อาคารสูง : ระบบโครงสร้างเหล็ก
---------------------------------------------------------
ผศ.ดร.ชำนาญ บุญญาพุทธิพงศ์ คณะสถาปัตยกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
1. ความเป็นมา
โครงสร้างเหล็กเริ่มนำมาวัสดุในการก่อสร้างอาคารประมาณต้นทศวรรษที่ 1880s และกลาย เป็นวัสดุหลักในการก่อสร้างอาคารสูงในยุคเริ่มต้น โดยเริ่มต้นจากสองเมืองหลักของการก่อ กำเนิดอาคารสูง อันได้แก่ นิวยอร์ค และชิคาโก ด้วยคุณสมบัติที่สามารถรับการยืดหยุ่นได้สูง รับแรงดึง และแรงอัด ได้ดี ทำให้เหล็กดูเหมือนว่าเป็นวัสดุที่ถูกผลิตขึ้นมาเพื่อตอบสนองการก่อสร้างอาคารสูงโดยเฉพาะ โครงสร้างเหล็กยังคงได้รับความนิยมในการรับเลือกเป็นวัสดุสำหรับอาคารมาจวบจนปัจจุบันดังจะเห็นได้จาก
อาคารสูงอันดับต้นๆ ยังคงเป็นอาคารโครงเหล็ก แม้ว่าระบบโครงผสมเหล็ก-คอนกรีต (Steel-Concrete Composite Construction) จะได้รับความนิยมมากขึ้นตามลำดับก็ตาม โครงสร้างเหล็กในช่วงเริ่มแรกถูกใช้ในทางวิศวกรรมเป็นหลัก โดยการนำมาสร้างสะพาน ขนาดเล็กๆ ในช่วงปี 1775-1779 ในประเทศอังกฤษ ระหว่างปี 1819-1826 Thomas Telford ได้ออก แบบสะพานแขวนและนำไปสู่การออกแบบสะพาน Brooklyn โดย John และ Washington Roebling ซึ่งเป็นสะพานแขวนที่ได้รับการกล่าวขานถึงมากที่สุดแห่งหนึ่ง
ในทางสถาปัตยกรรมการพัฒนาเหล็กสำหรับอาคารเริ่มจากการนำมาเป็นส่วนประกอบบางส่วนของอาคาร เช่นในโบสถ์ St. Anne ในเมืองลิเวอร์พูล ประเทศอังกฤษ ในราวปี 1770-1772 ในอเมริกา เหล็กถูกนำมาเป็นเสารับระเบียงที่โรงละคร Chestnut Street ในราวปี 1820 ที่เมืองฟิลาเดลเฟียโดย William Strickland ผู้ที่ทำหน้าที่ทั้งสถาปนิกและวิศวกร หลังจากนั้นโรงถลุงเหล็กก็ถูกก่อตั้งขึ้นหลายแห่ง
ในอาคารที่ใช้เหล็กในยุคแรกๆ เช่นอาคาร Lebrusts Biblioteque St. Genevieve ในปารีส เหล็กถูกใช้เป็นส่วน
ประกอบ ในโครงสร้างภายในอาคารในขณะที่ภายนอกอาคารยังมีความต้องการ ในการประดับประดาตกแต่ง ผนังรับ
น้ำหนักและโครง Arch ยังคงถูกใช้ เป็นโครงสร้างหลักของ อาคารใหญ่ ในยุโรป เหล็กถูกใช้ในการเพื่อสร้าง ความ
ประทับใจในแง่ของวิทยาการ และสร้างความตื่นตาของโครงสร้าง ภายในอาคาร
Crystal Palace ในงาน Expo ปี 1857 ที่ลอนดอนเป็นตัวอย่างของอาคารใช้โครงสร้างเหล็ก เป็นส่วนประกอบหลัก
ที่ค่อนข้างสมบูรณ์ที่สุดและเปิดประตูต่อการพัฒนาโครงสร้างเหล็กสำหรับอาคาร
ในยุคต่อมา เป็นต้นแบบหนึ่งของการใช้ระบบผนัง Curtain Wall มีระบบก่อสร้างที่มีส่วนประกอบสำเร็จรูป อย่างไร
