พื้นฐานในการคำนวณแรงลม
ว่าด้วยเรื่องของแรงลม ถึงแม้ว่าเราจะได้ post นำเสนอข้อมูลเกี่ยวกับวิธีในการพิจารณาแรงลมที่กระทำกับตัวอาคารไปพอสมควรนะครับทาง FB page SSI Love Steel Construction หลายท่านก็เข้าใจ บางท่านก็ได้ให้ความเห็นดีๆ educate พวกเราทำให้เราเข้าใจมากยิ่งขึ้น บางท่านก็ยังมีข้อสงสัยอยู่ เลยอยากนำเรื่อง wind load มานำเสนออีกครั้ง เพื่อที่จะอธิบายถึง พื้นฐานในการคำนวณแรงลม
ประเด็นแรก ที่อยากนำเสนอ คือ ลมเป็นของไหล ทำให้การคำนวณแตกต่างจาก dead load ซึ่ง static เวลา “ลมพัด” เข้าสู่ตัวอาคาร ลมก็จะเกิด action ต่างๆ กับตัวอาคาร เช่น “ปะทะ” เกิด positive pressure เข้ากับส่วนที่รับลม “เบี่ยงตัวออกไปยังบริเวณขอบ” ทำให้บริเวณขอบมุมของอาคารเกิด pressure ที่มากกว่าตรงกลาง
“ม้วนตัวดูด” นึกถึงเวลา “นกบิน” หรือ “ปั่นจักรยาน” นกตัวหน้า จักรยานคันหน้าจะต้องปะทะแหวกอากาศ แต่ “นกที่ตามหลัง หรือจักรยานคันหลัง จะถูกดูด” ไม่ต้องใช้แรงเยอะ
ถามว่า ปะทะหรือดูดมากแค่ไหน เบี่ยงตัวออกมากเพียงใด โดยหลักการ จะขึ้นกับรูปร่างของ object ที่ลมมาปะทะ เราจะเห็นการออกแบบทั้งรถยนต์ หมวกกันน๊อคของคนปั่นจักรยาน ฯลฯ ถูกออกแบบให้ aerodynamic ปะทะลมน้อยๆ ถูกดูดน้อยๆ
เพราะจะทำให้ความเร็วของรถยนต์ หรือรถจักรยานลดน้อยลง … ซึ่งต้องทำการทดลองให้อุโมงค์ลม และใช้ simulation ที่วิเคราะห์ของไหล ที่เรียกว่า CFD (Computation Fluid Dynamic) เข้ามาช่วยในการวิเคราะห์
สำหรับตัวอาคารก็เช่นเดียวกัน เมื่อทำการทดลองและวิเคราะห์ผลเสร็จเรียบร้อย นักวิจัยก็จะได้ “สัมประสิทธิ์ (coefficient)” ที่สะท้อนสัดส่วนของ pressure ที่เข้าปะทะลม ที่ส่วนต่างๆ ของอาคาร ทั้งผนังด้านต้นลม (windward wall) ผนังด้านท้ายลม (leeward wall) หลังคาด้านต้นลม (windward roof) หลังคาด้านท้ายลม (leeward roof)
ตลอดจนขอบมุมอาคารที่เกิดจากการเบี่ยงตัวของลม (edge) ว่าเป็นสัดส่วนเท่าไหร่เมื่อเทียบกับ pressure ที่เข้าปะทะตัวอาคาร เรียก สัมประสิทธิ์นี้ว่า “pressure coefficient” หรือ Cp
มาตรฐานการคำนวณแรงลม
มาตรฐานการคำนวณแรงลมของไทยอ้างอิงมาตรฐานแคนาดา หรือ NBCC ช่วงราวปี 2000 เป็นหลัก (มยผ.1311 ออกปี 2550 หรือ ค.ศ. 2002) ดังนั้น สิ่งที่ผู้ออกแบบต้องเข้าใจคือ หลักการของ มยผ.1311 ที่อ้างอิง NBCC และ ASCE 7 ที่วิศวกรโยธาหลายท่านใช้อ้างอิงนั้น
