จากเหตุการณ์ภัยพิบัติแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้น เราเชื่อว่าหลายๆคนน่าจะมีความกังวล และเกิดความสงสัยว่า ‘อาคารสูงในไทย’ โดยเฉพาะกับคอนโดมิเนียม High Rise ว่าจะมีความแข็งแรงและปลอดภัยพอที่จะรับมือเหตุแผ่นดินไหวได้ขนาดไหน?
อันที่จริงแล้วการก่อสร้างอาคารสูงจะมี ‘มาตรฐาน’ ว่าด้วยการออกแบบอาคารที่ต้องสามารถต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวและแรงลมอยู่แล้วครับ รวมถึงงานโครงสร้างต่างๆก็จะมีการคำนวณและตรวจสอบโดยทีมวิศวกรอยู่ทุกขั้นตอนเลย
โดยในบทความนี้เราได้รับเกียรติมาสัมภาษณ์ ผศ. ดร.อาทิตย์ เพชรศศิธร หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมโยธา สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง และทีมวิศวกรท่านอื่นๆ มาช่วยให้ความรู้ในบทความครั้งนี้ด้วยครับ ซึ่งก็จะเริ่มปูพื้นฐานกันตั้งแต่ต้น-จบ ฉบับอ่านเข้าใจง่าย แต่เก็บทุกรายละเอียดตามนี้
- โครงสร้างหลักอาคารสูงประกอบด้วยอะไรบ้าง
- มาตรฐานหรือกฎหมายที่เกี่ยวข้อง ในการออกแบบและก่อสร้างอาคารสูงคืออะไร
- รูปทรงอาคารมีความสำคัญอย่างไร
- เทคนิคการก่อสร้างใหม่ๆ ที่จะช่วยต้านทานแผ่นดินไหวได้ดีมากขึ้นมีอะไรบ้าง
โครงสร้างหลักอาคารสูงประกอบด้วยอะไรบ้าง :
โครงสร้างหลักของอาคารเป็นสิ่งที่ถูกออกแบบมาเพื่อรับแรงหรือน้ำหนักในแนวดิ่ง และแรงด้านข้างที่เกิดจากแรงแผ่นดินไหว + แรงลมต่างๆ ประกอบด้วย
1. เสา (Column) : องค์ประกอบหลักโครงสร้างอาคารในแนวตั้ง ที่มีหน้าที่รับและถ่ายน้ำหนักจากโครงสร้างส่วนบน เช่น พื้น, คาน, ผนัง, หลังคา > เสา > ลงสู่ฐานราก เพื่อให้โครงสร้างทั้งหมดมั่นคง แข็งแรง และปลอดภัย โดยเสาที่นิยมใช้ในการก่อสร้างอาคารสูงมากที่สุดก็คือ เสาคอนกรีตเสริมเหล็ก เนื่องจากเหล็กจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และรับแรงบิดได้ดีมากขึ้น พูดง่ายๆคือทำให้โครงสร้างอาคารมีความเหนียวไม่พังทลายง่ายนั่นเอง
และขนาดของเสาก็จะขึ้นอยู่กับความสูงของอาคารด้วย ยิ่งอาคารมีขนาดใหญ่และสูงมากเท่าไหร่ ขนาดเสาที่รองรับ(โดยเฉพาะตรงบริเวณส่วนฐาน)ก็จะต้องใหญ่มากขึ้นเท่านั้น ซึ่งปกติแล้วเรามักจะพบว่าเสาจะมีขนาดที่ลดหลั่นกันไป ตามความสูงและน้ำหนักที่ต้องแบกรับในแต่ละชั้น แต่ในบางอาคารจะมีการใช้เป็นเสาต้นใหญ่เท่ากันหมด ตั้งแต่ชั้นล่างสุดไปจนถึงชั้นบนสุด ซึ่งจะช่วยให้อาคารมีความแข็งแรงมั่นคงมากขึ้นไปอีกได้ครับ
