เทคโนโลยกีารก่อสรา้ง 3

(Construction Technology 3)

โดย : อ.วสุิทธ์ิ ศิริพรนพคุณ

สปัดาหท์ี่ 2

- วิวฒันาการ อาคารสูง

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- อาคารสงูได้ถกูพฒันาระบบโครงสร้างอย่างจริงจงัโดยใช้โครงสร้างเหล็กเป็นหลกั อาคารคอนกรีตในยคุนัน้ถกูใช้เฉพาะในอาคารไม่สงูเทา่นัน้- จนกระทัง่ในช่วงปี 1950s คอนกรีตเสริมเหลก็จึงเร่ิมมีการน ามาใช้ในอาคารสงูมากขึน้- อาคารคอนกรีตเสริมเหลก็ถกูมองวา่เป็นระบบที่ท าให้การก่อสร้างลา่ช้าเมื่อเปรียบเทียบกบัระบบโครงสร้างเหลก็

ก่อสร้าง ค.ศ.1887-1889

(2 ปี 2 เดือน 5 วนั)

-จดุเร่ิมต้นของพฒันาการเร่ิมจากในปี 1824 Joseph Aspdin ได้คิดค้น Portland Cement ท่ีองักฤษ เป็นสว่นผสมระหวา่งหินปนูกบัดินเหนียว- โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหลก็ถกูน ามาใช้ในช่วงกลางของศตวรรษท่ี 19 โดย Joseph LoiusLambot, Francois Coignet, และ Joseph Monier ท่ีฝร่ังเศส- Ward House ท่ี Port Chester, New York โดยวิศวกรเคร่ืองกล William E. Ward ในปี 1876ถกูยกยอ่งให้เป็นอาคาร คอนกรีตจริงๆ หลงัแรกในอเมริกา- หลงัจากสงครามโลกครัง้ท่ี 1 คอนกรีตเสริมเหลก็ถกูใช้ในอาคารสงูในสว่นฐานราก

อาคาร Ward House

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- อาคาร Ernest Leslie Ransome ในชิคาโกปี 1872 ใช้คอนกรีตเสริมไมเ่ฉพาะแต่ที่ฐานรากแตใ่นโครงสร้างอาคารด้วย จงึอาจจะถือได้วา่เป็นพืน้ฐานการใช้โครงสร้างเฟรมคอนกรีตส าหรับอาคารหลายชัน้ในอเมริกา- ในช่วงเวลาเดียวกนัอาคาร Francois Hennebique ในระบบคอนกรีตเดียวกนัท่ีฝร่ังเศส

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- ในปี 1902 วิศวกรชาวเยอรมนัช่ือ Emil Morch ได้ตัง้ทฤษฎีเก่ียวกบัคอนกรีตเสริมเหลก็ไว้ในหนงัสือท่ีมีชื่อเสียงของเขาท่ีมีชื่อวา่ “Der Eisenbetonbau” ซึง่ถกูใช้เป็นมาตรฐานในกระบวนการออกแบบคอนกรีตเสริมเหลก็มาหลายทศวรรษ- อาคารระฟ้าคอนกรีตเสริมเหลก็หลงัแรก (First Concrete Skyscraper) สงู 16 ชัน้ คือ อาคาร Ingalls ท่ี Cincinnati ออกแบบโดย Elzner & Anderson

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- ในขณะเดียวกนัอาคารสงูคอนกรีตเสริมเหลก็ในยโุรปก็ถกูสร้างขึน้โดยการออกแบบของ Auguste Perret และวิศวกร Francois Hennebique เป็นอาคารที่พกัอาศยัสงู 8 ชัน้ ช่ือวา่ Frannklin Apartment ที่ปารีส ในปี 1904

