ระบบโครงสร้าง Diagrid System หรือ Diagrid Structure

ระบบโครงสร้าง Diagrid System หรือ Diagrid Structure...คืออะไร 

คำว่า Diagrid เกิดขึ้นจากการรวมกันของคำว่าเส้นทแยงมุม และเส้นตาราง ตามโครงสร้างกายภาพที่เห็นกันอยู่ทั่วไป เป็นนวัตกรรมโครงสร้างที่เกิดขึ้นครั้งแรกในประเทศรัสเซียเมื่อ100 กว่าปีก่อน ต้นกำเหนิดของโครงสร้างแบบ Diagrid Structure ในงานด้านสถาปัตยกรรมต้องย้อนหลังไปถึงผลงานของวิศวกร และสถาปนิกชาวรัสเซีย Vladimir Shukhov (1853-1939) เป็นผู้บุกเบิกโครงสร้างนี้พร้อมกับหลักการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับรูปแบบโครงสร้างนี้เป็นการปฏิวัติทรงไฮเพอร์โบลา Hyperboloids of Revolution

หลังจากนั้นได้มีการนำมาประยุกต์ใช้กับงานโครงสร้างอาคารโดยเฉพาะอาคารที่มีลักษณะสูงชลูด ทีอ่อนไหวต่อการไหวตัวเนื่องจากแรงกระทำด้านข้าง เช่น ลม หรือ แผ่นดินไหว ซึ่งการถักเส้น Diagrid จะแปรผันไปตามสภาพพื้นที่ของภูมิประเทศนั้นๆว่าอยู่ใกล้ศูนย์กลางแผ่นดินไหวมากน้อยเท่าใด รวมถึงกระแสทิศทางลมประจำพื้นที่ว่ามีลักษณะใด โดยมีผลต่อการออกแบบเส้น Diagrid โดยตรง ซึ่งมีลักษณะการรับแรงทั้งแบบแนวราบ และแนวดิ่ง

ด้วยลักษณะโครงสร้าง Diagrid ที่ส่วนใหญ่จะเป็นเฟรมถักรัดด้านนอกของตัวอาคาร จึงมีผลทำให้ภายใน Core ของอาคารมีเสาเพียงไม่กี่ต้น โดยเป็นผลดีในเรื่องการได้ Space การใช้งานที่เพิ่มมากขึ้น เพราะ Diagrid System เป็นรูปแบบโครงสร้างที่รับน้ำหนักตัวมันเองได้ และยังช่วยพยุงรับน้ำหนักโครงสร้างอาคารส่วนๆอื่นๆในบางจุดได้อีกด้วย นอกจากนี้ยังสามารถต้านทานแรงกระทำต่างๆทั้งแรงลม แรงโน้มถ่วง หรือ การสั่นสะเทือน (แผ่นดินไหว) ได้ค่อนข้างดีอยู่แล้ว

การใช้วัสดุเหล็กในงานระบบโครงสร้าง Diagrid System หรือ Diagrid Structure 

รูปแบบเหล็กที่ใช้นิยมใช้กันทั่วไปในระดับสากล คือ เหล็กหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้า และเหล็กกลม โดยการนำเหล็กมาใช้งานในโครงสร้างแบบ Diagrid จะต้องคำนึงถึงน้ำหนัก และคุณสมบัติที่สามารถต้านทานแรงดัดสูงได้ อีกทั้งจะต้องสามารถประกอบ หรือ ก่อสร้างได้อย่างรวดเร็ว ฉะนั้นเหล็กจึงได้กลายมาเป็นวัสดุทางเลือกหลักๆที่สามารถตอบโจทย์งานสถาปัตยกรรมสมัยใหม่ได้ในหลายๆมิติ

เนื้อหาเพิ่มเติมอื่นๆที่เกี่ยวข้องกับเหล็ก

โดยทั่วไปแล้วองค์ประกอบหลักๆของ Diagrid System มีอยู่ 2 ลักษณะคือ

Diagrid Optimal Angle

คือ ส่วนประกอบแนวทแยงของระบบ Diagrid (เรียกว่า Diagonal Member มีลักษณะชิ้นส่วนเป็นรูปสามเหลี่ยม) ที่จะต้องตานทานทั้งแรงเฉือน และโมเมนต์ดัด โดยมุมองศาของ Diagonal Member แนวทแยงที่เหมาะสม และนิยมใช้ออกแบบกันมากที่สุด จะอยู่ในช่วงระหว่าง 60 -70 องศา 

Diagrid Module Dimensions

ขนาดของ Module ในระบบ Diagrid ถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลักๆ คือ 

- ขนาดความสูง : ความสูงของ Diagrid Module จะขึ้นอยู่กับจำนวนชั้นอาคารที่ซ้อนกัน โดยทั่วไปแล้วในหนึ่ง Module ของระบบ diagrid จำนวนชั้นที่นิยมซ้อนกัน คือตั้งแต่ 2 ถึง 6 ชั้น

- ขนาดฐานของ Module : ขนาดฐานของ Diagrid Module จะขึ้นอยู่กับความสูงของตัวอาคาร รูปทรงของตัวอาคาร และมุมองศาที่เหมาะสมที่สุดของ Diagrid Optimal Angle (ส่วนประกอบแนวทแยง)

