ข่าว

ในสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ที่ยิ่งใหญ่ โครงสร้างโครงเหล็กถือเป็นฮีโร่ที่ไม่มีใครพูดถึง ความแข็งแกร่งที่โดดเด่นและความสามารถในการปรับตัวของโครงสร้างนี้สนับสนุนตึกระฟ้าที่น่าทึ่งจำนวนนับไม่ถ้วน ขณะเดียวกันก็เปลี่ยนความเข้าใจของเราในเรื่องความสูงและความเป็นไปได้ของอาคารโดยพื้นฐาน หากไม่มีเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำนี้ โครงสร้างสูงตระหง่านที่ทะลุเมฆอาจยังคงจำกัดอยู่ในพิมพ์เขียวของนักออกแบบหรือแสดงออกมาในรูปแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง โครงเหล็กที่มีโครงกระดูกที่แข็งแกร่ง ไม่เพียงแต่รองรับเส้นขอบฟ้าของเมืองสมัยใหม่ แต่ยังมอบอิสระและนวัตกรรมในการออกแบบสถาปัตยกรรมที่ไม่เคยมีมาก่อน

โครงสร้างโครงเหล็กตามชื่อ คือระบบการสร้างโครงกระดูกที่ประกอบด้วยเสาเหล็กและไอบีม แกนหลักของระบบนี้อยู่ที่การออกแบบโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งกระจายน้ำหนักของอาคารอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเฟรม ทำให้สามารถท้าทายแรงโน้มถ่วงและขยายขึ้นไปด้านบนได้อย่างไม่มีกำหนด โครงเหล็กกลายมาเป็นทางเลือกที่โดดเด่นในการก่อสร้างในศตวรรษที่ 20 และยังคงมีอิทธิพลต่อการพัฒนาสถาปัตยกรรมสมัยใหม่มาแทนที่โครงเหล็กหล่อแบบเดิม

สาระสำคัญของโครงเหล็กอยู่ที่รูปทรงหน้าตัดของส่วนประกอบต่างๆ โดยเฉพาะตัว I-beam ที่มีลักษณะคล้ายตัวอักษร "I" การออกแบบนี้ไม่ได้เป็นไปตามอำเภอใจ แต่เป็นผลมาจากการคำนวณทางกลที่แม่นยำ รูปทรงที่โดดเด่นของ I-beam ช่วยให้ทนทานต่อความเค้นต่างๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจในเสถียรภาพของโครงสร้างและความปลอดภัย

เสาเหล็กมีหน้าแปลน (ปลายแนวนอนของ I-beam) ที่หนาและกว้างกว่าคาน ช่วยเพิ่มความสามารถในการทนต่อแรงกดอัดและรักษาความมั่นคงในแนวดิ่ง ส่วนรองรับแนวตั้งเหล่านี้รับแรงกดดันลงอย่างมาก โดยมีหน้าแปลนที่หนาขึ้นเพื่อป้องกันการโก่งงอหรือยุบตัว นอกเหนือจากไอบีมแล้ว มักใช้ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมและกลม บางครั้งก็เติมคอนกรีตเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ส่วนที่เป็นท่อเหล่านี้ให้ความต้านทานแรงบิดต่อแรงด้านข้างได้ดีเยี่ยม ในขณะที่การเติมคอนกรีตช่วยเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักและการทนไฟ

วิธีการเชื่อมต่อระหว่างคานและเสาก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน โครงสร้างเหล็กสมัยใหม่มักใช้สลักเกลียวและตัวยึดแบบเกลียว ในขณะที่หมุดย้ำมีความโดดเด่นในอดีต โบลต์ให้ความสะดวกในการติดตั้งและการถอดออก อำนวยความสะดวกในการบำรุงรักษาและการดัดแปลง ในขณะที่รีเวทให้ความแข็งแรงในการเชื่อมต่อที่เหนือกว่าและต้านทานแรงเฉือนสำหรับการใช้งานที่มีน้ำหนักมาก

