หลักการออกแบบอาคารต้านทานแผ่นดินไหว อ่าน 37,498

เอกสารหลักการออกแบบอาคารต้านทานแผ่นดินไหว

(โดย รศ.ดร.ไพบูลย์ ปัญญาคะโป, วิทยากร TumCivil อ้างอิงจากเดลินิวส์)

ตามกฏกระทรวงฉบับใหม่
   
จากเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาดใหญ่ วัดแรงสั่นสะเทือนได้ 7.0 ริคเตอร์ที่เกิดขึ้นเมื่อวันที่ 13 มกราคม 2553 ทำให้เกิดโศกนาฏกรรมครั้งใหญ่ในกรุงปอร์โต  แปรงซ์ เมืองหลวงของสาธารณรัฐเฮติ ซึ่งอยู่ห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหวเพียง 15 กิโลเมตร
   
แผ่นดินไหวครั้งนี้เกิดจากการเลื่อนตัวของแผ่นเปลือกโลกในลักษณะการเลื่อนตัวด้านข้างระหว่างแผ่นหินแคริบเบียนและแผ่นหินอเมริกาเหนือ ซึ่งมีอัตราการเคลื่อนตัวในเกณฑ์สูง ทำให้มีโอกาสเกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ได้เช่นเดียวกับบริเวณรอยเลื่อนสุมาตรา ประเทศอินโดนีเซีย
   
เมื่อย้อนกลับมาดูประเทศไทยเรา รอยเลื่อนสำคัญที่เคยเกิดแผ่นดินไหวขนาดกลาง 5-6 ริคเตอร์มาแล้ว คือ รอยเลื่อนศรีสวัสดิ์บริเวณจังหวัดกาญจนบุรี และรอยเลื่อนแม่ทา จังหวัดเชียงใหม่ เป็นต้น ทำให้อาคารเกิดการสั่นไหวและโครงสร้างอาคารหลายหลังเกิดรอยแตกร้าว 
   
ความเสียหายของอาคารเหล่านี้ เนื่องจากในอดีตที่ผ่านมา กฎหมายอาคารไม่ได้บังคับให้มีการออกแบบต้านทานแผ่นดินไหว ปัจจุบันนี้มีกฎหมายอาคารประกาศเป็นกฎกระทรวงฉบับ พ.ศ. 2550 ที่บังคับให้อาคารจะต้องออกแบบให้ต้านทานแผ่นดินไหวได้ โดยแบ่งออกเป็น 3 บริเวณ ได้แก่ 1. พื้นที่ในเขตกรุงเทพมหานครและปริมณฑล รวม 5 จังหวัด 2. พื้นที่ภาคเหนือ 9 จังหวัด และภาคตะวันตก และ 3. พื้นที่ในภาคใต้ 7 จังหวัด      

ลำดับแรกของการออกแบบอาคารให้ต้านทานแผ่นดินไหวได้ วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องพิจารณารูปแบบของอาคารก่อน โดยการจัดให้อาคารมีลักษณะที่มีประสิทธิภาพในการต้านทานแผ่นดินไหวที่ดี ทั้งนี้เพื่อป้องกันไม่ให้โครงสร้างอาคารมีการวิบัติในรูปแบบต่าง ๆ 
   
ผังอาคารที่มีการวางโครงสร้างที่ดี ควรจะวางตำแหน่งเสาให้มีความสมมาตรในแกนหลักทั้งตามยาวและตามขวางของอาคาร หากเป็นอาคารสูง ควรมีกำแพงรับแรงเฉือน (Shear wall) หลายชิ้น วางในตำแหน่งที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอตลอดผังอาคาร โดยไม่กระจุกตัวอยู่ในบริเวณเดียว ทิศทางการวางแนวผนัง ควรหันด้านยาวของผนังให้สามารถรับแรงด้านข้างจากแผ่นดินไหวได้ทั้งสองทิศทางทั้งตามยาวและตามขวางของอาคาร ดังตัว อย่างอาคารที่มีการจัดวางตำหน่งเสาและกำแพงรับแรงเฉือนที่ดี
    
ปัญหาที่มักจะพบในรูปแบบอาคารทั่วไปคือ ระดับความสูงของเสาในชั้นล่างของอาคารจะมีความสูงมากกว่าเสาในชั้นสองขึ้นไป เนื่องจากความต้องการให้ชั้น ล่างเป็นห้องโถงอเนกประสงค์ หรือเป็นพื้นที่จอดรถและมีการวางจำนวนเสาน้อยกว่าในชั้นสูงขึ้นไป เพื่อให้มีพื้นที่ใช้สอย  กว้างขวาง
    อาคารลักษณะนี้ จะมีโอกาสที่จะเกิดการวิบัติแบบชั้นอ่อนได้ เนื่องจากเสาอาคารในชั้นล่างมีความอ่อนตัวต่อการโยกไหวทางด้านข้างได้มากกว่าในชั้นสูงขึ้นไป ประกอบกับแรงแผ่นดินไหวที่กระทำต่อเสาชั้นล่างจะมีค่าสูงมาก
   
