การก่อสร้างโครงหลังคาเหล็ก ด้วย โครงหลังคาเหล็ก Truss

โครงทรัสคืออะไร

การก่อสร้างโรงงานอุตสาหกรรม หรือ โกดังเก็บสินค้า(Ware House)มีความจำเป็นต้องมีความกว้างของอาคาร (Span)
ที่กว้างเพื่อความสะดวกต่อการ วางแผนติดตั้งเครื่องจักรเพื่อการผลิต ดังนั้น หลายโรงงานจึงไม่ต้องการมีเสาอาคารกลางอาคาร วิศวกรผู้ออกแบบอาคารเหล่านี้จึงเลือกใช้โครงทรัส (Truss )ที่สามารถออกแบบและก่อสร้างได้ระยะกว้าง เป็นโครงสร้างหลังคา
จากเดิมในการก่อสร้างโครงสร้างหลังคาคลุมอาคาร เราจะต้องมีคานขื่อ(Tie beam)วางพาดระหว่างเสา ถึง เสาเพื่อตั้งเสาดั้ง(King Post)ขึ้นไปรับคานอกไก่ และวางจันทัน ( Rafter ) พาดทำมุมเอียงลาดหลังคาระหว่างอกไก่ ลงมาที่หัวเสา รูปแบบการก่อสร้างแบบนี้ทำกันมาแต่โบราณ เพราะวัสดุก่อสร้างที่นำมาใช้เป็นชิ้นส่วนต่างๆในโครงสร้างหลังคา คือไม้เนื้อแข็งเป็นส่วนมาก ต่อมาเมื่อมีใช้เหล็ก Screw มาช่วยยึดโครงสร้างในจุดต่อต่างๆและมีการคิดวิธีการนำไม้ท่อนสั้นๆมาต่อกันที่จุดต่อ ทั้งตามแนวนอน (แกน X ) แนวนอน (แกน Y) และแนวทแยง(Brace) เพื่อต้านทานการเสียรูป มาต่อกันที่จุดต่อ(Node) โดยใช้สกรูเหล็กเป็นตัวยึดที่จุดต่อ หรือ อาจจะมีแผ่นเหล็กประกับไว้ที่ด้านหน้าไม้และด้านหลังของจุดต่อเพื่อช่วยเสริมกำลังต้านแรงดึง หรือ แรงกดที่จุดต่ออีกด้วย ซึ่งเราเรียกโครงสร้างแบบนี้ว่าโครงทรัส (Truss)

ประโยชน์ที่ได้รับจากวิธีนี้คือจะสามารถ ออกแบบและก่อสร้างโครงหลังคาพาดจากเสา ถึงเสาได้กว้างขึ้นจากวิธีเดิมอีกมาก และยังใช้หลักการออกแบบและก่อสร้างรูปแบบนี้ไปใช้กับโครงสร้างอื่นอีกเช่น สะพานข้ามแม่น้ำ โครงสร้างคานรับพื้นอาคาร ที่ต้องการ พื้นที่โล่งไม่มีเสารองรับ ระหว่างกลาง

และเมื่อวิวัฒนาการ การก่อสร้างได้สูงขึ้นมีการนำเหล็กทั้งรีดร้อน( Hot roll ) และขึ้นรูปเย็น ( Cold Form ) มาใช้เป็นวัสดุก่อสร้างก็ยิ่งทำให้มีการใช้โครงทรัส แพร่หลายมากขึ้นเพราะสามารถก่อสร้างได้ง่ายกว่าเดิม และยังออกแบบให้ได้ความกว้าง มากกว่าและแข็งแรงเดิมอีกด้วย เนื่องจากคุณสมบัติของเหล็กที่นำมาใช้เป็นชิ้นส่วนในโครงทรัส มีค่าการรับแรงดึงและแรงอัดได้ดีกว่าไม้เป็นอย่างมาก และเมื่อเหล็กเป็นวัสดุที่ผลิตออกมาจากโรงงานจึงควบคุม คุณภาพได้ดีกว่าไม้ ซึ่งเป็นวัสดุจากธรรมชาติ การเชื่อมต่อชิ้นส่วนที่จุดต่อทำได้โดยการ ขันน็อต ร้อยผ่านชิ้นส่วนทั้งหมดที่จุดต่อ (Node) หรือ ใช้แผ่นเหล็กต่อออกจากเหล็กชิ้นส่วนมาที่จุดต่อ เนื่องจากหน้าตัดของชิ้นส่วน(Member)มารวมกันที่จุดต่อไม่สะดวกที่จะขันน็อตร้อย รวมกันทั้งหมดที่จุดต่อ เช่นบางจุดอาจมี ชิ้นส่วน(Member)มาต่อกันถึง 5 ท่อน ซึ่งต่อมาจุดต่อนี้ได้เปลี่ยนเป็นการเชื่อมฟ้า (Weld) สามารถลดความยุ่งยากและขั้นตอนในการทำงานลงไปได้มาก

