เสา
ประวัติ
อาจเริ่มมาจากอารยธรรมในยุคเหล็กที่สำคัญของทางตะวันออกกลางและเมดิเตอร์เรเนียนโดยมีการทำมาใช้ในงานสถาปัตยกรรมด้วนเสาจะเป็นหินที่มีพื้นที่เป็นรูปสลักด้วยชาวอียิปต์ เปอร์เซีย และ อารยธรรมอื่น ด้วยส่วนใหญ่จะมีจุดประสงค์เพื่อในการรับนำหนักจากหลังคาและภายในของตัวอาคารและมีการตกแต่งด้วยสีสรรหรือภาพวาดแต่ชาวกรีกโบราณจะมีการนำเสามาใช้ไม้กว้างขวางมากกว่าทั้งภายในและภายนอกอาคารด้วยจะเน้นไปในทางคลาสสิก
ความหมาย
องค์ประกอบของโครงสร้างที่มีการรับน้ำหนักต่างๆในอาคารโดยจะมีการถ่ายลงเสาด้วยเสาจะทำหน้าที่รับน้ำหนักในแนวดิ่งและในบางกรณีก็ต้องรับโมเมนต์ดัดได้ด้วยเสาจะมีรูปแบบและข้อกำหนดที่แตกต่างกันไปตามรูปแบบของเสาและในการพิจารณาออกแบบเสาก็จะต้องพิจารณาถึงการรับแรงของเสาและลักษณะปลายยึดของตัวเสาด้วย
หน้าที่ของเสา
เสาเป็นโครงสร้างที่ทำหน้าที่เปรียบเสมือนลำต้นหลักของต้นไม้ที่ทำให้ต้นไม้คงรูปและยืนหยัดอยู่ได้ ซึ่งสามารถรับแรงต่างๆตามการออกแบบและใช้งานทั่วไปมีดังนี้ แรงอัด เช่น แรงเนื่องจากน้ำหนักของโครงสร้าง และน้ำหนักบรรทุกต่างๆเป็นการรับแรงตามแนวแกน โมเมนต์ดัด เช่น แรงเนื่องจากการเยื้องศูนย์ของแรงที่กระทำตามแนวแกนและเกิดจากแรงกระทำด้านข้างทำให้เกิดเป็นโมเมนต์ดัด แรงดึง เช่น แรงในแนวแกนที่จากน้ำหนักที่กระทำในแนวแกนลักษณะการแขวน ห้อยของโครงสร้าง การดึงของโครงสร้างและน้ำหนักบรรทุก แรงเฉือน เช่น การรับแรงเนื่องจากดินไหว การรับแรงลม และการรับแรงด้านข้างอื่นๆ แรงบิดหรือโมเมนต์บิด เช่น เป็นการรับแรงของเสาในลักษณะการหมุนบิด เช่น เสาของโครงสร้างที่รับแรงพายุทำให้เกิดการบิดของตัวเสา เสาของโครงสร้างที่เกิดการบิดในรูปแบบต่างๆ เป็นต้น โดยการออกแบบและการใช้งานเสาบางต้นอาจรับแรงเพียงหนึ่งแรงบางต้นอาจมากว่าหนึ่งแรงก็ได้
ส่วนประกอบของเสา
เสาคอนกรีตเสริมเหล็ก
ประกอบด้วย เหล็กเสริมรับแรงอัดหรือเหล็กยืน(เหล็กข้ออ้อย) เหล็กปลอกรับแรงเฉือน คอนกรีตรับแรงอัด ( คอนกรีตประกอบด้วย หิน ทราย ปูนซีเมนต์ น้ำ)
เสาเหล็ก
- เหล็กรูปพรรณสำเร็จรูปจากโรงงาน เดี่ยวๆ เหล็กตัวไอ(I) เหล็กตัวเอส(H) เหล็กกล่อง(Tube)
- เสาโครงข้อแข็ง(Truss)สร้างขึ้นจากการนำเหล็กท่อนสั้นๆมาเชื่อมต่อกันด้วยลวดเชื่อม เหล็กท่อกลม(pipe) เหล็กฉาก(Equal angles) เหล็กกล่อง(Tube) เหล็กราง(Chanel)
เสาไม้
