1. ทั่วไป
บทนี้กล่าวถึงส่วนประกอบของอาคาร ประกอบด้วยวิเคราะห์ศัพท์ การจำแนกส่วนประกอบของโครงสร้าง หรืออาคาร องค์อาคารต่างๆ ระบบโครงสร้าง หรืออาคาร ประโยชน์ใช้สอย และอื่น ๆ
2. วิเคราะห์ศัพท์
ส่วนประกอบของอาคารหมายถึงองคาพยพต่าง ๆ ที่ประกอบเข้ากันเป็นอาคาร ในทางวิศวกรรมเรียกแต่ละส่วนนั้นว่า องค์อาคาร (Structural Member) แต่อาจเรียกให้เข้าใจง่าย ๆ ว่า ชิ้นส่วนโครงสร้าง หรือส่วนประกอบของอาคาร ก็ได้ เปรียบเทียบง่าย ๆ อาคารก็เหมือนสรีระ หรือร่างกายมนุษย์ มีอวัยวะได้แก่ มือ แขน ขา เท้า ทำหน้าที่ต่างกันเช่น แบก ยก หิ้ว รองรับ แต่ประสานสัมพันธ์กัน น้ำหนักสิ่งของต่าง ๆ ที่วางบนมือ หิ้วด้วยแขน ทูนไว้บนศีรษะ หรือแบกบนไหล่ ถ่ายลงไปยังขา และเท้า เท้าก็จะถ่ายน้ำหนักกระจายไปยังพื้น นอกจากนั้นรูปลักษณ์ เช่น ความอ้วนผอม ความสูงต่ำ บ่งบอกความแข็งแรงมั่นคง ปราดเปรียว หรือบอบบาง อาคารก็เช่นกัน ทั้งนี้ เนื่องจากส่วนประกอบต่าง ๆ ของอาคาร เช่นคาน เสา ฐานราก เลียนรู้ และเลียนแบบสิ่งปรากฏทางธรรมชาติ เช่นสรีระ หรือร่างกายมนุษย์ ในทางที่จะทำให้ส่วนต่าง ๆ ที่ประกอบกันเป็นอาคาร มีความมั่นคงแข็งแรง ทนทาน รับน้ำหนัก หรือแรงได้ตามวัตถุประสงค์
เมื่อกล่าวถึงส่วนประกอบของอาคาร จะต้องจำแนกเป็น 2 - 3 ประเด็น คือ ส่วนประกอบนั้นเรียกว่าอะไร ส่วนประกอบนั้นทำจากวัสดุอะไร และส่วนประกอบนั้นมีหน้าที่อะไร (หรือมีไว้ทำอะไร) สองประเด็นแรกอาจตอบในเบื้องต้นได้ว่า ส่วนประกอบของอาคารหลัก ๆ แล้วมีอยู่เพียงไม่กี่ส่วน ได้แก่ พื้น คาน เสา และฐานราก ส่วนประกอบอื่น ๆ ที่มิได้กล่าว แต่อาจพบเห็นได้ (เช่นบันได) ผนัง หรือกำแพง มีความสำคัญเป็นลำดับรองลงไป และมีข้อปลีกย่อยที่จะกล่าวถึงภายหลัง ส่วนประกอบบางอย่างไม่ใช่โครงสร้าง หากแต่เป็นงานประณีตสถาปัตยกรรม หรือมัณฑนศิลป์ (Decorating) ที่ทำให้อาคารสวยงาม หรือตอบสนองความต้องการ และใช้สอยได้เกิดอรรถประโยชน์ ดังเช่นสรีระมนุษย์ ซึ่งมีโครงกระดูกเป็นแกนหลัก ยึดเกาะกันโดยอาศัยเส้นเอ็น หรือกล้ามเนื้อ โดยมีผิวหนังเป็นเสมือนเปลือกหุ้ม เสื้อผ้าเครื่องแต่งกายก็เป็นเพียงส่วนประกอบเช่นกัน
ส่วนประกอบของอาคารอาจทำจากวัสดุอะไรก็ได้ แต่ที่นิยมใช้ และปรากฏให้เห็น คือ ไม้ เหล็ก และคอนกรีต (ซึ่งอาจเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก หรือเสริมลวดอัดแรง) การเลือกวัสดุทำส่วนประกอบของอาคารจะต้องพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพ และทางกล (Physical or Mechanical properties) บางกรณีเช่น โครงสร้างเหล็ก อาจต้องคำนึงถึงกลสมบัติทางเคมี (Chemical properties) ด้วย คุณสมบัติทั้งปวงอาจเรียกรวม ๆ ว่า คุณสมบัติในเชิงวิศวกรรม กล่าวง่าย ๆ คือ ต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสมกับประเภทของอาคาร หรือชนิดของส่วนประกอบอาคารนั้น ให้แข็งแรงสามารถรับน้ำหนัก หรือต้านทานแรงได้ (Capability to resist load or forces) ประหยัด (Save) ปลอดภัย (Safe) หรือทนทาน (Durable) นอกจากนั้น การเลือกวัสดุอาจคำนึงถึงปัจจัยอื่น ๆ เช่น งบประมาณ (หรือราคา) สามารถหาได้ในท้องถิ่น การลำเลียง หรือขนส่ง วิธีก่อสร้าง ระยะเวลาก่อสร้าง ปัญหา หรืออุปสรรคขณะก่อสร้าง (เช่น เสียงดัง ความสั่นสะเทือน หรือฝุ่นละออง) พฤติกรรมรับน้ำหนัก หรือแรง เช่น รับน้ำหนัก หรือต้านทานแรงซ้ำ ๆ กัน มีแรงกระแทก (Impact) เป็นต้น บางครั้งการเลือกวัสดุใช้ทำส่วนประกอบของอาคารอาจขึ้นกับเหตุผลทางสถาปัตยกรรม เช่นต้องการใช้เหล็กหรือโลหะให้เห็นผิวมันวาว ต้องการให้เห็นลายไม้ หรือต้องการให้เห็นผิวเปลือยของคอนกรีต เป็นต้น พึงเข้าใจว่า จะใช้วัสดุอะไรทำส่วนประกอบของอาคารก็ให้ความแข็งแรงมั่นคงได้เช่นเดียวกัน ๆ กัน หากคำนวณออกแบบถูกต้อง แต่อาจมีข้อดีข้อด้อยต่างกัน เช่น ขนาดใหญ่ เสียพื้นที่ หรือปริมาตรใช้สอย ค่าก่อสร้างสูง ไม่ทนทาน เป็นต้น
ประเด็นที่สาม ส่วนประกอบนั้นมีหน้าที่อะไร (หรือมีไว้ทำอะไร) จะกล่าวในลำดับถัดไป
3. การจำแนกส่วนประกอบของอาคาร
นอกจากจะจำแนกส่วนประกอบของอาคารตามประเภทวัสดุ (ซึ่งไม่ใคร่จะเกิดประโยชน์ใดนัก) อาจจำแนกส่วนประกอบอาคารโดยใช้เงื่อนไข หรือหลักเกณฑ์ต่อไปนี้
3.1 จำแนกตามความสำคัญในการต้านทานแรง
เป็นการจำแนกโดยพิจารณาถึงบทบาท หรือความสำคัญของส่วนประกอบอาคาร (Function) ซึ่งได้แก่โครงสร้าง หรือส่วนประกอบหลัก (Primary structure) กับโครงสร้าง หรือส่วนประกอบรอง (Secondary or minor structure) ส่วนประกอบหลักหมายถึงส่วนประกอบที่เป็นเสมือนโครงของอาคาร (คล้ายกับโครงกระดูกซึ่งเป็นแกนในร่างกายมนุษย์ ที่ยึดเกาะกันด้วยเส้นเอ็น และกล้ามเนื้อ แล้วถูกห่อหุ้มด้วยเนื้อหนัง) หากปราศจากส่วนเหล่านี้แล้ว อาคารก็ไม่อาจคงสภาพอยู่ได้ ไม่อาจรับน้ำหนัก หรือต้านทานแรงใด ๆ ส่วนประกอบหลักจึงได้แก่ พื้น คาน เสา และฐานราก สำหรับส่วนประกอบรองของอาคารนั้น เป็นสิ่งเสริมแต่งให้อาคารแข็งแรงขึ้น มีสภาพที่เหมาะแก่การใช้งาน คงทน หรือดูดี เปรียบเสมือนเสื้อผ้าเครื่องแต่งกาย บนร่างกายมนุษย์ หากแม้ปราศจากสิ่งเหล่านี้ หรือสิ่งเหล่านี้ชำรุดเสียหาย ร่างกายก็ยังคงอยู่ได้ แม้จะมีสภาพไม่น่ามอง หรือน่าอับอายก็ตาม ส่วนประกอบรองของอาคารจึงได้แก่ ผนัง หรือกำแพง กันสาด ชายคา หรือราวกันตก เป็นต้น
3.2 จำแนกตามตำแหน่งของส่วนประกอบ
การจำแนกตามตำแหน่งของงงส่วนประกอบจำแนกโดยพิจารณาว่าส่วนประกอบนั้น ๆ อยู่ตรงส่วนใดของอาคารปกติจำแนกได้เป็น 2 กลุ่มหลัก คือ ส่วนประกอบ หรือโครงสร้างส่วนบน (Super Structure) ได้แก่ พื้น และคาน และส่วนประกอบ หรือโครงสร้างส่วนล่าง (Sub Structure) ได้แก่เสา และฐานราก (ซึ่งหากมีเสาเข็มก็จะผนวกอยู่กับฐานราก) การจำแนกเช่นนี้เหมาะกับอาคาร หรือโครงสร้างจำพวกสะพาน เสียมากกว่า เพราะในอาคารทั่วไปบางครั้งที่ระดับเดียวกับฐานราก ก็มีคานอยู่ด้วย หรือหมายความว่าคานเป็นส่วนหนึ่งของระบบฐานราก ดังกรณีอาคารที่มีชั้นใต้ดิน หรืออาคารขนาดใหญ่ เป็นต้น ซึ่งอาจทำให้คนทั่วไปที่ไม่ใช่วิศวกรสับสนได้
3.3 จำแนกตามระบบ หรือวิธีวิเคราะห์
การจำแนกเช่นนี้ เข้าใจโดยง่ายเฉพาะในหมู่วิศวกร เพราะองค์อาคาร หรือส่วนประกอบของอาคาร บางครั้งก็อยู่แยกส่วนโดดเดี่ยว เช่นแผ่นพื้น คาน แต่บางครั้งระบบโครงสร้างมีหลายชิ้นส่วนประกอบเข้าด้วยกัน เช่นโครงหลังคา ประเภทโครงข้อหมุน หรือโครงถัก (Truss) มีหลายชิ้นส่วนมาถัก หรือประกอบกันเป็นโครงสามเหลี่ยม หรือโครงข้อแข็ง (Frame) มีโครงสร้างในแนวตั้ง (เรียกเสา - Column) และโครงสร้างในแนวราบ (หรือคาน) ประกอบกันเป็นโครง (Skeleton) เปล่า ๆ โล่ง ๆ ยังไม่มีผนัง หลังคา พื้น หรือเพดาน โครงสร้างบางชนิดมีลักษณะเป็นแผ่น (Plate) หรือเป็นแผ่นพับคล้ายฝาจีบ (Folded plate) บ้างก็เป็นเปลือกบาง ๆ (Shell) หรือโค้งมนสวยงาม เช่นคล้ายเปลือกไข่ หรือคล้ายภาชนะดินเผา แม้ไม่มีโครงอะไรค้ำยันอยู่ด้านใน แต่แผ่น หรือเปลือกนั้นก็คงรูปอยู่ได้