ก็ตามระบบโครงสร้างของอาคารนี้ก็ถูกเพิกเฉยจากสถาปนิกอีกหลายๆ ท่าน ในมุมมองที่ ว่าอาคารนี้เป็นเพียงอาคารชั่วคราวสำหรับงาน Expo เท่านั้น
ในช่วงปลายปี 1800s ชิคาโกกลายมาเป็นแหล่งกำเนิดของการใช้เหล็กในอาคารสูงอย่างเต็ม รูปแบบ หลังจากเพลิงไหม้ครั้งใหญ่ โครงสร้างไม้ก็ถูกจำกัดการใช้โดยเฉพาะในอาคารขนาดใหญ่ เพราะทำให้เกิดการลุกลามของเพลิงอย่างรวดเร็ว อาคารสำนักงานโครงสร้างเหล็กในรูปแบบของอาคารสูงถือได้ว่าเป็นสถาปัตยกรรมรูปแบบใหม่ที่ถูกกล่าวขานอย่างมากในวงการการออกแบบยุคนั้น การตกแต่ง ประดับประดาแบบเดิมถูกลดความสำคัญลง กลายเป็นสถาปัตยกรรมในยุคของ Chicago School ก่อนที่จะสอดคล้องกับแนวความคิดของโมเดิร์นอย่างลงตัว
ในปัจจุบันโครงสร้างเฟรมเหล็กยังเป็นหนึ่งในวัสดุสำหรับอาคารสูงที่มีประสิทธิภาพในการใช้ งานสูงและราคาประหยัด พัฒนาการถูกนำมาใช้ในอาคารที่ไม่สูงมากและอาคารช่วงพาดยาวในยุคต่อมา ในอาคารที่สูงมากๆ โครงเฟรมเหล็กถูกใช้อย่างแพร่หลายเพราะเหมาะสมในการเสริมโครงสร้างเพื่อ รับแรงลมและแรงกระทำจากแผ่นดินไหว ทำให้น้ำหนักโดยรวมของอาคารลดลง ง่ายต่อการติดตั้ง โดย ทั่วไปโครงเหล็กของอาคารสูงจะถูกปะติดด้วยส่วนประกอบของเปลือกอาคารซึ่งใช้วัสดุที่แตกต่างกันไป เช่น กระจก หิน โลหะ หรืออื่นๆ โครงเฟรมจึงอาจจะถูกซ่อนไว้ใต้วัสดุเปลือกอาคารทั้งหลายหรือโชว์โครงเหล็กให้เห็น
2. คุณสมบัติและองค์ประกอบของเหล็ก
เหล็กมีคุณสมบัติหลายๆ ประการที่เหมาะสมสำหรับโครงสร้างอาคารสูง เหล็กกล้าโดยทั่วไป เป็นส่วน ผสมระหว่างเหล็กและคาร์บอน กับสารประกอบอื่นๆ เช่น ซัลเฟอร์ แมงกานีส ฟอสฟอรัส ซิลิโคน และอลูมิเนียม สารประกอบต่างๆ เหล่านี้และอื่นๆ จะเพิ่มความ แข็งแรง และสร้าง ลักษณะ เฉพาะให้กับเหล็กชนิดต่างๆ โดยเฉพาะคาร์บอนเป็นตัวประกอบหลัก ของเหล็ก เป็น ตัวกำหนดความ แข็ง ความเปราะ ของเหล็ก การเพิ่มคาร์บอนเข้าไปในเหล็กจะทำให้เหล็กแข็งขึ้นเชื่อมติดได้ดี แต่การรับ แรงดึงยืดตัวจะน้อยลง เหล็กที่มีส่วนผสมคาร์บอนสูงๆแม้ว่าจะทำให้น้ำหนักลดลงแต่ไม่เหมาะสำหรับ การรับแรงทางแนวนอน ซัลเฟอร์ (Sulfur) มีผลต่อคุณภาพของพื้นผิว ช่วยลดความ อ่อนตัว เพิ่มความ แข็งแรง และการเชื่อมติด แมงกานีสช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับเหล็กแม้ว่าจะมีผล น้อยกว่าคาร์บอน เมื่อแมงกานีสผสมเข้ากับซัลเฟอร์จะกลายเป็น แมงกานีสซัลไฟด์ช่วยลดผลเสียของซัลเฟอร์ ฟอสฟอรัส (Phospohorus) ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการรับแรงดึงให้กับเหล็กผสมคาร์บอนและช่วยต้าน ทานการสึกกร่อน แต่จะทำให้เหล็กมีความแข็งน้อยลง ซิลิโคนและอลูมิเนียมเป็นตัวประสานในการ ผลิตเหล็ก ในขณะที่อลูมิเนียมมีส่วนในการควบคุมขนาดของความละเอียดของพื้นผิวหรือเนื้อเหล็ก