- ไม้เนื้ออ่อน ได้แก่ ไม้ที่มีเนื้อค่อนข้างเหนียว ทำการเลื่อยไสกบ ตกแต่งได้ง่าย ลักษณะเนื้อมีสีซีดจาง น้ำหนักเบา ขาดความแข็งแรงทนทาน รับน้ำหนักได้ไม่ดี เช่น ไม้ฉำฉา ไม้กะบาก ไม้ยาง
- ไม้เนื้อแข็ง ได้แก่ ไม้ที่มีเนื้อแข็งปานกลาง ทำการเลื่อยไสกบ ตกแต่งได้ยาก ลักษณะเนื้อไม้มีสีเข้มค่อน ไปทางสีแดง มีความแข็งแรงทนทาน เช่น ไม้ตะเคียน ไม้ชิงชัน ไม้เต็ง ไม้มะม่วง ฯลฯ
- ไม้เนื้อแกร่ง ได้แก่ ไม้ที่มีเนื้อแกร่ง ทำการเลื่อยไสกบ ตกแต่งได้ยากมาก ลักษณะเนื้อไม้เป็นมันในตัว แน่น ลายละเอียด น้ำหนักมาก มีสีเข้มจัดจนถึงสีดำ มีความแข็งแรงทนทานดีมาก เช่น ไม้ประดู่ ไม้แดง ไม้เกลือ ฯลฯ
ประเภทของเสา
แบ่งตามขนาดความสูงของเสา
เสาสั้น
คือ เสาที่มีอัตราส่วนความสูงต่อด้านแคบของเสา(เสาสี่เหลี่ยม) หรืออัตราส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเสา (เสากลม) น้อยกว่า 15
แบ่งตามวัสดุที่ใช้ทำเสา
เสาไม้ (timber column)
ทำจากไม้เนื้อแข็ง ไม้สัก ไม้แดง ไม้พยุง เป็นต้น ปัจจุบันราคาแพงหายาก
เสาคอนกรีตเสริมเหล็ก (reinforce concrete column)
ทำ จากคอนกรีตใส่เหล็กเสริมเพื่อเพิ่มกำลังในแรงรับแรงอัดและแรงดัด ซึ่งคอนกรีตจะรับแรงอัดได้ ส่วนเหล็กจะรับแรงดัดหรือแรงดึงได้ดี เสาคอนกรีตเสริมเหล็กสามารถแบ่งออกได้ดังนี้
- เสาปลอกเดี่ยว
เป็นเสาคอนกรีตที่เสริมเหล็ก โดยมีเหล็กยืน (ตั้งในแนวดิ่ง) รัดด้วยเหล็กปลอก เป็นวงๆ ซึ่งเหล็กปลอกที่รัดอาจจะมีวงเดียวหรือหลายวงก็ได้และการงอเหล็กปลอกจะงอ เป็นฉาก
- เสาปลอกเกลียว
เป็นเสาคอนกรีตที่เสริมเหล็ก โดยมีเหล็กยืน (ตั้งในแนวดิ่ง) รัดด้วยเหล็กปลอกที่เป็นเกลียวรัดต่อเนื่อง เสาประเภทนี้จะรับแรงได้ดีกว่า เสาปลอกเดี่ยวประมาณ 15% โดยปกติจะใช้กับ เสากลม หรือเสาหลายเหลี่ยม
เสาเหล็ก (steel column)
สามารถแบ่งได้เป็น
- เสาเหล็กรูปพรรณล้วนๆ หรือนำเหล็กแผ่นมาประกอบกัน หรือท่อเหล็กกลม
เป็นที่นิยมเพราะน้ำหนักน้อยกว่าส่วนใหญ่ใช้เหล็กรูปตัวไอ (I) เหล็กรูปตัวเฮช (H) หรือเหล็กกล่อง(Tube) แต่ข้อด้อยคือทนความร้อนได้ไม่ดี เกิดวิบัติได้ง่าย
- เสาโครงข้อแข็ง(Truss)
ทำจากเหล็กท่อนสั้นๆนำมาเชื่อมต่อกัน
เสาเหล็กผสมคอนกรีต
เป็นเสาที่ใช้เหล็กรูปพรรณจากข้อ 3 เทคอนกรีตหุ้มทับหรือเสริมอีกครั้ง เพื่อให้สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้น ทนไฟ ได้มากขึ้น อาจแบ่งได้ดังนี้
