โครงถัก หรือโครงข้อหมุนในงานสถาปัตยกรรม (Truss Structure)

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures) คืออะไร แบ่งออกได้กี่ประเภท กี่รูปแบบ รวมถึงมีวิธีนำไปใช้ในงานสถาปัตยกรรมอย่างไรบ้างนั้น วันนี้ wazzadu.com ย่อยมาให้แล้ว ตามมาชมกันเลยครับ

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures) คืออะไร

โครงถัก มีชื่ออีกอย่างหนึ่งที่ชาวสถาปนิกวิศวกรต่างคุ้นหู และนิยมเรียกกันติดปากว่า "โครงทรัส" แต่ในงานโครงสร้างสถาปัตยกรรม โครงถักมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการอีกอย่างหนึ่งว่า "โครงข้อหมุน" ซึ่งเป็นรูปแบบโครงสร้างที่เกิดขึ้นจากการนำเอาชิ้นส่วนวัสดุ (ส่วนมากนิยมใช้เหล็ก) มาประกอบเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างรูปทรงเรขาคณิตแบบโครงสามเหลี่ยม โดยมีจันทัน และขื่อ คอยเป็นเฟรมภายนอกที่จะเป็นตัวกำหนดขนาดสเกลของโครงสามเหลี่ยม (ค้ำยันแนวดิ่ง และค้ำยันแนวเอียง) ที่อยู่ภายในอีกที

สำหรับการนำชิ้นส่วนมาประกอบเข้าด้วยกันนั้น จะยึดปลายทั้งสองของชิ้นส่วนต่างๆทั้งจันทัน ขื่อ ค้ำยันแนวดิ่ง และค้ำยันแนวเอียงให้ยึดติดกัน และสามารถถ่ายแรงเฉือน แรงตามแนวแกน และโมเมนต์ดัดให้กันได้อย่างทั่วถึงด้วยวิธีการเชื่อม การใช้หมุดย้ำ หรือ การใช้น๊อต

เพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา รับน้ำหนักได้มาก ให้ความสวยงาม และสามารถวางพาดในรูปแบบโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาวได้ โดยไม่ต้องมีเสามาค้ำตรงกลาง เพื่ออรรถประโยชน์ในการใช้งานพื้นที่ได้สูงสุด และลดการบดบังทัศนียภาพจากเสาค้ำที่อยู่ภายในอาคาร

สำหรับจุดรองรับตัวโครงถักจะมีทั้งแบบยึดตายตัว (Fixed) แบบหมุนได้ (Hinges) หรือไม่ก็ แบบเลื่อนได้ (Roller) เป็นต้น การจะเลือกใช้จุดรองรับแบบใดให้เกิดความเหมาะสมนั้น จะขึ้นอยู่กับการออกแบบทางสถาปัตยกรรม และวิศวกรรม รวมไปถึงลักษณะ และรูปแบบการใช้งานของอาคาร หรือ สิ่งปลูกสร้างนั้นๆเป็นหลัก

องค์ประกอบของโครงถัก (Truss Structure Specific Detail)

องค์ประกอบสำคัญของโครงถัก คือ ชิ้นส่วนวัสดุหลายชิ้นที่มาประกอบรวมกันเป็นโครงถักในรูปแบบต่างๆ โดยมีชื่อเรียกส่วนประกอบต่างๆ ได้ 4 ชนิด คือ

1) จันทัน (Upper Chord)

2) ขื่อ (Lower Chord)

3) ค้ำยันในแนวดิ่ง (Vertical Web)

4) ค้ำยันในแนวเอียง (Diagonal Web)

***ในกรณีที่เป็นโครงถักแบบโครงสะพานจะมีองค์ประกอบเพียงแค่ ขื่นบน ,ขื่อล่าง ,ค้ำยันในแนวดิ่ง และค้ำยันในแนวเอียงเท่านั้น

ประเภทของโครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures Type) 

โดยหลักการออกแบบแล้ว ประเภทของโครงถัก (Truss structures) สามารถแบ่งออกเป็น  2  ประเภท  คือ

- โครงถักอย่างง่าย หรือ โครงถักแบบดีเทอร์มิเนทสแตติกส์ (Statically Determinate Truss) เป็นรูปแบบโครงถักที่สามารถวิเคราะห์หาค่าแรงกระทำต่างๆได้ด้วยสมการสมดุล  