โดยทั่วไปแล้ว โครงส่วนกลางของ I-beam จะกว้างกว่าของเสาเพื่อต้านทานโมเมนต์การโก่งตัวที่มากขึ้นซึ่งเกิดขึ้นในคาน ป้องกันการเสียรูป เนื่องจากการรองรับแนวนอนที่รับน้ำหนักของพื้นและหลังคา คานจึงต้องมีแผ่นใยกว้างขึ้นเพื่อรักษาคุณสมบัติต้านแรงดัดงอ

โดยทั่วไปโครงเหล็กจะถูกราดด้วยแผ่นเหล็กขนาดใหญ่ที่ขึ้นรูปเป็นแม่พิมพ์ลูกฟูก ชั้นคอนกรีตหนาเสริมด้วยเหล็กเส้นถูกเททับเพื่อสร้างแผ่นพื้นแข็ง การผสมผสานนี้ใช้ประโยชน์จากกำลังรับแรงอัดของคอนกรีตและความต้านทานแรงดึงของเหล็ก ทำให้เกิดวัสดุคอมโพสิตที่สามารถจัดการกับความเค้นทั้งสองประเภทเพื่อความทนทานที่ดีขึ้น

วิธีการทางเลือก ได้แก่ แผ่นพื้นคอนกรีตสำเร็จรูปที่มีชั้นปรับระดับ—มีประโยชน์สำหรับการก่อสร้างที่รวดเร็ว—หรือระบบพื้นยกในอาคารสำนักงานที่สร้างช่องว่างระหว่างแผ่นพื้นโครงสร้างและพื้นสำเร็จรูปสำหรับสายเคเบิลและท่อ เพิ่มการเข้าถึงการบำรุงรักษาและการปรับตัว

เหล็กอ่อนตัวลงภายใต้อุณหภูมิสูง ซึ่งอาจนำไปสู่การพังทลายบางส่วน ทำให้การกันไฟจำเป็นสำหรับความปลอดภัยของผู้อยู่อาศัยและการอนุรักษ์โครงสร้าง วิธีการป้องกันทั่วไป ได้แก่ การหุ้มเสาในอิฐก่อ คอนกรีต หรือแผ่นยิปซั่ม ซึ่งเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนความร้อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งชะลอการถ่ายเทความร้อนไปยังองค์ประกอบโครงสร้าง

คานอาจได้รับการหุ้มคอนกรีต สเปรย์กันไฟ หรือการป้องกันผ่านชุดประกอบฝ้าเพดานที่ได้รับการจัดอันดับ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แร่ใยหินซึ่งครั้งหนึ่งเคยเป็นวัสดุกันไฟยอดนิยม ได้เลิกใช้ไปในช่วงทศวรรษ 1970 เนื่องจากมีความเสี่ยงต่อสุขภาพ

ผนังด้านนอกติดกับโครงเหล็กด้วยเทคนิคการก่อสร้างต่างๆ พร้อมนำเสนอรูปแบบสถาปัตยกรรมที่หลากหลาย นอกเหนือจากฟังก์ชันด้านสุนทรียะแล้ว ด้านหน้าอาคารเหล่านี้ยังทำหน้าที่เป็นอุปสรรคด้านสิ่งแวดล้อมที่สำคัญอีกด้วย วัสดุตั้งแต่อิฐ หิน และคอนกรีตเสริมเหล็ก ไปจนถึงกระจกสถาปัตยกรรม แผงโลหะ หรือแม้แต่สีธรรมดาช่วยปกป้องโครงเหล็กจากความเสียหายจากสภาพอากาศ ในขณะเดียวกันก็ตรงตามข้อกำหนดด้านการออกแบบ

