สืบเนื่องต่อจากคำถามที่เกิดขึ้นในคราวที่แล้ว คือ แผ่นดินไหวส่งผลต่อตัวอาคารอย่างไร อะไรเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อการวิบัติของตัวอาคารได้บ้าง จนนำไปสู่ผลที่ว่าจะทำอย่างไรถึงจะสามารถป้องกันอาคารของเรามิให้ “พังถล่ม” ลงมาจนเกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้ ดังนั้นในครั้งนี้เรามาพิจารณาถึงการป้องกันและแรงต้านทานต่อการเกิดแผ่นดินไหวกันต่อนะครับ

การพิจารณาความแข็งแรงทนทานต่อการเกิดแผ่นดินไหว
ในขั้นตอนของการออกแบบอาคาร จะแยกพิจารณาออกเป็นสองส่วนหลัก ๆ คือ ส่วนแรกเป็นส่วนที่เกี่ยวข้องกับแรงที่มากระทำ และอีกส่วนจะเกี่ยวข้องความแข็งแรงของโครงสร้างที่จะมาต้านทานแรงที่มากระทำ ซึ่งการต้านทานแรงจากแผ่นดินไหว ที่เป็นแรงที่มากระทำทางด้านข้าง (Lateral Force) ก็จะใช้ระบบรับแรงด้านข้าง (Lateral System) มาต้านทาน โดยสำหรับการพิจารณาการต้านทานแรงจากแผ่นดินไหวนี้ มีทั้งการต้านทานแรงสูงสุด (ความเร่งที่มากสุด หรือ Peak Ground Acceleration) ซึ่งต้องออกแบบให้โครงสร้างแข็งแรง และมีการต้านทานการสั่นต่อเนื่อง และต้องออกแบบให้โครงสร้าง “เหนียว (Ductile)” ควบคู่กันไป

การเกิดแผ่นดินไหวมันไม่เหมือนกับการรับน้ำหนักจากแรงในแนวดิ่ง (Vertical Force) เช่น จากน้ำหนักผู้ใช้อาคารกล่าวคือ พื้นดินมันเกิดการสั่นซ้ายขวาได้หลายรอบไม่ได้สั่นรอบเดียวแล้วจบ สั่นแรง ๆ เสร็จแล้วยังมีอาฟเตอร์ช็อคตามมาอีกในขณะที่น้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งจากผู้ใช้อาคาร มันเกิดได้ทิศเดียวทางเดียว ไม่เกิดทิศย้อนกลับ ดังนั้นการออกแบบให้ระบบรับแรงด้านข้าง (Lateral System) สามารถทนทานไม่พังลงมาได้นั้น จำเป็นต้องจัดเตรียมให้ระบบรับแรงด้านข้างนี้มีความเหนียว (Ductility) จะพิจารณาแรงกระทำหนัก ๆ ช็อตเดียวไม่พอ

ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับความเหนียวนั้น อยากให้ลองนึกถึงการดัดช้อน คือถ้าช้อนสามารถจะรับการดัดได้หลายรอบโดยไม่พังจนขาดออกจากกัน ก็สรุปได้ว่าวัสดุที่นำมาใช้ทำเป็นช้อนนั้นเหนียว (รูปที่ 1) ซึ่งจะว่าไปแล้ว วัสดุมันมีผลต่อความเหนียวอยู่พอสมควร เช่น เหล็กกล้ากำลังต่ำจะเหนียวกว่าเหล็กกล้ากำลังสูง หรือเหล็กกล้าจะเหนียวกว่าคอนกรีต นั่นจึงเป็นข้อดีอีกประการในการนำเหล็กเข้ามาใช้เป็นโครงสร้างหลักของอาคาร

แต่อย่างไรก็ดีการทำโครงสร้างให้เหนียวนั้น นอกเหนือจากการใช้วัสดุที่ให้ความเหนียว (อย่างเช่น เหล็ก) มันไปเกี่ยวข้องกับการทำรายละเอียด (Detailing) ในหลาย ๆ จุด แต่ก็ไม่ใช่ทุกจุดทุกอนูของโครงสร้างต้องเหนียว จุดที่คานรับพื้นในแนวดิ่ง มันไม่สั่นขึ้นลงจากแผ่นดินไหวก็ไม่ต้องเหนียว แต่จุดที่ต้องรับแรงไปกลับซ้ายทีขวาทีหลาย ๆ รอบนี้ เป็นจุดที่ต้องพิจารณาเป็นหลัก เช่น จุดที่คานต่อเสาเพื่อถ่ายโมเมนต์อันเกิดจากแรงด้านข้าง ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบโครงข้อแข็งรับโมเมนต์ (Moment Resisting Frame หรือ MRF) หรือการนำอุปกรณ์และเทคโนโลยีบางอย่างมาทำให้โครงสร้างอาคารสามารถรับการสั่นได้หลาย ๆ รอบ โดยไม่พังวิบัติลงมา

การคำนวณว่า รูปแบบใดเหนียวเท่าไหร่นี้ ไม่มีสูตรไม่มีสมการที่จะใช้คำนวณ การหาคำตอบเรื่องนี้ทำได้วิธีเดียวที่จะให้ผลได้แน่ชัด คือ การทำวิจัยทดสอบในห้องปฏิบัติการ (การทำแบบจำลองบนคอมพิวเตอร์ไม่ใช่แค่ยืนยันผล อาจต่อไปถึงการขยายผลได้ในบางกรณี) ซึ่งผลการทดสอบจะช่วยบ่งชี้ได้ว่า รูปแบบหนึ่ง ๆ จะสามารถรับแรงได้เพียงใดจำนวนกี่รอบ ยิ่งรับแรงได้มากได้หลายรอบก็ยิ่งให้ความเหนียวที่มาก เป็นต้น

