ลักษณะการวิบัติของพื้นอัดแรง (post tensioned slab)
ทำความรู้จักกับ พื้นอัดแรง หรือ post-tensioned slab Click !!
ก่อนจะพูดถึงของลักษณะการวิบัติหลักๆ ของพื้นอัดแรง เราก็มาคุยกันถึงเรื่องของลักษณะทางกายภาพของการก่อสร้างด้วยระบบนี้กันก่อนครับ
ข้อกำหนดเชิงรูปทรง (geometry requirements)
ด้วยความที่พื้นชนิดนี้มีความบางที่ค่อนข้างมาก อีกทั้งยังไม่มีคานมารองรับพื้น ดังนั้น สิ่งที่จะต้องระวังมีอยู่ด้วยกัน 2 ข้อหลักๆ ก็คือ (1.) การแอ่นตัวของพื้น (deflection) และ (2.) การเฉือนทะลุที่แผ่นพื้นบริเวณหัวเสา (punching shear)
ดังนั้นแล้ว จึงมีข้อแนะนำสำหรับการเลือกใช้ความหนาของพื้น เพื่อที่จะเป็นเหมือนสารตั้งต้นให้กับผู้ออกแบบพื้นเลือกใช้ความหนาของพื้นได้อย่างเหมาะสม ดังนี้
- พื้นไร้คานที่รับน้ำหนักบรรทุกน้อย – ให้ใช้ค่าความหนาพื้น โดยพิจารณาเป็นอัตราส่วนต่อความยาวช่วงต่อความหนาพื้นเท่ากับ 40 ถึง 48 หรือก็คือ L / d = 40 – 48
- พื้นไร้คานที่รับน้ำหนักบรรทุกปกติ เช่น สำนักงาน – ให้ใช้ค่าความหนาพื้นอย่างน้อย โดยพิจารณาเป็นอัตราส่วนต่อความยาวช่วงต่อความหนาพื้นเท่ากับ 34 ถึง 42 หรือ L / d = 34 – 42
- พื้นไร้คานที่รับน้ำหนักบรรทุกหนัก เช่น ห้องเก็บของ คลังสินค้า – ให้ใช้ค่าความหนาพื้นอย่างน้อยเท่ากับ L/28 ถึง L/36
ส่วนการแอ่นตัว ก็มีตัวเลขที่แนะนำไว้เช่นเดียวกัน ซึ่งจะหมายถึง ระยะการแอ่นตัวสูงสุดที่ยอมให้ ดังที่แสดงด้านล่างนี้ (ซึ่งเป็นข้อแนะนำทางด้าน serviceability นั่นหมายความว่า ไม่ได้มีผลต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง หรือส่งผลให้โครงสร้างเกิดการวิบัติแต่อย่างใด แต่จะหมายความถึง ความสามารถใช้งานได้ดีของอาคาร ที่ทำให้ผู้ใช้อาคารอยู่หรือใช้งานอาคารได้อย่างสบาย ไม่แอ่นตัวมากไปจนรู้สึกได้ว่าพื้นมันแอ่น หรืออาคารไม่สั่นไหวจนคนรู้สึกได้ เป็นต้น)
- พื้นที่ไม่มีส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้างมายึดติด – ในความหมายของส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง คือ งานระบบ งานสถาปัตย์ เช่น ฝ้าเพดาน ให้ใช้ deflection limit = L / 240 (ตัวเลขที่เราทุกคนคุ้นเคย)
- พื้นหรือดาดฟ้าที่มีส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้างมายึดติด – การแอ่นตัวที่มากเกินไปอาจทำให้ชิ้นส่วนเหล่านั้นเสียหายได้ เช่น ฝ้าเพดานแตกร้าว หรือท่อน้ำที่ห้อยติดกับพื้นหักหรือหลุดออกจากกันได้เนื่องจากพื้นเกิดการแอ่นตัวที่มากเกินไป ให้ใช้ deflection limit = L / 480
- พื้นหรือดาดฟ้าที่มีส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้างมายึดติด แต่ไม่เกิดความเสียหาย – deflection limit ก็จะยอมให้แอ่นตัวเยอะขึ้นมาหน่อย เนื่องจากชิ้นส่วนที่นำมาติด มีความยืดหยุ่นที่ดี ไม่เกิดความเสียหายเมื่อพื้นมีการแอ่นตัวที่มาก
