การออกแบบ อาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก ในประเทศไทย อ่าน 46,548

โยธาสาร ปีที่ 12 ฉบับที่ 2 เมษายน - มิถุนายน 2543
Design Tip : เอนก ศิริพานิชกร
วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย

การออกแบบอาคาร คสล. ในประเทศไทยในยุคสมัยปัจจุบันต้องเป็นไปตามข้อบัญญัติของกรุงเทพมหานคร พ.ศ. 2522 และสัดส่วนราชการท้องถิ่นทั่วไปก็ได้นำไปเป็นกรอบใช้ทั่วประเทศ ข้อบัญญัติดังกล่าวกำหนดวิธีการออกแบบล้อตามวิธีของ American Concrete Institute (ACI) รวม 2 วิธีคือ

   วิธีแรกเป็นไปตามวิธีหน่วยแรงใช้งาน (Working Stress Design) ของ ACI 318-63 หมายเลข 2 ตัวหลังเป็นปี ค.ศ. ของ Code นั้นซึ่งก็หมายความว่าเป็นมาตรฐานเมื่อปี ค.ศ. 1963 ตรงกับพุทธศักราช 2506

   ในปี พ.ศ. 2515 วิศวกรรมสถานฯได้จัดทำมาตรฐานขึ้นมาหนึ่งเล่ม เพื่อใช้ในการออกแบบอาคาร คสล. โดยมีบางส่วนที่ใช้ในการออกแบบโดยวิธีกำลังประลัยด้วย และได้รับความนิยมนำไปพิมพ์จำหน่ายเพิ่มเติมขึ้นอีกกว่า 10 ครั้ง ต่อมาได้มีการปรับปรุงและแยกส่วนของงานออกแบบโดยวิธีประลัยออกไป จัดทำเป็นมาตราฐานเล่มใหม่ฉบับปรับปรุง ได้แก่ ว.ส.ท. 1007-34 (พ.ศ. 2543)

   การออกแบบโดยวิธีหน่วยแรงใช้งานนี้ มีพื้นฐานแนวคิดจากการจัดให้ขนาดขององค์อาคาร และปริมาณของเหล็กเสริมซึ่งเมื่อรับน้ำหนักบรรทุกใช้งานแล้ว หน่วยแรงที่เกิดขึ้นต้องไม่เกินค่าที่ยอมให้สำหรับคอนกรีต และเหล็กเสิรมโดยมีค่าอัตราส่วนความปลอดภัย (Factor of Safety) แตกต่างกันออกไป

ค่ากำลังอัดของคอนกรีตตามวิธีหน่วยแรงใช้งานของ ว.ส.ท. ฉบับแรก (พ.ศ. 2515) ได้กำหนดค่ากำลังอัดของคอนกรีตไว้เป็น 2 ค่า โดยมีค่าเป็นไปตาม ACI 318-63 (ไม่เกินร้อยละ 45 ของกำลังประลัย) ในกรณีทั่วไป และให้ปรับค่ากำลังอัดลดลง ด้วยตัวคูณ (ß) เท่ากับ 0.85 ในกรณีที่การควบคุมไม่เข้มข้นซึ่งถือว่าเป็นการแนะนำ และสร้างแนวคิดในการออกแบบที่เหมาะสมกับสภาพของประเทศในขณะนั้น ที่ทำคุณภาพของคอนกรีตและวิธีการก่อสร้างให้ได้คุณภาพยังมีความไม่แน่นอนนัก

   อย่างไรก็ดีข้อบัญญัติของกรุงเทพมหานคร (พ.ศ. 2522) กำหนดค่ากำลังอัดของคอนกรีตต่ำกว่าค่าของมาตรฐาน ว.ส.ท. ลงไปอีก กล่าวคือ ค่ากำลังอัดที่จะใช้ในการออกแบบต้องไม่เกินร้อยละ 37.5 และหากไม่มีผลการทดสอบคอนกรีต ค่ากำลังอัดที่ใช้ต้องไม่เกิน 65 กก./ซม.2

   เฉพาะวิธีการออกแบบโดยวิธีหน่วยแรงใช้งานนี้ วิศวกรรมสถานฯมีความเห็นเสนอไปทางคณะกรรมาธิการปรับปรุงข้อบัญญัติฯ สภากรุงเทพมหานครให้ใช้ค่ากำลังอัดตาม ว.ส.ท. 1007-34 พร้อมกับเสนอให้ยกค่ากำลังอัดที่ไม่ให้ใช้เกิน 65 กก./ซม.2 กรณีไม่มีผลทดสอบให้ใช้ได้ไม่เกิน 80 กก./ซม.2