3.4 จำแนกตามวิธีก่อสร้าง หรือทำงาน
การจำแนกเช่นนี้ เข้าใจได้ง่ายเฉพาะในหมู่วิศวกรเช่นกัน เช่นระบบแผ่นพื้น จำแนกเป็นแผ่นพื้นสำเร็จรูป (Pre-cast or Prefabricated) และแผ่นพื้นหล่อในที่ (Cast-in-place or Cast-in-situ) แผ่นพื้นสำเร็จรูปหมายถึงเอาแผ่นพื้นสำเร็จรูปที่ผลิตจากโรงงานมาวางบนคาน หรือที่รองรับใด ๆ ที่หล่อเตรียมไว้ ส่วนแผ่นพื้นหล่อในที่ ต้องเตรียมไม้แบบ ผูกเหล็ก แล้วเทคอนกรีตในที่ที่ก่อสร้างนั้น หรือกรณีเสาเข็ม ที่จำแนกเป็นเสาเข็มตอก (Driven pile) และเสาเข็มเจาะ (Bored pile) เสาเข็มตอก หมายถึงเสาเข็มที่ผลิตสำเร็จรูปจากโรงงาน นำตอกลงดินโดยใช้ปั้นจั่น หรือเครื่องจักรกลอื่นใด ขณะที่เข็มเจาะใช้เครื่องขุดเจาะดินให้เป็นหลุมคล้ายสว่านเจาะ แล้วใส่เหล็กเสริม เทคอนกรีตลงไป เป็นต้น ภายหลังมีเทคนิคการทำเสาเข็มแบบใหม่ๆ ก็จะตั้งชื่อเรียกเป็นระบบอื่น ๆ เพิ่มเติม เช่นเสาเข็มเหล็กที่ใช้วิธีกด หรือสั่นสะเทือนให้จมลงดิน หรือเสาเข็มเจาะกด (Pre-auger pile)ซึ่งใช้สว่านขุดเจาะนำ ก่อนเสียบเสาเข็มลงไป และตอก หรือกด ให้จม เป็นต้น อาจสรุปว่าจะจำแนกส่วนประกอบของอาคารโดยอาศัยเงื่อนไข หรือหลักเกณฑ์ใดก็ได้ตามแต่จะเห็นเหมาะสม อย่างไรก็ตาม หากจะทำความเข้าใจเกี่ยวแก่ส่วนประกอบของอาคาร ดังที่จะกล่าวต่อไปนี้ ควรพิจารณาโดยอาศัยหลักเกณฑ์ทั้งปวงประกอบกัน โดยไม่ควรยึดติดกับระบบจำแนกใด ๆ แต่ควรเข้าใจให้ชัดเจนว่าส่วนประกอบของอาคารนั้น เรียกอย่างไร สำคัญ หรือมีไว้เพื่อ รับน้ำหนัก หรือต้านทานแรงอะไร เมื่อรับน้ำหนัก หรือต้านทานแรงแล้ว มีกลไก หรือการเปลี่ยนแปลงอย่างไร ส่วนประกอบของอาคารในเชิงวิศวกรรม อาจมีความหมายแตกต่างจากความเข้าใจของคนทั่วไป เพราะมิได้จำแนกตามชื่อเรียก หรือรูปลักษณ์ แต่จำแนกโดยมุ่งเน้นถึงระบบ องค์ประกอบ หรือวิธีก่อสร้าง และการใช้งาน เช่นรับน้ำหนัก ต้านทานแรง อนึ่ง กฎหมายควบคุมอาคาร เช่นพระราชบัญญัติควบคุมอาคาร ก็มีบทวิเคราะห์ศัพท์อันเกี่ยวแก่อาคาร และส่วนประกอบของอาคาร (ดังจะกล่าวในหัวข้อถัดไป) ส่วนประกอบหลักของอาคาร ในเชิงวิศวกรรม จะได้กล่าวโดยละเอียดเป็นลำดับในหัวข้อถัดไป
4. ฐานราก
ฐานราก (Foundation) คือส่วนประกอบที่รับน้ำหนักของอาคาร ซึ่งรวมถ่ายลงเสาแล้วถ่ายลงยังดิน หรือหิน โดยผ่านฐานราก ฐานรากชนิดที่ง่ายที่สุดคือฐานรากแผ่ (Spread footing) ซึ่งหมายถึงฐานรากที่ไม่ใช้เสาเข็ม ฐานรากแผ่จะใช้ตัวมันเอง ถ่ายน้ำหนักอาคารลงไปยังดิน หรือหินที่รองรับ ดังนั้นฐานรากแผ่จึงต้องมีขนาดใหญ่พอที่จะกระจายน้ำหนักให้แผ่ลงดิน หรือหิน หรือมิเช่นนั้น ดิน หรือหินที่รองรับฐานรากแผ่ต้องแข็งแรง เพราะมิเช่นนั้นแล้ว เมื่อน้ำหนักอาคารมาก ๆ หรือดิน หิน ที่รองรับฐานรากมีกำลังต้านทานน้อย ขนาดฐานรากแผ่จะใหญ่โตเกินความจำเป็น ควรใช้ฐานรากอีกชนิดหนึ่งคือฐานรากวางบนเสาเข็ม (Piled foundation) น้ำหนักอาคารที่ถ่ายลงฐานรากจะถ่ายต่อไปยังเสาเข็ม เสาเข็มอาจต้านทานน้ำหนักโดยอาศัยความฝืด หรือแรงเสียดทาน (Friction) ระหว่างผิวเสาเข็มกับดินที่อยู่รายรอบ หรือหากเสาเข็มยาวมากพอ เช่นถูกตอกลงไปวางบนชั้นดินที่แข็งมาก หรือชั้นหิน (Hard strata) ก็จะต้านทานน้ำหนักโดยอาศัยทั้งความฝืด และแรงแบกทาน(Bearing) ที่ปลายเสาเข็มนั้นกับชั้นดินแข็ง หรือชั้นหิน (ดูหัวข้อถัดไป)
นอกจากจะแบ่งประเภทฐานรากตามวิธีถ่ายน้ำหนักแล้วยังสามารถแยกชนิดของฐานรากตามรูปร่าง และตามลักษณะของน้ำหนักบรรทุก ได้ดังนี้
4.1 ฐานใต้กำแพง หรือฐานแบบต่อเนื่อง
ฐานใต้กำแพง หรือฐานแบบต่อเนื่อง (Strip footing) ใช้รับน้ำหนักกำแพง ดังนั้นฐานรากจึงมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า เป็นแถบยาวต่อเนื่องไปตามความยาวของกำแพง ส่วนความกว้างของฐานผันแปรได้ แต่ปกติจะกว้างกว่าความหนาของกำแพง รูปที่ 1 แสดงตัวอย่างฐานแบบต่อเนื่อง
รูปที่ 1 ตัวอย่างฐานแบบต่อเนื่อง
4.2 ฐานเดี่ยว
ฐานเดี่ยว (Isolated footing) เป็นฐานรากเพื่อใช้รับน้ำหนักบรรทุกของเสา หรือตอม่อต้นเดียว อาจเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า หรือรูปอื่นก็ได้ รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างฐานเดี่ยว
ก. ฐานรากเดี่ยวแบบฐานแผ่
ข.ฐานรากเดี่ยววางบนเสาเข็ม
รูปที่ 2 ตัวอย่างฐานเดี่ยว
4.3 ฐานร่วม
ฐานร่วม (Common footing) เป็นฐานรากเพื่อใช้รับน้ำหนักบรรทุกของเสา หรือตอม่อสองต้นขึ้นไป ฐานร่วมพบในกรณีที่เสาเหล่านั้นอยู่ใกล้กันมาก จนฐานรากเกยกัน หรือมิเช่นนั้นอาจเป็นเพราะฐานรากใด ๆ ที่ไม่เสถียร จึงจำต้องยึดไว้กับฐานรากอื่นที่อยู่ใกล้เคียงกัน (เช่นฐานรากตีนเป็ด ดูข้อต่อไป) รูปที่ 3 แสดงตัวอย่างฐานร่วม
รูปที่ 3 ตัวอย่างฐานร่วม
4.4 ฐานตีนเป็ด หรือฐานชิดเขต
ฐานตีนเป็ด หรือฐานรากชิดเขต (Strap footing) เป็นฐานรากร่วมชนิดหนึ่ง รับน้ำหนักบรรทุกของเสา ตอม่อ หรือกำแพงที่อยู่ริมขอบฐานทำให้น้ำหนักที่ถ่ายลงสู่ฐานเยื้องกับศูนย์ถ่วงของฐาน เช่น ฐานรากที่อยู่ใกล้แนวเขตที่ดิน ฐานรากชนิดนี้ไม่เสถียร คือมีแนวโน้มที่จะพลิกล้ม (Overturn)ได้ง่าย จึงจำต้องยึดไว้กับฐานรากอื่นที่อยู่ใกล้เคียงกันโดยมีคานยึด (Strap beam) คานยึดนี้อาจยกระดับขึ้นเหนือระดับฐานราก หรือซ่อน หรือซ้อนเกย (Common) เป็นส่วนหนึ่งของฐานรากได้ รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างฐานรากตีนเป็ด
แนวเขตที่ดิน
ก.ชนิดแผ่
ข. วางบนเสาเข็ม
รูปที่ 4 ตัวอย่างฐานรากตีนเป็ด
4.4 ฐานแพ
ฐานแพ (Raft or mat foundation - หากวางบนเสาเข็มอาจเรียกว่าฐานปูพรม) เป็นฐานร่วมขนาดใหญ่ใช้รับน้ำหนักบรรทุกของเสาหลาย ๆ ต้น โดยจะแผ่บนพื้นที่กว้าง ๆ บางครั้งจะใช้รับน้ำหนักบรรทุกของเสาทุกต้นของอาคารก็ได้ โดยมากแล้วเราจะใช้ฐานแพกับอาคารสูง ข้อดีของฐานรากชนิดนี้เมื่อเทียบกับฐานรากเดี่ยวคือ กระจายน้ำหนักสู่ดิน หรือหินเบื้องล่างได้ดีกว่า และปัญหาการทรุดตัวต่างระดับแทบหมดไป เพราะฐานรากชนิดนี้มีความต่อเนื่องกันตลอดโยงยึดกันเป็นแพ แต่การก่อสร้างจะยุ่งยาก และสิ้นเปลือง รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างฐานรากแพ
ก. รับผนังค.ส.ล.