มี “ปรัชญาและแนวคิด” ส่วนใหญ่ที่คล้ายคลึงกัน แต่ก็มีบางส่วนที่แตกต่างกัน อันนำไปสู่การปฏิบัติ คือ ขั้นตอนการคำนวณที่แตกต่างกัน … ซึ่งท่านควรต้องทำความเข้าใจ อยากใช้ว่า “จำเป็นต้องทำความเข้าใจ” มากกว่าด้วยนะครับ เหตุเพราะ
การเข้าถึง NBCC ของวิศวกรไทย ทำได้ยากกว่า ASCE และการคำนวณแรงประเภทอื่นๆ ของเราอ้างอิง ASCE ดังนั้น กติกาในการออกแบบก็มักอ้างอิง ASCE เป็นหลัก เว้นเสียแต่ว่ากฎหมายจะสั่งให้ออกแบบตามมาตรฐานหนึ่งๆ เป็นการเฉพาะ
Cp ซึ่งได้มาจากการทดลอง และวิเคราะห์นั้น ในอดีตย่อมไม่ได้มีการทดลองและวิเคราะห์มากเท่ากับปัจจุบัน รูปแบบอาคารที่มีการทำตารางกำหนด Cp เพื่อใช้ในการคำนวณออกแบบ ตั้งแต่ปี 2000 ย่อมน้อยกว่ารูปแบบอาคารที่แสดงใน ASCE ฉบับใหม่ล่าสุด (ปี 2016)
ดังนั้น หากต้องการคำนวณหาแรงลมกับรูปแบบอาคารหน้าตาแปลกๆ เช่น รูปโดม เป็นต้น ค่า Cp นี้จะไม่มีแสดงใน มยผ. แต่มีแสดงใน ASCE ฉบับใหม่ๆ ซึ่งผู้ออกแบบควรทำความเข้าใจในหลักการใช้ เพราะการพิจารณาจะแตกต่างกัน
แรงดันลมภายใน
หลายท่านยังสงสัยเรื่อง แรงดันภายใน หรือ internal pressure ว่ามันคืออะไร มีลักษณะอย่างไร ประเด็นนี้ต้องจินตนาการ อาคารปิด เสมือนลูกโป่งที่สูบลมแล้วมัดยางเรียบร้อย ลมที่พัดปะทะลูกโป่งก็จะเกิด แรงดันภายนอก external pressure เท่านั้น แต่ความดันลมภายในจากแรงลมที่ปะทะก็จะไม่เกิดขึ้น
แต่หากลูกโป่งนี้ยังไม่ได้สูบลมแต่เปิดด้านที่สูบลมเข้าหาลมที่พัดเข้ามา ภายในลูกโป่งก็จะเกิดแรงดัน ผลักให้ลูกโป่งพองออก เสมือนอาคารที่มีช่องเปิด แล้วมีลมเข้าปะทะตัวอาคาร เข้าสู่ช่องเปิด ลมที่ปะทะและไหลเข้าสู่ช่องเปิดก็จะไป “ดัน” ให้เกิด internal presssure ในตัวอาคารขึ้น
ทั้งนี้ หากมีช่องเปิดด้านท้ายลมที่มากพอให้ลมสามารถ flow ออกได้ internal pressure ก็จะไม่เกิดขึ้น … นี่เป็นหลักการของการ identify ลักษณะของตัวอาคารเพื่อหาแรงดันลมภายในของตัวอาคารของ ASCE (ค่า Cpi) ซึ่งแตกต่างกับวิธีในการ identify ของ NBCC หรือ มยผ. 1311
ความแตกต่างระหว่าง มยผ. 1311 และ ASCE 7
ความแตกต่างที่สำคัญมากๆ ของ มยผ. และ ASCE ได้แก่
- การระบุประเภทอาคาร ว่าเป็น open structure หรือ enclosed structure หรือ partially open หรือ partially enclosed ที่แตกต่างกันระหว่าง ASCE กับ มยผ.
