โครงสร้างชิ้นส่วนเหล็กแบบตรัส (Truss) มีกี่ประเภท

โครงถักเหล็กทำหน้าที่อะไร และเหตุใดจึงทำงานได้ดี

เอ รางเหล็ก คือโครงสร้างที่ประกอบด้วยองค์ประกอบต่างๆ ที่เชื่อมต่อกันเป็นรูปสามเหลี่ยม ซึ่งเปลี่ยนแรงดัดให้กลายเป็นแรงดึงและแรงกดบริสุทธิ์ที่กระทำตามแนวแกนของแต่ละองค์ประกอบ คานแข็งจะต้านทานแรงดัดโดยกระจายความเค้นอย่างไม่สม่ำเสมอทั่วพื้นที่หน้าตัด โดยวัสดุบริเวณแกนกลาง (neutral axis) จะมีส่วนร่วมในการรับน้ำหนักน้อยมาก ขณะที่โครงถักจะใช้เหล็กทุกกิโลกรัมให้เกิดประโยชน์สูงสุดในการรับแรงดึงหรือแรงกดตามแนวแกนขององค์ประกอบแต่ละชิ้น ส่งผลให้ได้โครงสร้างที่สามารถข้ามช่วงความยาวได้ไกลกว่าคานแข็งที่มีน้ำหนักเท่ากันอย่างมาก

การจัดรูปสามเหลี่ยม แรงดึง และแรงกด

รูปสามเหลี่ยมคือรูปหลายเหลี่ยมเพียงรูปเดียวที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปร่างได้หากไม่มีการเปลี่ยนความยาวของด้านแต่ละด้าน รางเหล็ก ใช้หลักการนี้โดยแบ่งกรอบสี่เหลี่ยมผืนผ้าออกเป็นรูปสามเหลี่ยม ชิ้นส่วนด้านบน (top chord) รับแรงอัด ซึ่งเกิดจากแรงกดลงของน้ำหนักหลังคา น้ำหนักหิมะ และน้ำหนักตัวเอง ขณะที่ชิ้นส่วนด้านล่าง (bottom chord) รับแรงดึง คือแรงที่ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้โครงถักขยายตัวบริเวณจุดรองรับ เส้นเชื่อมภายใน (web members) ทั้งแนวตั้งและแนวทแยง ทำหน้าที่ถ่ายโอนแรงระหว่างชิ้นส่วนด้านบนและด้านล่าง ว่าชิ้นส่วนใดจะอยู่ภายใต้แรงดึงหรือแรงอัดนั้นขึ้นอยู่กับรูปแบบของโครงถักและการกระจายแรงที่กระทำ ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้โครงถักแต่ละชนิดแตกต่างกัน

กรณีศึกษาจริง — หลังคาคลังสินค้าที่มีระยะความกว้างไร้เสา 40 เมตร

คลังสินค้าด้านตะวันออกของประเทศจีนจำเป็นต้องมีหลังคาที่มีระยะความกว้างไร้เสา 40 เมตร เนื่องจากการตั้งเสาภายในอาคารจะขัดขวางทางเดินของรถโฟร์คลิฟต์ หากใช้คานแข็งแทน จะต้องมีความลึกของหน้าตัดใกล้เคียง 2 เมตร ส่งผลให้สูญเสียพื้นที่ความสูงในแนวดิ่งและเพิ่มน้ำหนักตาย รางเหล็ก — โครงสร้างแบบพรัต (Pratt) ที่มีความลึก 3.2 เมตร — สามารถรองรับช่วงความกว้างได้โดยใช้คาน H-Beam รีดร้อนมาตรฐาน แนวเส้นทแยงมุมถูกจัดวางให้ชิ้นส่วนที่ยาวกว่ารับแรงดึง (ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงในเหล็ก) ส่วนแนวตั้งที่สั้นกว่ารับแรงกด น้ำหนักเหล็กทั้งหมดลดลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับวิธีการใช้คานแข็งแบบเดิม และโครงสร้างช่องเปิดระหว่างคานยังช่วยให้ท่อต่างๆ ระบบดับเพลิง และโคมไฟสามารถผ่านเข้าไปภายในโครงถักได้ โดยไม่จำเป็นต้องแขวนไว้ด้านล่างโครงถัก