2. เสาเข็มและฐานราก (Pile Foundations) : เป็นส่วนที่ทำหน้าที่รับน้ำหนักทั้งหมดของตัวอาคาร และกระจายน้ำหนักไปยังชั้นดิน โดยใช้แรงพยุงตัวที่เกิดจากแรงเสียดทานของดิน ด้วยสภาพดินและภูมิประเทศของกรุงเทพ ส่วนใหญ่จะเป็นที่ราบลุ่มและชั้นดินเหนียว วิศวกรจึงมักจะต้องมีการขุดดินลึกลงไปจนถึงชั้นดินทราย
ซึ่งหากเป็นคอนโดประเภท High Rise ที่มีความสูงประมาณ 25 – 30 ชั้น ก็จะต้องเจาะลึกลงไปประมาณ 50 – 60 m. หรือถ้าตัวอาคารสูงเกินกว่านั้นก็จะต้องขุดลึกลงไปอีก เพื่อให้เจอชั้นดินสามารถรับน้ำหนักของอาคารได้มั่นคงมากขึ้นนั่นเองครับ
3. ผนังรับแรงเฉือน (Shear Walls) : เปรียบเสมือนกระดูกสันหลังของอาคาร เป็นผนังโครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อรับและต้านทานแรงเฉือน (Shear Force) ซึ่งเกิดจากแรงด้านข้างที่มากระทำกับตัวอาคาร เช่น แรงลม และแรงแผ่นดินไหว โดยเฉพาะในอาคารสูงหรืออาคารที่ตั้งอยู่ในพื้นที่เสี่ยงภัย วัสดุส่วนใหญ่มักจะทำจากคอนกรีตเสริมเหล็ก มีความหนาและแข็งแรงกว่าผนังทั่วไป มักจะอยู่ในตำแหน่งศูนย์กลางของอาคาร เช่น Core Lift / บันไดหนีไฟ หรือรอบๆอาคารตรงส่วนที่ต้องรับแรงบิด
หน้าที่หลักของผนัง Shear Wall :
- ต้านทานแรงจากด้านข้าง เช่น แรงลม, แรงแผ่นดินไหว ที่พยายามจะทำให้อาคาร “ล้ม” หรือ “บิด”
- เพิ่มความแข็งแรงและความมั่นคงของอาคาร โดยช่วยให้โครงสร้างไม่เกิดการบิดตัว (torsion) หรือพังทลาย
- ถ่ายแรงลงสู่ฐานราก แรงที่เกิดขึ้นจะถูกถ่ายลงสู่ฐานรากผ่านผนังนี้อย่างมีประสิทธิภาพ
4. ระบบพื้นอัดแรง (Post-Tension Slab) : คอนโดส่วนใหญ่ในกรุงเทพฯ ใช้ระบบ Post-Tension Slab หรือระบบพื้นไร้คาน เป็นระบบโครงสร้างคอนกรีตที่ใช้เทคนิคการอัดแรงภายหลังการเทคอนกรีต (Post-Tensioning) เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของพื้น โดยเฉพาะในช่วงระยะพาดที่ยาวกว่าปกติ และยังสามารถลดขนาดความหนาของพื้นลงได้อีกด้วย
หลักการทำงานของ Post-Tension Slab คือ ติดตั้งลวดอัดแรง (Tendon) > เทคอนกรีต > ดึงลวดอัดแรงแล้วยึดด้วยอุปกรณ์สมอ (Anchorage) ทำให้ลวดพยายามหดกลับ ซึ่งจะเกิดแรงกดภายใน (Compressive Force) ในคอนกรีต เพื่อให้โครงสร้างพื้นมีลักษณะที่โก่งขึ้นเล็กน้อย ทำให้มีความสามารถในการรับน้ำหนักที่ดีมากขึ้น และเกิดการแอ่นตัวที่น้อยลง
มาตรฐานหรือกฎหมายที่เกี่ยวข้อง ในการออกแบบและก่อสร้างอาคารสูงคืออะไร
ในการก่อสร้างอาคารสูงกฎหมายจะกำหนดให้มี Third Party ของทีมวิศวะกรตรวจสอบอยู่ทุกๆขั้นตอน ตั้งแต่การตรวจแบบว่าได้ออกแบบถูกต้องตามหลักวิศวกรรมหรือเปล่า? / ตรวจสอบคุณภาพการก่อสร้างและวัสดุ ด้วยการส่งตัวอย่างวัสดุเข้าห้อง Lab หรือ Mix Design ตรวจส่วนผสมของปูนว่าถูกสัดส่วนหรือไม่?