ในยุคสมัยแรกที่ใช้โครงเหล็ก(Steel Truss) นิยมใช้เหล็กหน้าตัดรูป ฉาก ( Angle ) มาเป็นชิ้นส่วนในการก่อสร้าง ต่อมามีการนำเหล็กหน้าตัด(Section)อื่นๆมาใช้ เช่น เหล็กท่อกลม เหล็กท่อเหลี่ยม เหล็กตัว U หรือเหล็กอื่นตามที่วิศวกรผู้ออกแบบกำหนด

ในปัจจุบันรอยต่อในโครงทรัส โดยส่วนมากจะใช้จุดยึดที่รอยต่อด้วยวิธีการเชื่อมไฟฟ้า (Weld) และที่จุดรองรับของโครงทรัส (Support) จะติดตั้งแผ่นเหล็ก (Plate) เพื่อไปยึดติดกับเสาอาคารที่เป็นเสาเหล็ก หรือ เสาคอนกรีต โดยจะออกแบบให้จุดนี้มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะรองรับแรงกดหรือแรงทางด้านข้าง ที่คำนวณได้จากการวิเคราะห์โครงสร้าง ซึ่งถ้าหาก วางบนเสาคอนกรีตก็จะมีเหล็กเดือย (Dowell) ที่ฝังไว้เมื่อเทคอนกรีตเสาเป็นตัวยึดโครงหลังคาให้ติดกับเสาคอนกรีต หากเป็นเสาเหล็กรูปพรรณ ก็สามารถเชื่อม หรือ ขันน็อตติดตั้งกับเสาเหล็ก ทั้งนี้ต้องออกแบบจุดต่อนี้โดยวิศวกรและต้องควบคุมการก่อสร้างในจุดนี้ให้ ถูกต้อง ตรงตามที่คำนวณและออกแบบมา เพราะมีความสำคัญต่อความแข็งแรงและปลอดภัยของอาคาร

รูปแบบของโครงทรัส

1.แบบ Vaulted Parallel Chords คือแบบที่ คอร์ดนอนล่าง(Bottom Chords)และบน(Top Chords)วางเอียงลาดตามมุมหลังคาวางขนานกันไป ห่างกันตามความลึก(Dept) ของโครงทรัสและติดตั้งเหล็กตั้ง(Web)ตามระยะตรงกับการวางแปหลังคา(Purlin) เหล็กทแยง(Diagonal )ยึดค้ำยันระหว่างบนกับล่างของช่องเหล็กตั้ง โครงแบบนี้นิยมใช้พบเห็นได้มากในเมืองไทย เพราะมีระยะความสูง( height Clearance )จากพื้นอาคาร ถึงใต้ท้องโครงทรัสได้มากกว่าแบบอื่น

2.แบบ Pratt Pitched คือแบบยอดจั่วแหลมขึ้นไปเป็นสามเหลี่ยม แต่ท้องราบ ทำให้ชิ้นส่วนคอร์ดนอนล่าง(Bottom Chords ) นอนเป็นเส้นตรง และคอร์ดบน(Top Chords)วางเอียงลาดตาม องศาความเอียงลาดหลังคาตามกำหนด แต่จะมีข้อเสียคือ ชิ้นส่วนที่เป็น Web และ Diagonal จะมีระยะความยาวมากโดยเฉพาะตรงบริเวณ กลาง Span ทำให้เกิดปัญหาเมื่อชิ้นส่วนนี้ต้องรับแรงอัด (Compression) เมื่อนำมาหาอัตราส่วนความชะลูด KL/r แล้วนำไปหาค่า Compression Capacity (fa.) แล้ว จะมีคุณสมบัติ(Properties) รับแรงได้น้อยจึงต้องออกแบบชิ้นส่วนนี้ให้มีขนาดใหญ่ ทำให้ราคาค่าก่อสร้างสูงกว่าโครงทรัสแบบ Vaulted Parallel Chords แต่โครงทรัสลักษณะนี้เหมาะกับ อาคารที่มีฝ้าเพดานภายใน หรืออาจจะนำ ท่อน้ำหรือท่อลม หรือ ท่อพลังงานที่ใช้ในการผลิตในโรงงาน มาติดตั้งที่ใต้ท้องโครงจั่วแบบนี้ก็จะสะดวกได้ประโยชน์ แต่ต้องแจ้งผู้ออกแบบโครงสร้างให้รับทราบถึง น้ำหนักที่จะเอาไปแขวนยึดเกาะกับ โครงจั่วเพื่อที่จะได้ออกแบบ ให้แข็งแรงเพียงพอและเกิดความปลอดภัย