สี่ประเภทหลักของโครงถักเหล็ก

การเปรียบเทียบโครงถักเวอร์เรน (Warren), พรัต (Pratt), โฮว์ (Howe) และฟิงค์ (Fink)

เวอร์เรน (The Warren) รางเหล็ก ใช้รูปสามเหลี่ยมด้านเท่าหรือสามเหลี่ยมหน้าจั่ว โดยมีเส้นทแยงมุมสลับกันและไม่มีแนวตั้ง แรงจะสลับกันระหว่างแรงดึงและแรงกดในเส้นทแยงมุมที่อยู่ติดกัน โครงถักเวอร์เรนจึงผลิตได้ง่ายที่สุด เนื่องจากความยาวของชิ้นส่วนและมุมการต่อเชื่อมมีความซ้ำซากกัน โครงถักเวอร์เรนเหมาะสำหรับช่วงความกว้าง 15 ถึง 60 เมตร โดยที่ความลึกคงที่เป็นที่ยอมรับได้ และการรับโหลดมีลักษณะสมมาตร

พรัต (The Pratt) รางเหล็ก จัดวางแนวเส้นทแยงมุมให้ชี้ออกด้านนอกและลงด้านล่างจากจุดศูนย์กลางไปยังจุดรองรับ ทำให้เส้นทแยงมุมที่ยาวกว่าอยู่ภายใต้แรงดึง และแนวตั้งที่สั้นกว่าอยู่ภายใต้แรงกดเมื่อมีโหลดจากแรงโน้มถ่วง โครงสร้างแบบพรัต (Pratt) มีประสิทธิภาพสูงเพราะเหล็กทนต่อแรงดึงได้ดีกว่าแรงกด — องค์ประกอบรับแรงดึงที่ยาวจึงหลีกเลี่ยงปัญหาการโก่งตัว (buckling) ได้ โครงสร้างแบบพรัตเหมาะสำหรับช่วงความยาว 20 ถึง 80 เมตร และเป็นทางเลือกที่พบบ่อยที่สุดสำหรับหลังคาอาคารอุตสาหกรรม

โฮว์ (Howe) รางเหล็ก กลับด้านการทำงานของโครงสร้างแบบพรัต โดยเส้นทแยงมุมเอียงเข้าด้านในและขึ้นด้านบนจากจุดรองรับ ทำให้เส้นทแยงมุมรับแรงกด และแนวตั้งรับแรงดึง โครงสร้างแบบโฮว์มีประสิทธิภาพน้อยกว่าเมื่อใช้เหล็ก (เนื่องจากองค์ประกอบรับแรงกดที่ยาวมีแนวโน้มเกิดการโก่งตัว) จึงนิยมใช้กับไม้มากกว่า แต่ในกรณีที่ใช้เหล็ก จะนำมาใช้เมื่อมีแรงยกจากลมซึ่งเปลี่ยนรูปแบบการรับโหลดปกติ

ฟิงค์ (Fink) รางเหล็ก แบ่งสามเหลี่ยมพื้นฐานออกเป็นสามเหลี่ยมย่อยที่แผ่รัศมีออกจากจุดศูนย์กลาง สร้างโครงข่ายรูปพัดซึ่งช่วยลดความยาวของชิ้นส่วนแนวเส้นโค้งที่ไม่มีการรองรับ Fink truss เป็นแบบมาตรฐานสำหรับหลังคาเอียงในอาคารที่อยู่อาศัยและอาคารพาณิชย์ขนาดเบา ที่มีช่วงความกว้าง (span) ตั้งแต่ 10 ถึง 25 เมตร — โดยใช้เหล็กน้อยกว่าต่อตารางเมตรเมื่อเทียบกับ Warren หรือ Pratt truss สำหรับช่วงความกว้างสั้นถึงปานกลางที่มีมุมเอียงของหลังคาค่อนข้างมาก