- การกำหนดแรงลมที่ใช้ออกแบบแตกต่างกัน มยผ. อ้างอิง ความเร็วลมเฉลี่ย 60 นาที หรือ 3600 วินาที แต่ ASCE อ้างอิง ความเร็วลมกรรโชก 3 วินาที ซึ่งย่อมมีค่าสูงกว่าค่าเฉลี่ยที่ 3600 วินาที เป็นธรรมดา
โดยจากการศึกษา พบว่าจะแตกต่างกัน 1.52 เท่า แต่ด้วย แรงลม แปรผันกัน ความเร็วลมยกกำลังสอง ดังนั้น แรงลมจาก ความเร็วลมกรรโชก 3 วินาที จะมีค่าประมาณ 2.31 เท่า ของ แรงลมจาก ความเร็วลมเฉลี่ย 60 นาที
- วิธีในการพิจารณา “ความเสี่ยง” เพื่อไปคำนวณแรงที่แตกต่างกัน มยผ. ใช้การกำหนดด้วยค่า importance factor หรือ Iw สำหรับอาคารที่ “เสี่ยงให้พังได้” ให้มีค่าต่ำ เช่น เรือนเพาะชำต้นไม้ ที่ไม่มีคนอยู่ คือ ทอนแรงลมลง 20% เหลือเพียง 0.8 ของแรงลมที่คำนวณได้
และสำหรับอาคารที่ “ไม่พร้อมเสี่ยงให้พัง” เช่น สถานีตำรวจ สถานีดับเพลิง โรงพยาบาล shelter อพยพหนีภัยเมื่อเกิดอุบัติภัย ก็เพิ่มค่าแรงให้สูงขึ้นอีก 15% หรือคูณด้วย Iw = 1.15 เข้าไปยังแรงลมที่คำนวณได้ โดยแรงลมพื้นฐานที่พิจารณาเป็น ความเร็วลมที่มีคาบการเกิดเฉลี่ย Mean Recurrence Interval ที่ 50 ปี
โอกาสเกิดแรงที่คำนวณได้ในแต่ละปี เท่ากับ 1/50 = 2% โอกาสไม่เกิด เท่ากับ 100 – 2 = 98% หรือโอกาสไม่เกิดในรอบ 50 ปีเท่ากับ 100 * 0.98^50 = 36.4% หรือ โอกาสเกิดแน่ๆ สักครั้งในรอบ 50 ปี เท่ากับ 100 – 36.4 = 64.6%
ในขณะที่ ASCE ฉบับใหม่ๆ กำหนด “ความเสี่ยง” ด้วยการพิจารณาความแปรปรวนตามหลักความเป็นไปได้ทางสถิติ โดยใช้ค่า MRI ที่พิจารณา คาบการกลับของลมที่ยาวนานขึ้น ถึงราว 1,700 ปี (โอกาสเกิดในแต่ละปี 0.06% โอกาสเกิดใน 50 ปี 2.90%) หรือ 3,000 ปี (โอกาสเกิดในแต่ละปี 0.03% โอกาสเกิดใน 50 ปี 1.65%) เป็นต้น
สรุปปัจจัยที่ส่งผลต่อแรงลม
ประเด็นสุดท้ายนี้ กล่าวโดยสรุป ปัจจัยที่ส่งผลต่อแรงลม ที่ใช้คำนวณออกแบบอาคาร ประกอบไปด้วย 5 ปัจจัย คือ
1. พิกัด Location ที่จะก่อสร้างอาคาร ส่งผลต่อ ความเร็วลมที่เก็บข้อมูลในเชิงสถิติ (ของไทยโดยกรมอุตุนิยมวิทยา) ซึ่งได้มีการจัดทำเป็น wind map แบ่งโซนความเร็วลมที่ใช้ในการออกแบบเป็น 4 โซน ที่ 25 27 29 เมตรต่อวินาที
แต่กลุ่ม 4 เพิ่มตัวคูณแรงลม MRI = 50 ไปโดยตรงอีกนิด จากผลของพายุไต้ฝุ่น โดยเฉพาะทางภาคไต้ของไทย pressure q = 1/2 (ความหนาแน่นมวลอากาศ 1.25 kg/m^3 หารด้วย ความเร่งจากแรงโน้มถ่วงโลก 9.81 m/s^2) * (V^2)