- ในช่วงทศวรรษตอ่มา อาคารสงูในอเมริกาได้ให้ความสนใจกบัโครงสร้างเหล็ก จนท าให้พฒันาการโครงสร้างคอนกรีตถกูละเลยไป ในขณะท่ีทางยโุรปยงัคงให้ความส าคญักบัโครงสร้างคอนกรีตอยู่- หลายๆ อจัฉริยะทางโครงสร้างเกิดขึน้ในยโุรปมากมาย เช่น Robert Maillart,Eduardo Torroja, Pier Luigi Nervi, Le Corbusier, Dominikus Bohm, Erich Mendelsohn เป็นต้น

- หลงัจากสงครามโลกครัง้ท่ี 2 อาคารที่สงูเกิน 23 ชัน้ ใช้โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหลก็ท่ีสงูกวา่ได้ถกูสร้างขึน้ท่ีอื่นๆ แล้วไม่ว่าจะเป็น Argentina และ Brazil- ในช่วงแรกของโครงสร้างคอนกรีตส าหรับอาคารสงูถกูมองว่า มีน า้หนกัมากและขนาดเสาโดยเฉพาะชัน้ฐานมีขนาดใหญ่มาก พฒันาการของคอนกรีตเสริมเหลก็ในอาคารสงูใช้ระยะเวลาหนึ่งก่อนท่ีจะมามีก้าวยา่งท่ีส าคญั คือ ระบบ Flat Plate และ Shear Wall ถกูใช้ครัง้แรกในอาคารพกัอาศยัช่ือวา่ Clinton Hill ท่ี Brooklyn ในปี 1940s ออกแบบโดยJoseph Distatsio

- Johnson Wax ท่ี Racine Wisconsin โดย Frank Lloyd Wright กลายเป็นอาคารท่ี ท าลายก าแพงแนวความคิดของเฟรมส าหรับอาคารสงู แม้วา่อาคาร 15 ชัน้ ไม่อาจจะถือได้วา่เป็นอาคารสงู เป็นโครงสร้างอาคารที่เลียนแบบโครงสร้างของต้นไม้ สว่นพืน้งอกระยางออกมาจากแกนกลาง ขณะท่ีรากของอาคารชอนไชลกึลงในพืน้ดิน

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- Price Tower ที่ Bartlesville, Oklahoma ในปี 1956 เป็นอีกอาคารหนึง่ที่แหวกแนวความคิดของการใช้คอนกรีตในอาคารสงู โดยใช้ประโยชน์จากรูปทรงท่ีเป็นอิสระของคอนกรีต

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- ในปี 1962 อาคารพกัอาศยั Marina Tower ที่ชิคาโก 60 ชัน้ โดยสถาปนิก Bertrand Goldberg สงู 588 ฟตุ เป็นอาคารระฟ้าโครงสร้างคอนกรีตท่ีสมบรูณ์ที่สดุและสามารถสื่อถงึวสัดไุด้ดีท่ีสดุในยคุนัน้

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- ปี 1968 อาคาร Lake Point Tower 70 ชัน้ ใช้ประโยชน์จากระบบ Shear Wall และพืน้ Slab ซึง่เป็นคณุสมบตัิพิเศษของคอนกรีตเสริมเหลก็ แตรู่ปลกัษณ์ภายนอกไม่สื่อถงึความเป็นอาคารคอนกรีตเหมือน Marina Tower

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- 311 South Wacker Drive 75 ชัน้ เป็นอาคารคอนกรีตท่ีสงูท่ีสดุในโลกมาช่วงระยะหนึ่ง ปัจจบุนัเป็นอาคารส านกังานคอนกรีตท่ีสงูท่ีสดุในโลก สร้างในปี 1990

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

- การพฒันาในยคุตอ่มา มีการผสมผสานวสัดเุหล็ก คอนกรีต รวมไปถงึระบบ Precast Concrete- ในช่วงปี 1960s เกิดระบบ Composite Construction ซึง่เป็นท่ีนิยมใช้ในอาคารสงูช่วงหนึง่