   ข้อเสนอดังกล่าวจะมีผลทำให้การออกแบบมีการใช้คอนกรีตน้อยและลดต้นทุนอาคาร ทั้งนี้ด้วยเล็งเห็นว่าในปัจจุบันความรู้ด้านคอนกรีตเทคโนโลยีของวิศวกรในประเทศ มีความทันสมัยตามความเจิรญของโลกแล้ว

   อย่างไรก็ตาม ความรู้ความเข้าใจพื้นฐานของการเลือกใช้วัสดุโดย พิจารณาคุณสมบัติทางกลมี ความจำเป็นอย่างยิ่งวิศวกรจะต้องเป็นผู้มีความเข้าใจ ในการกำหนดค่าต่าง ๆ ของวัสดุที่จะใช้ให้สอดคล้องกับสภาพงาน ตรงนี้จึงสามารถตอบคำถามได้ว่าการกำหนดค่า กำลังอัดประลัยของคอนกรีตควรเป็นค่าที่วิศวกรคาดหวังถึงคุณภาพงาน (ซึ่งไม่ใช่เฉพาะคอนกรีตเท่านั้น) งานที่น่าเชื่อว่าจะมีคุณภาพต่ำจึงควรกำหนด ค่ากำลังอัดต่ำในการออก แบบเพื่อที่จะได้ขนาดขององค์อาคารโตขึ้นไปชดเชย กับความไม่สม่ำเสมอในคุณภาพของงาน

   วิธีที่ 2 เริ่มเมือปี ค.ศ. 1917 (พ.ศ. 2514 ) เป็นต้นมา ACI 318 ได้กำหนดวิธีการออกแบบใหม่เรียกเป็นวิธี Ultimate Strength Design โดยแนวคิดใหม่นี้ได้พบว่า วิธีการออกแบบโดยวิธีหน่วยแรงใช้งานมีข้อสังเกตุหลายประการ ที่ไม่ตอบสนองวิธีการออกแบบ อาทิ

   ประการแรก น้ำหนักบรรทุกที่จใช้ในการออกแบบตามวิธีหน่วยแรงใช้งาน เป็นน้ำหนักบรรทุกรวม ซึ่งแตกต่างไปจากวิธีใหม่ที่เห็นความสำคัญของน้ำหนักบรรทุกจร (L) ที่จะมีบทบาทสำคัญ (Influence) กว่าน้ำหนักบรรทุกคงที่ (D) ในการคำนวณหาภาระรับแรงสูงสุดขององค์อาคาร ซึ่งเห็นได้จากการจัดน้ำหนักบรรทุกประลัย (U) ของวิธีการใหม่ (ACI 318-71) เท่ากับ

U = 1.7 D + 2.0 L (1)

   ประการที่สอง วิธีการของหน่วยแรงใช้งานไม่สามารถแสดงให้เห็นชัดเจน ถึงอัตราส่วนความปลอดภัยขององค์อาคารโดยรวม เนื่องจากการกำหนดอัตรากำลังใช้งานในวัสดุต่าง ๆ มีค่าไม่เท่ากัน

   ประการที่สาม วิธีการของหน่วยแรงใช้งานไม่สามารถพิจารณาได้ถึงความสำคัญขององค์อาคารนั้น ๆ รวมทั้งคุณภาพฝีมือการทำงาน (Workmanship) ได้

   แนวคิดของวิธีการ Ultimate Strength Design จำแนกพิจารณาเป็นสองส่วน ส่วนแรกคือภาระการรับแรง ซึ่งได้แก่น้ำหนักบรรทุกออกแบบ (Design Load) ซึ่งปรับสูงขึ้นโดยกำหนดค่าตัวคูณน้ำหนักบรรทุกเพิ่มไว้แยกตามประเภท และความสำคัญที่แตกต่างกัน ดังที่กล่าวมาแล้ว

   ส่วนที่สองเป็นกำลังขององค์อาคารที่คำนวณจากคุณสมบัติของคอนกรีต และเหล็กเสริมที่กำลังประลัยและกำลังครากตามลำดับ (Ø) ซึ่งให้เป็นไปตามความสำคัญขององค์อาคารและวิธีการทำการก่อสร้าง อาทิเช่น เสามีความสำคัญมากกว่าและก่อสร้างได้ยากกว่าคาน จึงกำหนดค่าตัวคูณลดกำลังต่ำกว่าคาน เป็นต้น