ข. รับอาคารบางส่วน หรือทั้งหมด
รูปที่ 5 ตัวอย่างฐานรากแพ
5. เสาเข็ม
เสาเข็ม (Pile) อาจทำด้วยไม้ เหล็ก หรือคอนกรีต เสาเข็มคล้ายคลึงเสาธรรมดาที่เป็นส่วนประกอบหลักของอาคาร เพียงแต่เสาเข็มส่วนใหญ่อยู่ใต้ดิน และมีรายละเอียดดังนี้
5.1 กลไกต้านทานแรง
เสาเข็มมีกำลัง หรือสามารถรับน้ำหนักของอาคาร หรือโครงสร้างได้โดย โดยอาศัยกลไกดังต่อไปนี้
5.1.1 ความฝืด หรือแรงเสียดทาน (Friction)
เกิดที่ผิวเสาเข็มสัมผัสกับดินที่ล้อมรอบ ดังนั้น กำลังของเสาเข็มจึงขึ้นอยู่กับพื้นที่ผิวสัมผัส ซึ้งเป็นผลเนื่องจาก รูปร่างหน้าตัดของเสาเข็ม หรือเส้นรอบรูป กับความยาวของเสาเข็ม ส่วนใหญ่ในประเทศไทยนิยมใช้รูปตัว I เพราะมีเส้นรอบรูป มากกว่าหน้าตัดรูปอื่น ๆ ซึ่งมีเพื้นที่ภาคตัดขวางเท่า ๆ กัน ส่วนรูปตัว Y ปัจจุบันไม่มีผลิตจำหน่ายแล้ว เพราะบอบบางมักเสียหายระหว่างขนส่ง
5.1.2 แรงแบกทานที่ปลายเสาเข็ม
น้ำหนักจากอาคาร ถ่ายลงฐานราก จะถ่ายต่อลงไปยังเสาเข็มซึ่งวางอยู่บนชั้นดินแข็ง หรือชั้นหิน เสาเข็มจะถ่ายน้ำหนักผ่านพื้นที่ภาคตัดขวางของปลายเสาเข็ม (End bearing) ที่วางสัมผัสบนชั้นดินแข็ง หรือชั้นหินนั้นเรียกการถ่ายแรงเช่นนี้ว่า แรงแบกทาน (Bearing) กำลังของเสาเข็มประเภทนี้จึงขึ้นอยู่กับพื้นที่ภาคตัดขวาง เสาเข็มประเภทนี้ส่วนใหญ่จึงมักเป็นรูปหน้าตัดกลม หรือสี่เหลี่ยม หรือกลม โดยอาจเป็นหน้าตัดทึบตัน (Solid) หรือกลวง (Hollow) ก็ได้
รูปที่ 6 สาธิตกำลังของเสาเข็มเนื่องจากแรงเสียดทาน และแรงแบกทาน และนอกเหนือจากการรับน้ำหนัก หรือถ่ายน้ำหนักอาคาร ซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำหนักตามแนวดิ่ง (Vertical load) แล้ว เสาเข็มยังอาจต้านทานแรงอื่น ๆ เช่นแรงเฉือน (Shear) หรือแรงดึง (Tension) อาทิเช่น ใช้เสาเข็มต้านทานไม่ให้โครงสร้างล้ม หรือลอยตัว หรือโครงสร้างที่ต้านทานแรงทางด้านข้าง เช่น แรงลม แรงแผ่นดินไหว เป็นต้น รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างเสาเข็มในโครงสร้างที่ต้านทานแรงทางด้านข้าง
รูปที่ 6 กำลังของเสาเข็มเนื่องจากแรงเสียดทาน และแรงแบกทาน
5.2 การจำแนกเสาเข็มตามวิธีก่อสร้างได้ดังนี้
เสาเข็มอาจจำแนกตามวิธีก่อสร้างได้ดังนี้
5.2.1 เสาเข็มตอก (Driven pile)
เสาเข็มอาจถูกตอกโดยแรงคน เช่นใช้สามเกลอตอกเสาเข็มขนาดเล็ก สำหรับเข็มขนาดใหญ่ มักตอกโดยใช้ปั้นจั่น ที่ยกตุ้มน้ำหนัก กระแทก หรือตอกลงบนหัวเข็ม อาจใช้เครื่องตอกที่เป็นกลไกแรงดันไอน้ำบังคับให้ลูกตุ้มวิ่งขึ้นลง หรืออาจจะใช้แรงดันน้ำอัดด้วยความดันสูงลงไปยังปลายเข็มทำให้เข็มจมลง ข้อดีของเสาเข็มตอกนี้ ก็คือราคาถูกกว่าระบบอื่น และการตอกทำให้เสาเข็มกับดินที่อยู่ข้างล่างมีความแน่นสามารถ่ายน้ำหนักได้ดี แต่ข้อเสียก็คือเปลืองเนื้อที่ในการตอก ระหว่างตอกเกิดเสียงดัง หรือสั่นสะเทือนและอาจมีผลกระทบแก่อาคารข้างเคียง และเสาเข็มอาจเสียหาย เช่นแตกร้าว บิ่น ระหว่างขนส่งได้
5.2.2 เสาเข็มเจาะ (Bored pile)
ทำโดยเจาะเอาดินออกจนถึงระดับที่ต้องการ โดยกรุหลุมเจาะด้วยปลอกเหล็ก (Casing) หรือ สารละลายที่ข้นเหลวคล้ายโคลน (เช่น Bentonite) ป้องกันดินพัง แล้วใส่เหล็กเสริมเข้าไปในหลุมเจาะ เทคอนกรีตจนเต็มหลุมเจาะ การเจาะดินอาจใช้สว่านเจาะ หรือใช้วิธีกดปลอกเหล็กลงไปเพื่อขุดดินภายในปลอกเหล็กขึ้นมา อาจจำแนกเสาเข็มเจาะตามวิธีการทำเสาเข็มเจาะเป็น เสาเข็มเจาะระบบแห้ง (Dry Process) เป็นระบบที่ใช้ทั่วไป เหมาะสำหรับงานก่อสร้างที่มีขนาดไม่ใหญ่ เพราะระบบนี้มีข้อจำกัดเรื่องความยาวของเสาเข็ม โดยทั่วไปเสาเข็มชนิดนี้มีหน้าตัดกลมเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 60 เซนติเมตร และความยาวมักไม่เกิน 30 เมตร เป็นระบบที่ก่อสร้างง่าย เครื่องมือที่ใช้มีเพียงแท่น 3 ขา เครื่องยนต์สำหรับยกตุ้มตอก ปลอกเหล็ก ตุ้มเหล็กสำหรับตอก อีกระบบหนึ่งคือ เสาเข็มเจาะระบบเปียก (Wet Process) เหมาะสำหรับงานก่อสร้างขนาดใหญ่ เช่น เสาเข็มสำหรับอาคารสูง ระบบนี้สามารถทำเสาเข็มที่มีรูปหน้าตัดวงกลมเส้นผ่านศูนย์กลางได้ถึง 150 เซนติเมตร และยาวได้ถึง 60 เมตร จึงต้องใช้เครื่องจักรกลขนาดใหญ่ และการทำงานซับซ้อนกว่าระบบแห้ง เช่นต้องมีเครื่องเจาะดินแบบสว่าน และต้องใช้สารละลาย Bentonite เพื่อกรุป้องกันดินรอบหลุมเจาะพังทลาย เป็นต้น จึงต้องอาศัยผู้ชำนาญ หรือมีประสบการณ์เฉพาะ และมีเครื่องจักรกลพร้อม ส่วนเสาเข็มเจาะแบบไมโคร (Micro Pile) เป็นเสาเข็มเจาะขนาดเล็ก เส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 25 เซนติเมตร จะใช้เทคนิคต่างระบบอื่น ๆ เช่นการเทคอนกรีต จะใช้ท่อเหล็กเสียบไปในหลุมเจาะแล้วเทคอนกรีต โดยสูบอัด (Pump) ลงไปในท่อเหล็กด้วยแรงดันขนาดสูง (Grouting) เสาเข็มแบบนี้จะมีราคาแพงกว่าเสาเข็มเจาะระบบแห้งจึงไม่ค่อยนิยม แต่ด้วยวิธีการก่อสร้างที่ต้องการพื้นที่น้อย และสะอาดกว่าเสาเข็มเจาะระบบแห้ง จึงเหมาะสำหรับงานที่มีความจำเป็น หรือมีข้อจำกัด เช่นต่อเติม หรือซ่อมแซมอาคาร นอกเหนือจากที่กล่าวมาข้างต้น ยังมีเสาเข็มเจาะแบบพิเศษ ดังตัวอย่างเช่น Barrette Pile ซึ่งเหมือนกับเสาเข็มเจาะระบบเปียกเพียงแต่ จะมีหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยม รูปเครื่องหมายบวก รูปตัว H หรือรูปตัว T ก็ได้ ทั้งนี้เนื่องจากใช้เครื่องจักรขุดดินเช่น กระเช้าดักดิน (Clam shell or grab bucket) ลักษณะคล้ายก้ามปูตักดินขึ้นมา ขนาดของเสาเข็มแบบนี้จึงขึ้นอยู่กับขนาดของกระเช้าตักดิน สามารถขุดได้ลึกกว่าเสาเข็มเจาะระบบเปียก ข้อได้เปรียบของเสาเข็มเจาะ เมื่อเทียบกับเสาเข็มชนิดอื่นคือ รับน้ำหนักได้มาก คงทน เลือกความยาวของเสาเข็มได้ตามต้องการ ไม่เสียหายเนื่องจากการยก หรือขนส่ง (เพราะทำในที่) แม้อาจส่งเสียงดังระหว่างทำงาน แต่อาคารข้างเคียงไม่เสียหายเพราะแรงสั่นสะเทือนดังเช่นเสาเข็มตอก ส่วนข้อเสียของเสาเข็มชนิดนี้ก็คือ ตรวจสอบคุณภาพของคอนกรีตที่เทลงในหลุมเจาะยาก มีราคาแพงกว่าเสาเข็มตอก และหากเป็นระบบเปียกขณะทำงานจะสกปรก
5.2.3 เสาเข็มระบบเจาะกด (Auger Press)
เป็นเทคโนโลยีค่อนข้างใหม่สำหรับงานก่อสร้างเสาเข็ม โดยทั่วไป เสาเข็มที่ใช้ระบบนี้จะเป็นเสาเข็มคอนกรีตอัดแรงแบบแรงเหวี่ยง (Spun Pile) ซึ่งคอนกรีตจะมีความหนาแน่นสูงกว่าการหล่อแบบธรรมดา เสาเข็มหน้าตัดกลมมีรูกลวงตรงกลาง จะถูกกดลงไปในดิน โดยเครื่องกดไฮดรอลิคซึ่งติดตั้งอยู่กับรถปั้นจั่น ในขณะกดเสาเข็มลงไปนั้น สว่านซึ่งใส่อยู่ในรูเสาเข็มก็จะหมุน และเจาะ (กว้าน) ดินขึ้นมาตามดอกสว่าน และกดเสาเข็มให้ลงไปแทนที่ดินที่เจาะขึ้นมา เมื่อเจาะ และกดเสาเข็มจมลงได้ระดับพอสมควร ก็หยุดกด ดึงดอกสว่านออกมาจากรู แล้วตอกด้วยลูกตุ้มจนได้ระดับที่ต้องการ ข้อดีของเสาเข็มระบบนี้ คือลดแรงสั่นสะเทือนในการตอก และลดผลกระทบเนื่องจากการเคลื่อนตัวของชั้นดิน
5.3 การจำแนกเสาเข็มตามวัสดุ
เสาเข็มอาจจำแนกตามวัสดุ ดังนี้
5.3.1 เสาเข็มไม้ (Timber pile)
ใช้มาตั้งแต่สมัยโบราณ ปัจจุบันไม่นิยม เพราะไม้ราคาแพง หายาก ควบคุมคุณภาพยาก อีกทั้งไม้ผุกร่อน หรือเสื่อมสลายได้ตามกาลเวลา โดยเฉพาะในสภาพที่แห้ง สลับกับเปียกชื้น ปกติเสาเข็มไม้ ใช้ไม้เบญจพรรณ ตัดกิ่ง และทุบเปลือกออก ตอนตอกเอาด้านปลายลง เสาเข็มไม้ที่ดีต้องมีลำต้นตรง และต้องให้อยู่ใต้ระดับน้ำตลอดเวลาทุกฤดูกาล เพื่อป้องกันปลวก หรือมอดทำลายเนื้อไม้ได้