** ค่าที่ให้ไว้ในข้อที่ 1 จะจะเป็นค่า deflection limit ที่พิจารณาเพียง live load ที่ทำให้เกิดการแอ่นตัวขึ้นทันที
** ส่วนในข้อ 2 และ 3 จะเป็นค่า deflection limit ที่พิจารณาน้ำหนักบรรทุกรวม จาก DL (รวมไปถึงน้ำหนักบรรทุกคงค้างต่างๆ) และ LL (ที่ทำให้เกิดการแอ่นตัวขึ้นทันที) นะครับ
การวิเคราะห์โครงสร้างสำหรับพื้นอัดแรง / post-tensioned slab (แบบ flat slab)
สำหรับพื้นอัดแรงนั้น การวิเคราะห์เพื่อหาโมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้น จะใช้วิธีที่เรียกว่า วิธีโครงข้อแข็งเทียบเท่า (Equivalent Frame Method) ซึ่งวิธีนี้มีการกำหนดอยู่ใน ACI 318
การวิเคราะห์ด้วยวิธีนี้จะมองโครงสร้างทั้งระบบเป็นเหมือน moment frame โดยพิจารณาให้พื้นเป็นคานตัวหนึ่งที่ยึดกับเสา โดยมีความกว้างของพื้นที่ใช้ในการพิจารณาเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวช่วงด้านซ้ายและด้านขวาของแนวเสา (L/2) (ดูในรูปน่าจะเข้าใจง่ายกว่านะครับ) และพิจารณาว่าจุดรองรับของเสาอีกด้านหนึ่งเป็นแบบ fixed-end
Failure modes ของพื้นอัดแรงที่ต้องพิจารณา (ข้อกำหนดในการออกแบบ)
การวิบัติที่อาจะเกิดขึ้นกับพื้นอัดแรง นั้น จริงๆ มีค่อนข้างจะหลายลักษณะนะครับ ซึ่งในการออกแบบก็จะต้องพิจารณาทั้งแรงที่เป็น gravity load (dead load, live load) และ lateral load (wind load, seismic load) ดังนั้นแล้ว failure modes ก็จะมีค่อนข้างเยอะนิดนึงครับ ดังด้านล่างนี้
- หน่วยแรงยืดหยุ่น (elastic stress) – (i) ในขณะก่อสร้าง (ii) ขณะใช้งาน คือ มี live load เข้ามากระทำ และ (iii) เมื่อสิ้นสุดการใช้งานตามที่กำหนดไว้ เช่น 50 ปี
- โมเมนต์ดัดประลัย (flexural moment) – จากแรงในแนวดิ่งและแรงทางด้านข้าง
- แรงเฉือนประลัย (shear) – จากแรงในแนวดิ่งและแรงทางด้านข้าง
- แรงแบกทานของคอนกรีตบริเวณ anchorage (ที่ยึด tendon)
- แรงอื่นๆ เช่น แรงบิด แรงที่เกิดจากการหดและขยายตัว
แต่ failure mode หลักๆ จะเป็นข้อ 2 และ 3 ซึ่งโมเมนต์ดัด (flexural moment) จะเป็นตัวที่กำหนดปริมาณเหล็กเส้นและ tendon ในพื้นว่าจะต้องใส่มากน้อยเพียงใด
ส่วนแรงเฉือน (shear) ก็เป็นอีกตัวหนึ่งท่จะต้องระวังเป็นอย่างมาก เนื่องจากระบบการก่อสร้างนี้มีโครงสร้างพื้นที่ค่อนข้างบาง การเกิดแรงเฉือนทะลุ (#punching shear) ของพื้นที่บริเวณหัวเสา สามารถเกิดขึ้นได้ง่าย เนื่องจากกำลังรับแรงเฉือนทะลุของพื้น จะเป็นการพิจารณา (i) ความหนาของพื้น ซึ่งเราบอกว่า โดยทั่วไปแล้วพื้น post tension จะมีความหนาอยู่ระหว่าง 20 – 25 cm. ซึ่งถ้าเทียบความหนาพื้นกับความยาวช่วง (span length) ก็จะเห็นว่า ความหนาของพื้นมีค่าค่อนข้างน้อย (ii) พื้นที่รอบหัวเสา โดยคิดความกว้างประสิทธิผลที่ d/2 (วัดออกมาจากหน้าเสาแต่ละด้าน โดยที่ d คือ ความลึกของพื้น)
ดังนั้นจะเห็นว่า กำลังรับแรงเฉือนทะลุของพื้น น่าจะเป็นตัวที่ control พฤติกรรม ซึ่งหมายถึงให้กำลังรับแรงที่ต่ำที่สุด เพราะฉะนั้น ในหลายๆ ครั้ง เราก็จะเห็นว่า การออกแบบพื้น post tension จะต้องมีการทำ drop panel ที่หัวเสา ซึ่งจะเข้ามาช่วยให้ความลึกและความกว้างประสิทธิผล ที่ใช้สำหรับรับแรงเฉือนทะลุเพิ่มมากขึ้นนั่นเอง