- เสาปลอกเกลียวเสริมแกนเหล็ก
จะมีลักษณะเหมือนกับเสาปลอกเกลียวธรรมดาแต่จะมีเหล็กรูปพรรณ เสริมอยู่ตรงแกนกลาง ส่วนใหญ่ใช้เหล็กรูปตัวไอ (I) หรือเหล็กรูปตัวเฮช (H) พื้นที่หน้าตัดของแกนเหล็กเมื่อเทียบกับพื้นที่หน้าตัดคอนกรีตจะไม่มากนัก โดยทั่วไปนิยมใช้กับเสาที่มีแป้นหูช้าง หรือใช้เมื่อต้องการลดขนาดเสาให้เข้ากับแบบสถาปัตยกรรม
- เสาเหล็กหุ้มด้วยคอนกรีต
คล้ายกับเสาปลอกเกลียวเสริมแกนเหล็ก แต่เหล็กที่ใช้ตรงแกน นิยมใช้เหล็กแผ่นหนาๆ นำมาตัดเชื่อมหรือย้ำหมุดให้ได้รูปหน้าตัดเป็นตัว “H” ขนาดใหญ่ และหุ้มด้วยตะแกรงเหล็กเบอร์ 10 AS&W Gage และมีคอนกรีตหุ้มไม่น้อยกว่า 6 ซม. เสาชนิดนี้นิยมใช้ในกรณีที่ต้องการให้เสามีขนาดเล็ก แต่รับน้ำหนักได้มาก
- เสาคอนกรีตหุ้มด้วยท่อเหล็ก
เป็นเสาที่มีเปลือกนอกเป็นเหล็ก ภายในเป็นคอนกรีต จะไม่มีการเสริมเหล็กเพิ่มภายใน เสาประเภทนี้จะรับน้ำหนักไม่มาก และตรงปลายเสาต้องใช้แผ่นเหล็กหนา 3/8 นิ้ว หรือประมาณ 10 มม. เชื่อมติดท่อเหล็กเพื่อช่วยในการกระจายน้ำหนัก
เสาในยุคคลาสสิก
1. entablature = คานเหนือเสา
2. column = เสา
3. cornice = บัวคอร์นิซ
4. frieze = ลายตกแต่ง
5. architrave หรือ epistyle = หน้ากระดานทับหลัง
6. capital = หัวเสา
7. shaft = ลำต้นเสา
8. base = ฐานเสา
9. stylobate = ฐานใต้เสา
10. stereobate = ฐานแรก
รูปแบบของเสาต่างๆ ที่สร้างล้อมรอบห้องใจกลางวิหารกรีก ช่วงยุคแรกๆเป็นเสาไม้ แต่เปลี่ยนมาเป็นเสาหินปูน (limestone) ในราวศตวรรษที่ 7 ก่อนคริสตกาล (ปีที่ 700 ก่อนคริสตกาล) และเป็นเสาหินปูนในศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสตกาล เสาเหล่านี้จะมีขนาดและรูปร่างที่แตกต่างกัน รวมทั้งรูปลักษณะตรงหัวเสาและด้านล่างหรือฐานของเสาก็แตกต่างกัน และมีชื่อเรียกต่างๆ กัน คือ
เสาแบบดอริก (Doric order)
เสาแบบดอริกได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในเขตเพลอพอนเนซุสของกรีกดอเรียน มีขนาดหนามากที่สุด ส่วนบนของเสา (Capital) (ที่รองรับคานที่เรียกว่า Architrave และ Frieze) มีลักษณะราบเรียบไม่มีลวดลายโค้งให้อารมณ์ความอ่อนช้อย และส่วนล่างของเสา (ที่ติดกับพื้น) ไม่มีฐานของเสาที่เรียกว่า Base ชาวกรีกเห็นว่าเสาแบบดอริกเป็นสัญลักษณ์แห่งหลุมฝังศพหรือความตาย (grave) ความเงียบขรึมน่าเกรงขาม (dignified) และความเป็นชาย (masculine)
