วิธีออกแบบโครงสร้างเหล็ก ASD หรือ LRFD แบบไหนประหยัดกว่ากัน?
ปรัชญาในการออกแบบ ด้วยวิธี Allowable Stress Design หรือ ASD และ Load and Resistance Factored Design หรือ LRFD มักจะมีคน ชอบตั้งคำถาม (เกี่ยวกับ วิธีออกแบบโครงสร้างเหล็ก) ทีทำให้เกิดความเข้าใจคลาดเคลื่อนได้พอสมควร เช่น
ASD กับ LRFD การออกแบบด้วยวิธีไหนประหยัดกว่ากัน หรือการออกแบบวิธีไหนที่ปลอดภัยมากกว่ากัน เป็นต้น
หากต้องตอบคำถามแรก คงจะต้องตอบว่า บางครั้ง LRFD ก็ประหยัดกว่า และในบางครั้ง ASD ก็ประหยัดกว่า อาจจะฟังดูกวน ๆ ไปนิด แต่มันคือข้อเท็จจริงครับ
ส่วนคำถามที่สอง … หากตอบว่า การออกแบบด้วยวิธี LRFD น่าจะปลอดภัยมากยิ่งกว่า ทั้งนี้ ต้องเสริมด้วยเหตุผลที่ว่า “เพราะ LRFD เป็นรูปแบบที่มีการพัฒนาต่อเนื่องมากจาก ASD (มาตรฐาน วิธีออกแบบโครงสร้างเหล็ก ของสหรัฐอเมริกา หรือ AISC ได้ update AISC/ASD ครั้งสุดท้ายเมื่อ ค.ศ. 1989)
ดังนั้นแล้ว มาตรฐานในการคำนวณออกแบบที่มีการศึกษาวิจัยเพิ่มเติมหลังจากปี 1989 จะไม่มีการนำไปเพิ่มเสริมใน AISC/ASD latest edition ปี 1989 อีกต่อไป แต่จะไป update ในมาตรฐานหลังจากปี 1989 ซึ่งจะเป็น AISC/LRFD
กล่าวอีกนัยหนึ่ง AISC/ASD ได้ “หยุด” การพัฒนาเพิ่มเติม ตั้งแต่ปี 1989 มาเป็นข้อมูลสำหรับการพิจารณาคำนวณ (หรือมา formulate สมการเพื่อใช้ในการคำนวณ) ในส่วนของความต้านทาน (resistance) ที่มากยิ่งขึ้น” หรือ อาจกล่าวได้ว่า พฤติกรรมของโครงสร้างที่คำนวณด้วยมาตรฐาน LRFD จะมีพฤติกรรมที่ใกล้เคียงกับ พฤติกรรมจริงของโครงสร้างมากยิ่งกว่า เพราะงานวิจัยใหม่ๆ จะไปเพิ่มเติมใน AISC/LRFD
ตรงนี้เป็นเรื่องการจัดการ เป็น educational management นะครับ ไม่มีอะไรมาก ไม่ได้เกี่ยวกับหลักการหรือแนวคิดว่าอะไรดีกว่าอะไร แนวคิดมี 2 แนวคิดที่ไปในทิศทางเดียวกัน แนวคิดหนึ่งก็โอเค แต่หยุดพัฒนาอัพเดท แต่อีกแนวคิดก็ไม่เลว แต่มีการพัฒนาอัพเดท ดังนั้นแนวคิดที่มีการพัฒนาอัพเดทก็ย่อมทันสมัยกว่า ใกล้เคียงความจริงตามธรรมชาติมากกว่า แค่นั้นเองครับ
Allowable Stress Design (ASD)
สำหรับ วิธีออกแบบโครงสร้างเหล็ก ด้วย ASD นั้น ในการคำนวณออกแบบโครงสร้างนั้น ผู้ออกแบบ ต้องเช็คสิ่งสำคัญที่สุดประการหนึ่ง คือ กำลังหรือความต้านทาน (Resistance หรือ R) ต้องมีค่ามากกว่า แรงที่มากระทำ (Load หรือ L)
กำลังหรือความต้านทาน อาจอยู่ในรูปของ “แรงต้านทาน” ซึ่งต้องไปเทียบกับ “แรงกระทำ” หรืออาจอยู่ในรูปของ “หน่วยแรงต้านทาน” ซึ่งต้องไปเทียบกับ “หน่วยแรงภายใน” กล่าวคือ ต้องเทียบระหว่างหน่วยที่เหมือน ๆ กัน
ในการพิจารณา แรงที่มากระทำ ในยุค ASD จะมองว่า แรง คือสิ่งที่ผู้ออกแบบกำหนด ที่เรียกว่า Designed Load หรือ ที่เรียกว่า Allowable load ที่ “ไม่มีความผันผวนในทางสถิติ” เช่นพิจาณาน้ำหนักแผ่ 300 กก / ตรม ก็เป็นเท่านั้นเลย ลองดูแนวคิดเหล่านี้นะครับ
“เอ้อ จริงๆ แล้วน้ำหนักแผ่นั้น มันเป็นค่านั้นจริงไหม มันแปรเปลี่ยน มันผันผวนได้ไหมนะ”
“น้ำหนัก live load น่าจะเผื่อไว้เยอะหน่อยนะ เผื่อมากกว่า dead load จากโครงสร้างมันเอง
เจ้าของอาคารชอบเปลี่ยนแปลงการใช้งาน เดี๋ยวเปลี่ยนออฟฟิส เป็น ห้องเก็บเอกสาร แล้วก็ไม่ได้คำนวณ คิดว่ามันเผื่อไว้เยอะแล้ว” อะไรประมาณนี้นะครับ