   เมื่อเพิ่มน้ำหนักบรรทุกออกแบบให้สูงขึ้น แต่ลดกำลังขององค์อาคาร ลงสมการซึ่งหมายถึง จับเอาปริมาณสองฝั่งมาเท่ากัน ได้ออกมาเป็นวิธีการออกแบบ ซึ่งสามารถกำหนดอัตราส่วนความปลอดภัยได้อย่างชัดเจน

   วิศวกรผู้ออกแบบจึงสามารถกำหนดค่าตัวคูณน้ำหนักบรรทุกเพิ่ม ที่มีค่าสูงกว่าที่แนะนำไว้ได้ หากต้องการความปลอดภัยมากขึ้น หรือกำหนดตัวคูณลดกำลังให้น้อยลงเพื่อให้ได้ขนาดขององค์อาคารที่โตขึ้น ในกรณีที่ไม่มีความมั่นใจในคุณภาพของงานก่อสร้าง

   วิธี Ultimate Strength Design ได้รับการพัฒนาเรื่อยมา ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1977 ที่มีการลดค่าตัวคูณน้ำหนักบรรทุกเพิ่มจนปี 1983 และ 1989 (พ.ศ. 2532) ซึ่งต่อมาได้เป็นต้นแบบของมาตรฐานอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กของวิศวกรรมสถานฯ โดยวิธีกำลัง (Strength Design- ไม่เรียกวิธีกำลังประลัย) เป็นมาตราฐาน ว.ส.ท. 1008-38 และได้แยกอาคารคอนกรีตอัดแรงออกไปเป็นมาตรฐานหนึ่งต่างหาก

   ตัวคูณน้ำหนักบรรทุกเพิ่มที่สรุปไว้ใน ว.ส.ท. 1008-38 เป็นไปตาม ACI 318 - 89 ได้ค่าน้ำหนักบรรทุกออกแบบ (U) ดังสมการ (2)

U = 1.4 D + 1.7 L (2)

   และได้แนะนำให้เลือกใช้ค่าตัวคูณลดกำลังไว้ 2 ชุด เพื่อประโยชน์ในการพิจารณาใช้กับงานที่มีคุณภาพต่างกัน และแตกต่างจากข้อกำหนดตามข้อบัญญัติของกรุงเทพมหานครที่กำหนดไว้ตาม ACI 318 - 71 ดังสมการ (1)

   จึงมีความเห็นที่จะให้กรุงเทพมหานครพิจารณกำหนดค่าน้ำหนัก บรรทุกออกแบบให้เป็นไปตามสมการ (2) ซึ่งแม้จะมีการโต้แย้งกันหลายฝ่ายที่ต้องการจะ กำหนดค่าให้สูงกว่านั้น เช่น U = 1.5 D + 1.8 L ก็ตาม ทั้งนี้เพราะเห็นว่าวิศวกร ผู้ออกแบบได้มากกว่าค่ากำหนดที่เป็นค่าต่ำสุดตามมาตรฐานอยู่แล้ว

  การออกแบบโดยวิธีกำลังนี้เป็นที่นิยมแพร่หลายมานานแล้ว แม้แต่กลุ่มผู้ออกแบบโครงสร้างเหล็ก ซึ่งมีอยู่ช่วงหนึ่งได้เพิ่มมาตรฐานการออกแบบจาก Allowable Stress Design เป็น Plastic Design ซึ่งต้องวิเคราะห์โครงสร้างในพฤติกรรมหลังอีลาสติกอยู่พักหนึ่ง ก็หันกลับมาพิจารณา และกำหนดมาตรฐานใหม่เป็นแบบการกำหนดกำลัง และเพิ่มน้ำหนักบรรทุกที่เรียกกันว่าเป็น LRFD (Load and Resistant Factor Design) เช่นกัน

   กล่าวโดยสรุปว่าการออกแบบอาคารในประเทศไทยมีอยู่ 2 วิธีหลักข้างต้นคำตอบที่ได้คือผลของการออกแบบอาจเทียบกันได้ตามความจริง ของตัวเลขแต่ไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้ตามความเป็นจริงทางวิศวกรรม เนื่องจากแนวคิดในการออกแบบไม่เหมือนกัน วิศวกรจึงควรเป็นผู้มีความสามารถในการแยกแยะ วิธีการออกแบบให้เหมาะสมกับความต้องการของการใช้อาคารเช่นเดียวกัน