การเลือก truss ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งาน

ช่วงความกว้าง ภาระที่รับได้ ระยะสูงที่ว่าง และข้อกำหนดด้านสถาปัตยกรรม

การเลือก truss สำหรับโครงการ รางเหล็ก เริ่มต้นด้วยคำถามสี่ข้อ ข้อแรก ช่วงความกว้างที่วัดได้โดยไม่มีการรองรับ (clear span) คือเท่าใด? ซึ่งจะกำหนดความลึกของ truss — โดยทั่วไปแล้วความลึกจะอยู่ที่ประมาณ 1/10 ถึง 1/15 ของช่วงความกว้างสำหรับหลังคา และ 1/8 ถึง 1/12 ของช่วงความกว้างสำหรับสะพาน ข้อสอง ภาระที่ต้องรับคืออะไรบ้าง — ได้แก่ น้ำหนักถาวร (dead load), น้ำหนักแปรผัน (live load), น้ำหนักจากหิมะ และน้ำหนักจากลม — เนื่องจากการกระจายภาระแบบไม่สมมาตรอาจทำให้ truss แบบ Pratt เหมาะสมกว่า truss แบบ Warren ข้อสาม มีระยะสูงที่ว่างในแนวดิ่งมากน้อยเพียงใด? truss ที่มีความลึกน้อยจะต้องใช้ชิ้นส่วนแนวเส้นโค้งที่มีขนาดใหญ่และแข็งแรงขึ้น ในขณะที่ truss ที่มีความลึกมากอาจเกิดการขัดแย้งกับระบบกลไกต่าง ๆ ข้อสี่ truss นั้นถูกเปิดเผยให้มองเห็นทางสถาปัตยกรรมหรือไม่? truss ที่เปิดเผยให้มองเห็นทางสถาปัตยกรรม รางเหล็ก ในพื้นที่สาธารณะอาจทำให้รูปแบบวอร์เรนที่มีความโดดเด่นทางสายตาเหมาะสม แม้ว่ารูปแบบแพรตต์จะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเพียงเล็กน้อยก็ตาม

ข้อพิจารณาด้านการออกแบบที่อยู่เหนือประเภทของโครงถัก

การออกแบบการต่อเชื่อม การเสริมความมั่นคงด้านข้าง และการป้องกันการกัดกร่อน

เอ รางเหล็ก มีความแข็งแรงเท่ากับจุดที่เชื่อมต่อกันเท่านั้น การต่อเชื่อมด้วยสลักเกลียวพร้อมแผ่นเสริม (gusset plates) เป็นมาตรฐานสำหรับการประกอบหน้างาน เนื่องจากสามารถปรับแต่งได้และตรวจสอบคุณภาพได้ ส่วนการต่อเชื่อมด้วยการเชื่อม (welded connections) จะให้ความแข็งแกร่งสูงกว่าสำหรับโครงถักที่ผลิตในโรงงานแล้วส่งมาติดตั้งแบบครบชุด การเสริมความมั่นคงด้านข้าง (lateral bracing) ซึ่งทำโดยการเชื่อมโครงถักที่อยู่ติดกันเข้าด้วยกันผ่านรางรองหลังคา (purlins) และโครงเสริมแนวทะแยง (cross-bracing) จะช่วยป้องกันไม่ให้โครงถักแต่ละชิ้นโก่งตัวออกจากแนวระนาบ การป้องกันการกัดกร่อน — เช่น การชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (hot-dip galvanizing) สำหรับงานภายนอกตามมาตรฐาน ISO 1461 หรือการใช้สีขยายตัวเมื่อถูกความร้อน (intumescent paint) สำหรับพื้นที่ภายในที่ต้องการคุณสมบัติกันไฟ — จำเป็นต้องระบุไว้ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ

คำถามที่พบบ่อย

โครงถักเหล็กประเภทหลักมีอะไรบ้าง

ทั้งหมดสี่ประเภทหลัก รางเหล็ก รูปแบบต่างๆ ได้แก่ วอร์เรน (เส้นทแยงมุมสลับกัน ไม่มีแนวตั้ง), พรัตต์ (เส้นทแยงมุมยาวอยู่ภายใต้แรงดึงเมื่อรับน้ำหนักจากแรงโน้มถ่วง), เฮา (เส้นทแยงมุมอยู่ภายใต้แรงกดเมื่อรับน้ำหนักจากแรงโน้มถ่วง) และฟิงค์ (โครงข่ายรูปพัดสำหรับหลังคาเอียง) แต่ละรูปแบบออกแบบให้แรงกระทำต่อชิ้นส่วนต่างๆ มีประสิทธิภาพสูงสุดในลักษณะเฉพาะ