3. ผลิตภัณฑ์เหล็กและการติดตั้ง
ในการก่อสร้างอาคารสูงเหล็กแปรรูปจะถูกส่งไปใช้ในการก่อสร้าง เหล็กจะต้องถูกแปรรูปให้มี ความเหมาะสมต่อการก่อสร้างทั้งด้านขนาดและรูปทรง เหล็กเหล่านี้จะถูกเตรียมพร้อมหรือขึ้นรูปแบบ สำเร็จ (Fabrication) เช่น เจาะรูสำหรับการใส่น๊อต ตัดแต่ง ตามการออกแบบต่างๆ ในโรงงานก่อนที่จะ ส่งไปยังที่ก่อสร้าง ในอาคารสูงมากๆ การรับแรงกระทำต่างเป็นมาตรฐานที่ผลิตภัณฑ์เหล็กสำเร็จรูปจะต้องคำนึงถึง บางกรณีอาจจะต้องเชื่อมติดกับส่วนอื่นเพื่อให้เกิดการรับแรงกระทำที่สมบูรณ์
การตัดเหล็กจะต้องคำนึงถึงการเสียรูปซึ่งจะส่งผลต่อการรับแรงหลังการตัดด้วย โดยปกติแผ่น เหล็กหนาจะใช้การตัดโดยใช้แก๊ส ความร้อนจากการตัดจะส่งผลต่อแผ่นเหล็กโดยขึ้นอยู่กับความหนา ของเหล็กส่วนผสมของ คาร์บอน ความเร็วในการตัด เป็นต้น
การต่อส่วนประกอบของเหล็ก มี 2 แบบ หลักๆ คือ โดยน๊อต รูสำหรับใส่น๊อตอาจจะเจาะโดย สว่าน (Drilling) หรือเครื่องเจาะปั้ม (Punching) และการเชื่อม ซึ่งเป็นแบบที่ประหยัดกว่า การเชื่อมมักจะถูกใช้ในบางส่วนประกอบที่โรงงาน ในขณะที่การใช้น๊อตใช้สำหรับงานที่หน้างานก่อสร้าง การเชื่อมจะต้องถูกวิธีและตำแหน่งเพื่อไม่ให้เสียการรับแรงของโครงสร้าง
4. ชนิดของเหล็ก
ในอาคารสูงเหล็กที่ใช้เป็นโครงสร้างอาจจะแบ่งออกเป็น 4 กลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่ Carbon Steel, High-Strength Low-Alloy (HSLA) Steel, Heat-Treated Carbon and HSLA Steel และ Heat-Treated Alloy Steel โดยมาตรฐานของแต่ละประเภทแตกต่างกันไปในแต่ละประเทศ
โครงสร้างของ Carbon Steel มีส่วนประกอบของคาร์บอนประมาณ 0.15-0.29 % การเพิ่ม ส่วนประกอบของคาร์บอนจะเพิ่มความแข็งแรงแต่ลดความสามารถในการอ่อนตัวหรือการรับแรงดึง ดังที่ กล่าวมาแล้วข้างต้น HSLA Steel มีการเพิ่มส่วนประกอบทางเคมีมากกว่าเหล็กชนิดแรก สามารถต้านทานการสึกกร่อนได้ดีกว่า ทั้ง Carbon Steel และ HSLA Steel สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้โดยขบวนการในการผลิตโดยใช้ความร้อน (Heat-Treated)
