การเปรียบเทียบแรงลมและแรงแผ่นดินไหวที่กระทำกับอาคารโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า
สำหรับเนื้อหาในวันนี้จะเป็น การเปรียบเทียบแรงลมและแรงแผ่นดินไหว ที่กระทำกับอาคารโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า ซึ่งอยากจะนำเสนอให้ได้เห็นกันว่า สำหรับอาคารประเภทนี้แล้ว แรงทางด้านข้างที่จะต้องพิจารณาเป็นหลัก คือ แรงลมหรือแรงแผ่นดินไหวกันแน่
การออกแบบอาคารที่มีลักษณะเป็นโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า โดยปกติแล้ว นอกจาก dead load live load และ roof live load ที่กระทำกับอาคารแล้ว ก็จะต้องพิจารณาแรงกระทำทางด้านข้างทั้งแรงลมและแรงแผ่นดินไหวร่วมด้วย
เนื่องจากขนาดความกว้างของ bay spacing นั้น ค่อนข้างที่จะมากทำให้แรงลมที่ถ่ายเข้าโครงสร้างหลักมากตามไปด้วย ส่วนแรงแผ่นดินไหวก็จะขึ้นอยู่กับ dead load ของอาคารเป็นหลัก หากน้ำหนักของอาคารยิ่งมาก ก็จะทำให้แรงเฉือนที่ฐานของอาคารนั้นมากไปด้วย ซึ่งก็คือ base shear
หากพูดถึงแรงลม อย่างที่หลายๆ ท่านทราบกันดีว่า แรงลมที่กระทำกับอาคารจะแรงหรือเบานั้น ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ลักษณะอาคาร (มีช่องเปิดมากหรือน้อย) ที่ตั้งของอาคาร ภูมิประเทศในบริเวณนั้น เป็นต้น ซึ่งปัจจัยเหล่านี้จะทำให้แรงดันลมที่กระทำทั้งภายในและภายนอกตัวอาคารเกิดการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งก็จะส่งผลทำให้แรงที่จะนำไปใช้ในการพิจารณาออกแบบในท้ายที่สุดนั่นเอง (ตัวอย่างการคำนวณแรงลม)
ซึ่งการจะพิจารณาแรงลมให้ถูกต้อง จะต้องเข้าใจถึงทิศทางที่ลมกระทำกับตัวอาคารและเครื่องหมายบวกและลบที่ใช้ในการระบุว่าแรงลมที่กระทำกับตัวอาคารเป็นทิศทางพุ่งเข้าหรือดึงออกอีกด้วย โดยในขั้นตอนแรก ก็คือ การคำนวณแรงดันลมที่กระทำกับผนังและหลังคาของอาคารด้านนอกและด้านใน เพื่อนำมาคำนวณเป็นแรงดันลมสุทธิ
ตาม มยผ. 1311 แล้ว ด้านที่เป็นผนัง คือ ด้าน 1 และ 4 ก็จะสามารถที่จะรวมแรงกันได้ โดยจะต้องพิจารณาทิศทางของแรงดันลมสุทธิร่วมด้วย จากนั้นให้เลือกค่า แรงดันลมที่มากที่สุดมาใช้ในการออกแบบอาคาร โดยจากตัวอย่างจะเห็นว่า ค่าที่มากที่สุด ที่กระทำกับด้านที่ 1 เท่ากับ 65.43 kg/m2
ต่อมาก็นำค่าแรงดันลมสุทธิมาคูณเข้ากับความสูงของอาคาร และความกว้างระหว่างเสาถึงเสา (bay spacing) ที่เท่ากับ 6 เมตร และ 7.5 เมตร ตามลำดับ ก็จะได้แรงลมที่กระทำกับโครงสร้างหลักในหน่วย kg
การพิจารณาแรงแผ่นดินไหวที่กระทำกับโครงสร้างหลัก
ส่วนแรงแผ่นดินไหวจะแตกต่างกับแรงลมอยู่ในหลายๆ จุด เนื่องจากเป็นการพิจารณาหาแรงเฉือนที่ฐาน (base shear) ที่ตัวอาคาร แล้วถ่ายแรงเข้าอาคารในแต่ละชั้น ซึ่งแรงที่กระทำกับตัวอาคารจะมากหรือน้อย สิ่งหนึ่งที่สำคัญก็คือ น้ำหนักของตัวอาคาร หรือ dead load ซึ่งจะส่งผลโดยตรงกับแรงเฉือนที่ฐาน (base shear) ที่เกิดขึ้น (หลักในการพิจารณาแรงแผ่นดินไหว)
นอกจากน้ำหนักของตัวอาคารแล้ว ปัจจัยที่มีผลกับ base shear ก็คือ ตำแหน่งที่ตั้งของอาคาร ลักษณะของดินในพื้นที่นั้นๆ และระบบของโครงสร้างที่เลือกใช้ เช่น moment frame ที่มีความเหนียวปกติ ก็จะมีค่าประกอบปรับผลตอบสนอง (R) ค่าหนึ่ง หากเปลี่ยนระบบเป็นแบบ moment frame ที่มีความเหนียวพิเศษ ก็จะให้ค่าที่เยอะขึ้น โดยค่าที่เยอะนี้ ก็จะลด base shear ที่เกิดขึ้นได้ แต่…ก็จะมีค่าใช้จ่ายในการทำรายละเอียดจุดต่อที่มากขึ้นตามไปด้วย
เมื่อคำนวณ base shear มาได้แล้ว ก็จะได้เป็นค่า base shear ที่กระทำกับทั้งอาคาร ดังนั้นหากต้องการทราบว่า แรงที่กระทำต่อโครงสร้างหลักมีค่าเท่าไหร่ ก็ให้นำค่า base shear มาหารด้วยจำนวน bay ของโครงสร้างหลัก ก็จะได้แรงที่อยู่ในหน่วย kg ที่กระทำกับโครงสร้างหลัก ซึ่งก็จะสามารถนำไปเปรียบเทียบกับแรงลมที่เกิดขึ้นได้แล้ว
ดังนั้น ข้อสรุปของ การเปรียบเทียบแรงลมและแรงแผ่นดินไหว คือ สำหรับอาคารที่เป็นโรงงานอุตสาหกรรมและคลังสินค้า ซึ่งโครงสร้างเกือบทั้งหมดเป็นโครงสร้างเหล็ก และมีเป้าหมายในการรีดน้ำหนัก หรือ optimization ให้มากที่สุด เป็นผลให้อาคารประเภทนี้มี dead load ที่เรียกได้ว่า ค่อนข้างเบามากๆ เพราะฉะนั้นจึงเป็นสาเหตุให้เกือบจะทั้งหมดของอาคารประเภทนี้ “แรงลมจะเป็นตัวควบคุมพฤติกรรมของอาคาร มากกว่าแรงแผ่นดินไหว” ดังที่แสดงตัวอย่างครับ
