การทำรายละเอียดเพื่อป้องกันปัญหา ผนังอาคาร โครงสร้างเหล็กแตกร้าว
หลายท่านอาจจะเคยเจอกับปัญหานี้ด้วยตัวเองมาก่อน ก่อผนังอิฐฉาบปูนปกติติดตั้งเข้ากับโครงเหล็กดังเช่นที่เคยทำมา แต่เพราะเหตุใด ผนังก่ออิฐฉาบปูน ที่ไม่ว่าจะทำจากอิฐมอญ อิฐมวลเบา หรือแผ่นผนังสำเร็จรูป แต่กลับต้องเจอปัญหาเดิมๆ คือ ผนังอาคาร ดังกล่าวนี้เกิดการแตกร้าว จะแก้อย่างไรก็ไม่หายสักที โพสต์นี้มีคำตอบครับ
วิธีการติดตั้งผนังก่ออิฐฉาบปูน เข้ากับอาคาร คสล. ปกติ
ก่อนอื่น ต้องทำความเข้าใจก่อนว่าผนังก่ออิฐฉาบปูนที่เราก่อสร้างกันมานั้น มีหลักปฏิบัติทั่วไป คือการ “ก่อชน” เข้ากับโครงสร้างหลักของตัวอาคาร วางบนพื้นไปชนกับขอบเสาทั้ง 2 ด้านทางด้านซ้ายและด้านขวา ก่อไปจนจรดด้านใต้ของคานรับพื้นชั้นบน
โดยจำเป็นจะต้องทำการติดตั้ง “เหล็กหนวดกุ้ง” ที่เป็นเหล็กกลมขนาดเล็กๆ ที่สอดเข้าไปในรูที่ทำการเจาะขอบเสาและใต้คานด้วยสว่าน แล้วกรอก (grout) ด้วยน้ำปูน เพื่อเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวไม่ให้เหล็กหนวดกุ้งถูกดึงถอนออกมาได้ง่ายเมื่อ ผนังอาคาร ต้องรับแรง เช่น แรงลม แรงแผ่นดินไหว เป็นต้น
พฤติกรรมของเหล็กกับอิฐหรือคอนกรีตเมื่อได้รับความร้อน
โดยหลักการพื้นฐาน ทุกท่านทราบดีครับว่า เหล็กมีอัตราการขยายตัวได้สูงกว่าอิฐ (brick masonry) ราว 40% หรืออาจกล่าวได้ว่า หากเหล็กได้รับอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้นก็จะขยายตัวได้มากขึ้นกว่าอิฐ และในทางกลับกันหากเหล็กได้รับอุณหภูมิที่ลดลงก็จะหดตัวได้มากกว่าอิฐ ราว 40% เช่นกัน
การติดตั้งผนังอิฐกับอาคารโครงสร้างเหล็ก
ด้วยความคุ้นเคยในงานก่อสร้างอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก (คสล.) ส่งผลให้ผู้รับเหมาก่อสร้างบางราย นำวิธีการติดตั้งผนังอิฐที่เป็นผนังภายนอก (exterior wall) เข้ากับเสาและคานโครงสร้างเหล็กดังเช่นการติดตั้งผนังอิฐก่อเข้ากับเสาและคาน คสล.