สำหรับเหล็ก Alloy มีส่วนประกอบทางเคมีเกินกว่า Carbon Steel แต่ไม่เท่า HSLA Steel ปกติที่ใช้ในโครงสร้างอาคารอาคารสูงจะเป็น Heat-Treated Alloy Steel เหล็กสำหรับใช้ในส่วนนอกอาคารจะต้องสามารถทนทานต่อสภาพอากาศและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงได้ดีโดยเฉพาะในเมืองหนาว เหล็กประเภทนี้รู้จักกันในชื่อ Weathering Steel ปกติจะมีสี น้ำตาล เข้มหรือสีดำ ปัจจุบันมีผลิตในสีที่หลากหลายมากขึ้น Weathering Steel ในกลุ่มของเหล็ก HSLA จะสา มารถทนทานต่อการสึกกร่อนได้ดีกว่า Carbon Steel ถึง 4 เท่า เหล็กประเภทนี้มีใช้ ครั้งแรกในปี 1933 ซึ่งถูกใช้สำหรับรางรถไฟ จนกระทั่งช่วงปี 1960s จึงถูกใช้ในงานก่อสร้างขนาดใหญ่ อื่นๆ ไม่ว่าจะเป็น สะพาน และส่วนประกอบภายนอกของอาคารสูงต่างๆ เหล็กชนิดนี้จะเคลือบออกไซด์ (Oxide Film) ไว้ที่ผิวของเหล็ก การออกแบบจะต้องสอดคล้องกับการใช้เหล็กสำหรับโครงสร้างภาย นอก แม้ว่าเหล็กชนิดนี้ถูกออกแบบให้ทนทานต่อสภาพดินฟ้าอากาศแต่หากใช้ไม่ถูกที่หรือฝังไว้ในดิน เหล็กชนิดนี้ก็ไม่แตกต่างจากเหล็กคาร์บอนทั่วไป รวมทั้งไม่ควรให้มีกาฝากมาเกาะเกี่ยวกับโครงสร้าง รายละเอียดข้อต่อหรือ ส่วน อื่นๆ ไม่ให้น้ำสามารถขังได้ การเชื่อมต่อของเหล็กทนสภาพดินฟ้าอากาศ นี้จะต้องมีการออกแบบพิเศษเพราะถ้าเกิดรอยต่อที่ไม่ดีอาจจะเกิดความเสียหายต่อโครงสร้างโดยรวมได้
เหล็กสแตนเลส (Stainless Steel) เป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับโครงสร้างภายนอกของอาคารสูง ในปัจจุบัน เนื่องจากเป็นวัสดุที่ทนทานต่อสภาพแวดล้อมโดยไม่ต้องเคลือบสารพิเศษอื่นๆ สามารถดัดได้หลากหลายรูปแบบ Chromium เป็นองค์ประกอบที่ทำให้สำคัญที่ทำให้วัสดุชนิดนี้ทนทานต่อการสึก หรอแต่เนื่องด้วยราคาที่แพงทำให้ Stainless Steel ถูกใช้ในบางส่วนประกอบของอาคารสูง โดยเฉพาะ เฟรมกรอบ ของ Curtain Wall หรือส่วนประกอบย่อยอื่นๆ
ระบบโครงสร้างเหล็กในอาคารสูงระบบโครงสร้างเหล็กสำหรับอาคารสูงสามารถแบ่งออกเป็นแบบต่างๆ ดังนี้
- Rigid Frame เป็นโครงสร้างที่เน้นความสำคัญของการเชื่อมต่อระหว่างเสาและคานใน ลักษณะข้อแข็ง เป็นระบบที่ริเริ่มพัฒนาในยุค Chicago School และได้รับความนิยมมาจวบจน ปัจจุบัน อย่างไรก็ดีระบบนี้มีข้อจำกัดในการรับแรงโดยเฉพาะแรงในแนวนอนทำให้โครงสร้างชนิดนี้ ใช้อยู่ในวงอาคารความสูงระดับกลาง