คือ ฝั่ง Load นั้น ASD ไม่ได้ไปทำอะไรกับมัน ในขณะที่ การพิจารณาความต้านทาน จะมีการ ทอน (หาร) ค่า ความต้านทาน ด้วย อัตราส่วนความปลอดภัย หรือ Factor of Safety (FS) …
ดังนั้น ในมุมมองทางสถิติ (ดังรูปด้านบน) จะมองว่า ฝั่ง L เป็น “เส้นตรง” ไม่มีการกระจายตัว หรือ ไม่เกิดเป็น distribution curve ใด ๆ ในขณะที่ฝั่ง R จะมีการกระจายตัว จากผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการ
แล้วก็มาหาดูว่า จะใช้ FS เท่าไหร่ดี เช่น ฐานราก ก็ราว 2.5 – 3 คานรับแรงดัดก็ราว 1.5 – 1.67 ขึ้นกับ ความเสี่ยงต่อความวิบัติโดยรวมของอาคาร (เสารับคาน ตัวเสาก็ใช้ค่า FS ที่สูงกว่าคาน เป็นต้น)
ความผันผวนของค่าที่ทดสอบได้ในห้องปฏิบัติการ (การพิจารณากำลังรับแรงเฉือน ในห้อง lab ให้ผลการทดสอบที่กระจายตัว ดังนั้น ก็ใช้ค่า FS ที่สูงกว่า กำลังรับแรงดัด เพราะมีการกระจายตัวที่น้อยกว่า เป็นต้น) หรือ รูปแบบการวิบัติ (sudden failure ก็ใช้ค่า FS ที่สูงกว่า yield failure เป็นต้น)
ซึ่งผู้ที่จะพิจารณาว่าใช้ FS เท่าไหร่ ก็เป็นกลุ่มนักวิชาการ และนักออกแบบ ที่มา form team เป็น committee ร่วมหารือกันเพื่อให้ได้มาซึ่งค่า FS และกำหนดเป็นมาตรฐานต่อไป
Load and Resistance Factor Design (LRFD)
สำหรับ LRFD นั้น หลักการพิจารณาในส่วนของ Resistance (R) นั้น ไม่ค่อยแตกต่างกัน เพียงแต่ LRFD จะมีตัวอย่าง หรือ sample ที่เพิ่มมากยิ่งขึ้น ซึ่งส่งผลให้ สมการคำนวณความต้านทานโครงสร้างตามหลัก LRFD จะมีความใกล้เคียงกับพฤติกรรมจริงของโครงสร้างมากยิ่งขึ้น
แต่อย่างไรก็ดี ในฝั่งของ Load (L) นั้น ปรัชญาของ LRFD จะมองว่า Load มีความผันผวน และความผันผวนของ Load แต่ละชนิดจะไม่เท่ากัน มีลักษณะการกระจายตัว (ของทั้ง L และ R ดังรูป ด้านล่าง) และจะส่งผลต่อโครงสร้างไม่เท่ากัน เช่น
- Dead load (DL หรือ D) จะผันผวนไม่มาก แต่ก็สามารถผันผวนได้ เช่น หากเรามองหน้างานจริง ๆ ของเราเป็นหลัก หากผู้รับเหมา เทพื้น หนา 14 ซม. จากที่ออกแบบไว้ 15 ซม. เราก็จะให้ ผู้รับเหมา เทเพิ่มให้ได้ความหนาที่ได้ออกแบบไว้
แต่หาก ผู้รับเหมา เทพื้นหนา 15.5 ซม. เราก็มักจะยอมรับงานที่ผู้รับเหมาปฏิบัติ หรือ เรายอมรับให้ dead load เกิดการ overload ได้ โดยสามัญสำนึกและหลักปฏิบัติทั่วไป … ทั้งนี้ แม้ว่าจะเป็นค่าที่ไม่มากนัก
แต่ DL ก็เป็น overload ที่คงค้างติดกับโครงสร้างตลอดเวลา (sustained load) ดังนั้น การพิจารณาแรงที่เกิดขึ้น ก็มักจะเผื่อไว้พอสมควร เพื่อ ชดเชยความเสี่ยง ที่ DL คงค้างอยู่กับตัวโครงสร้าง
- Live load (LL หรือ L) จะผันผวนมาก โอกาสที่ ผู้ใช้อาคารจะเข้ามากระจุกรวมตัวกัน มากกว่าที่คาดการณ์ไว้ หรือ มีการเปลี่ยนแปลงการใช้อาคาร เปลี่ยนจากห้องนอน เป็นห้องเก็บหนังสือ ซึ่งต้องรับน้ำหนักบรรทุกมากขึ้น
ก็จะมีความเป็นไปได้สูง (สูงกว่า การ overload ของ DL) ดังนั้น ในมาตรฐานการออกแบบ ก็มักจะพบเห็นว่า ตัวคูณน้ำหนักบรรทุก หรือ Load Factor ของ LL จะมากกว่า DL (เช่น 1.2DL + 1.6LL เป็นต้น)
ดังนั้นแล้ว LRFD จะมีลักษณะทางความคิด ที่สะท้อนความเป็นจริงในเชิงพฤติกรรมของโครงสร้าง (resistance) และลักษณะการก่อสร้าง รวมถึงพฤติกรรมการใช้อาคาร (load) ที่มากกว่า ASD
สามารถอ่านบทความเพิ่มเติมได้ที่นี้ คลิก !