เสาแบบไอออนิก (Ionic order)
เสาแบบไอออนิกได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในกรีกตะวันตก เขตเอเชียไมเนอร์ (ฝั่งติดกับเปอร์เซีย) มีขนาดที่บางและเรียวกว่าแบบดอริก ส่วนบนของเสาหรือหัวเสามีลักษณะที่ตกแต่งมีลวดลายที่คดโค้งมากขึ้นที่เรียกว่า Volute และส่วนฐานของเสาก็เช่นกันมีการตกแต่งไม่แข็งทื่อเหมือนกับแบบดอริก ชาวกรีกเห็นว่าเสาแบบไอโอนิคเป็นสัญลักษณ์ของความบอบบาง (slender) ความงดงาม (elegant) และความเป็นผู้หญิง (feminine)
เสาแบบคอรินเทียน (Corinthian order)
เสาแบบคอรินเทียนได้รับการพัฒนาขึ้นมาหลังสุดในราวปลายศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสตกาล ขนาดเสายังคงความเรียวเช่นกับแบบไอโอนิค และมีการประดับมาฐานเสาเช่นกัน แต่มีความแตกต่างตรงที่ส่วนบนของเสามีการตกแต่งเป็นรูปใบไม้ที่เรียกว่า acanthus leave
ประโยชน์ของเสา
- ใช้เป็นโครงสร้างในการรับแรงของสิ่งก่อสร้างต่างๆ
- ใช้เป็นกำแพงกันดินเช่น เสาเข็มไม้ หรือเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก เป็นต้น
- ใช้เป็นค้ำยันต่างๆ
- ใช้ประโยชน์ตามการออกแบบและใช้งานในรูปแบบอื่น เช่น ความสวยงามทางสถาปัตยกรรม สิ่งศักดิ์สิทธิ์ความเชื่อ ฯลฯ
มาตรฐานการตรวจสอบความสมบูรณ์ของเสาเข็มด้วยวิธี Seismic Test
เป็นการตรวจสอบความสมบูรณ์ของตัวเสาเข็ม โดยส่งคลื่นสั่นสะเทือนจากเครื่องกำเนิดความถี่ (Vibrational Machine) ลงไปในเนื้อคอนกรีตของตัวเสาเข็มที่ต้องการตรวจสอบ จึงสามารถตรวจความต่อเนื่องหรือความบกพร่องที่อาจเกิดกับตัวเสาเข็มได้ทั้งยังประมาณความลึกของเสาเข็ม
จากทฤษฏีคลื่นหน่วยแรง *เมื่อมีแรงกระแทกที่กระทำตรงหัวเสาเข้มจะเกิดการแพร่ของคลื่นลงไปสู่ปลายเสาเข็ม และจะเกิดการสะท้อนกลับมาจากแรงต้านของมวลดิน จากพฤติกรรมการเคลื่อนที่ของคลื่น สามารถใช้ทฤษฏีคลื่นหน่วยแรงมาวิเคราะห็ได้
〖∂^2〗_(u(x,t))/〖∂_t〗^2 =c^2.〖∂^2〗_(u(x,t))/〖∂_x〗^2
โดยที่ cคือ ความเร็วของการเดินทางของคลื่นหน่วยแรงภายในเสาเข็ม uคือ การเคลื่อนที่ของอนุภาคเสาเข็ม xคือ ตำแหน่งของอนุภาคเสาเข็ม t คือ เวลา
การวิเคราะห์ผล