เพราะฉะนั้นในทุกๆอย่างจะมีลายเซ็นของวิศวะกำกับทุกขั้นตอน ซึ่งเราจะมีหลักฐานสามารถตรวจสอบย้อนหลังและมั่นใจได้ว่า อาคารนั้นๆจะมีความแข็งแรงปลอดภัยอย่างแน่นอนครับ หรือแม้แต่ในอาคารเก่าๆที่ก่อสร้างเสร็จไปนานแล้ว เราก็ยังสามารถให้ทีมวิศวกรเข้าไปตรวจสอบความแข็งแรงของโครงสร้างใหม่อีกครั้งหนึ่งก็ได้เหมือนกัน
กฎหมายอื่นๆเข้ามาเกี่ยวข้องอีก ได้แก่
- พรบ.ควบคุมอาคาร : เป็นกฎหมายที่ต้องการควบคุมการก่อสร้างอาคารให้มีความมั่นคงแข็งแรง และมีความปลอดภัยสำหรับผู้ใช้อาคาร เช่น ระบบป้องกันอัคคีภัย ระบบการระบายอากาศ
- กฎกระทรวง : กำหนดให้อาคารสูงเกินกว่า 15 เมตร ในเขตพื้นที่ที่กำหนด จะต้องออกแบบโครงสร้างให้สามารถต้านแผ่นดินไหว
- มาตรฐานกรมโยธาธิการและผังเมือง (มยผ.) : มาตรฐานกำหนดคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุใช้ในงานโครงสร้างอาคาร แบ่งออกเป็น 2 ฉบับตามแรงที่มาเกี่ยวข้องคือ แรงแผ่นดินไหว และแรงลม ประกอบด้วย
- มยผ. 1311-50 มาตรฐานการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคาร
- มยผ. 1301/1302-61 มาตรฐานการออกแบบอาคารต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว โดยภายในจะมีตัวเลข ‘ความเร่งตอบสนองเชิงสเปกตรัมของแผ่นดินไหว’ ให้ใช้คำนวณความต้านทานในแต่ละพื้นที่แต่ละตำบล (เกิดการการเก็บสถิติการสั่นไหวของดินในรอบหลายสิบปี ที่ส่งผลต่อพื้นที่นั้นๆ) ซึ่งวิศวกรจะใช้ตัวเลขเหล่านี้ในการคำนวณโครงสร้างให้ได้ตามมาตรฐาน
ทั้งนี้ ถึงแม้ว่าอาคารจะมีหน้าตาเหมือนกัน แต่มีฟังก์ชันที่แตกต่างกัน วิศวกรก็จะมีวิธีคิดและให้ความสำคัญกับอาคารไม่เหมือนกัน โดย มยผ. ได้มีการจำแนกระดับสมรรถนะของอาคาร แบ่งออกเป็น 4 ระดับ คือ
- ระดับป้องกันการพังทลาย (Collapse Prevention Level; CP) : เป็นอาคารทั่วไปที่สามารถเสียหายหรือพังทลายได้ เช่น โกดังเก็บของต่างๆ
- ระดับปลอดภัยต่อชีวิต (Life Safety Level; LS) : เป็นอาคารอื่นๆ ที่ยอมให้เสียหายได้บ้างบางส่วน แต่ต้องไม่มีการพังทลาย และจะเข้าใช้งานได้ก็ต่อเมื่อมีประกาศจากทางการเท่านั้น เช่น คอนโดมิเนียม ห้างสรรพสินค้าต่างๆ โดยจะมีการเก็บสถิติแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวยาวประมาณ 500 ปีมาเป็นค่ากลางมาตรฐานในการคำนวณ