การแก้ปัญหาลักษณะอาคารแบบนี้ อาจทำได้หลายวิธี หากเป็นการออกแบบอาคารใหม่ อาจเลือกดังนี้
   
1. จะต้องมีการจัดให้ความสูงของเสาชั้นล่างไม่แตกต่างจากชั้นสูงขึ้นไปมากนัก การออกแบบที่ดี ควรจัดให้เสาชั้นล่างไม่สูงชะลูดมาก จนทำให้เสาชั้นล่างมีค่าความต้านทานในการเคลื่อนตัวด้านข้างน้อยกว่าเสาชั้นสองเกิน 80% 
   
2. จัดให้เสาชั้นล่างมีจำนวนมากขึ้น
   
3. ขยายขนาดหน้าตัดเสาชั้นล่างให้ใหญ่ขึ้น
   
4. เสริมค้ำยันด้านข้างทางแนวทแยง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการต้านการเคลื่อนตัวทางด้านข้าง เป็นต้น
   
หลังจากที่รูปแบบของอาคารมีความเหมาะสม ลำดับต่อไปคือการออกแบบความแข็งแรงของโครงสร้าง อาคารที่ทำหน้าที่หลักในการต้านทานแรงด้านข้างจากแผ่นดินไหวได้แก่ เสา นอกจากจะรับน้ำหนักบรรทุกปกติ ซึ่งเป็นน้ำหนักของอาคารและน้ำหนักบรรทุกจรตามการออกแบบทั่วไปแล้ว เสาจะต้องมีกำลังรับน้ำหนักบรรทุกที่เพิ่มขึ้นในขณะเกิดแผ่นดินไหว สามารถต้านทานแรงเฉือนจากแรงแผ่นดินไหวที่กระทำทางด้านข้างต่อเสาได้ และจะต้องมีขนาดหน้าตัดใหญ่พอที่จะไม่เคลื่อนตัวมากจนเกินข้อกำหนดในกฎหมาย ซึ่งกำหนดให้การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างชั้นไม่เกิน 0.5%
   
ทั้งนี้การเคลื่อนที่ของเสาที่มากเกินไป จะทำให้ผนังอาคารเกิดการแตกร้าวได้ ดังนั้น เมื่อเปรียบเทียบขนาดเสา กับอาคารทั่วไปแล้ว เสาอาคารต้านทานแผ่นดินไหว จะมีขนาดใหญ่กว่า และมีปริมาณเหล็กเสริมตามยาวของเสามากกว่า เพื่อรับน้ำหนักบรรทุกและการดัดตัวที่เพิ่มมากขึ้นรวมทั้งต้านการเคลื่อนที่ทางด้านข้างด้วย นอกจากนี้ ปริมาณเหล็กปลอกในเสาจะต้องพอเพียงในการต้านทานแรงเฉือนอีกด้วย 
   
สิ่งที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ การจัดรายละเอียดการเสริมเหล็กให้โครงสร้างมีความเหนียวพอเพียงในการต้านทานแรง กระทำแบบไปกลับของแรงแผ่นดินไหว โดยการจัดปริมาณการเสริมเหล็กตามยาวและเหล็กปลอกที่โอบรัดรอบเหล็กเสริมตามยาวของเสาและคานให้พอเพียง
   
โดยเฉพาะบริเวณใกล้จุดต่อระหว่างเสาและคาน เนื่องจากบริเวณนี้ เสาและคานมีการดัดตัวในลักษณะไปกลับหลายรอบ เหล็กปลอกในบริเวณนี้จึงต้องจัดวางให้แน่นเป็นพิเศษ และการต่อเหล็กเสริมตามยาวจะต่อในบริเวณใกล้จุดต่อของเสาและคานไม่ได้ เนื่องจากแรงแผ่นดินไหว จะทำให้เหล็กเสริมเหล่านี้เลื่อนหลุดจากจุดต่อได้ง่าย การเสริมเหล็กให้เสาและคานมีความเหนียวยังมีรายละเอียดอีกมาก จึงขอกล่าวแต่โดยย่อเพียงเท่านี้ก่อน
   
แม้ว่าอาคารที่ออกแบบตามกฎกระทรวงแผ่นดินไหว พ.ศ. 2550 จะได้มีการคำนึงถึงแรงแผ่นดินไหวในระดับที่  สูงเพียงพอแล้ว แต่ความสามารถของอาคารแต่ละหลัง  ในการต้านทานแรงแผ่นดินไหวในเหตุ การณ์จริง ยังแตกต่างกันไปตามลักษณะ ประเภท และรูปแบบของอาคารต่าง ๆ หากต้องการทราบว่า อาคารที่ออกแบบตามกฎกระทรวง พ.ศ. 2550 แต่ละหลังมีความมั่นคงปลอดภัยเพียงใด  จะต้องใช้วิธีการ   วิเคราะห์พฤติกรรมในการต้านทานแรงแผ่นดินไหวของโครงสร้างอย่างละเอียด.