อาคารสูง : วิวัฒนาการอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก

อาคารสงูหลายๆ แห่งในโลกเลือกใช้คอนกรีตเป็นวสัดหุลกัส าหรับโครงสร้าง โดยคณุสมบตัิ

หลายๆ ประการดงัตอ่ไปนี ้

- ความแข็งแรงและสามารถหลอ่ได้หลายรูปแบบ พฒันาการของคอนกรีตในปัจจบุนัท าให้

คอนกรีตมีขนาดเลก็กวา่แตก่่อนโดยเฉพาะ High-strength Concrete เสามีขนาดเลก็ลงเพิ่ม

พืน้ท่ีใช้งานในอาคาร ซึง่คณุสมบตัิของคอนกรีตสมยัเก่าเป็นจดุด้อยในการน ามาใช้ส าหรับ

โครงสร้างอาคารสงูเน่ืองจากมีความใหญ่โตของโครงสร้าง นอกจากนีค้อนกรีตยงัได้เปรียบในแง่

ของการหลอ่ได้หลากหลายรูปแบบท าให้สถาปนิกมีทางเลอืกในการออกแบบมากขึน้ โดยเฉพาะ

ในปัจจบุนัคอนกรีตน า้หนกัเบา (Lightweight Concrete) ท าให้น า้หนกัของโครงสร้างอาคาร

ลดลงได้อยา่งมาก น าไปสูก่ารลดคา่ก่อสร้างโดยรวม รวมไปถึง High Strength Reinforce Bars

ท าให้เหลก็เสริมในคอนกรีตลดลงไปอีกด้วย

คุณสมบัตขิองคอนกรีต

- การต้านทานเพลิงไหม้ โครงสร้างคอนกรีตสามารถต้านทานเพลิงไหม้ได้ด้วยตวัมนัเองโดยไม่ต้องเสริมฉนวนอื่นเหมือนโครงสร้างเหล็ก

- ความทนทาน คอนกรีตเป็นวสัดทุี่มีความทนทานสงูและมีความแข็งแรงมากขึน้เม่ือเวลาผ่านไป

- ความแข็งของอาคาร (Building Stiffness) อาคารคอนกรีตมีคณุสมบตัิของความแข็งสงู คณุสมบตัินีจ้ะมีความส าคญัมากขึน้เพราะในเมืองตา่งๆ ความหนาแน่นของอาคารมากขึน้ท าให้อาคารสงูจะต้องมีรูปทรงที่ผอมลง ซึง่ต้องการความแข็ง (Stiffness) ของอาคารมากขึน้ เพ่ือลดการไหวเอนเม่ือถกูกระท าโดยแรงตามแนวนอนหรือแรงลม ระบบพืน้ของโครงสร้างคอนกรีตรับแรงท่ีเกิดจากสัน่สะเทือน (Vibratory Loads) ได้ดี รวมทัง้สว่นแกนลิฟต์ด้วย

คุณสมบัตขิองคอนกรีต

- การรองรับสภาพดินฟ้าอากาศ สภาพภมูิอากาศและที่ตัง้ของแตล่ะเมืองเป็นปัจจยัจ าเป็นท่ีต้องพิจารณาหากจะเลือกใช้โครงสร้างคอนกรีตส าหรับอาคารสงู คอนกรีตอาจจะได้เปรียบเหล็กตรงท่ีมีการขยายตวัหรือหดตวัเน่ืองจากความร้อนเย็นน้อยกวา่เหล็ก แตใ่นการก่อสร้างคอนกรีตอาจจะมีข้อแม้มากกวา่ เช่น ในเมืองหนาวอาจจะต้องใช้ความร้อนช่วยท าให้คอนกรีตเหลว หรือในเมืองท่ีร้อนมากๆ อาจจะต้องมีสว่นผสมพิเศษส าหรับการรักษาคณุสมบตัิของคอนครีตสด หรือในแถบมรสมุที่มีฝนชกุอาจจะมีปัญหาในการก่อสร้าง คอนกรีตแห้งตวัช้า เป็นต้น

คุณสมบัตขิองคอนกรีต

ระบบรองรับแรงกระท าตามแนวนอน (Lateral Load Resisting Systems)