เสาและคานเหล็กที่นำมาใช้เป็นโครงอาคารก็มักจะเปิดให้เห็นสู่ภายนอก เพื่อแสดงคุณค่าในเชิงสถาปัตยกรรม มีลักษณะทางการใช้งานที่เรียกว่า Architecturally Exposed Structural Steel (AESS) ซึ่งแสดงรายละเอียดไว้โดย American Institute of Steel Construction (AISC) ดัง https://www.aisc.org/globalassets/aisc/aess/all_about_aess_reprint.pdf
ปัญหาที่เกิดขึ้น คือ ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในตัวอาคาร ที่มักจะอยู่ในช่วงระหว่าง 24 – 28 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิภายนอกอาคารที่อยู่ในช่วง 28 – 40 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นช่วงอุณหภูมิที่มักเกิดขึ้นในเขตร้อนชื้นดังเช่นประเทศไทย ส่งผลให้เมื่ออุณหภูมิภายนอกเพิ่มสูงขึ้นในช่วงเวลาบ่ายในฤดูร้อน เสาหรือคานเหล็กที่ส่วนต้อง expose กับอุณหภูมิภายนอกก็เกิดการขยายตัวมาก
ในขณะที่เสาหรือคานเหล็กส่วนที่อยู่ภายในอาคาร ซึ่งจะ expose กับอุณหภูมิภายในอาคารที่ไม่สูงมาก ก็จะไม่เกิดการยืดตัวมากเท่ากับส่วนที่สัมผัสอากาศร้อนภายนอก ส่งผลให้เสาและคานเหล็กดังกล่าวเกิดการขยายตัวที่ไม่เท่ากัน เกิดการดัดและบิดตัวในบางจุดบางตำแหน่ง ในขณะที่ผนังอิฐก่อ จะไม่เกิดการขยายตัวหรือหดตัวที่มากนักจากผลของ สัมประสิทธิ์การขยายตัวที่ไม่สูงเท่ากับเหล็ก
จินตนาการ ผนังอาคาร ที่ตัวโครงทั้งเสาและคานยืดตัวออก แต่ผนังแทบไม่ค่อยยืดออกนะครับ แล้วท่านจะเห็นภาพว่าอะไรมันจะเกิดขึ้น ถ้าหากว่า ผนังอาคาร มีการยึดกับตัวโครงอย่างแน่นหนาด้วยการเชื่อมเหล็กหนวดกุ้ง แล้วฝังเหล็กหนวดกุ้งนั้นกับผนังก่ออิฐ
หลักปฏิบัติในการติดตั้งผนังก่ออิฐกับโครงสร้างเหล็ก
ในหลักวิศวกรรมโครงสร้าง ผู้ออกแบบจะต้องพิจารณาผลจากการขยายตัวของโครงสร้างอันเนื่องมาจากอุณหภูมิ ที่ปรากฏเห็นได้ทั่วไปเช่น
- การติดตั้งรอยต่อเผื่อการขยายตัว (expansion joint) ที่โครงสร้างส่วนบนของสะพาน
- หรือการทำรูเจาะร่องยาว (long slotted hole) สำหรับติดตั้งแปอาคารเพื่ออำนวยให้ส่วนของโครงสร้างที่มีโอกาสจะขยายหรือหดตัว สามารถจะขยายหรือหดตัวได้อย่างอิสระโดยไม่ส่งผลต่อการเพิ่มของแรงภายในที่อาจเกิดขึ้นกับโครงสร้าง จนอาจส่งผลต่อการวิบัติของโครงสร้างได้
สำหรับผนังก่ออิฐฉาบปูนนั้น โดยหลักแล้วไม่ใช่ส่วนของโครงสร้างแต่เป็นส่วนของงานสถาปัตยกรรม ซึ่งสถาปนิกอาจไม่ได้คำนึงถึงผลของการยืดหรือหดตัวของวัสดุที่นำมาติดตั้งเข้ากับส่วนของโครงสร้าง จึงส่งผลต่อการแตกร้าวเสียหายกับผนังอาคารได้เสมอๆ
หากนำหลักปฏิบัติทางวิศวกรรมมาใช้ในการทำ detail ที่เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่าง ผนังอิฐก่อภายนอก กับ เสาและคานโครงสร้างเหล็ก โดยหลักแล้วแบ่งออกเป็น 2 กรณีใหญ่ๆ คือ
1. กรณีที่ไม่ expose เหล็กโครงสร้างกับสภาพอากาศภายนอก