- ระดับอาคารปฏิบัติงานได้ (Operational Level) : ส่วนใหญ่จะเป็นอาคารสาธารณะที่มีความสำคัญในระดับหนึ่ง ที่ถึงแม้จะมีความเสียหายอยู่บ้าง แต่ยังคงสามารถใช้งานต่อไปได้ เช่น โรงพยาบาลขนาดเล็ก และอาคารสำนักงานต่างๆ
- ระดับเข้าใช้อาคารได้ทันที (Immediate Occupancy Level; IO) : เป็นอาคารที่จะต้องทนแรงแผ่นดินไหวที่รุนแรงที่สุดในสถิติรอบ 2,500 ปีได้โดยไม่เสียหายเลย เนื่องจากเป็นอาคารสำคัญที่จะต้องใช้งานได้แม้เกิดแผ่นดินไหว เช่น โรงพยาบาลขนาดใหญ่ และสถานีดับเพลิง
หน่วยต่างๆที่เกี่ยวข้อง :
- ริกเตอร์ (Richter Scale) คือ ความรุนแรงของแผ่นดินไหวที่จุดกำเนิด
- แมกนิจูด (Magnitude) คือ ขนาดของคลื่นแผ่นดินไหวที่ถูกส่งมา
**ปกติคนชอบมีคำถามว่า อาคารสามารถป้องกันแผ่นดินไหวได้กี่ริกเตอร์ >> อันนี้จริงๆตอบไม่ได้ เพราะขึ้นอยู่กับขนาดของแผ่นดินไหว และระยะห่างจากจุดเกิดเหตุ วิศวกรจึงต้องใช้ความเร่งตอบสนองเชิงสเปกตรัมใน มยผ. เป็นตัวคำนวณเพื่อหาค่าต้านทานแผ่นดินไหวที่ปลอดภัยนั่นเอง
- คาบ (Period) คือ ช่วงเวลาในการสั่น 1 รอบของอนุภาค มีหน่วยเป็นวินาที แปรผันตามความสูงของอาคาร
- ความถี่ (Frequency) คือ จำนวนรอบที่อนุภาคสั่นใน 1 วินาที มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือหรือ เฮิรตซ์ (Hertz , Hz)
**อาคารยิ่งสูงจะยิ่งตอบสนองต่อคาบยาว/ความถี่ต่ำ, อาคารยิ่งเตี้ยจะยิ่งตอบสนองต่อคาบสั้น/ความถี่สูง
ยกตัวอย่าง : เหตุการณ์แผ่นดินไหวล่าสุดที่ผ่านมาจะเห็นว่า อาคารสูงๆในกรุงเทพมักจะเกิดความเสียหายเยอะ เนื่องจากพฤติกรรมดินของกรุงเทพส่วนใหญ่เป็นดินอ่อน (เมื่อคลื่นเจอดินอ่อนมันจะขยายแรงและไปได้ไกล(คาบยาว)) เลยทำให้อาคารสูงได้รับผลกระทบมากกว่าอาคารเตี้ย / กลับกันแล้วดินที่ภาคเหนืออย่างเชียงใหม่เชียงรายจะเป็นดินแข็ง อาคารเตี้ยจึงเสียหายมากกว่าอาคารสูง เพราะคาบสั้นกว่านั่นเอง
กรณีคลื่นความถี่ของแผ่นดินไหวและอาคารตรงกันพอดี อาจเกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การสั่นพ้อง (Resonance) ซึ่งจะส่งผลให้ความรุนแรงเพิ่มมากขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่สามารถบรรเทาความรุนแรงลงได้ด้วยวิธี Dampers เป็นการเพิ่มตุ้มถ่วงน้ำหนัก หรือบางทีก็มีการทำสระว่ายน้ำอยู่ชั้นบนๆ จะช่วยเพิ่มตัวหน่วงน้ำหนักไม่เกิดการสั่นไหวรุนแรงเท่าแผ่นดินไหว และช่วยให้อาคารกลับสู่สภาวะสมดุลได้เร็วขึ้น
รูปทรงอาคารมีความสำคัญอย่างไร?
