เอกสารประกอบการสอน แผ่นดินไหวทำให้อาคารเสียหายได้อย่างไร แบบเข้าใจง่ายๆ อ่าน 1,119
เอกสารประกอบการสอน แผ่นดินไหวทำให้อาคารเสียหายได้อย่างไร แบบเข้าใจง่ายๆ
ศาสตราจารย์ ดร. ไพบูลย์ ปัญญาคะโป คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีปทุม
เอกสารประกอบการสอน แผ่นดินไหวทำให้อาคารเสียหายได้อย่างไร แบบเข้าใจง่ายๆ
ความเสียหายของอาคารเนื่องจากแรงแผ่นดินไหวมิได้ขึ้นอยู่กับขนาดของแผ่นดินไหวอย่างเดียว องค์ประกอบสำคัญที่มีผลกระทบต่อความเสียหายของอาคาร ได้แก่
1. ลักษณะของคลื่นแผ่นดินไหว (Earthquake Characteristics) ได้แก่ ค่าอัตราเร่งสูงสุดของพื้นดิน ระยะเวลาของการสั่นรุนแรงของพื้นดิน และคาบเวลาการสั่นสำคัญของพื้นดิน เป็นต้น
2. ลักษณะของสถานที่เกิดแผ่นดินไหว (Site Characteristics) ได้แก่ ระยะห่างระหว่างศูนย์กลางแผ่นดินไหวไปยังสถานที่ตั้งของโครงสร้างอาคาร สภาพชั้นดินของสถานที่ตั้งของโครงสร้างอาคาร และคาบการสั่นตามธรรมชาติของสถานที่ตั้งนั้น เป็นต้น
3. ลักษณะของโครงสร้างอาคาร (Structural Characteristics)ได้แก่ คาบการสั่นตามธรรมชาติและค่าdampingของโครงสร้างอาคารนั้นอายุและวิธีการก่อสร้างของโครงสร้างอาคาร และการเสริมเหล็กให้โครงสร้างมีความเหนียว เป็นต้น
ความเสียหายของอาคารจากแรงสั่นสะเทือนของพื้นดินอาจแยกเป็นกรณีการวิบัติได้ดังนี้
1. การวิบัติแบบ Soft Story
เนื่องจากอาคารทั่วไปที่ไม่มีการออกแบบเผื่อให้ต้านทานแรงแผ่นดินไหวได้ วิศวกรจะออกแบบให้สามารถแบบรับน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งได้อย่างเดียวนั่นคือเสาอาคารจะถูกออกแบบให้รับแรงกดอัดเป็นหลัก หากมีแรงกระทำทางด้านข้างจากแรงแผ่นดินไหว กระทำในลักษณะกลับไปมาได้จะทำให้อาคารโยกไหวไปมา ซึ่งมีผลทำให้เกิดความเสียหายที่เสาอาคารได้
เนื่องจากไม่ได้มีการออกแบบให้เสามีความเหนียวในการต้านทานแรงกระทำโยกไปมา ตัวอย่างของความเสียหายของอาคารแบบนี้ โดยอาคารในรูปนี้มีโครงสร้างเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก หากดูจากภายนอกจะเห็นว่ามีเสาที่ใหญ่ แข็งแรงเพียงพอที่จะรับน้ำหนักตัวอาคารและน้ำหนักบรรทุกจรในแนวดิ่งได้ แต่โครงสร้างภายในของเสาซึ่งจะมีเหล็กเสริมอยู่ ไม่ได้มีการออกแบบให้รับแรงดัดและแรงเฉือนเนื่องจากแรงกระทำทางด้านข้าง ซึ่งทำให้เสาโยกไปมาได้ ทำให้เสามีความเปราะต่อการรับแรงแบบนี้ จะสังเกตได้ว่ามีรอยแตกที่บริเวณรอยต่อระหว่างเสาและคาน และเสาอาคารเสียสมดุลจนเอียงไป
2.การวิบัติเนื่องจากการโยกตัวและผลกระทบของโมเมนต์ลำดับสอง (Secondary Moment หรือ PΔ effect)