5.3.2 เสาเข็มคอนกรีต (Concrete pile)
ปกติแล้วมักจะหล่อเสาเข็มในโรงงานก่อน เมื่อคอนกรีตได้อายุแล้วจึงค่อยขนย้ายไปยังสถานที่ก่อสร้าง หรือกรณีขนย้ายลำบากอาจหล่อเสาเข็มในบริเวณที่ก่อสร้างได้เลย เสาเข็มคอนกรีตหล่อสำเร็จมีด้วยกัน 2 ชนิดคือ เสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก รูปร่างของเสาเข็มประเภทนี้ ขึ้นอยู่กับการออกแบบ มีเหล็กเสริมภายในเสาเข็ม (Reinforced concrete) เพื่อกันไม่ให้เสาเข็มแตกร้าวในขณะขนย้าย หรือตอก อีกประเภทหนึ่งคือเสาเข็มคอนกรีตเสริมลวดเหล็กอัดแรง (Prestressed concrete) รูปร่างขึ้นอยู่กับการออกแบบเช่นกัน แต่ข้อดีคือ ผลิตได้ความยาว หรือลึกกว่า และพื้นที่หน้าตัดมักมากกว่าเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กธรรมดา ก็คือ สามารถทำได้ยาวกว่า และมีพื้นที่หน้าตัดเล็กกว่า ปัจจุบันจึงนิยมแพร่หลายในงานก่อสร้าง เสาเข็มประเภทนี้มีลวดอัดแรง (คือลวดเหล็กที่ต้านทานแรงดึงได้สูง อยู่ตามยาว ซึ่งสามารถแยกประเภทตามขึ้นตอนการดึงลวดได้อีก 2 ประเภท คือ ชนิดดึงลวดก่อนแล้วหล่อคอนกรีต ชนิดหล่อคอนกรีตก่อนแล้วค่อยถึงลวดทีหลัง (ปัจจุบันนิยมทำแบบหลังมากกว่า) การอัดแรงช่วยป้องกันไม่ให้เสาเข็มแตกร้าวเนื่องจากยก หรือขนส่ง อย่างไรตาม ต้องยกเสาเข็ม ณ จุดที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ มิฉะนั้นเสาเข็มอาจแตกร้าว หรือเสียหายได้
5.3.3 เสาเข็มเหล็ก (Steel pile)
ส่วนใหญ่จะใช้เหล็กรูปตัว H หรือท่อเหล็กกลม เพราะหน้าตัดสมมาตร ตอกง่ายกว่าชนิดอื่น ๆ สามารถตอกทะลุชั้นหินบางได้ และรับน้ำหนักบรรทุกได้มากกว่ารูปอื่น ๆ ข้อเสียของเสาเข็มเหล็กก็คือ มีราคาแพง ความเสียดทานระหว่างผิวเสาเข็มเหล็ก และดินด้อยกว่าเสาเข็มคอนกรีต (เพราะเส้นรอบรูป หรือพื้นที่ผิวของเสาเข็มเหล็กมักจะน้อย และผิวเหล็กลื่นกว่าคอนกรีต) และอาจถูกกัดกร่อนได้ง่าย อาจป้องกันการกัดกร่อน โดย ป้องกันส่วนที่ฝังอยู่ในชั้นดินที่ถูกรบกวน เช่น มีน้ำขึ้น น้ำลง หรือเปียก ๆ แห้ง ๆ ด้วยการเทคอนกรีตหุ้ม หรือ ทายางมะตอย อีกวิธีหนึ่งโดยเผื่อความหนาของเหล็กเพิ่มขึ้น หรือชุบสังกะสีเพื่อป้องกันสนิมก็ได้
6. ตอม่อ หรือเสา
ตอม่อ (Pier or Pedestal) เป็นองค์อาคารที่ต้านทานน้ำหนัก หรือแรงในแนวดิ่งเหมือนกับเสา (Column) โดยทั่วไปนั่นเอง สำหรับอาคารทั่วไป ตอม่อจะเป็นส่วนต่อของเสากับฐานราก หรือเป็นส่วนของเสาที่อยู่ใต้ดิน เพื่อถ่ายน้ำหนักจากเสาลงสู่ฐานราก สำหรับอาคารบางประเภท เช่น สะพาน จะเรียกส่วนของเสาที่เห็นพ้นดินว่าตอม่อด้วยเช่นกัน ซึ่งตอม่อเหล่า อาจมีรูปหน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส สี่เหลี่ยมผืนผ้า กลม หรืออาจมีรูปหน้าตัดที่แปลกแตกต่างจากที่กล่าวก็เป็นได้
เสา (Column) เป็นส่วนประกอบที่ต่อขึ้นมาจากฐานราก ส่วนใหญ่ตั้งในแนวดิ่ง อาจมีหน้าตัดกลม สี่เหลี่ยม หรืออื่น ๆ โดยวัสดุที่ใช้ทำเสาอาจเป็นคอนกรีต เหล็ก ไม้ หรือผสมก็ได้ เช่นคอนกรีต และเหล็กรูปพรรณเสาถ่ายน้ำหนักบรรทุกตั้งแต่ชั้นหลังคาของอาคารลงสู่ฐานราก โดยเสาจะเชื่อมต่อกับคาน ถ่ายน้ำหนักบรรทุกจากคาน ลงสู่ฐานราก
เสาอาจจำแนกตามประเภทวัสดุได้แก่ เสาไม้ ใช้มากในอดีต เนื่องจากไม้เป็นวัสดุที่แข็งแรงพอควร หาง่าย ราคาไม่แพง แต่ปัจจุบันลดความนิยม เพราะราคาแพง หาขนาดที่ต้องการได้ยากขึ้น โดยเฉพาะเสาซึ่งต้องการไม้ขนาดลำต้นค่อนข้างใหญ่ ต้องเป็นไม้เนื้อแข็ง มีตำหนิน้อย อย่างไรก็ตามเสาไม้มีข้อด้อยเรื่องความทนไฟ และการพุพัง หรือเสื่อมสลายเนื่องจากความขึ้น มด ปลวก หรือแมลงอื่น
เสาเหล็ก แข็งแรงทนทานกว่าเสาไม้ สามารถสั่งซื้อขนาดมาตรฐานต่าง ๆ ได้ เหล็กแข็งแรง ทนทาน น้ำหนักเบา ก่อสร้างง่าย รวดเร็ว แต่ก็ยังมีปัญหาเรื่องสนิม และความทนไฟ จึงอาจต้องหุ้มด้วยคอนกรีต หรือทาสีกันสนิมทับ นอกจากนั้นเสาเหล็กจะต้องออกแบบรอยต่อให้ดี ไม่ว่าจะต่อกับโครงสร้างชนิดใด ไม่ว่าจะโดยวิธีเชื่อม หรือใช้สลักเกลียว มิเช่นนั้นโครงสร้าง หรืออาคารไม่แข็งแรง จนกระทั่งวิบัติได้
เสาคอนกรีต นิยมใช้มากที่สุดในปัจจุบัน เนื่องจากสามารถหล่อขึ้นรูปต่าง ๆ เช่น อาจเป็นเสากลม หรือเหลี่ยมได้ตามที่ต้องการโดยทั่วไปนิยมหล่อเสาคอนกรีตหน้าตัดสี่เหลี่ยมเนื่องจากทำแบบหล่อง่ายกว่า ส่วนหน้าตัดกลมต้องใช้แบบหล่อพิเศษ เสาคอนกรีตจะเสริมยืน (ที่มุม หรือรอบ ๆ หน้าตัด และตลอดความยาวเสา) เพื่อช่วยต้านทานน้ำหนัก หรือแรง และเหล็กปลอกอาจเป็นวงเดี่ยว ๆ (เหล็กปลอกเดี่ยว) หรือเหล็กปลอกที่พันต่อเนื่องเป็นเกลียว รอบ ๆ เหล็กยืน โดยเหล็กปลอกจะช่วยต้านทานการวิบัติ เช่น แตกปริ หรือระเบิดทางด้านข้าง รูปที่ 9 แสดงตัวอย่างหน้าตัดเสาไม้ และเสาเหล็กแบบต่าง ๆ รูปที่ 10 แสดงตัวอย่างเสา ค.ส.ล. รูปตัดต่าง ๆ และรูปที่ 11 แสดงตัวอย่างเสาตอม่อของสะพาน และรูปที่ 12 แสดงการแตก หรือพังทลายของเสาปลอกเดี่ยว หรือเสาปลอกเกลียว
7. คาน
คาน (Beam) เป็นองค์อาคารที่มักจะอยู่ในแนวราบ เชื่อมต่อกับองค์อาคารในแนวตั้ง เช่นเสา หรือผนัง โดยมีรายละเอียดดังนี้
7.1 น้ำหนักบรรทุก
ปกติคานจะรับน้ำหนักตัวมันเอง และน้ำหนักพื้นที่วางบนคานนั้น รวมเรียกว่า น้ำหนักของโครงสร้าง (Self weight or structural dead load) นอกจากนั้นยังรับน้ำหนักที่บรรทุกอยู่บนแผ่นพื้น หรือคานอย่างค่อนข้างคงที่ หรือถาวร (Permanent) เรียก น้ำหนักคงที่ส่วนเพิ่ม (Super-imposed dead load) ตัวอย่างเช่นผนัง ฝ้าเพดาน กระเบื้อง หรือวัสดุตกแต่งพื้น เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีน้ำหนักจร (Live load) ที่บรรทุกบนแผ่นพื้น และถ่ายลงสู่คาน เช่น น้ไหนักผู้อยู่อาศัย สัมภาระ น้ำหนักยวดยานพาหนะ เป็นต้น
7.2 รูปหน้าตัด
ปกติคานมีรูปหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า เพราะคำนวณออกแบบง่าย ก่อสร้างง่าย ประหยัด แต่หากมีความจำเป็น หรือในเชิงปฏิบัติ คานอาจมีรูปหน้าตัดเป็นอื่นได้ เช่นคานรูปตัวที (Tee beam) ซึ่งอาจเกิดจากความตั้งใจที่จะออกแบบหรือก่อสร้างให้คานนั้นมีรูปเป็นตัวที หรืออาจเกิดในกรณีที่คานหน้าตัดรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ารองรับพื้น ค.ส.ล. หล่อเป็นเนื้อเดียวกัน (Monolithic) ทำให้สามารถหรือพิจารณา หรือผนวกส่วนหนึ่งของแผ่นพื้นเป็นเสมือนปีก (Flange) ของตัวที หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ได้คิดพื้นที่ส่วนหนึ่งของพื้นมาผนวกเข้ากับคานสี่เหลี่ยมผืนผ้านั้น ในการวิเคราะห์โครงสร้างจะทำให้คานมีความแข็งแกร่ง เพิ่มมากขึ้นกว่าเดิมเมื่อเทียบกับรูปตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้าธรรมดา ทำให้กำลังต้านทานแรงเพิ่มมากขึ้น
7.3 วัสดุที่ใช้ทำคาน
คานอาจทำด้วยไม้ เหล็ก คอนกรีตเสริมเหล็ก หรือคอนกรีตเสริมลวดอัดแรง ขึ้นอยู่กับปัจจัย หรือเหตุผลหลายประการเช่น ช่วงความยาว (Span) น้ำหนักบรรทุก หรือแรงที่กระทำต่อคาน ความประหยัด หรือเหตุผลทางสถาปัตยกรรมที่ต้องการแสดง เนื้อวัสดุให้แสดงเป็นรูปลักษณ์ของอาคาร
คานไม้ มักใช้ประกอบกับระบบพื้น และตงไม้ โดยสมัยโบราณ ตัวคานมักจะวางฝากอยู่กับเสาไม้ ยึดด้วยลิ่ม หรือบากไม้ให้เข้ามุมกัน ปัจจุบันอาจใช้ตะปู ยึดด้วยสลักเกลียว แหวน หรืออุปกรณ์อื่น ๆ โดยคานจะรองรับตง (Joist) และตงรองรับพื้นไม้กระดาน ตามลำดับ คานไม้อาจวาง หรือฝากกับเสาคอนกรีต หรือเสาเหล็กก็ได้