2. สภาพภูมิประเทศ Exposure เป็นพื้นที่เปิดโล่ง ลมก็พัดได้สะดวก แรงลมก็มาก มยผ. กำหนด Exposure A และพื้นที่ในเมือง มีอาคารมาบังทิศทางลม กำหนด Exposure B … ตรงนี้ขึ้นกับวิจารณญาณของผู้ออกแบบด้วยนะครับ คือ บางอาคารอาจอยู่ในเมือง แต่อยู่บริเวณ “ช่องลม” พอดี ก็อาจต้องพิจารณาเพิ่มค่านี้ด้วย ใน มยผ. กำหนดสัญลักษณ์ Ce
3. ความไดนามิกส์ของลม ลมไม่ใช่แรงที่กระทำสม่ำเสมือ มีการเคลื่อนที่ ม้วนตัว เกิดการกรรโชกของลม เกิดเป็น impulse ที่กระทำกับตัวอาคาร ใน มยผ. กำหนดสัญลักษณ์ Cg
4. ลักษณะรูปร่างอาคาร ลมพัดผ่าน object รูปร่างแตกต่างกัน เกิดแรงกระทำไม่เท่ากัน ค่านี้ต้องทดสอบและตรวจด้วย CFD เท่านั้น คำนวณไม่ได้ มาจากงานวิจัยล้วนๆ ทำขึ้นมาโดยใน มยผ. กำหนดสัญลักษณ์ Cp เรียกว่า pressure coefficient โดยนอกจากรูปร่างหน้าตาของอาคาร ยังขึ้นกับ
4.1 ทิศทางการพัดของลม คือ ลมพัดได้ 360 องศา มาในทิศเหนือ/ไต้ ไต้/เหนือ ตะวันออก/ตะวันตก ตะวันตก/ตะวันออก ได้หมด ดังนั้น “อย่างน้อยที่สุดต้องพิจารณา 2 ทิศ คือ เหนือ/ไต้ กับ ตะวันออก/ตะวันตก
4.2 ช่องเปิด ที่รับลม ทั้งขนาดและตำแหน่ง ซึ่งเป็นตัวกำหนดแรงดันภายในอาคาร หรือ Cpi โดยพิจารณา 2 กรณี คือ ช่องเปิดอยู่ด้านต้นลม (แรงดันลมภายในเป็นบวก) และ ช่องเปิดอยู่ด้านท้ายลม (แรงดันลมภายในเป็นลบ)
ดังนั้นในการคำนวณ จะต้องพิจารณาแรงลม 4 กรณี คือ
– ลมพัดทิศเหนือ/ใต้ แรงดันลมภายในเป็นบวก
– ลมพัดทิศตะวันออก/ตะวันตก แรงดันลมภายในเป็นบวก
– ลมพัดทิศเหนือ/ใต้ แรงดันลมภายในเป็นลบ
– ลมพัดทิศตะวันออก/ตะวันตก แรงดันลมภายในเป็นลบ
ทั้งนี้ การคำนวณตามมาตรฐาน จะแยกค่า Cp ที่ใช้คำนวณ โครงสร้างหลัก และโครงสร้างรอง เช่น แรงลมที่ใช้ออกแบบโครงคร่าวรับผนัง หรือ แรงลมที่ใช้ออกแบบแปมุงหลังคา ออกจากกัน การอ้างอิง Cp ก็ต้องไปดู ตาราง ข.2 ข.3 ข.4 ข.5 ฯลฯ ใน มยผ. นะครับ
5. การบริหารจัดการความเสี่ยง อาจพิจารณาตาม มยผ. ด้วย Importance factor Iw หรือถ้าอ้างอิง ASCE ก็ดูที่ MRI นะครับ
รายละเอียดปลีกย่อยมีอีกมาก ยังไงเดี๋ยวทำ clip มาสรุปให้อีกทีนะครับ มีตัวอย่างประกอบ ลองทำดูเดี๋ยวมาเฉลยนะครับผม