ในอดีตที่ผ่านมา มีการสรุปถึงรูปแบบการทำรายละเอียดให้ระบบรับแรงด้านข้างของโครงสร้างเหล็ก เพื่อให้ระบบรับแรงด้านข้างนี้ มีความทนทาน (Durability) มีความเหนียว (Ductility) รับแรงได้หลาย ๆ รอบ ตัวอย่างเช่น
– การเชื่อม หากมีการขัด (Grind) บริเวณขอบแนวเชื่อม (Weld Toe) ให้มีรัศมีความโค้งเกิน 5.7 มิลลิเมตรขึ้นไป ก็จะยิ่งทำให้ความทนทานต่อการฉีกขาดเพิ่มขึ้นได้กว่า 45%
– การนำเสาท่อเหล็ก มาเป็นส่วนของระบบรับแรงด้านข้าง หากมีการกรอกคอนกรีตลงในท่อเหล็ก จะช่วยเพิ่มความทนทานต่อการวิบัติได้มาก (เรียกเสาท่อเหล็กกรอกคอนกรีตว่า CFT หรือ Concrete-Filled Steel Tube Column) โดยเสาท่อกลมกรอกคอนกรีต จะให้ความเหนียวมากกว่าเสาท่อเหลี่ยมกรอกคอนกรีต
– การต่อคานเข้ากับเสาให้เป็นระบบโครงข้อแข็งรับโมเมนต์ (MRF) สำหรับนำมาเป็นระบบรับแรงด้านข้าง มีหลายวิธีที่ช่วยเพิ่มความเหนียว เช่น การขยายขนาดแผ่นต่อปีกคาน หรือการเจียรบากปีกคานออก เรียกว่าวิธี Reduced Beam Section (RBS)

 

16

รูปที่ 1 (บนซ้าย) การอธิบายถึง ความเหนียว (ductility) ของเนื้อวัสดุต่อความทนทาน (durability) ของการใช้งาน
Ref: FEMA 454 (2006), “Designing for Earthquakes

รูปที่ 2 (บนขวา) การขัดขอบแนวเชื่อมให้มีความมน จะช่วยเพิ่มความทนทานได้มากยิ่งขึ้น
Ref: Steel Construction Today & Tomorrow Magazine No.15 (2006)

รูปที่ 3 (ล่างซ้าย) การเจียรบากปีกคานออก (RBS) เพื่อเพิ่มความเหนียวให้ระบบรับแรงด้านข้าง
Ref: www.sdr-tech.co.jp

รูปที่ 4 (ล่างขวา) การสกัดแผ่นรองเชื่อม (backing bar) เพื่อเพิ่มความเหนียวให้ระบบรับแรงด้านข้าง
Ref: Mahin, “FEMA Program to Reduce Earthquake Hazards in Steel Moment-Frame Structure”

ทั้งหมดนี้เป็นเพียงตัวอย่างคร่าว ๆ ในทางปฏิบัติแล้วมีหลายวิธีในการเพิ่มสมรรถนะให้กับอาคารโครงสร้างเหล็กเพื่อให้ทนต่อแรงแผ่นดินไหว ซึ่งถือได้ว่ามีศักยภาพที่จะสามารถทนทานต่อแรงแผ่นดินไหวได้มากกว่าระบบโครงสร้างประเภทอื่น ทั้งนี้ในปัจจุบันยังได้มีวิธีการใหม่ ๆ เช่น มีการใส่โช๊ค (shock absorber) เพื่อลดแรงจากแผ่นดินไหวที่กระทำต่อโครงสร้าง หรือ การใส่ระบบตัดฐานรากออกจากตัวอาคาร เพื่อให้เคลื่อนไหวอิสระจากกันในแนวราบ (แนวดิ่งยังรับน้ำหนักอยู่นะครับ เหมือนการใส่ล้อเลื่อนที่ฐานของตัวบ้าน) ที่เรียกว่าระบบ seismic base isolation ซึ่งส่งผลให้ตัวอาคารไม่เกิดการสั่นไหวไปตามพื้นที่สั่น ซึ่งเป็นระบบที่เป็นที่นิยมมากในประเทศญี่ปุ่น (รูปที่ 5) ทั้งหลายทั้งปวงที่วิศวกรคิดคำนวณมา ไม่ใช่เพื่อประโยชน์ต่อตัวโครงสร้างรักษาโครงสร้างไม่ให้เสียหาย โครงสร้างเสียหายได้ครับ มาแก้ไขซ่อมแซมภายหลังได้ แต่พังถล่มลงมาไม่ได้ เพราะเป้าหมายสูงสุดจริง ๆ ของวิศวกรก็เพื่อสวัสดิภาพชีวิตของผู้ใช้อาคารเป็นสำคัญนะครับ

Capture

รูปที่ 5 การนำ seismic base isolation เข้ามาใช้ป้องกันผลกระทบต่อตัวบ้านจากแรงแผ่นดินไหว
Ref: www.ichijousa.com

นิตยสาร Builder Vol.31 MAY 2016

อ่าน: อาคารโครงสร้างเหล็ก กับการต้านทานแผ่นดินไหว (1)