คานเหล็ก นิยมใช้ในอาคารขนาดใหญ่ หรืออาคารที่ต้องการลดระยะเวลาก่อสร้าง หรือต้องการให้โครงสร้างโดยรวมมีน้ำหนักเบากว่าใช้คอนกรีตเสริมเหล็ก ไม่นิยมใช้กับอาคารขนาดเล็ก เพราะราคาจะค่อนข้างแพง อีกทั้งต้องออกแบบจุดต่ออย่างพิถีพิถันให้มั่นคงแข็งแรง และต้องป้องกันอัคคีภัย คานเหล็กใช้เหล็กรูปพรรณชนิดรีดร้อน (Hot-rolled steel) หรือเหล็กรีดเย็น (Cold work steel) ตามความจำเป็น คานเหล็กอาจใช้ประกอบกับเสาเหล็ก หรือเสาคอนกรีต คานเหล็กอาจใช้รองรับตงไม้ หรือตงเหล็ก อีกนัยหนึ่ง คานเหล็กอาจรองรับพื้นเหล็ก พื้นคอนกรีต หรือระบบพื้นไม้ก็ได้
คานคอนกรีตเสริมเหล็ก ส่วนใหญ่หล่อในที่ โดยยื่นเหล็กเสริมเข้าไปในเสาคอนกรีตเพื่อยึด หรือถ่ายน้ำหนัก โดยทั่วไปไม่ใช้คานคอนกรีตกับเสาเหล็ก หรือเสาไม้ เนื่องจากทำการเชื่อมต่อ หรือยึดกันได้ยาก ดังนั้นคานคอนกรีตเสริมเหล็กมักใช้ร่วมกับเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก แต่คานคอนกรีตเสริมเหล็ก ใช้ร่วมกับระบบพื้นได้แทบทุกชนิด เช่น พื้นคอนกรีต (ทั้งแผ่นพื้นสำเร็จรูป หรือแผ่นพื้นหล่อในที่) พื้นเหล็ก หรือแม้แต่พื้นไม้
คานคอนกรีตอัดแรง มีหลักการคล้ายคลึงกับคานคอนกรีตเสริมเหล็ก แต่เสริมลวดอัดแรง (Prestressing wire or tendon) ทำให้มีกำลังต้านทานแรงมากขึ้น จึงเหมาะกับโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นคานสะพาน (Girder)
นอกจากที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีคานประกอบ (Composite beam) ซึ่งใช้วัสดุมากกว่าชนิดเดียว เช่นใช้คานเหล็กรูปพรรณประกอบกับคอนกรีต หรือเหล็กกับไม้ มักพบเฉพาะในอาคาร หรือโครงสร้างที่ใช้วัสดุหลายชนิดผสมผสานกัน
7.4 การจำแนกคานในเชิงวิศวกรรม
ในทางวิศวกรรมจำแนกคานตามลักษณะที่รองรับ (Support - ตัวอย่างที่รองรับคานได้แก่เสา หรือผนัง ค.ส.ล.) ได้แก่คานช่วงเดียว (มีที่รองรับ 2 แห่งที่ปลายทั้งสอง - Simply support or simple beam) คานต่อเนื่อง (Continuous beam) มีสองช่วงขึ้นไป และคานยื่น (Cantilever beam) ปลายหนึ่งยึดกับที่รองรับ และอีกปลายหนึ่งยื่นอย่างอิสระปราศจากที่รองรับ เหตุที่จำแนกเป็น 3 ประเภทเพราะเมื่อคานเหล่านี้รับน้ำหนัก หรือแรง จะถูกดัด (Bend) ทำให้เกิดแรงในคาน และคานโก่งตัวในลักษณะที่แตกต่างกัน
อนึ่ง การบอกความยาวช่วงคานปกติมี 2 วิธี คือบอกระยะระหว่างศูนย์กลางที่รองรับ รูปที่ 13 แสดงรูปหน้าตัดคาน และวัสดุที่ใช้ทำคาน (คานไม้ คานเหล็ก คานคอนกรีตเสริมเหล็ก) รูปที่ 14 แสดงตัวอย่างคานคอนกรีตอัดแรง รูปที่ 15 แสดงการจำแนกคานในเชิงวิศวกรรม (คานช่วงเดียว คานยื่น และคานต่อเนื่อง)
8. แผ่นพื้น
แผ่นพื้นเป็นองค์อาคารที่มักจะอยู่ในแนวราบ มีลักษณะเป็นแผ่นบาง ใช้บรรทุกน้ำหนักตัวมันเอง น้ำหนักวัสดุตกแต่ง ตลอดจนน้ำหนักบรรทุกจร เช่นผู้อยู่อาศัย ยวดยานพาหนะ (กรณีพื้นอาคารจอดรถ หรือสะพาน) และถ่ายน้ำหนักลงสู่คานรองรับซึ่งอยู่ที่ขอบ หรือโดยรอบพื้นนั้น อย่างไรก็ตามแผ่นพื้นอาจจำแนกตามวัสดุ วิธีก่อสร้าง หรือการรับแรงในเชิงวิศวกรรม ดังนี้
8.1 ระบบพื้นและตงไม้
พื้นไม้ปกติจะใช้กระดานไม้ (Plank) แผ่นบาง ๆ จึงต้องแบ่งกระจายน้ำหนักอย่างสม่ำเสมอผ่านตงที่วางเรียงกันค่อนข้างถี่ ดังนั้น ตงก็คือคานซอย หรือคานย่อย ๆ ที่วางอยู่บนคานหลัก ขนาดของตง หรือระยะที่วางเรียงจะขึ้นกับน้ำหนักบรรทุก และชนิดของไม้ที่ใช้ พื้นไม้วางบนตงปกติจะยึดด้วยตะปู รูปที่ 16 แสดงตัวอย่างระบบพื้นและตงไม้
2.8.1 แผ่นพื้นคอนกรีตหล่อในที่
แผ่นพื้นคอนกรีตหล่อในที่ (Cast in place slab) จะต้องตั้งแบบพื้น ผูกเหล็กเสริมแล้วจึงเทคอนกรีตพร้อมกับส่วนบนของคานที่อยู่รอบ ๆ เพื่อให้พื้นเป็นผืนเดียวกับคาน และต้องค้ำยันแบบเพื่อรับน้ำหนักพื้นก่อนที่พื้นคอนกรีตแข็งตัว และรับน้ำหนักได้ เมื่อถอดแบบแล้วอาจฉาบปูนทาสีใต้ท้องพื้นเพื่อความสวยงาม หรืออาจติดฝ้าเพดาน ซึ่งฝ้าเพดาน หรือสิ่งยึดเกาะอื่น ๆ เช่นท่อน้ำ ท่อระบบปรับอากาศ ต่างก็เป็นน้ำหนักบรรทุกที่แขวน หรือยึดกับแผ่นพื้น ความหนา หรือเหล็กเสริมของพื้นขึ้นอยู่กับความกว้าง ความยาวของพื้น และน้ำหนักบรรทุก แผ่นพื้นหล่อในที่ แบ่งเป็นประเภทย่อย ๆ ดังนี้
8.1.1 แผ่นพื้นทางเดียว (One-way slab)
มีช่วงสั้น หรือสัดส่วนความยาวต่อความกว้างของแผ่นพื้นมาก ก็จะกระจายน้ำหนักในทิศทางเดียว คือกระจายน้ำหนักลงยังที่รองรับสองด้านซึ่งรองรับพื้นในช่วงสั้น วางบนคานแบบทางเดียว (รูปที่ 17) อนึ่ง หากแผ่นพื้นทางเดียวหลายแถบวางต่อเนื่องกัน แผ่นพื้นทางเดียวเช่นว่านั้น ก็จะเป็นเสมือนแผ่นพื้นต่อเนื่อง (ดูเรื่องถัดไป)
8.1.2 แผ่นพื้นสองทาง (Two-way Slab)
สัดส่วนด้านกว้างยาวพอ ๆ กัน หรือแตกต่างกันไม่มาก ดังนั้น น้ำหนักบรรทุกจะกระจายสองทิศทาง (รูปที่ 18)
8.1.3 แผ่นพื้นยื่น (Cantilever slab)
มีที่รองรับดานเดียว อีกปลายหนึ่งอิสระปราศจากที่รองรับ ปกติมักพบเห็นแผ่นพื้นยื่นเป็นชายคา หรือกันสาด (รูปที่ 19)
8.1.4 แผ่นพื้นไร้คาน (Flat plate)
เป็นแผ่นพื้นสองทางชนิดหนึ่ง เพียงแต่คานมีความหนาเท่ากับแผ่นพื้น หรืออีกนัยหนึ่งคือแถบแผ่นพื้นซึ่งเชื่อมต่อระหว่างที่รองรับ เช่นเสา ถือเสมือนเป็นคาน แผ่นพื้นไร้คานอาจเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก หรืออาจเป็นคอนกรีตอัดแรงหล่อในที่ (Post-Tensioned) โดยลวดจะร้อยอยู่ในตัวพื้น เหลือปลายลวดไว้ที่ด้านข้างของพื้นสำหรับดึงให้ตึงแล้วตัดลวด เพื่อให้ลวดนั้นอัดพื้น ทำให้พื้นรับน้ำหนักได้มากขึ้นในขณะที่ความหนาของพื้นไม่มากนัก น้ำหนักโดยรวมของพื้นน้อยลง ซึ่งจะส่งผลให้ขนาดโครงสร้างอื่น ๆ ลดลงด้วย เป็นระบบที่ก่อสร้างได้รวดเร็ว นิยมใช้กับอาคารขนาดใหญ่
บางครั้งอาจจำเป็นต้องเพิ่มความหนาของแผ่นพื้นไร้คานที่บริเวณหัวเสา เพื่อเพิ่มกำลังต้านทานแรง (และป้องกันมิให้แผ่นพื้นถูกเฉือนจนแตกทะลุรอบ ๆ หัวเสา) เรียกความหนาส่วนเพิ่มนี้ว่า แป้นหัวเสา (Drop panel) หากบริเวณหัวเสาที่รองรับแผ่นพื้น หรือแป้นหัวเสาขยายขนาดให้โตขึ้น เรียกว่า หมวกเสา (Capital) รูปที่ 20ก และ 20ข แสดงตัวอย่างแผ่นพื้นไร้คาน ชนิดแผ่นเรียบ หรือมีแป้นหัวเสา หรือหมวกเสา อนึ่ง พื้นระบบนี้ไม่นิยมใช้ในอาคารขนาดเล็ก หรือที่พักอาศัย เนื่องจากมีราคาแพงกว่าแบบแรก มักใช้ในอาคารที่ต้องการจำนวนชั้นมาก ๆ ไม่ต้องการให้มีคานเกะกะ เช่นอาคารจอดรถเป็นต้น
รูปที่ 20 ตัวอย่างแผ่นพื้นไร้คาน ชนิดแผ่นเรียบ หรือมีแป้นหัวเสา หรือหมวกเสา
8.1.5 แผ่นพื้นระบบกระทงทางเดียว (One-way joist)
ประกอบด้วยแผ่นพื้นทางเดียวหลายผืนต่อเนื่องกัน หล่อเป็นเนื้อเดียวกับคาน หรือวางบนคานสำเร็จรูป (เช่นกรณีของสะพาน) หรือเกิดจากการเอาคานรูปตัวทีมาวางเรียงให้ปีกคานชิดติดกันแล้วหล่อคอนกรีตพื้น (Topping) ให้เป็นผืนต่อเนื่องกัน (ดูเรื่องถัดไป) รูปที่ 21 แสดงตัวอย่างแผ่นพื้นกระทงทางเดียว
รูปที่ 21 ตัวอย่างแผ่นพื้นกระทงทางเดียว
8.1.6 แผ่นพื้นกระทงสองทาง (Waffle slab)
เป็นแผ่นพื้นสองทางที่มีขนาดใหญ่ มาก ๆ ดังนั้น ภายในแผ่นพื้น (ภายในแผ่นพื้นซึ่งรองรับด้วยคานหลักที่เชื่อมยึดระหว่างหัวเสา) จึงแบ่งซอยเป็นคานย่อย ๆ ทั้งสองทิศทาง จึงแลดูเสมือนประกอบด้วยแผ่นพื้นสองทางเล็ก ๆ หลายผืน แผ่นพื้นชนิดนี้แม้จะใช้ได้กับอาคารที่มีช่วงระหว่างเสาห่างมาก ๆ แต่ก็ก่อสร้างยุ่งยาก โดยเฉพาะต้องเตรียมไม้แบบ ซับซ้อนตามรูปร่างของแผ่นพื้น และอาจมีปัญหายุ่งยากในเรื่องวิศวกรรมระบบ เช่น การติดตั้งดวงโคมไฟฟ้า การเดินสายไฟ หรือท่อน้ำดับเพลิงเป็นต้น รูปที่ 22 แสดงตัวอย่างแผ่นพื้นกระทงสองทาง