Diagrid Structural Node มีส่วนประกอบที่สำคัญอะไรบ้าง

• Node คือ ชิ้นส่วนศูนย์กลางที่คอยยึด และรับแรงกระทำจากชิ้นส่วนแนวทแยง และแนวนอน
• Diagonal Member คือ ชิ้นส่วนแนวทแยง ส่วนมากจะทำจากเหล็กท่อกลม และเหล็กกล่องขนาดใหญ่
• Horizontal Member คือ ชิ้นส่วนแนวนอน ส่วนมากจะทำจากเหล็กเอชบีม และเหล็กกล่องขนาดใหญ่
• Bolt คือ ชิ้นส่วนสลักเกลียวที่ใช้ยึดชิ้นส่วนแนวทแยง และชิ้นส่วนแนวนอนเข้ากับฐานของ Node

Node เป็นส่วนประกอบสำคัญของการออกแบบ Diagrid Structural System โดยส่วนประกอบแนวทแยงทั้งหมด (Diagonal Member) จะถูกประกอบเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนของ Node ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีสำหรับการต้านทานแรงกระทำสองประเภท คือ แรงโหลดแนวตั้ง และแรงเฉือนแนวนอน โดยทั่วไปแล้ว Node จะถูกประกอบติดตั้งเข้ากับชิ้นส่วนแนวทแยง (Diagonal Member) ด้วยวิธีการเชื่อม หรือ การใช้สลักเกลียว (Bolt) ยึดเข้ากับฐาน Plate ของ Node ในแต่ละจุด

แม้ในปัจจุบันการประกอบชิ้นส่วน Diagrid Structural System จะนิยมใช้ Bolt กันอย่างแพร่หลาย แต่ก็มีข้อควรระวัง โดยเฉพาะในกรณีที่เกิดแผ่นดินไหวแล้วมีแรงโหลด และแรงเฉือนจำนวนมหาศาลเกิดขึ้นในตำแหน่งของการยึดด้วย Bolt ระหว่างฐาน Plate ของ Node ในแต่ละจุด กับชิ้นส่วนแนวทแยง (Diagonal Member) ถ้าหากออกแบบ และคำนวณค่าตัวเลขทางวิศวกรรมที่คลาดเคลื่อน และไม่รอบคอบพอ มันจะกลายเป็นจุดที่อ่อนแอของระบบโครงสร้าง Diagrid Structural ในทันที

ฉะนั้นการออกแบบรอยต่อที่จะต้องใช้ Bolt จะต้องดำเนินการอย่างระมัดระวัง และอาจจะต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูง หรือ ใช้ Software สำหรับการออกแบบโครงสร้างพิเศษในการช่วยคำนวณแรงกระทำต่างๆที่เกิดขึ้นกับตัวโครงสร้างในระหว่างการออกแบบ

การรับแรงลม และแผ่นดินไหวในแนวราบ

Diagrid Structure ในรูปแบบเส้นทแยงมุมปกติ จะสามารถรองรับแรงกระทำจากลมในแนวราบได้ค่อนข้างดี เพราะตัวโครงสร้างเกิดการเคลื่อนตัวน้อย จึงมีความแข็งแรงในการรับแรงในแนวราบค่อนข้างสูง

การรับแรงลม และแผ่นดินไหวในแนวดิ่ง

Diagrid Structure ในรูปแบบเส้นทแยงมุมปกติจะไม่สามารถใช้ได้กับการรับแรงในแนวดิ่ง เนื่องจากเป็นแรงกระทำคนละรูปแบบ ซึ่งจะทำให้เส้นทแยงแบบปกติเกิดจุดบอดขึ้น เมื่อเกิดการเคลื่อนตัวในแนวดิ่งที่มากขึ้นจึงทำให้เกิดการยวบ และส่งผลให้อ่อนแอต่อการรับแรงในแนวดิ่ง 

ฉะนั้น Diagrid Structure ที่ใช้ในการรับแรงกระทำในแนวดิ่ง จึงจำเป็นต้องใช้เส้น Diagrid ในรูปแบบรังผึ้งแทน เนื่องจากเป็นรูปแบบเส้นโครงสร้างที่สามารถสร้างความสมดุลระหว่างการกระทำของแรงทั้งแนวราบ และแนวดิ่งได้พร้อมๆกันตามหลักอากาศพลศาสตร์ Aerodynamic Architecture

อาคารตัวอย่างที่ใช้ระบบ Diagrid System Structure

ตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบันระบบ Diagrid มีการพัฒนาเทคนิคทางวิศวกรรมมาอย่างต่อเนื่อง รวมไปถึงนวัตกรรมการออกแบบ การใช้วัสดุ และการก่อสร้างที่ก้าวหน้าไปมาก จึงทำให้ระบบ Diagrid สามารถตอบโจทย์การออกแบบทางสถาปัตยกรรมที่มีความท้าทายมากยิ่งขึ้นทั้งในปัจจุบัน และอนาคต

ซึ่งในปัจจุบันมีอาคารสูง และอาคารขนาดใหญ่ทั่วโลกที่ใช้ระบบโครงสร้างแบบ Diagrid System Structure ได้อย่างน่าสนใจ และควรค่าแก่การศึกษาเพิ่มเติม อาทิเช่น

นอกจากนี้ยังมีอาคารอื่นๆที่น่าสนใจอีกมากมาย เช่น

• 1 The Avenue, Manchester, England
• CCTV Headquarters, Beijing, China
• Aldar headquarters, Abu Dhabi, United Arab Emirates
• Guangzhou International Finance Center, Guangzhou, China
• MyZeil, Frankfurt, Germany
• Hearst Tower, New York, USA

อ้างอิงโดย

theconstructor.org/structural-engg/diagrid-structural-system

catherine0709steph.wixsite.com/diagrids/the-system

ascelibrary.org/doi/abs

diagridstructuralvarietyae390