- โครงถักอย่างยาก หรือ โครงถักแบบอินดีเทอร์มิเนทสแตติกส์ (Statically Indeterminate Truss) เป็นรูปแบบโครงถักที่จำเป็นต้องคำนวณหาค่าแรงกระทำต่างๆด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ซึ่งจะแปรผันไปตามรูปแบบของโครงถักในการนำไปใช้งานกับโครงสร้างที่ค่อนข้างมีความซับซ้อน

ในขณะเดียวกันโครงถัก ก็สามารถแบ่งตามลักษณะการใช้งานได้ 3 ลักษณะ คือ 

- โครงถักแบบโครงหลังคา

- โครงถักแบบโครงสะพาน

- โครงถักแบบโค้งประทุน

โครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures) ถูกนำไปใช้ในงานสถาปัตยกรรมประเภทใดบ้าง

โครงถักนิยมนำไปใช้ในงานโครงสร้างทางวิศวกรรม และสถาปัตยกรรมประเภทต่างๆมากมาย อย่างเช่น  

- โครงหลังคาโรงอาหาร 

- โครงสร้างรับน้ำหนักอัฒจรรย์  

- โครงสร้างรองรับ Module ชั้นพื้นอาคารขนาดกลาง-ใหญ่พิเศษ

- โครงหลังคาหอประชุม หรือ โรงมหรสพขนาดใหญ่

- โครงหลังคาสนามกีฬาในร่ม 

- โครงหลังคาสนามกีฬากลางแจ้งขนาดใหญ่

- โครงหลังคาห้องโถงนิทรรศการ

- โครงหลังคาโรงงานอุตสาหกรรม

- โครงหลังคาศูนย์จัดแสดงสินค้า

- โครงหลังคาศูนย์การค้า 

- โครงหลังคาสถานีรถไฟ สนามบิน และสถานีขนส่ง

- โครงหลังคาโดมอเนกประสงค์

- โครงสร้างสะพาน 

นอกจากนี้ยังมีการออกแบบโครงถักในรูปแบบเฉพาะ สำหรับอาคารที่มีลักษณะพิเศษต่างจากอาคารทั่วไปอีกด้วย

วัสดุที่นิยมใช้ในการทำโครงถัก (Truss Structures)

โครงถักโดยทั่วไปทำจากเหล็ก และไม้เนื้อแข็ง แต่ส่วนมากแล้วจะนิยมใช้เหล็ก แม้เหล็กจะมีราคาที่สูงกว่าไม้ แต่เนื่องจากเหล็กมีคุณสมบัติ หรือ ศักยภาพที่หลากหลายกว่าไม่ว่าจะเป็นความเหนียว คงทนต่อแรงกระทำในระนาบต่างๆได้ดี ประกอบติดตั้งได้เร็ว มีคุณสมบัติในการต้านภัยธรรมชาติได้ดี เนื่องจากเหล็กมีความยืดหยุ่นและรับการบิดได้มากกว่าโครงถักที่ทำจากไม้ อีกทั้งยังสามารถทำโครงถักสำหรับโครงสร้างช่วงพาดกว้าง หรือ โครงสร้างช่วงยาว ในอาคารขนาดกลาง-ใหญ่พิเศษได้ ซึ่งโครงถักไม้มีข้อจำกัดที่ไม่สามารถทำได้นั่นเอง

ประเภทของเหล็กที่นิยมนำมาใช้ในการทำโครงถัก หรือ โครงข้อหมุน

ประเภทเหล็กรูปพรรณรีดร้อน (Hot Rolled Structural Steel)

(เหล็กรูปพรรณรีดร้อน...คืออะไร ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ www.wazzadu.com/article/4572)

ผลิตภัณฑ์เหล็กประเภทนี้จะสามารถต้านทานการตัดโค้ง (Bending) และการบิด (Twisting) ได้ดี จึงนิยมใช้เป็นเสา (Columns), คาน (Beams) และตงพื้น (Bridge girders) และเหมาะที่จะใช้ทำโครงถัก (Truss structures) ในงานก่อสร้าง และงานสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ได้