1. Moment Resisting Framesโครงสร้างเฟรมท่ีต้านโมเมนต์เป็นโครงสร้างท่ีประกอบด้วยเสาและคานเช่ือม

ติดกนัด้วยข้อแข็งเป็นหนึง่เดียว ส าหรับระบบ Flat Plate หรือ Flat Slab แล้ว สว่นพืน้จะท าหน้าที่เสมือนคานบางๆ (Shallow Beam) ในระบบเฟรมส าหรับอาคารสงูจะถกูมองวา่มีข้อเสียท่ีส าคญั คือ ระบบนีต้้องการเสาภายในและคานจ านวนมากท าให้เสียพืน้ท่ีของตวัอาคาร ดงันัน้พฒันาการของโครงสร้างท าให้มีระบบ Frame-tube ส าหรับโครงสร้างคอนกรีตขึน้ กลา่วคือ สว่นผนงันอกอาคารจะมีเสาที่ถ่ีท าหน้าที่เหมือนท่อ (Tube) รองรับแรงกระท าในแนวนอนทัง้หลาย ระบบนีใ้ช้ในอาคารสงูหลายท่ี เช่น Brunswick Building และ One Shell Plaza เป็นต้น

ระบบรองรับแรงกระท าตามแนวนอน (Lateral Load Resisting Systems)

2. Shear WallShear Wall เป็นแผงคอนกรีตทางแนวตัง้ท่ีสร้างเสริมความแข็งแรงให้อาคาร

เพ่ือรับแรงลมหรือแผ่นดนิไหว ระบบนีถ้กูคิดค้นขึน้ในประมาณปี 1940s ปัญหาส าคญัของ Shear wall คือ ช่องเปิดไม่วา่จะเป็นประตู หน้าตา่งหรือช่องทอ่จะถกูจ ากดั Shear Wall อาจจะเป็นในรูปกลอ่ง รูปตวั L รูปตวั I หรือ อ่ืนๆรวมทัง้อาจจะเป็นรูปวงกลม หรือโค้งก็ได้ ในอาคารสงูแล้ว Shear Wall ไม่จ าเป็นจะต้องเป็นสว่นแกนลิฟต์เสมอไป อาจจะเป็นสว่นหนึง่ของผนงัภายนอกหรือผนงัภายในก็ได้ แตนิ่ยมใช้เป็นแกนลิฟต์และงานระบบตา่งๆ มากที่สดุ ด้วยสว่นแกนนีจ้ะกินพืน้ท่ีประมาณ 20-25% ของพืน้ท่ีแตล่ะชัน้และสงูไปตามความสงูของอาคาร แกนลิฟต์จงึมกัถกูใช้เป็นเสมือนท่อท่ีช่วยรับแรงกระท าตามแนวนอนของอาคารสงูโดยทัว่ไป ในบางอาคารผนงัภายนอกอาจจะท าหน้าที่เสมือนท่อขนาดใหญ่ที่ถกูเจาะบางสว่นออกเพ่ือเป็นหน้าตา่งหรือช่องเปิด

3. Combination Systemsระบบพืน้โดยปกติจะประกอบด้วย คาน พืน้ และตง ในขณะท่ีบางครัง้เสา

และผนงัอาจจะเช่ือมตอ่ด้วยกนัเพ่ือช่วยในการรับแรงทางแนวนอน ระบบนีเ้ป็นระบบที่เช่ือมระบบโครงข้อแข็งเข้ากบัระบบ Shearwall นัน่เอง ตวัอย่างของอาคารสงูในระบบนีไ้ด้แก่ อาคาร 311 South Wacker Drive ที่ชิคาโก เป็นต้น

ระบบรองรับแรงกระท าตามแนวนอน (Lateral Load Resisting Systems)

1. ชนิดของคอนกรีตส าหรับอาคารสูง- High-Strength Concrete- High-Performance Concrete- Lightweight Concrete- High-Strength Reinforcing Steel