8.2 ระบบแผ่นพื้นกึ่งสำเร็จ
ระบบแผ่นพื้นกึ่งสำเร็จประกอบด้วยส่วนที่ผลิตจากโรงงาน ยกมาติดตั้ง หรือวางบนคาน แล้วเสริมเหล็ก เทคอนกรีตทับหน้า (Topping) เพื่อให้เป็นผืนเดียวกัน จำแนกเป็นประเภทย่อยได้ดังนี้
8.2.1 ระบบแผ่นพื้นคอนกรีตหล่อสำเร็จ หรือแผ่นพื้นสำเร็จรูปอัดแรง ชนิดแผ่นเรียบ (Precast Plank)
รูปหน้าตัดสี่เหลี่ยมทึบตัน เสริมลวดอัดแรง ความหนาจึงไม่มากนัก นิยมใช้ โดยเฉพาะอาคารขนาดเล็ก หรือที่พักอาศัย เพราะมีลักษณะเหมือนแผ่นกระดานที่สามารถวางพาดบนคานเรียงกัน โดยไม่ต้องใช้ไม้แบบ ผูกเหล็กเสริมกันร้าว และเทคอนกรีตทับหน้าได้ทันที และใช้ค้ำยันเท่าที่จำเป็นตามคำแนะนำของผู้ผลิต เช่นที่กึ่งกลางของช่วงพื้นเท่านั้น พื้นชนิดนี้คือใต้ท้องพื้นจะเรียบจึงไม่จำต้องฉาบแต่งผิว หรือทำฝ้าปิด รูปที่ 23 แสดงตัวอย่าง ระบบพื้นคอนกรีตอัดแรงสำเร็จรูปชนิดแผ่นเรียบ อนึ่ง แผ่นพื้นชนิดนี้เมื่อช่วงยาวขึ้น หรือมีความหนาเพิ่มขึ้น ผู้ผลิตก็อาจทำให้แกนกลางตามยาวของแผ่นพื้นกลวง (Hollow core Slab) เพื่อลดทอนน้ำหนักของแผ่นพื้นนั่นเอง
8.2.2 ระบบแผ่นพื้นกึ่งสำเร็จรูปชนิดตงคอนกรีตอัดแรง
แผ่นพื้นชนิดนี้ใช้ตงคอนกรีตอัดแรงสำเร็จรูปมาพาดบนคานแล้วประกอบไม้แบบที่ช่องว่างระหว่างตง เสริมเหล็ก และเทคอนกรีต วิธีนี้จะก่อสร้างง่ายกว่าระบบพื้นคอนกรีตเสริมเหล็กธรรมดา เพราะสามารถตั้งแบบกับตงสำเร็จรูป ดังนั้นไม่ต้องใช้แบบและค้ำยันมากเท่ากับระบบพื้นคอนกรีตทั่วไป ตงสำเร็จรูปชนิดนี้จะมีรูสำหรับเสียบสลักที่ใช้ไว้สำหรับรับแบบไม้ในตัว ปัจจุบันไม่ค่อยนิยมใช้ รูปที่ 24 แสดงตัวอย่างระบบแผ่นพื้นกึ่งสำเร็จรูปชนิดตงคอนกรีตอัดแรง
8.2.3 ระบบแผ่นพื้นคอนกรีตสำเร็จรูปชนิดหน้าตัดรูปตัวที
แผ่นพื้นชนิดใช้ปริมาณคอนกรีตน้อย และแอ่นตัวน้อย ก่อสร้างได้รวดเร็วโดยการนำมาวางพาดกับคานเรียงชิดติดกัน เสริมเหล็ก และเทคอนกรีตทับหน้าเพื่อให้เป็นแผ่นพื้นเดียวกัน แต่ต้องระมัดระวังขณะก่อสร้างเพราะแผ่นพื้นที่วางบนคานนั้นอาจพลิกตัวได้ง่ายก่อนที่จะเทคอนกรีตทับ ข้อเสียของพื้นระบบนี้คือ ด้านใต้พื้น หากไม่มีฝ้าปิด มักเป็นอุปสรรคต่อการติดตั้งดวงโคมไฟฟ้า หรือระบบส่องสว่าง และท่อของวิศวกรรมงานระบบต่าง ๆ รูปที่ 25 แสดงตัวอย่างแผ่นพื้นสำเร็จรูปหน้าตัดรูปตัวที
8.2.4 ระบบแผ่นพื้นคอนกรีตบล็อกและตงรูปทีคว่ำ
พื้นชนิดนี้ใช้ตงคอนกรีตรูปตัวทีคว่ำวางพาดบนคานตามระยะที่กำหนด และใช้คอนกรีตบล็อคชนิดกลวงวางเรียงระหว่างตงดังกล่าวจนเต็ม เสริมเหล็ก และเทคอนกรีตทับหน้า เดิมพื้นชนิดนี้ใช้ในอาคารขนาดเล็ก และที่พักอาศัย เพราะก่อสร้างได้รวดเร็ว ข้อเสียคือน้ำอาจรั่วซึมได้ง่าย และรับน้ำหนักได้น้อยกว่าพื้นสำเร็จระบบอื่น ๆ เนื่องจากคอนกรีตบล็อคนั้นเป็นเพียงแบบหล่อคอนกรีตถาวรเท่านั้น มิได้มีส่วนช่วยรับน้ำหนักใด ๆ (ขณะที่เฉพาะตงรูปตัวทีคว่ำรับน้ำหนักบรรทุก) ดังนั้น หากฉาบปิดใต้ท้องพื้นไปแล้ว อาจไม่ทราบตำแหน่ง หรือแนวของตงรูปตัวทีคว่ำ จะหาตำแหน่งแขวนยึดสิ่งที่มีน้ำหนักมากได้ลำบาก ปัจจุบันพื้นชนิดนี้เสื่อมความนิยมลงไป เพราะมีข้อด้อยกว่าแผ่นพื้นชนิดเรียบในเกือบทุกด้าน รูปที่ 26 แสดงตัวอย่างแผ่นพื้นแผ่นพื้นคอนกรีตบล็อกและตงรูปทีคว่ำ
8.2.5 ระบบพื้นคอนกรีตแผ่นพื้นเหล็ก (Composite Metal Deck)
แผ่นพื้นชนิดนี้ยังหล่อในที่ โดยใช้แผ่นเหล็กพับขึ้นรูปเป็นลอนลักษณะต่าง ๆ ที่ผลิตจากโรงงาน แผ่นเหล็กที่วางพาดบนคานจะต้องมีหัวหมุดเหล็ก (Shear stud) ยึดเป็นระยะ ๆ และแผ่นเหล็กนี้จะเป็นทั้งแบบ และเหล็กเสริมไปในตัว ดังนั้นเหล็กเสริมจะลดน้อยลงกว่าแผ่นพื้นระบบอื่น ๆ (แต่ยังคงต้องเสริมเหล็ก เช่นเพื่อกันร้าว) แผ่นเหล็กจะเป็นทั้งไม้แบบ และฝ้าเพดานสำหรับชั้นใต้พื้นนั้นไปในตัวด้วย อย่างไรก็ตามจะต้องป้องกันเหล็กไม่ให้เป็นสนิม และต้องกันไฟด้วย พื้นชนิดนี้ค่อนข้างเบา และก่อสร้างรวดเร็ว แต่จะมีราคาค่อนข้างแพง มักใช้ประกอบกับโครงสร้างเหล็กเช่นวางบนคานเหล็กเป็นต้น
8.3 พื้นเหล็ก
พื้นเหล็ก (Steel deck) ประกอบด้วยระบบตงเหล็ก วางบนคานเหล็ก หรือคานคอนกรีต แล้วปูปิดทับด้วยแผ่นเหล็กผิวเรียบ หรือผิวมีลวดลายผลิตจากโรงงาน ไม่นิยมนัก เนื่องมีราคาค่อนข้างแพง และเช่นเดียวกับโครงสร้างเหล็กอื่น ๆ ที่ต้องใช้ฝีมือแรงงานในการประกอบหรือเชื่อมต่อส่วนประกอบต่าง ๆ เข้าด้วยกัน ข้อด้อยของพื้นเหล็กได้แก่ ลื่น เสียงดัง ทำความสะอาดยาก และมีปัญหาเรื่องสนิม จึงมักใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่ไม่ได้รับน้ำหนักบรรทุกมากนัก เช่นสะพานทางเดินในโกดังเก็บสินค้า หรือชั้นลอยต่าง ๆ อาจใช้พื้นแบบโปร่งที่ถักเป็นตารางคล้ายฝาตะแกรง เพื่อให้น้ำหนักเบา บางกรณีอาจต้องเคลือบ หรือทับผิวหน้าด้วยวัสดุอื่น เพื่อลดข้อด้อยดังกล่าวข้างต้น
9. บันได
บันได (Staircase) เป็นองค์อาคารที่เชื่อมต่อระหว่างชั้นเช่นเดียวกับเสา มีลักษณะคล้ายคลึงกับแผ่นพื้น ส่วนใหญ่จึงออกแบบเสมือนเป็นแผ่นพื้นที่พาดอยู่ระหว่าง 2 ชั้น หรือกล่าวได้ว่าในเชิงวิศวกรรม บันไดก็คือแผ่นพื้นนั่นเอง บันไดอาจทำได้หลายรูปแบบ บันไดอาจมี หรือไม่มีชานพัก (Landing) ก็ได้ขึ้นกับการออกแบบตามความจำเป็น และประโยชน์ใช้สอย สำหรับบันไดตอนกรีตเสริมเหล็ก บันไดทั่วไปแบบง่ายที่สุดเปรียบเสมือนพื้น หรือคานซึ่งถ่ายน้ำหนักลงคานที่รองรับที่ปลายพื้นของแต่ละชั้นหรือบางกรณี อาจมีคานรองรับที่ชานพัก) บันไดประเภทนี้อาจมีท้องเรียบ หรือเป็นลักษณะพับผ้า คือท้องบันไดพับเป็นขั้น ๆ คล้ายด้านบน ดังแสดงในรูปที่ 28
บันไดบางชนิดมีคานแม่บันไดขนาบทั้งสองข้างต่อเนื่องควบคู่ไปกับตัวบันได (รูปที่ 29) พื้นบันไดจึงเสมือนเป็นแผ่นพื้นทางเดียวที่รองรับด้วยคานแม่บันไดซึ่งขนาบทั้งสองข้าง คานแม่บันไดนี้อาจออกแบบให้บาง และลึก เป็นเสมือนแผงกันตก หรือราวบันไดในตัว บันไดประเภทนี้อาจมีท้องเรียบ หรือเป็นลักษณะพับผ้า
บันไดบางชนิดคล้ายพื้น หรือคานที่ยื่นออกมาจากคานแม่บันไดที่รองรับด้านใดด้านหนึ่ง หรือรองรับใต้ตัวบันไดนั้น (รูปที่ 30ก และ 30ข ตามลำดับ) โดยคานที่รองรับดังกล่าวนี้จะยาวต่อเนื่องควบคู่ไปกับตัวบันได บันไดบางชนิดเป็นคล้ายพื้น หรือคานยื่นออกมาจากผนังคอนกรีตเสริมเหล็ก (เช่นผนังปล่องลิฟท์ - รูปที่ 30ค) บันไดประเภทนี้อาจมีท้องเรียบ หรือพับผ้า
ข. ยื่นสองด้านจากคานแม่บันได
ค. ยื่นจากผนัง
รูปที่ 30 บันไดยื่น
รูปที่ 31 ตัวอย่างบันไดชานพักลอย
สำหรับบันไดวน หรือบันไดเวียน หรือบันไดโค้งต่าง ๆ อาจมีคานขนาบทั้งสองข้างตลอดระหว่างชั้น หรืออาจมีคานเพียงตัวเดียวรองรับข้างใต้บันได หรืออาจปราศจากคาน โดยออกแบบให้ตัวบันไดทั้งชิ้นเป็นเสมือนคาน นั่นเอง บันไดประเภทนี้อาจมีท้องเรียบ หรือพับผ้า รูปที่ 32 แสดงตัวอย่างบันไดเวียนวน หรือบันไดเวียน
ส่วนบันไดไม้ และเหล็ก ปกติมักเป็นระบบคานแม่บันไดพาด แล้วทำลูกขั้นด้วยไม้ หรือเหล็ก ตามแต่กรณี
10. หลังคา
หลังคาเป็นส่วนประกอบที่คลุมอาคารเพื่อป้องกันความร้อน ฝน หรือความชื้น จำแนกตามความลาดชันได้ 3 ประเภท
10.1 หลังคาเรียบ