3.แบบ Pratt , Warren สองแบบนี้ จะมีลักษณะใกล้เคียงกันคือท้องจะเรียบเหมาะที่จะออกแบบ ก่อสร้างเป็นโครงสร้างสะพานข้ามแม่น้ำ ลำคลอง โดยน้ำหนักบรรทุกจากรถวิ่งบนผิวจราจรบนพื้นสะพานถ่ายน้ำหนักลงบน ตง (Joist)รองรับ เป็นช่วงๆ ปลายของตงถูกวางไว้ที่จุดต่อ(Node) และที่จุดต่อจะมีชิ้นส่วนตัวนอน ตัวตั้ง ตัวทแยงมายึดรั้งตามระบบของโครงทรัส และจะวางจุดรองรับ(Support)ไว้ที่เสาตอม่อสะพาน นอกจากนี้เราจะพบเห็นโครงทรัสแบบนี้ใช้รับการติดตั้งท่อขนาดต่างๆ (Pipe Rack) เพื่อข้ามถนนหรือวางบนอากาศเชื่อมต่อจากแหลางจ่ายไปสู่การผลิต

การออกแบบโครงทรัส

1.กำหนดขนาดความกว้าง ของจุดรองรับทั้งสองข้าง(Span) ความสูง(Dept) โดยมากเราจะให้ขนาดความสูงของจั่วประมาณ 0.05 L. เช่นความกว้าง ช่วงเสา = 20 .00 เมตร โครงจั่วนี้จะมีความสูง = 1.00 เมตร และเอียงลาดขึ้นไปตามค่าความเอียงลาด(Slope)ของหลังคา

2. กำหนดน้ำหนักบรรทุก กรณีเป็นหลังคาต้องมีแรงลมด้วยถ้าหลังคาเอียงลาดมากกว่า 15 องศา หรือก่อสร้างขึ้นไปสูงจากพื้นดินมากควรออกแบบตามข้อกำหนดเรื่องแรงลม นอกจากนั้นคือน้ำหนักบรรทุกจากแผ่นหลังคา ฝ้าเพดานมีหรือไม่ ท่อต่างๆหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าเช่นแผง Solar Cell มีมายึดเกาะเป็นการเพิ่มน้ำหนักให้โครงทรัสหรือไม่ถ้ามีต้องนำมาคำนวณด้วย

3.เมื่อได้ครบถ้วนแล้วมาวิเคราะห์โครงสร้างเริ่มจากหาแรง Reaction ที่จุดรองรับ จากนั้นตัดSection ที่ความยาวช่วงต่างๆในโครงทรัส เพื่อหาแรงภายในชิ้นส่วนโครงทรัส จากสมการ ∑FX = 0 , ∑FY= 0 , ∑M = 0

4.เมื่อได้แรงภายในแล้ว นำมาออกแบบชิ้นส่วนประกอบของโครงทรัสที่จะใช้รองรับแรงนั้น เช่น คอร์ดล่าง คอร์ดบน ตัวตั้ง ตัวทแยง โดยหน้าตัดเหล็กที่นำมาใช้ต้องสามารถรับแรงได้มากกว่าแรงภายในที่เกิดขึ้น โดยการคำนวณออกมาจะทราบว่าแรงที่เกิดขึ้นที่ชิ้นส่วนนั้นๆเป็นแรงดึง หรือ แรงอัด ถ้าหากเป็นแรงอัดต้องนำชิ้นส่วนที่เลือกใช้ไปหาอัตราส่วนความชะลูด KL/r ก่อน นำไปหา ความสามารถต้านทานแรงอัด fa. แล้วจึงนำไปใช้ออกแบบ และควรระบุขนาดของขาเชื่อมที่จุดต่อด้วยโดยนำค่าแรงที่เกิดขึ้นไปออกแบบ เพื่อใช้ในการควบคุมการทำงานเชื่อม ประกอบโครงทรัส

5.เมื่อได้แบบการก่อสร้าง โครงทรัสแล้ว ประการสำคัญอีกอย่างคือต้องออกแบบโครงหลังคาทั้งระบบ (Framing)คือเมื่อวางชิ้นส่วนประกอบของหลังคาครบแล้ว ต้องพิจารณาว่าหากมีแรงมากระทำ เช่นแรงลมจากด้านหน้าจั่ว หรือแรงลมจากด้านข้าง หรือการโย้ตัวของเสาอาคารเมื่อเกิดการวิ่งของ เครนในโรงงาน ที่วางรางเครนไว้กับเสาโรงงาน โครงหลังคาทั้งระบบต้องไม่เสียรูป บิดตัวหรือแอ่นตัวไปทางด้านใดด้านหนึ่ง วิธีการคือต้องมีการออกแบบใส่ค้ำยัน (Bracing)ให้ตรงตำแหน่งและเพียงพอต่อการต้านทานการเสียรูป และในการติดตั้งแป (Purlin) รองรับแผ่นหลังคาที่มีช่วงห่างระหว่างทรัส(Bay) จำเป็นต้องใส่เหล็กค้ำยันแปทางด้านข้าง(Sag rod) เพราะอาจเกิดการบิดตัวทำให้เกิดการรั่วของหลังคาจากข้างลอนของแผ่น เมทัลชีท ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงข้อนี้ด้วย