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

2. การก่อสร้างเทคนิคการก่อสร้างอาคารได้พฒันาไปอยา่งมากในรอบ 3

ทศวรรษหลงันี ้โดยนบัตัง้แตร่ะบบหลอ่ แบบหลอ่ ระบบ Modular ระบบส าเร็จรูป รวมไปถงึกระบวนการจดัการก่อสร้างท่ีเป็นระบบมากขึน้

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

3. การออกแบบการออกแบบในเชิงวิศวกรรมโครงสร้างของคอนกรีตได้พฒันาไป

อยา่งมาก ไมว่า่จะเป็นในรายละเอียดของการเสริมเหลก็ เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสงูสดุหรือการคิดค้นสว่นประกอบตา่งๆ ตัง้แต่ Waffle Slab Flat Plate มาจนถึง Post Tension ระบบโครงสร้างโดยรวม (Tube in Tube, Infilled Braced Tube etc.) ท าให้สามารถสร้างอาคารสงูด้วยคอนกรีตได้สงูขึน้และรวดเร็วขึน้อยา่งมาก

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

4. เทคโนโลยีการก่อสร้าง

เป็นปัจจยัที่ส าคญัส าหรับการก่อสร้างอาคารสงู กลา่วคือ อาคารสงูในแตล่ะ

ประโยชน์ใช้สอยควรจะเลือกใช้ระบบโครงสร้างท่ีมีเทคโนโลยีใหม่สดุซึง่พิสจูน์วา่มี

ประสิทธิภาพสงูสดุแล้ว วสัดขุองการก่อสร้างก็ถกูพฒันาไปพร้อมๆ กบัระบบ

โครงสร้างเช่นกนั ดงันัน้สถาปนิก วิศวกรอาคารสงูจะต้องมีการติดตามข่าวสาร

อย่างใกล้ชิด

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

5. ความเหมาะสมของแต่ละท้องถิ่น

อาจจะเป็นค าตอบส าหรับการเลือกใช้ระบบโครงสร้างแตล่ะ

อยา่งได้ในระดบัหนึง่ โดยเฉพาะในประเทศท่ีก าลงัพฒันาซึ่งวสัดุ

อปุกรณ์ในการก่อสร้างตา่งๆ ยงัไมมี่ความหลากหลายมากพอ รวม

ไปถงึความสามารถในการก่อสร้างของคนงานและผู้ควบคมุงาน

ก่อสร้างด้วย

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

6. ความรวดเร็วในการก่อสร้างอย่างท่ีเป็นที่ยอมรับกนัวา่ระบบโครงสร้างเหล็กมีความรวดเร็วในการ

ก่อสร้างมากกวา่โครงสร้างคอนกรีต ดงันัน้ถ้าหากไม่มีเง่ือนไขของราคาหรืออ่ืนๆ ความต้องการในความเร็วในการก่อสร้างอาจจะเป็นตวัตดัสินการเลือกใช้ระบบโครงสร้างได้ นอกจากนีค้วามรวดเร็วในการก่อสร้างยงัสามารถชดเชยราคาคา่วสัดทุี่มากกวา่ได้ ในบางกรณีระบบโครงสร้างเหลก็อาจจะลา่ช้ากวา่ระบบคอนกรีตได้ หากไม่มีความพร้อมในเร่ืองของโรงงานก่อสร้างสว่นประกอบของแตล่ะท้องถ่ิน และรายละเอียดในการห่อหุ้มโครงสร้างที่มากน้อยแตกตา่งกนั

หลักการเลือกใช้วัสดุส าหรับโครงสร้างอาคารสูง

- อาคารสูง, ผศ.จรัญพฒัน์ ภวูนนัท์, โรงพิมพ์มหาวิทยาลยัธรรมศาสตร์, กรุงเทพฯ, 2539

- Architecture of Tall Buildings, Council on Tall Buildings and Urban Habitat, Mcgraw-Hill, Inc., New York, 1995

หนังสืออ้างอิง