เหตุใดโครงสร้างแบบพรัตต์จึงเป็นที่นิยมใช้มากที่สุดในอาคารอุตสาหกรรม

พรัต (The Pratt) รางเหล็ก ทำให้ชิ้นส่วนแนวทแยงมุมที่ยาวกว่าอยู่ภายใต้แรงดึง และชิ้นส่วนแนวตั้งที่สั้นกว่าอยู่ภายใต้แรงกด เมื่อรับน้ำหนักจากแรงโน้มถ่วง ซึ่งเหล็กมีสมรรถนะดีกว่าภายใต้แรงดึงเมื่อเทียบกับแรงกด — ชิ้นส่วนที่ยาวและรับแรงดึงจึงหลีกเลี่ยงปัญหาการโก่งตัว (buckling) ได้ จึงทำให้โครงสร้างแบบพรัตต์มีประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างสูงสุดโดยทั่วไปสำหรับหลังคาอาคารอุตสาหกรรม

โครงสร้างแบบทรัสส์ที่ทำจากเหล็กสามารถรองรับช่วงความยาวได้มากที่สุดเท่าไร

เอ รางเหล็ก สามารถรองรับช่วงความยาวได้ตั้งแต่ 10 เมตร สำหรับโครงสร้างแบบฟิงค์บนหลังคาที่อยู่อาศัย ไปจนถึงมากกว่า 100 เมตร สำหรับโครงสร้างแบบวอร์เรนหรือพรัตต์ที่มีความลึกมากบนอาคารเก็บเครื่องบินและสนามกีฬา ความลึกของโครงสร้างแบบทรัสส์จะเพิ่มขึ้นตามช่วงความยาว โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1/10 ถึง 1/15 ของช่วงความยาวสำหรับหลังคา

การต่อเชื่อมด้วยโบลต์หรือการเชื่อมแบบวิลด์แบบใดดีกว่ากัน

การต่อเชื่อมด้วยโบลต์เป็นมาตรฐานสำหรับการประกอบโครงสร้างแบบทรัสส์ที่ไซต์งาน รางเหล็ก โครงสร้าง — สามารถปรับแต่งได้และตรวจสอบได้ ข้อต่อแบบเชื่อม (welded connections) มีความแข็งแกร่งสูงกว่า และเหมาะสำหรับโครงถักที่ผลิตในโรงงานแล้วส่งมอบมาแบบครบชุด การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตและการขนส่งติดตั้ง

โครงถักวอร์เรน (Warren truss) แตกต่างจากโครงถักแพรตต์ (Pratt truss) อย่างไร

โครงถักวอร์เรน รางเหล็ก ใช้เส้นแนวทแยงสลับกันเพื่อสร้างรูปสามเหลี่ยมด้านเท่า โดยไม่มีเส้นแนวตั้ง — จึงผลิตได้ง่าย ขณะที่โครงถักแพรตต์มีการเพิ่มเส้นแนวตั้งเข้าไป และจัดให้เส้นแนวทแยงรับแรงดึงภายใต้แรงโน้มถ่วง ทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่าเมื่อใช้วัสดุเหล็ก แต่ซับซ้อนขึ้นเล็กน้อย

โครงถักเหล็กต้องการการป้องกันการกัดกร่อนแบบใด

เอ รางเหล็ก สำหรับการใช้งานภายนอก จำเป็นต้องชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อนตามมาตรฐาน ISO 1461 หรือใช้ระบบสีหลายชั้น สำหรับโครงถักที่ใช้ภายในอาคารในพื้นที่แห้ง อาจต้องใช้เฉพาะสีรองพื้นเท่านั้น ส่วนการใช้งานที่ต้องผ่านการทดสอบความทนไฟ จะต้องเคลือบด้วยสีประเภทอินทิวเมสเซนต์ (intumescent paint) ให้มีความหนาของฟิล์มสีแห้งตามที่ระบุ