การวิเคราะห์จากวิธีการสะท้อนพัลส์ จะเป็นที่นิยมมากเพราะมีต้นทุนค่าอุปกรณ์ต่ำและมี ขบวนการทำงานน้อย เมื่อเริ่มตอกหัวเสาเข็มจะเกิดคลื่นหน่วยแรงเดินทางจากหัวถึงปลายเสาเข็มและเกิดการสะท้อนกลับเมื่อเสามีความยาว L และคลื่นหน่วยแรงมีความเร็วเท่ากับ Cจะสามารถคำนวณหาเวลาที่ คลื่นเคลื่อนที่ไปอย่างเดียวเท่ากับ2L⁄cดังนั้นเมื่อทำการตรวจสอบจะได้ผลการวัดจากเสาเข็ม สมบูรณ์ ดังรูปที่ 2 โดยจะเห็นได้ว่าระยะห่างจากจุดยอดจะเท่ากับ 2L⁄c
ข้อกำหนดในการทดสอบจากอุปกรณ์
อุปกรณ์เคาะทดสอบ
- ค้อนมือถือหัวพลาสติกหรืออุปกรณ์ที่สามารถใช้แทนได้ ทั้งนี้ค้อนต้องสามารถสร้างแรงกระแทกที่มีระยะน้อยกว่า 1 มิลลิวินาทีและไม่ทำความเสียหายกับเสาเข็ม
หัววัดสัญญาณเพื่อการวัดความเร็ว
- หัววัดสัญญาณมาตรความเร่ง ซึ่งต้องสอบให้ได้มีความเร่งเที่ยงตรงเท่ากับร้อยละ 5 ตลอดช่วงการทดสอบ และมาตรความเร่งต้องตอบสนองสัญญาณเชิงแอมพลิจูดเป็น เส้นตรง (Linear Amplitude Response) อย่างน้อยจนถึงความเร่ง 50g มาตรี่สมบรณ์ ต้องมีดังนี้
- มาตรความเร่งสัมพัทธ์ต้องมีความถี่ธรรมาติไม่ต่ำกว่า 30000เฮิรตช์ และมีค่าคงที่ของเวลา (Time Constant)>0.5 sec
- มาตรความเร่งสมบูรณ์ต้องมีการตอบสนองสัญญาณเชิงเฟสคงที่จนถึง
ความถี่5000 เฮิรต์หรือสูงกว่า
- หัววัดสัญญาณเพื่อการวัดแรงกระแทก
แรงกระแทกที่วัดได้ จะต้องสอบเทียบให้ได้ความเที่ยงตรงที่ดีเท่ากับร้อยละ 5 ตลอดช่วงค่าที่วัดได้
- สายส่งสัญญาณ
ต้องเป็นสายที่ป้องกันการรบกวน (Shielded Cable) เพื่อลดสัญญาณรบกวน
- อุปกรณ์ปรับสัญญาณ (Signal Conditioner)
จะต้องตอบสนองเชิงเฟสเหมือนกันสำหรับช่วงของความถี่ที่เกี่ยวข้องกับ
การทดสอบ
- อุปกรณ์บันทึกสัญญาณ
จะต้องเป็นแบบดิจิทัลเท่านั้น สัญญาณแบบแอนะล็อกจากหัววัดสัญญาณ ถูกแปลงด้วยดิจจิทัล ความละเอียด> 12Bit และ ความถี่> 30000 ข้อมูลต่อวินาที และความคลาดคลื่นต้องไม่เกิดร้อยละ 0.01
- อุปกรณ์แสดงผล
จะต้องเลือกสัญญาณใรช่วงระยะเวลาตั้งแต่ 2 – 30 มิลลิวินาทีได้
วิธีการทดสอบ
- การเตรียมการทดสอบ
ขั้นตอนแรกตรวจสอบสถานที่ทดสอบควรเข้าถึงได้ง่ายและไม่มีน้ำท่วมรวมไปถึงสภาพหัวเสาเข็มทดสอบควรมีผิวเรียบต่อมาตรวจสอบเสาเข็มคอนกรีตเสริมเหล็ก ควรบ่มคอนกรีตให้มีกำลังไม่ น้อยกว่าร้อยละ 75 ของค่าออกแบบหรือ บ่มให้ครบ 7 วันก่อน
- การเตรียมอุปกรณ์ทดสอบ
ตรวจสอบการทำงานของหัวสัญญาณ สายส่งสัญญาณและระบบวัด สัญญาณตองทำงานได้ ส่วนหัววัดสัญญาณต้องถูกประกบเข้ากับผิวเสาเข็มด้วย ต่ำแหน่งติดตั้งเสาเข็มควรอยู่ห่างจากขอบเสาเข็ม สำหรับเสาที่มีเส้นผ่านศูนย์ กลาง > 500 mm ต้องทำการวัดอย่างน้อยสามตำแหน่ง เพื่อลดความคลาดคลื่น