นอกเหนือจากโครงเหล็กหนักทั่วไปแล้ว โครงเหล็กน้ำหนักเบา (LSF) ใช้แผ่นเหล็กชุบสังกะสีขึ้นรูปเย็นเป็นสตั๊ดสำหรับการใช้งานในที่พักอาศัย อาคารพาณิชย์ และอุตสาหกรรม ระบบนี้มีรางแนวนอนที่ยึดติดกับพื้นและเพดานโดยมีหมุดแนวตั้งโดยทั่วไปจะมีระยะห่าง 16 นิ้ว (410 มม.) ยึดด้วยตัวยึด

โครงสร้างที่อยู่อาศัยทั่วไป ได้แก่ หมุดรูปตัว C และรางรูปตัว U โดยมีความหนาตั้งแต่ 12 ถึง 25 เกจ เกจวัดที่หนากว่า (12-14) รองรับแรงตามแนวแกนที่สำคัญในโครงสร้างรับน้ำหนัก ในขณะที่เกจวัดขนาดกลาง (16-18) ต้านทานแรงด้านข้าง เช่น ลมพายุเฮอริเคน หมุดขนาด 25 เกจที่บางกว่าเหมาะกับฉากกั้นภายในที่ไม่รับน้ำหนัก หน้าแปลนสตั๊ด (กว้าง 1¼-3 นิ้ว) รองรับการเคลือบผิวผนัง โดยมีช่องเปิดของราง (1⅝-14 นิ้ว) ช่วยให้สามารถกำหนดเส้นทางสาธารณูปโภคได้

ผู้ผลิตผลิตแผ่นเหล็กชุบสังกะสีเป็นวัสดุฐานสำหรับส่วนขึ้นรูปเย็นผ่านกระบวนการขึ้นรูปม้วน อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงของเหล็กช่วยให้การออกแบบมีความยืดหยุ่นสำหรับช่วงยาวและความต้านทานต่อแผ่นดินไหวและแรงลม การติดตั้งฉนวนที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันการเชื่อมความร้อน—บริเวณที่มีการถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น—ผ่านชั้นฉนวนภายนอก (ตัวแบ่งความร้อน)

ระยะห่างของหมุดมาตรฐานคือ 16 นิ้วตรงกลางสำหรับบ้าน (แตกต่างกันไปตามข้อกำหนดการรับน้ำหนัก) และ 24 นิ้วสำหรับผนังห้องสำนักงาน ยกเว้นบริเวณลิฟต์และปล่องบันได

โครงเหล็กรีดร้อนเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนส่วนประกอบเหล็กเหนืออุณหภูมิการตกผลึก (1,700°F/930°C) เพื่อปรับแต่งโครงสร้างเกรนและจัดแนวโครงผลึกก่อนที่จะรีดอย่างแม่นยำเป็นโปรไฟล์ที่ต้องการ กระบวนการนี้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว ทำให้เหมาะสำหรับโครงสร้างที่มีน้ำหนักมาก

เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กขึ้นรูปเย็น ส่วนรีดร้อนจะมีความหนาและขนาดมากกว่า ให้ความแข็งแรงที่เหนือกว่าโดยมีการเสียรูปน้อยที่สุดภายใต้ภาระหนัก แม้ว่าต้นทุนเริ่มแรกจะสูงกว่า แต่ประสิทธิภาพในโครงการขนาดใหญ่ซึ่งต้องใช้สมาชิกน้อยลงสำหรับช่วงที่เท่ากัน จะให้ความได้เปรียบทางเศรษฐกิจสำหรับการก่อสร้างจำนวนมาก