- เหล็กไอบีม (I-Beam) นิยมใช้ทำโครงถักสะพาน โครงถักรับน้ำหนัก Module ชั้นพื้นในอาคารช่วงพาดกว้างขนาดกลาง - ขนาดใหญ่ โครงถักรองรับหลังคา รวมไปถึงโครงถักสำหรับฟังก์ชั่นการใช้งานของโรงงานอุตสาหกรรม

- เหล็กเอชบีม หรือ ไวด์แฟรงค์  (H-Beam or Wide-Flange) นิยมใช้ทำโครงถักสะพาน โครงถักรับน้ำหนัก Module ชั้นพื้นในอาคารช่วงพาดกว้างขนาดใหญ่ หรือ อาคารที่มีส่วนยื่น (Cantilever) มากเป็นพิเศษ รวมไปถึงโครงถักที่ออกแบบเฉพาะสำหรับอาคารที่ต้องการความแข็งแรงมากเป็นพิเศษ เช่น อาคารที่มีความโน้มเอียง หรือ อาคารที่มีความซับซ้อนหวือหวาทางรูปทรง เป็นต้น

ประเภทเหล็กรูปพรรณรีดเย็น (Cold Formed Structural Steel)

(เหล็กรูปพรรณรีดเย็น...คืออะไร ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ www.wazzadu.com/article/4572)

ผลิตภัณฑ์เหล็กประเภทนี้นิยมใช้ทำโครงถัก (Truss structures) ในงานก่อสร้าง และงานสถาปัตยกรรมได้ตั้งแต่ขนาดเล็ก ขนาดกลาง ไปจนถึงขนาดใหญ่ได้ (ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเหล็กประเภทนั้นๆ)

- เหล็กท่อกลมดำ (Carbon Steel Tubes) มีรูปทรงหน้าตัดเป็นวงกลม นิยมใช้ในงานโครงถักสะพาน โครงถักหลังคา และโครงถักเฉพาะสำหรับโครงสร้างอาคารในบางจุด เป็นต้น

เหล็กท่อกลมดำสามารถประยุกต์ออกแบบใช้ในงานสถาปัตยกรรมได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นสเกลขนาดเล็ก ขนาดกลาง หรือสเกลอาคารขนาดใหญ่ (การใช้งานเหล็กกลมดำในอาคารสเกลต่างๆนั้น เหล็กต้องมีขนาดที่สัมพันธ์กับรูปแบบอาคารตามความเหมาะสมทางวิศวกรรม)

- เหล็กตัวซี (Light Lip Channel) นิยมใช้ในงานโครงถักหลังคา สำหรับอาคารขนาดเล็กไปจนถึงอาคารขนาดกลาง

- เหล็กกล่องเหลี่ยม และเหล็กกล่องแบน (Carbon Steel Rectangular Pipes)

เหล็กกล่องเหลี่ยม จะมีรูปทรงหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส ในขณะที่เหล็กกล่องแบน จะมีรูปทรงหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า เหมาะสำหรับงานโครงถักหลังคา และโครงถักสำหรับช่วยรับน้ำหนักภายในอาคาร

เหล็กกล่องเหลี่ยม และเหล็กกล่องแบนสามารถประยุกต์ออกแบบใช้ในงานสถาปัตยกรรมได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นสเกลขนาดเล็ก ขนาดกลาง หรือสเกลอาคารขนาดใหญ่ (การใช้งานเหล็กกล่องเหลี่ยม และเหล็กกล่องแบนในอาคารสเกลต่างๆนั้น เหล็กต้องมีขนาดที่สัมพันธ์กับรูปแบบอาคารตามความเหมาะสมทางวิศวกรรม)

รูปแบบของโครงถัก หรือ โครงข้อหมุน (Truss structures Pattern) ที่นิยมใช้ในการออกแบบ (ดูภาพประกอบด้านล่าง)

ข้อมูลวัสดุศาสตร์อื่นๆที่น่าสนใจ

อ้างอิงโดย :

www.civilclub.net

Andrew Pytel, Jaan Kiusalass. Engineering Mechanics, Statics & Dynamics, SI Edition,
1996.

Ferdinand and Fowler. Engineering Mechanics, Statics & Dynamics : Harper & Row Publishers, 1975.