- Frame-Shear Truss เป็นระบบโครงสร้างที่ผสมผสานระหว่างโครงข้อแข็งกับโครงทรัส ทางตั้ง ซึ่งมักจะถูกใช้ในส่วน แกนลิฟท์ แรงกระทำจากลมจะถูกรับโดยโครงเฟรมในส่วนบนของอาคาร ในขณะ ที่โครงทรัสโดยเฉพาะส่วนล่างของอาคารจะทำหน้าที่รับแรงเฉือนอันเกิดจากแรงลม (Wind Shear)
- Frame-Shear Truss (with Outriggered Belt Trusses) ประสิทธิภาพในการรับแรงของ โครงสร้างระบบ Frame-Shear Truss สามารถเพิ่มขึ้นอย่างมากโดยการเพิ่ม Outriggered Belt Truss เข้าไปในส่วนที่เหมาะสม โดยจะช่วยลดการไหวเอนของอาคารอันเนื่องจากแรงกระทำในแนว นอน
- Framed Tube แนวความคิดในการที่จะเพิ่มความสามารถของโครงสร้างในการต้านทานการ ล้มคว่ำ (Overturning) โดยการวางตำแหน่งโครงสร้างไว้รอบนอกอาคารมีมาตั้งแต่ปี 1950s ระบบ โครงสร้าง Framed Tube กลายมาเป็นระบบโครงสร้างที่ต่อยอดความสูงให้แก่อาคารสูงที่ประสบ ความสำเร็จอย่างสูงเพราะมีส่วนประกอบโครงสร้างที่รบกวนพื้นที่ภายในอาคารน้อย รวมทั้งแสดงถึงรูป แบบโครง สร้างอาคารที่เด่นชัด
- Bundled Tube เมื่อขนาดของอาคารใหญ่ขึ้นทั้งความสูงและความกว้าง ระบบ Frame Tube เดียวไม่เพียงพอในการรับแรง จึงมีการเพิ่มลักษณะของ Frame Tube เข้ามาเพิ่มอาจจะเป็น แบบ World Trade Center หรือ แบบหลายๆ Tube อย่างเช่น Sears Tower ก็ได้
- Diagonally Braced Tube เสารอบนอกของอาคารมีระยะที่ห่างแต่ยึดติดกันด้วยโครงพาด (Diagonal Members) ซึ่งจะต้องพาดผ่านส่วนกลางเสาหลักและส่วนคานนอก ทำให้ระบบโครงสร้าง ประสานกันเป็นหนึ่งเดียวเหมือนท่อขนาดใหญ่ ส่วนประกอบของโครงสร้างชนิดนี้จะรับทั้งแรงกระทำตามแนวตั้งและแนวนอน John Hancock, Chicago เป็นต้นแบบของระบบโครงสร้างนี้
- Space Truss แรงกระทำต่างๆ จะถูกรองรับโดยโครงทรัสในทั้งสามมิติ (Three-dimensional Space Truss) โดยแรงกระทำเหล่าจะถูกถ่ายต่อจนมาลงที่เสาในแต่ละมุมเสาเหล่านี้ จึงอาจจะต้องมีขนาดใหญ่ เช่น ตึก Bank of China เป็นต้น
- Interior Diagonally Braced Trusses เป็นรูปแบบโครงสร้างที่เหมาะสำหรับอาคารใน แปลนสี่เหลี่ยมจตุรัส แม้ว่าจะสามารถใช้ในแปลนแบบอื่นได้ก็ตาม เป็นระบบโครงสร้างที่ประกอบด้วยใช้ทรัส ขนาดใหญ่อยู่ในอาคาร อาคารจึงเป็นเสมือโครงทรัสขนาดใหญ่
หนังสืออ้างอิง
- อาคารสูง, ผศ.จรัญพัฒน์ ภูวนันท์, โรงพิมพ์มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์, กรุงเทพฯ, 2539
- Architecture of Tall Buildings, Council on Tall Buildings and Urban Habitat, Mcgraw-Hill, Inc.,New
York, 1995
แผ่นอลูมิเนียมคอมโพสิต 
สถิติวันนี้ 
สถิติเดือนนี้ 
สถิติปีนี้ 