กรณีนี้เป็นกรณีที่นิยมใช้ทั่วไปในต่างประเทศ โดยเป็นการ “หุ้มโครงสร้างเหล็กด้วยผนังภายนอก” ส่งผลให้โครงสร้างเหล็กทั้งหมดไม่เป็น AESS ไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายที่มากในการปกป้องเหล็กจากความเสี่ยงต่อการเกิดสนิมที่เพิ่มสูงขึ้นจากสภาพอากาศภายนอกที่รุนแรงกว่าในอาคารหลักในการถ่ายแรงคือ ผนังภายนอกวางบนพื้นหรือส่วนของโครงสร้างที่ทำออกมาเพื่อรองรับ gravity load จากผนัง โดยที่จะทำการยึดผนังกับพื้นอาคาร (floor slab) เพื่อถ่ายแรงในแนวนอนไปยังระบบรับแรงด้านข้างต่อไป
ในกรณีนี้ ผู้ออกแบบอาจทำการยึด ผนังอาคาร เข้ากับเสาหรือคานเหล็กก็ได้ ด้วยเหตุที่เหล็กโครงสร้างจะไม่ต้องไปสัมผัสความร้อนจากภายนอก (แต่จะอยู่ภายในอาคารที่มีการรักษาระดับอุณหภูมิที่พอเหมาะกับการอยู่อาศัยใช้งานของมนุษย์)
2. กรณีต้องการ expose เหล็กโครงสร้างกับสภาพอากาศภายนอก
ผู้ออกแบบรายละเอียดอาจต้องจินตนาการถึงรูปแบบการเสียรูปของโครงสร้างเหล็ก และการ “รั้งผนังให้เกิดเสถียรภาพ” ซึ่งไม่ใช่เป็นการยึดให้แน่น แต่เป็นการพยุงไม่ให้ ผนังอาคาร เกิดการล้มเมื่อมีแรงลมมากระทำ ผนังกับเสาไม่ได้ติดตั้งแนบชิดติดกันแต่จะเว้นช่องว่างไว้เผื่อการขยายตัว โดยมีการติดตั้งเหล็กหนวดกุ้งยึดไว้อย่างไม่ rigid สามารถอำนวยให้เสาขยับตัวได้โดยไม่ไปดึงผนังอิฐก่อ และคู่ขนานกันไปก็ต้องมีวัสดุที่ยืดหยุ่นได้มาปิดร่องระหว่างเสาหรือคานเหล็กกับผนังอิฐก่อ (จากรูปใช้ศัพท์ว่า backer rod & sealant)
และเช่นกันสำหรับผนังอิฐก่อกับคานเหล็ก รายละเอียดที่ดีจะต้องเผื่อช่องว่า (gap) เพื่ออำนวยให้คานเหล็กสามารถให้ตัวได้ ทั้งการเกิดการแอ่นตัวในแนวดิ่ง การเสียรูปออกทางด้านข้าง หรือการขยายตัวจากผลของอุณหภูมิ แต่ทั้งนี้ก็ต้อง “พยุง” ไม่ให้ผนังอิฐก่อเกิดการล้ม ด้วยการติดตั้งเหล็กฉากทั้ง 2 ด้านของคานเหล็กโดยไม่ทำการเชื่อมติดเหล็กฉากเข้ากับคานเหล็ก และติดตั้งเหล็กฉากเข้ากับ “คานทับหลัง” ของอิฐก่อให้แน่นหนาด้วยสลักเกลียวที่ยาวทะลุผนังอิฐก่อ (through bolt)
หมายเหตุไว้นิดครับว่า สำหรับรูปด้านล่าง มี detail ของผนังที่เป็นแบบไม่รับแรง ที่ต้องเผื่อช่องว่างเอาไว้ (type 1) แล้วปิดทับด้วยวัสดุยึดหยุ่นปิดร่อง และแบบที่รับแรง (type 2 & 3) ซึ่งผนังต้องมีการเสริมกำลังด้วยเหล็กเสริมให้แข็งแรง ตามที่ผู้ออกแบบต้องการ และต้องทำการเติมช่องว่างด้วย sand mortar ที่เรียกว่า drypack เพิ่มเติมด้วย
บทส่งท้าย
แม้ว่า ผนังอาคาร จะไม่ใช่ส่วนของโครงสร้างหลัก ไม่ได้ส่งผลต่อความปลอดภัยในการใช้อาคาร แต่ ผนังอาคาร มีส่วนสำคัญยิ่งต่อการใช้งานได้ดี หรือ serviceability ที่สะท้อน “ความรู้สึกปลอดภัย” ไม่กังวลว่าอาคารจะพังถล่มเมื่อเห็นผนังแตกร้าว และ “ความไร้กังวล” ต่อปัญหาต่างๆ ที่ตามมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งปัญหาน้ำรั่วซึมเข้าสู่ตัวอาคาร อันเป็นสิ่งที่แก้ไขให้หายขาดได้ยากยิ่ง การมีความเข้าใจในหลักพื้นฐานและการทำรายละเอียดที่ดี จะเป็นสิ่งสำคัญที่ช่วยให้อาคารสามารถให้บริการได้ดี ผู้ใช้อาคารเกิดความพึงพอใจ ไม่ต้องกังวลต่อปัญหาที่จะตามมาในอนาคต