หลังคาเรียบ (Flat roof) มักเป็นหลังคาคอนกรีต เช่นหลังคาเรียบคอนกรีตเสริมเหล็ก ที่เป็นพื้นคอนกรีตเสริมเหล็กชนิดวางบนคาน หรือชนิดไร้คาน ดังที่ได้กล่าวข้างต้น หากแต่จะต้องมีความทึบน้ำสูง เช่นผสมสารกันซึม หรือทำระบบกันซึมคลุมผิวด้านบน อีกแบบหนึ่งเป็นหลังคาที่ใช้เหล็กแผ่นพับเป็นไม้แบบสำหรับเทคอนกรีต ความหนาของคอนกรีตและเหล็กเสริมในพื้นคอนกรีตจะน้อยกว่าหลังคาเรียบคอนกรีตเสริมเหล็ก หลังจากคอนกรีตแข็งตัวแล้ว แผ่นเหล็กพับจะเป็นทั้งเหล็กเสริมของพื้นหลังคา และเป็นฝ้าเพดานของชั้นที่อยู่ถัดลงมา
10.2 หลังคาลาดชัน
นิยมใช้กับอาคารทั่วไปรวมทั้งโรงงานอุตสาหกรรม หลังคาชนิดนี้ประกอบไปด้วยองค์ประกอบที่สำคัญ 2 ส่วนคือ วัสดุมุงหลังคา ปัจจุบันใช้กระเบื้อง หรือแผ่นเหล็กพับขึ้นรูปสำเร็จ (Metal sheet) วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติ และน้ำหนักต่างกัน ดังนั้นใช้ต้องพิจารณาหลายปัจจัยได้แก่ น้ำหนัก ราคา วิธีก่อสร้าง หรือติดตั้ง องค์ประกอบสำคัญซึ่งรับน้ำหนักหลังคา หรือแรงอื่น ๆ คือโครงหลังคา (Roof structure) สามารถจำแนกได้ 2 ลักษณะคือ ระบบจันทัน ตะเฆ่ และแป (Rafter and purlin)โครงหลังคาระบบนี้จะมีจันทัน และตะเฆ่ราง (Valley rafter) หรือตะเฆ่สัน (Hip rafter) เป็นส่วนประกอบหลัก หรือเป็นโครงเพื่อให้วัสดุมุงยึดเกาะและถ่ายน้ำหนักลงแป แปถ่ายน้ำหนักลงสู่ตะเฆ่ หรือจันทัน แล้วถ่ายลงคาน (อเส) เสา หรือกำแพง ตามลำดับ อนึ่ง หากจั่วหลังคาเป็นทรงสูง หรือหลังคามีสันยาว ก็จะมีดั้ง (Post) รองรับจันทันหลัก มีอกไก่ (Ridge) เชื่อมยึด หรือพาดบนดั้งเพื่อพรางจันทัน (หรือให้จันทันพรางวางพาด) วัสดุที่ใช้ทำจันทัน ตะเฆ่ ดั้ง หรืออกไก่ได้แก่ไม้ เหล็ก และคอนกรีต ส่วนแปใช้จะมีแปเหล็ก และแปไม้เท่านั้น รูปที่ 33แสดงตัวอย่างโครงหลังคาลาดชัน
รูปที่ 33 ตัวอย่างโครงหลังคาลาดชัน
รูปที่ 33 ตัวอย่างโครงหลังคาลาดชัน (ต่อ)
อีกระบบหนึ่งคือระบบโครงถัก (หรือโครงข้อหมุน - Truss) และแป โครงถักใช้แทนระบบจันทัน ตะเฆ่ โดยเฉพาะในอาคาร หรือโรงงานที่ต้องการพื้นที่ว่างมาก ๆ และตำแหน่งเสาอยู่ห่างกันมากจนไม่สามารถใช้ระบบแรกได้ โครงถักเดิมใช้ทั้งที่ทำจากไม้ และเหล็ก ปัจจุบันนิยมให้เหล็กเป็นส่วนใหญ่ โครงถักนี้อาจมีรูปทรงแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับรูปทรงของหลังคา ความสวยงามทางสถาปัตยกรรม ประสิทธิภาพในการรับน้ำหนัก หรือแรง ดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 34 และ 35
10.3 หลังคาที่มีโครงสร้างสลับซับซ้อน
ตัวอย่างหลังคาที่มีโครงสร้างสลับซับซ้อนได้แก่ หลังคาคลุมอัฒจันทร์สนามกีฬา อาคารสาธารณะขนาดใหญ่ ที่ต้องคลุมพื้นที่ใช้สอยมาก ๆ เน้นความสวยงาม ต้องคำนวณออกแบบ และการก่อสร้างอย่างพิถีพิถัน ใช้ความชำนาญเป็นพิเศษ ราคาแพง จึงไม่เหมาะกับอาคารขนาดเล็ก หรือที่พักอาศัย
11. ผนัง หรือกำแพง
ผนัง (Walls) หรือบ้างก็เรียกว่ากำแพงเป็นส่วนประกอบในแนวดิ่งคล้ายเสา แต่จะเป็นแผ่น หรือสัดส่วนความยาวกับความกว้าง (มักเรียกความหนา) แตกต่างกันมาก ผนังเป็นผนังด้านนอกของชั้นใต้ดิน ผนังกั้นห้องนิรภัย ผนังของปล่องบันได หรือปล่องลิฟท์ อาจแบ่งประเภทของผนังตามการใช้งานได้ดังนี้คือ ผนังรับน้ำหนัก หรือแรงในแนวดิ่ง (Bearing Wall) ใช้รับน้ำหนักในแนวดิ่งคล้ายกับเสา คำนวณออกแบบเช่นเดียวกับเสา ส่วนผนังต้านทานแรงทางด้านข้าง (Shear Wall) เหมือนกับผนังประเภทแรก เพียงแต่จะต้องจัดตำแหน่ง หรือขนาด โดยหลักวิศวกรรม คือให้สามารถต้านทานแรงทางด้านข้างของอาคารเช่น แรงลม แรงแผ่นดินไหว สำหรับอาคารสูงผนังรับแรงทางด้านข้างถือเป็นส่วนประกอบสำคัญ ซึ่งโดยทั่วไป กำแพงรอบปล่องลิฟท์ของอาคาร หรือกำแพงทึบด้านข้างของอาคารเป็นต้น สำหรับวัสดุก่อสร้างของกำแพงนั้น โดยทั่วไปผนังน้ำหนัก หรือแรงในแนวดิ่ง และผนังต้านทานแรงทางด้านข้าง มักเป็นผนังคอนกรีตเสริมเหล็ก
ผนัง หรือกำแพงที่ไม่รับน้ำหนัก เช่นใช้กั้นก่อปิดด้านนอกของอาคาร กั้นแบ่งห้องภายในอาคาร ในทางวิศวกรรมถือว่าเป็นส่วนประกอบรอง ที่ไม่ใคร่จะมีความสำคัญนัก แต่ก็มีข้อดีอยู่บ้างคือช่วยค้ำยันเสา หรือส่วนประกอบหลักอื่น ๆ อาจเรียกว่าผนังเหล่านี้เป็นผนังทางสถาปัตยกรรม โดยปกติก่อโดยใช้อิฐ หรือคอนกรีตบล็อค
12. กำแพงกันดิน
กำแพงกันดิน (Retaining Wall) เป็นส่วนประกอบที่ใช้ต้านทานแรงดันทางด้านข้างของ ตัวอย่างเช่นเขื่อนป้องกันตลิ่งพังริมแม่น้ำลำคลอง กำแพงโดยรอบชั้นใต้ดินของอาคาร ซึ่งกำแพงโดยรอบของชั้นใต้ดินของอาคารนี้นอกจากจะต้านทานแรงดันทางด้านข้องของดิน แล้วยังต้านทานแรงดันทางด้านข้างของน้ำ ป้องกันไม่ให้น้ำใต้ดินซึมเข้าสู่ชั้นใต้ดินของอาคารได้ (บางกรณีก็ใช้ต้านทานแรงดันของน้ำ หรือเก็บกัก ป้องกันน้ำมิให้รั่วซึมด้วย เช่นถังเก็บน้ำคอนกรีตเสริมเหล็กที่อยู่ชั้นใต้ดิน หรือบนดาดฟ้า) และตานทานแรงทางด้านข้างอ้นเนื่องจากน้ำหนักกดทับจากผิวบน เช่นน้ำหนักยวดยานพาหนะจากการจราจร กำแพงกันดินจำแนกตามลักษณะของโครงสร้างได้ดังนี้
12.1 กำแพงกันดินคอนกรีตเสริมเหล็ก
กำแพงกันดินคอนกรีตเสริมเหล็ก เหมาะกับความลึกไม่เกิน 10 เมตร (หากลึกกว่านี้จะไม่ประหยัด ควรเลือกระบบอื่น ๆ) ส่วนใหญ่ก่อสร้างโดยขุดดินออกมาเพื่อหล่อกำแพง แล้วถมดินกลับภายหลัง กำแพงประเภทนี้จะทึบน้ำ ป้องกันการรั่วซึมได้ดี รูปที่ 36 ตัวอย่างกำแพงกันดินคอนกรีตเสริมเหล็ก
12.2 เข็มพืด
เข็มพืด (Sheet Pile) มีลักษณะเหมือนกำแพงที่ตอกต่อเนื่องกัน เพื่อต้านทานแรงดันดินและน้ำมักใช้กับโครงสร้างที่อยู่ติดน้ำ หรือตอกป้องกันตลิ่งพัง (ที่ไม่สามารถหล่อคอนกรีตในที่ได้) หรือใช้ชั่วคราวเพื่อป้องกันการพังทลายของดินสำหรับการทำงาน หรืออาคารที่ต้องขุดดินลึก ๆ เช่น เพื่อทำฐานราก หรือชั้นใต้ดิน เข็มพืดมีทั้งที่ทำจากไม้ คอนกรีตหล่อสำเร็จ และเหล็ก แต่อย่างไรก็ตามเมื่อพูดถึงเข็มพืดในแวดวงก่อสร้างมักนึกถึงเข็มพืดเหล็กเป็นส่วนใหญ่ ดังรายละเอียดต่อไปนี้
12.2.1 เข็มพืดไม้ใช้แผ่นไม้ตอกชิดติดต่อกันไป หรือใช้ไม้ที่มีร่อง และลิ้นตอกขัดกันต่อเนื่องเป็นแนว เข็มพืดไม้นิยมใช้กับงานที่มีการขุดดินไม่ลึก และงานโครงสร้างที่มีแรงดันดินกระทำไม่มากนัก ปัจจุบันไม่ค่อยนิยมใช้เพราะไม้ราคาแพงขึ้น และผุกร่อนเสื่อมสลายได้
12.2.2 เข็มพืดคอนกรีตสำเร็จรูป เป็นเข็มตอก มีทั้งรูปตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มีลิ้น และร่อง ที่ขัดกันเพื่อปิดช่องว่าง หรือรูปตัดเป็นรูปตัวไอกว้าง ซึ่งต้องอัดน้ำปูนเข้าไปในช่องว่างระหว่างเข็มตอกแต่ละต้นภายหลังตอก (รูปที่ 37)
12.2.3 เข็มพืดเหล็ก เป็นเหล็กรูปตัว Z ท่อกลม หรืออื่น ๆ แต่ละชิ้นมีร่อง หรือที่ยึดเกี่ยวกันไปเกิดเป็นเข็มพืด เข็มพืดเหล็กแข็งแรง น้ำหนักเบา ตอก หรือกดให้จมง่าย กรณีใช้เป็นเข็มพืดชั่วคราวก็ดึง หรือรื้อถอนสะดวก เข็มพืดเหล็กจึงมีข้อดีที่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก
เข็มพืดเหล็กมีรูปหน้าตัดหลายขนาดให้เลือกตามความแข็งแรงที่ต้องการ เข็มพืดเหล็กอาจมีคาน (Soldier Beam) และเสาค้ำยัน (Wale) อยู่เป็นช่วง ๆ รวมทั้งอาจมีสมอเหล็ก (Tie Rod and Anchorage) ยึดโยงที่ส่วนบนของเข็มพืดกับโครงสร้างแข็งแรงเช่น แท่งคอนกรีตขนาดใหญ่ (Dean man End) หรือเสาเข็มที่ตอกทำมุมเอียง (Batter Pile) เพื่อให้เข็มพืดเหล็กเสถียร สามารถรับแรงได้มากขึ้น (รูปที่ 38)
12.2.4 เสาเข็ม และแผ่นตอก