แรงกระทำทางด้านข้างจากแผ่นดินไหวจะทำให้เสาอาคารโยกตัวไป โครงสร้างที่มีการออกแบบให้ต้านทานแผ่นดินไหวได้ จะออกแบบให้เสามีความเหนียวและสามารถโยกตัวไปมาได้ ในช่วงอินอิลาสติกและกำหนดให้ระยะการโยกตัวอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้ หากมีค่ามากเกินไปจะทำให้โครงสร้างไม่มีเสถียรภาพ การวิบัติแบบนี้มักจะเกิดควบคู่กันกับผลกระทบของโมเมนต์ลำดับสอง (Secondary Moment หรือ PΔ effect) หมายถึงโมเมนต์ดัดที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากผลคูณระหว่างน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งและระยะการเคลื่อนตัวด้านข้างของเสา ซึ่งจะมีผลกระทบต่อความมั่นคงของโครงสร้างได้ หากมีค่ามากเกินไป
3. การวิบัติแบบ Overturning
อาคารมีรูปทรงสัดส่วนที่ไม่ดีคือมีอัตราส่วนระหว่างความสูงต่อความกว้างของฐานมากอาจทำให้ไม่มีเสถียรภาพเพียงพอต่อแรงกระทำทางด้านข้างเนื่องจากแรงแผ่นดินไหวได้ เนื่องด้วยโมเมนต์จากแรงกระทำทางด้านข้างต่ออาคารมีค่าเกินกว่าโมเมนต์ต้านทานเนื่องจากน้ำหนักของอาคาร ปรากฏการณ์ของการวิบัติของอาคารในลักษณะนี้เคยเกิดขึ้นแล้วดังกรณีเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่เมืองโกเบ จะสังเกตได้ว่าอาคารนี้มีด้านกว้างที่แคบ ทำให้อัตราส่วนของความสูงต่อความกว้างมีค่าสูง จึงมีความเสี่ยงต่อการวิบัติแบบนี้
การเสริมเหล็กให้โครงสร้างมีความเหนียว (Ductility)
โครงสร้างอาคารรับแรงแผ่นดินไหว จะต้องออกแบบให้มีกำลัง (strength) สามารถต้านทานแรงกระทำด้านข้างเนื่องจากแรงแผ่นดินไหวได้ ในขณะเดียวกันจะต้องออกแบบให้มีความเหนียว (ductility) ต่อการโยกไหวภายใต้แรงกระทำในลักษณะกลับไป-มาได้ การออกแบบที่ดี จะมีการกำหนดจุดที่จะเกิดข้อหมุนพลาสติก (plastic hinge) เพื่อการกระจายพลังงานจากแรงแผ่นดินไหว ให้เกิด ณ ตำแหน่งปลายคาน ในขณะที่เสาจะถูกออกแบบให้มีพฤติกรรมแบบยืดหยุ่น (elastic) มีกำลังและความมั่นคงต่อแรงกระทำด้านข้างได้ หลักการออกแบบนี้เรียกว่า หลักการของเสาแข็งแรงและคานอ่อน (strong columns and weak beams) ซึ่งกำหนดใน ACI 318-99 ดังนั้นบริเวณของข้อหมุนพลาสติกเหล่านี้จำเป็นต้องมีการจัดรายละเอียดของเหล็กเสริมเป็นพิเศษเพื่อให้มีความเหนียวและสามารถดูดซับพลังงานได้ ลักษณะการวางตำแหน่งของข้อหมุนพลาสติกโดยหลักการของเสาแข็งแรงและคานอ่อน
สำหรับผู้ที่สนใจอยากได้ความรู้เพิ่มเติม การอมรมเฉพาะทาง เรื่อง การออกแบบอาคารสูง อาคารขนาดใหญ่ อาคารพิเศษ และ อาคารต้านทานแผ่นดินไหว ขอเชิญได้นะครับ มีเอกสาร หนังสืออย่างดี + VDO บรรยายและโปรแกรมเสริมให้ด้วย
////////////////////////////////////////////
.
สนใจจองอบรม STD084 การออกแบบอาคารสูง อาคารขนาดใหญ่ อาคารพิเศษ และ อาคารต้านทานแผ่นดินไหว รุ่นที่ 16 ได้ที่นี่ (จากจัดอบรมของเพจและเว็บ TumCivil.com)
https://engfanatic.tumcivil.com/engfanatic/training/305-การออกแบบอาคารสูง-อาคารขนาดใหญ่-อาคารพิเศษ-และ-อาคารต้านทานแผ่นดินไหว-รุ่นที่-16
.
////////////////////////////////////////////