   แต่หากพิจารณาถึงความปลอดภัยในเกณฑ์คุณภาพของงานปกติ วิธีการออกแบบโดยกำลังมีแนวโน้มที่จะให้คำตอบที่ใกล้เคียงพฤติกรรมจริง และมีขนาดเล็กลงและยิ่งเมื่อไปพิจารณาถึง ACI 318-95 (ล่าสุดจะมีฉบับปี 2001แล้ว) มีแนวโน้มว่าจะพิจารณาใช้วัสดุให้สิ้นเปลืองน้อยลง เช่น ยอมให้กิดรอยร้าวในคอนกรีตส่วนรับแรงดึงได้ในกรณีที่ทำการทดสอบ การับน้ำหนักบรรทุกทดสอบขององค์อาคารในขณะที่ ACI 318 -89 ไม่ยินยอม หรือแนวโน้มของการพิจารณาให้องค์อาคารมีพฤติกรรม ตามที่ผู้ออกแบบต้องการตามปัจจัย และสภาพของอาคารนั้น ๆ

   ย้อนกลับมาดูงานออกแบบของประเทศไทย กว่าร้อยละ 90 ได้รับการออกแบบโดยใช้วิธีหน่วยแรงใช้งานมูลเหตุสำคัญ 2-3 ประการ คือ การกำหนดค่าน้ำหนักบรรทุกออกแบบตามกฎหมายที่สูงเกินไปจึงไม่จูงใจให้ต้อง คำนวณออกแบบตามวิธีกำลัง อีกทั้งการวิเคราะห์โครงสร้างโดยวิธีกำลังสร้างความยุ่งยาก มากขึ้นเนื่องจากต้อง แยกคำนวณน้ำหนักบรรทุกแต่ละประเภท ในขณะที่วิธีหน่วยแรงใช้งานไม่ต้องทำ ยิ่งไปกว่านั้นก็คือ แบบมาตรฐานที่ใช้อยู่ในส่วนราชการต่าง ๆ เกือบทั้งหมดออกแบบด้วยวิธีหน่วยแรงใช้งาน

   ในโรงเรียนวิศวกรรมโยธามีจำนวนมากที่ยังคงให้น้ำหนักกับการเรียน การสอนด้วยวิธีหน่วยแรงใช้งานแม้ว่าจะหาตำรามาอ้างอิงยากมากขึ้น หลายโรงเรียนสอนแยกเป็น 2 วิชา แล้วปล่อยให้ทักษะการออกแบบเป็นไปตามกระแส ของงานที่จะไปทำในอนาคต

   ที่พระจอมเกล้าธนบุรี จะเริ่มต้นยุบวิชาออกแบบอาคาร คสล. 2 วิชาคงเหลือ 1 วิชาในปีการศึกษานี้ การเรียนการสอนจะเน้นไปที่วิธีกำลังอย่างเดียวและจัดการบรรยายแนวคิดของวิธีหน่วย แรงใช้งานขนานไปด้วยกัน โดยมีความเชื่อว่าเป็นความจำเป็นต้องเตรียมวิศวกรให้สามารถทำให้ราคา ของอาคารที่ออกแบบในอนาคตแข่งขันได้กับผู้ออกแบบจากต่างประเทศ ที่คุ้นเคยแต่การออกแบบสมัยใหม่ การปล่อยให้นักเรียนสามารถเลือกที่จะออกแบบโดยวิธีใดก็ได้ คงจะไม่ได้งานที่ดีที่ต้องการความเป็นวิศวกรรมคุณค่า (Valued engineering)

   ในส่วนราชการเอง ต้องพยายามที่จะส่งเสริมการออกแบให้มีความทันสมัยขึ้น แบ่งภาระของการกำกับตรวจสอบให้กับวิศวกรอาวุโสที่อาจต้องจดทะเบียนกับราชการ เป็นผู้รับผิดชอบแทนรื้อแบบมาตรฐานที่มีอยู่ในขณะนี้ กำหนดวิธีการสร้างงานออกแบบที่ประหยัด (หมายถึงการออกแบบรายละเอียดและจัดเก็บไว้ใน disk โดยยังไม่ต้องจัดพิมพ์ลงในกระดาษ) ให้กับบริษัทวิศวกรผู้ออกแบบที่กำลังขนาดแคลนงาน ในอัตราค่าออกแบบที่เหมาะสม (ต้นทุนน้อยลง) กับเศรษฐกิจในขณะนี้

   และสำหรับตัววิศวกรเองต้องพิจารณาศึกษาหาความรู้เพิ่มเติมให้ทันสมัย เพราะโอกาสของงานวิศวกรรมแม้ว่าจะมีอยู่มากมายในอนาคตที่เป็นขาขึ้นของเศรษฐกิจ แต่สำรองไว้ให้กับวิศวกรผู้มีทักษะดี รู้เท่าทันเทคโนโลยีสมัยใหม่เท่านั้น