ประกอบด้วยเสาเข็มตอก ซึ่งอาจจะเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก หรือไม้ (ปัจจุบันนิยมใช้เข็มคอนกรีตรูปตัวไอ) ตอกห่างกันเป็นระยะเท่า ๆ กัน และใช้แผ่นตอกเช่นพื้นคอนกรีตอัดแรงสำเร็จรูปชนิดแผ่นเรียบ สอด หรือขัดลงระหว่างช่องว่าง (ตามร่อง) ของเสาเข็ม แล้วกด หรือตอกให้จมลึกลงไปในดินให้ได้ระดับที่ต้องการ ดังนั้นจำนวนแผ่นตอกในแต่ละช่องระหว่างเสาเข็มจึงขึ้นกับความลึกของกำแพง (รูปที่ 39)
รูปที่ 39 เสาเข็มและแผ่นตอก
12.2.5 กำแพงไดอะแฟรม (Diaphragm Wall)
เป็นระบบที่ใช้คอนกรีตหล่อในที่ คล้ายคลึงการทำเสาเข็มเจาะระบบเปียก โดยใช้กระเช้าตักดินขุดหลุมเอาดินขึ้นมาก่อนตามขนาด และแนวที่จะทำกำแพง ใช้สารละลาย Bentonite ป้องกันการพังทลายของดิน แล้วหย่อนเหล็กเสริมที่ผูกเป็นโครงไว้แล้วลงไป ก่อนเทคอนกรีตเมื่อทิ้งไว้จนคอนกรีตแข็งตัวมีกำลังตามกำหนดแล้ว จึงขุดดินข้างในกำแพงออก เพื่อทำชั้นใต้ดิน หรือก่อสร้างส่วนอื่น
12.2.6 กำแพง Secant Pile
ใช้กันดินในงานก่อสร้างชั้นใต้ดินเพื่อต้านทานแรงดันทางด้านข้างของดิน และน้ำ การก่อสร้างต้องขุดดิน และใส่สารละลายเบนโทไนต์ลงในหลุมเจาะ เช่นเดียวกับกำแพงไดอะแฟรม แต่แทนที่โครงสร้างจะเป็นส่วนของกำแพงคอนกรีตเสริมเหล็กต่อเนื่องกันไป กำแพงแบบ Secant Pile จะประกอบด้วยเสาเข็มเจาะวางติดชิดกันไปตามแนวของกำแพง โดยหล่อเสาเข็มคอนกรีตชนิดไม่เสริมเหล็กให้ห่างกันเป็นระยะๆ ก่อน หลังจากนั้นจึงหล่อเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็กแทรกในช่องว่างระหว่างเสาเข็มคอนกรีตชนิดไม่เสริมเหล็กต่อไป
13. สะพาน
โดยทั่วไปสะพานประกอบด้วยโครงสร้างหลัก 2 ส่วน คือโครงสร้างส่วนบน (Super structure) และโครงสร้างส่วนล่าง โครงสร้างส่วนบนประกอบด้วยระบบพื้น คาน สะพาน (Slab or girder system) ทางเท้า คานขอบ และราวสะพาน ส่วนโครงสร้างส่วนล่าง ประกอบด้วย คานขวาง (Cross beam) เสาตอม่อ (Pier) และฐานราก ฐานรากของสะพานอาจเป็นฐานรากแผ่ ที่วางบนดินหรือหิน (Spread footing) หรือเป็นฐานรากวางบนเสาเข็ม (Pile footing) เดิมสะพาน มักออกแบบให้วางบนตอม่อที่มีลักษณะเป็นแผงคล้ายกำแพง (Bearing wall) ต่อมานิยมใช้ตอม่อที่เรียงเป็นตับ หรือแถว โดยมีแกงแนง (Bracer) ยึดเป็นระยะ ๆ (กรณีที่ตอม่อสูงมาก) อย่างไรก็ตามทั้ง 2 กรณี จะนิยมก่อสร้างบนฐานรากร่วม หรือฐานรากแพ (Combined or mat footing) ในยุคปัจจุบันตอม่อสะพานมีลักษณะเป็นโครงข้อแข็งที่ประกอบด้วย 2 เสา หรือแม้กระทั่งตอม่อเดี่ยว สะพานตอม่อเดี่ยวคำนวณออกแบบง่าย และปราศจากปัญหาการทรุดตัวต่างระดับ ดังเช่นในกรณีของตอม่อคู่
คานขวางของสะพานอาจเป็นคานคอนกรีตเสริมเหล็ก หรือคานคอนกรีตอัดแรงก็ได้ ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น งบประมาณ น้ำหนักหรือแรง วิธีก่อสร้าง และอื่น ๆ บนคานขวางจะมีแท่น (Plinth) วางแผ่นยาง (Elastomeric bearing or elastomer) รองรับโครงสร้างส่วนบน
ปกติจะจำแนกประเภทของสะพานตามลักษณะของโครงสร้างส่วนบน สะพานที่ใช้ระบบแผ่นพื้นทางเดี่ยว (Slab type) คำนวณออกแบบง่าย ก่อสร้างสะดวก เพราะท้องแบบเรียบ แต่มีข้อจำกัดที่ใช้ได้กับช่วงความยาวที่จำกัด เช่นไม่เกิน 10 เมตร หากช่วงยาวกว่านี้จะไม่ประหยัดเนื่องจากน้ำหนักส่วนใหญ่ จะเป็นน้ำหนักคงที่ของพื้นสะพานที่เพิ่มขึ้นนั้นเอง ดังนั้นหากสะพานยาวมากก็จะต้องจัดให้มีหลาย ๆ ช่วง โดยความยาวแต่ละช่องอาจแตกต่างกัน (Unbalanced span) ทั้งนี้เนื่องจากจะต้องคำนึงถึงช่องเปิดของทางน้ำ การสัญจรทางน้ำ หรืออุปสรรคในการก่อสร้าง อาทิเช่น สะพานยาว 20 เมตรหากเลือกใช้ความยาวช่องละ เมตร ( = เมตร) จะปรากฏเสาตอม่อที่กลางน้ำ หากจัดให้เป็น ช่วงเช่น = เมตร ก็จะหลีกเลี่ยงเสาตอม่อ กลางน้ำได้ แม้จะมีเสาตอม่อเพิ่มขึ้นกว่ากรณีแรก แต่ก่อสร้างสะดวกกว่า รวมแล้วอาจประหยัดกว่า หรือราคาพอ ๆ กัน
สะพานระบบแผ่นพื้นทางเดี่ยว หากมีทางเท้า (สองข้างหรือข้างเดียว) ปกติทางเท้าจะยกสูงกว่าระดับพื้นสะพาน และจะมีคานขอบ (Edge beam) เพื่อรับทางเท้าหรือต้านการบิด ดังนั้นในการคำนวณออกแบบอาจผนวกเอาขอบนี้เป็นส่วนหนึ่งของแผ่นพื้น ทำให้แผ่นพื้นมีความแข็งแกร่งมากขึ้นเรียกแผ่นพื้นทางเดียวชนิดขอบแข็ง (Rigid edge) อย่างไรก็ตามแผ่นพื้นระบบนี้แม้จะทำให้การคำนวณออกแบบประหยัดกว่าระบบแผ่นพื้นทางเดียวปกติ แต่มีข้อยุ่งยากหากจะต้องขยายช่องทางวิ่งของสะพาน จึงควรระมัดระวัง
ช่วงสะพานที่ยาวขึ้นหากยังใช้ระบบคอนกรีตเสริมเหล็ก อาจเพิ่มความแข็งแกร่งของแผ่นพื้นโดยทำคล้ายเป็นระบบพื้นกระทงทางเดียว (One-way girder) เช่นใช้ระบบพื้นคานรูปตัวทีชน หรือเชื่อมต่อกันจะเป็นเสมือนแผ่นพื้น แต่ก่อสร้างยุ่งยากขึ้นเพราะต้องใช้ไม้แบบในการหล่อปีกคาน
อีกระบบหนึ่งใช้แผ่นพื้นกลวง หรือคานรูปกล่องกลวง (Box-girder) รูปกล่องกลวงทำให้น้ำหนักคงที่ของสะพานเบาลง เมื่อนำมาเรียงชิดติดกันส่วนท้องพื้น และหลังคานรูปกล่องกลวงเรียบเป็นเสมือนแบบที่จะหล่อ แผ่นพื้นสะพานผนวกเข้ากับคานสะพานเหล่านี้ แผ่นพื้น หรือคานรูปกล่องกลวงปกติใช้ระบบคอนกรีตอัดแรง และมักผลิตสำเร็จรูปจากโรงงาน ดังนั้นหากการขนย้ายสะดวกก็จะทำให้การก่อสร้างสะดวกรวดเร็ว คานรูปกล่องกลวงที่มีความลึกปกติ เช่น - เมตรโดยประมาณ จะใช้ได้กับช่วงความยาวที่จำกัด เช่นไม่เกิน - เมตร หากจะใช้รูปตัดขนาดใหญ่ขึ้น เช่นมีความลึกมากขึ้นก็จะมีปัญหาหรือข้อยุ่งยากในการคำนวณออกแบบ การควบคุมคุณภาพ การขนย้าย หรือขนส่ง อีกทั้งน้ำหนักเพิ่มมากขึ้น คานรูปกล่องขนาดใหญ่จึงเหมาะสำหรับใช้เฉพาะกับงานขนาดใหญ่ เช่นทางแยกต่างระดับ หรือทางยกระดับ
คานสะพานคอนกรีตอัดแรงรูปตัวที หรือตัวไอ สามารถคำนวณออกแบบและผลิตให้ใช้กับช่วงสะพานยาว ๆ ได้ เดิมสะพานคอนกรีตอัดแรงเหล่านี้มีทั้งระบบ Pre-tensioned และ Post-tensioned ปัจจุบันหากผลิตจากโรงงานมักเป็นแบบ Post-tensioned (แต่ละช่วงอาจยาวถึง 40 เมตรขึ้น หรือกว่านั้น) และแม้กระทั่งหากมีอุปสรรคในการขนย้าย หรือขนส่งก็อาจหล่อเป็นท่อน แล้วไปประกอบยึดต่อกันภายหลังได้ สะพานเหล็ก ทั้งระบบคานสะพาน (Steel girder) หรือระบบโครงถัก (Steel truss) ปัจจุบันไม่นิยมก่อสร้างประกอบทาง อาจเนื่องด้วยมีราคาแพงบำรุงรักษาลำบาก หรือต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นสำหรับงานทางในปัจจุบันสะพานเหล็กจึงใช้เป็นเพียงสะพานทางเบี่ยง หรือสะพานชั่วคราวเท่านั้น
สะพานระบบที่มีความยุ่งยากซับซ้อนขึ้น เช่นสะพานขึง หรือสะพานแขวน ก็ไม่เหมาะสำหรับงานทาง โดยเฉพาะในประเทศไทย ซึ่งพื้นที่ส่วนใหญ่เป็นที่ราบ แม้มีพื้นที่สูงชัน เนินเขา หรือหุบเขา หรือสะพานระหว่างแผ่นดินใหญ่กับเกาะต่าง ๆ ก็ยังอยู่ในวิสัยที่จะก่อสร้างสะพานระบบเสาตอม่อได้
14. สรุป
บทนี้ได้จำแนก และอธิบายองค์อาคาร หรือส่วนประกอบหลักของอาคารได้แก่ ฐานราก เสา คาน และพื้น เป็นต้น ส่วนประกอบของอาคารเหล่านี้อาจจำแนกตามวัสดุที่ใช้ จำแนกตามระบบ เช่นการนำมาประกอบกัน หรือจำแนกตามวิธีก่อสร้าง เป็นต้น การเลือกใช้ส่วนประกอบของอาคารประเภท หรือชนิดต่าง ๆ จะต้องคำนึงถึงความเหมาะสม หรือปัจจัยหลายอย่างประกอบกัน ได้แก่ วัตถุประสงค์ใช้งาน องค์ประกอบ หรือปัจจัยทางสถาปัตยกรรม ความแข็งแรง วัสดุ วิธีก่อสร้าง ความยากง่ายในการทำงาน หรือก่อสร้าง เวลาที่ใช้ก่อสร้าง หรือติดตั้ง ความสวยงาม ความคงทน และราคาค่าใช้จ่ายในการก่อสร้าง ติดตั้ง หรือบำรุงรักษา และอื่น ๆ
ค้นหาทุกอย่างในเว็บครูบ้านนอก :