- การทดสอบและบันทึกผล
ตรวจสอบหรือปรับความเฉของช่องสัญญาณให้เป็นศูนย์ก่อนตอกทดสอบทุกครั้งการตอกทดสอบต้องกระทำในทิศทางตามแกนเสาเข็มห่างจากต่ำแหน่งที่ติดตั้งหัววัดสัญญาณไม่เกิน300 มิลลิเมตรและในการตรวจสอบต่ำแหน่งหนึ่งจะต้องทดอบไม่ต่ำกว่า 3 ครั้ง และมีสัญญาณคล้ายคลึงกันหรือ ไม่การบันทึกสามารถใช้ค่าเฉลี่ยได้ แต่หากไม่สามารถทำซ้ำได้ ถ้าให้ตรวจสอบอุปกรณ์ทันที และตรวจสอบแล้วอุปกร์ทำงานผิดปกติให้เปลี่ยนอุปกรณ์ทันที
ตามมาตรฐาน: ASTM D5882
ขั้นตอนการทำเสาคอนกรีต
1. ตรวจสอบแบบว่าเสามีขนาด ความยาว ความสูงเป็นเท่าไร จากแบบก่อสร้าง
2. ผูกเหล็กเสริมแกนเสา และเหล็กปลอกให้ได้ตามแบบก่อสร้างระบุไว้โดยที่เหล็กแกนเสาไม่หนีศูนย์ และการต่อทาบเหล็กแกนเสาจะต้องเป็นไปตามแบบก่อสร้างหรือมาตรฐาน ว.ส.ท. กำหนด
3. เมื่อเสริมเหล็กเสร็จเรียบร้อยแล้วจะทำการติดตั้งแบบหล่อเสา โดยที่แบบหล่ออาจจะเป็นไม้,เหล็ก หรือ แบบสำเร็จรูปอื่นๆก็ได้ โดยเสียบเหล็กที่แบบหล่อหรือเสียบภายหลังถอดแบบหล่อแต่ต้องอุดด้วย
grouting cementยาวออกจากเสาประมาณ 30-40 เซนติเมตร เพื่อป้องกันการร้าวเมื่อก่อผนัง และจะต้องเช็คระยะดิ่งทุกครั้งเพื่อไม่ให้เสามีขนาดผิดไปจากจากมาตรฐาน
(ว.ส.ท.ยอมให้ขนาดของเสาคลาดเคลื่อนไปจากแบบในทางลบไม่เกิน 6 มิลลิเมตร และ ในทางบวกไม่เกิน 12 มิลลิเมตร)
4. ติดตั้งค้ำยันแบบหล่อเสาให้แข็งแรงสามารถรับแรงดันคอนกรีตได้โดยไม่แตก พร้อมที่จะเทคอนกรีต
5. หาระดับเทคอนกรีตโดยเทียบจากระดับอ้างอิง ในกรณีของเสาชั้น 1 แต่ถ้าเป็นเสาที่มีการก่อสร้างพื้นเสร็จแล้วอาจเทียบระดับจากระดับพื้นได้ และราดน้ำแบบหล่อให้ชุ่ม เพื่อลดอุณหภูมิและการดูดน้ำจากคอนกรีต
6. เทปูนซีเมนต์ผสมกับทรายลงไปจำนวนหนึ่งก่อน เพื่อที่จะไปเคลือบผิวของแบบหล่อและเหล็กเสริม
7. เริ่มเทคอนกรีต โดยอาจใช้วิธี เทจากถังปูน กระบะ (Buckets) เทผ่านท่อผ้าใบ หรือวิธีอื่นๆที่พิเศษยิ่งกว่ากรณีเสามีรูปร่างเฉพาะทางก็ได้ โดยการเทควรให้มีการแยกตัวของคอนกรีตน้อยที่สุด หรือ ไม่มีเลยจะยิ่งดีที่สุด
8. อาจหยุดเทคอนกรีตที่ระดับต่ำกว่าท้องคานประมาณ 2.5 -3.0 เซนติเมตร เพื่อสะดวกในการวางท้องคาน
9. เมื่อคอนกรีตแข็งตัวแล้ว ประมาณ 1.5-2 วันก็สามารถถอดแบบข้างเสาได้ซึ่งอาจจะเร็วกว่าก็ได้ขึ้นอยู่กับคอนกรีตที่ใช้ และจะทำการบ่มคอนกรีตทันที