การเปลี่ยนจากเหล็กเป็นเหล็กกล้าในฐานะวัสดุโครงสร้างหลักดำเนินไปอย่างช้าๆ อาคารโครงเหล็กแห่งแรก - Ditherington Flax Mill - ปรากฏในปี พ.ศ. 2340 แต่เหล็กมีจำหน่ายอย่างแพร่หลายหลังจากวิธีการผลิตในปี พ.ศ. 2398 ของ Henry Bessemer เท่านั้น ภายในปี 1870 เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงราคาไม่แพงและมีความเหนียวที่ดีเกิดขึ้น แม้ว่าเหล็กดัดและเหล็กหล่อยังคงแพร่หลายเนื่องจากความท้าทายในการผลิตจากแร่ที่อุดมด้วยฟอสฟอรัส ปัญหาดังกล่าวได้รับการแก้ไขโดย Sidney Gilchrist Thomas ในปี 1879

ยุคการก่อสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่เชื่อถือได้เริ่มต้นขึ้นราวปี พ.ศ. 2423 เมื่อคุณภาพเหล็กมีความเสถียรเพียงพอสำหรับการใช้งานทางสถาปัตยกรรม

อาคารประกันภัยบ้าน (พ.ศ. 2428) เป็นผู้บุกเบิกการก่อสร้างโครงกระดูกโดยขจัดบทบาทในการรับน้ำหนักของอิฐ ในสหรัฐอเมริกา อาคาร Rand McNally (พ.ศ. 2433 ในชิคาโก) กลายเป็นโครงสร้างโครงเหล็กแห่งแรก ในขณะที่อาคาร Royal Insurance Building ของลิเวอร์พูล (การออกแบบในปี พ.ศ. 2438 การก่อสร้าง พ.ศ. 2439-2446) ได้นำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในอังกฤษ

เนื่องจากเทคโนโลยีการก่อสร้างเติบโตเต็มที่ โครงเหล็กจึงมีบทบาทสำคัญในสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ นวัตกรรมอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่ความยั่งยืนผ่านวัสดุและเทคนิคที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ควบคู่ไปกับวิธีการก่อสร้างอัจฉริยะที่ใช้การสร้างแบบจำลองข้อมูลอาคาร (BIM) และหุ่นยนต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและคุณภาพ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าโครงเหล็กจะยังคงเป็นผู้นำความก้าวหน้าทางสถาปัตยกรรมไปสู่พื้นที่อยู่อาศัยที่ปลอดภัยและสะดวกสบายยิ่งขึ้น

อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง:ช่วยให้สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้นโดยมีน้ำหนักโครงสร้างลดลง

การก่อสร้างที่รวดเร็ว:โครงสร้างสำเร็จรูปจากโรงงานช่วยให้สามารถประกอบที่ไซต์งานได้อย่างรวดเร็ว

ความยืดหยุ่นในการออกแบบ:อนุญาตให้มีช่วงเปิดที่ใหญ่ขึ้นและพื้นที่ที่ปรับเปลี่ยนได้

ความต้านทานต่อแผ่นดินไหว:ทำงานได้ดีภายใต้สภาวะแผ่นดินไหว

ความยั่งยืน:เหล็กสามารถรีไซเคิลได้สูง ช่วยลดปริมาณขยะ

ความเสี่ยงจากไฟไหม้:ต้องมีมาตรการป้องกันอัคคีภัยที่ครอบคลุม

ความไวต่อการกัดกร่อน:ต้องการการดูแลป้องกันสนิม

ต้นทุนวัสดุที่สูงขึ้น:ราคาเหล็กทำให้ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างเบื้องต้นสูงขึ้น

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง:ลดขนาดชิ้นส่วนและน้ำหนักโครงสร้าง

เทคโนโลยีสีเขียว:ลดการใช้พลังงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

โครงสร้างอัจฉริยะ:บูรณาการเครื่องมือดิจิทัลเพื่อความแม่นยำและประสิทธิภาพ

ระบบสำเร็จรูป:ขยายเทคนิคการก่อสร้างแบบโมดูลาร์

โครงสร้างโครงเหล็กมีอิทธิพลอย่างลึกซึ้งต่อสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ และจะมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความท้าทายในอนาคต ในขณะเดียวกันก็สร้างเส้นขอบฟ้าทั่วโลก