รูปทรงของอาคารมักจะสัมพันธ์กับตำแหน่ง Building Core ที่เป็นแกนกลางหลัก ซึ่งเป็นผนัง Shear Walls รับแรงเฉือนที่มากระทำด้านข้าง ซึ่งคำว่า ‘อาคารที่สมมาตร’ อาจไม่ได้หมายความแค่ว่าตัวอาคารเป็นทรงสี่เหลี่ยมที่เท่ากันทั้ง 2 ด้านเท่านั้น แต่แกนกลางอย่าง Core Lift จะต้องอยู่จุดศูนย์กลางพอดีด้วย แบบนี้ Shear Walls จะทำหน้าที่รับแรงเฉือนได้อย่างมีประสิทธิภาพและแทบจะไม่เกิดแรงบิดเลยครับ
กลับกันแล้วอาคารที่เป็นรูปทรง Free Form หรือตำแหน่ง Core Lift ไม่ได้อยู่จุดกึ่งกลาง อาจเยื้องไปฝั่งใดฝั่งหนึ่ง จะเรียกว่าเป็น ‘อาคารที่ไม่สมมาตร’ สิ่งที่เกิดขึ้นคือจะมีแรงบิดเพิ่มเข้ามา ซึ่งโครงสร้างหลักของอาคารจะต้องมีการคำนวณเผื่อ ให้สามารถรองรับแรงบิดในส่วนนี้ให้ได้ด้วยครับ โดยหากแกนเดียวไม่พอก็อาจต้องเพิ่ม Shear Walls ในจุดอื่นๆเข้าไปอีก เพื่อให้สามารถรับทั้งแรงเฉือนและแรงบิดได้นั่นเอง
เทคนิคการก่อสร้างใหม่ๆ ที่จะช่วยต้านทานแผ่นดินไหวได้ดีมากขึ้นมีอะไรบ้าง
อย่างที่เราได้ทราบกันไปแล้วว่าการจะสร้างตึกสูงจะมีทั้งกฎหมาย และมาตรฐานทางวิศวกรรมที่กำหนดเอาไว้เพื่อความปลอดภัยอยู่แล้ว แต่ก็จะมีบางอาคารที่ได้มีการเสริมโครงสร้างพิเศษเข้ามาอีก (นอกเหนือจากโครงสร้างหลัก) เพื่อช่วยป้องกันและลดความอันตรายจากการวิบัติของอาคารลงไปอีกได้ ได้แก่
1. Belt Truss (โครงข้อแข็งแบบเข็มขัด) คือโครงข้อแข็งแนวนอนที่อยู่รอบตัวอาคาร ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของอาคารสูงหรืออาคารที่มีรูปทรงพิเศษ เพื่อช่วยรับมือกับแรงลมและแรงแผ่นดินไหวอย่างมีประสิทธิภาพ ถือเป็นโครงสร้างที่สามารถพบเห็นได้ค่อนข้างบ่อย เช่น Taipei 101 (ไทเป, ไต้หวัน) / Burj Khalifa (ดูไบ, สหรัฐอาหรับเอมิเรตส์) / Petronas Towers (กัวลาลัมเปอร์, มาเลเซีย) เป็นต้น รวมถึงคอนโดมิเนียมในไทยบางโครงการก็มีการใช้โครงสร้างนี้ด้วยเหมือนกัน
2. BRB หรือ Buckling-Restrained Brace คือโครงสร้างเสริมแรงที่ออกแบบมาเพื่อให้ระบบรับแรงด้านข้างของอาคารสามารถทนต่อแรงจากด้านข้างได้ดีกว่าโครงสร้างทั่วไป โดยเฉพาะแรงลม และแรงแผ่นดินไหว โดยลักษณะเด่นคือเราจะเห็นโครงเหล็กไขว้กันไป-มาชัดเจนจากภายนอก (สามารถขยับได้) ทำหน้าที่ดูดซับพลังงานจากแผ่นดินไหว (Energy Dissipation) ที่ส่งไปยังโครงสร้างหลัก ทำให้โครงสร้างหลัก (เช่น คาน เสา) ไม่ต้องรับแรงกระแทกโดยตรง ช่วยให้เสียหายน้อยลง หรือซ่อมแซมได้ง่ายกว่า
ส่งท้าย
“..จริงๆแล้วบ้านเราเองมีมาตรฐานการออกแบบรองรับแผ่นดินไหวอยู่แล้ว ซึ่งถ้าผู้ออกแบบสามารถออกแบบได้ตรงตามมาตรฐาน และมีวิศวกรคอยดูแลตรวจสอบอยู่ทุกๆขั้นตอน โดยไม่มี Human Error หรือการปรับสเปควัสดุที่ผิดไปจากที่คำนวณไว้ ก็มั่นใจได้ว่าอาคารนั้นๆจะมีความแข็งแรงและปลอดภัยอย่างแน่นอน” ผศ. ดร.อาทิตย์ เพชรศศิธร กล่าว
Think of Living รวบรวมมาให้แล้ว!
โครงการเปิดใหม่ทั้งบ้านเดี่ยว บ้านแฝด ทาวน์โฮมและคอนโดมิเนียม ในทำเลทั่วกรุงเทพและปริมณฑล ในทุกๆเดือนย้อนหลัง ใครที่กำลังมองหาบ้านห้ามพลาด อาจจะมีโครงการในราคาและทำเลที่เพื่อนๆ ตามหาอยู่ก็เป็นได้นะ
เข้ามาชมบทความรายเดือนได้เลย คลิกที่นี่
