันแล้วเอามาต่อกัน โดยใช้วิธีการเชื่อมแผ่นเหล็กที่ฝังเตรียมไว้ก่อน หรือต่อเหล็กเสริมเข้าด้วยกันแล้วหล่อคอนกรีตปิดอาจใช้ปูนทรายชนิดแห้งอุดรอยต่อ ชิ้นส่วนที่หล่อสำเร็จอาจเสริมเหล็กแบบปกติหรือทำการอัดแรงก็ได้

- โครงเหล็ก คานและเสาอาจประกอบขึ้นจากเหล็กรูปพรรณโครงสร้างชนิดต่างๆกัน เช่น เหล็กปีกกว้างเหล็กรางน้ำ หรือรูปตัด แผ่นเหล็กประกอบ โครงถัก สมัยก่อนการทำรอยต่อระหว่างเสาและคานใช้วิธีเชื่อม หรือสลักเกลียว หมุดย้ำ แต่ในปัจจุบันนิยมใช้วิธีการเชื่อมหรือยึดด้วย “High Tension Bolt” บางครั้งก็ทำเป็นโครงสำเร็จรูปมีเสาสูงหนึ่งชั้นหรือหลายๆชั้นเชื่อมติดกับคานไว้เลย วิธีนี้ทำให้สามารถทำรอยต่อในจุดที่มีโมเมนต์เกิดขึ้นน้อยสุดได้โดยใช้วิธียึดสลักเกลียวตามปกติ ส่วนการยึดระหว่างเสาและคาน อาจเชื่อมจากโรงงานซึ่งจะมีผลให้ช่วงกว้างของโครงสร้างยาวได้ไม่มาก โครงสร้างระบบนี้จึงมีเสาถี่ แต่การติดตั้งจะสะดวกเพราะมีค้ำยันในตัวมันเอง

- โครงต้านทานโมเมนต์องค์ประกอบ อาจประกอบด้วยคานเหล็กยึดติดกับเสาคอนกรีต หรือคานคอนกรีตยึดติดกับเสาเหล็ก แต่อย่างไรก็ตามคำว่าองค์ประกอบโดยปกติ หมายถึง โครงสร้างซึ่งเสาหรือคานอาจจะทั้งสองอย่างประกอบขึ้นจากวัสดุต่างชนิดกัน เช่น เหล็กกับคอนกรีต (ภาพที่ 3.3.2.3, 3.3.2.4)

- เสาองค์ประกอบ อาจจะเป็น คอนกรีตหุ้มเสาเหล็ก หรือคอนกรีตหล่อบรรจุอยู่ในเสาเหล็กกลวง (ภาพที่ 3.3.2.4) ในกรณีที่คอนกรีตหล่อบรรจุในเสาเหล็กกลวงจะรับแรงตามศูนย์ได้ดีขึ้น แต่มีผลต่อ Flexural capacity น้อยมากจึงอาจเป็นเหตุผลอย่างหนึ่งที่ไม่นิยมใช้เป็นโครงต้านทานโมเมนต์ดัด

คานองค์ประกอบ ประกอบด้วย คานหุ้มด้วยคอนกรีต หรือคานเหล็กยึดด้วยพื้นคอนกรีตโดยมี Shear Connection คานเหล็กหุ้มด้วยคอนกรีตช่วยกันไฟและกันสนิม รูปตัดคานเหล็กที่อยู่ในคอนกรีตถ้ากลางคานมีช่องกลวงความแข็งแรงของคานอาจคำนวณให้คานเหล็กทำหน้าที่เป็นเหล็กเสริมของคอนกรีตก็ได้ ข้อเสียเปรียบของคานประเภทนี้ คือ น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นมาก ไม่สัมพันธ์กับความแข็งแรงซึ่งเพิ่มขึ้นน้อยมาก คานเหล็กองค์ประกอบที่ใช้กันบ่อยคือการใช้ Shear connection จะเพิ่มกำลังและความแข็งของคานได้มากขึ้น