Concept การออกแบบ Braced Frame ในอาคารโครงสร้างเหล็กที่มีลักษณะเตี้ยและสูงปานกลาง
เนื้อหาในครั้งนี้จะมาพูดถึงเรื่องของการออกแบบและการใช้งาน braced frame หรือชื่อภาษาไทย เราจะเรียกกันว่า “โครงแกงแนง” นะครับ (แค่อ่านก็หิวแล้ว 555+) ซึ่งจะเป็นเรื่องต่อจากโพสต์ก่อนนะครับ ที่คุยกันค้างไว้เรื่อง “การออกแบบอาคารโครงสร้างเหล็กเตี้ยและอาคารสูงปานกลาง”
สำหรับ braced frame นี้ ก็เป็นระบบรับแรงทางด้านข้าง (lateral system) นะครับ ที่จะช่วยในการรับแรงลมและแรงแผ่นดินไหวที่กระทำกับตัวอาคาร แต่ก่อนจะไปพูดถึงการออกแบบ ต้องมาคุยกันถึงแรงที่มากระทำกันก่อน และการเคลื่อนตัวทางด้านข้าง (drift) เมื่อมีแรงลมมากระทำกับอาคาร
แรงลม (wind load)
แน่นอนครับว่า หากเราเป็นวิศวกรโครงสร้างที่ทำงานอาคาร สิ่งหนึ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เลย ก็น่าจะเป็นเรื่องของการออกแบบแรงลม และระบบต้านทานแรงลม ซึ่งระบบต้านทานแรงลมนี้ ก็สามารถทำได้หลากหลายรูปแบบ ซึ่งในด้านของการออกแบบแล้วนั้น เป้าหมายก็คือ การออกแบบให้อาคารสามารถตั้งอยู่ได้เมื่อมีแรงลมมากระทำ และออกแบบให้เกิดความประหยัดมากที่สุด
นอกจากนี้ ประสิทธิภาพของระบบต้านทานแรงลม ก็ยังแปรเปลี่ยนไปตามลักษณะการใช้งานของอาคารด้วย เช่น หากเปรียบเทียบอาคารที่ใช้เป็นโรงพยาบาล กับอาคารที่ใช้เป็นออฟฟิศแล้ว แน่นอนว่าการออกแบบระบบต้านทานแรงลมสำหรับโรงพยาบาลนั้น ก็ต้องถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพมากกว่า
เนื่องจากมีผู้ป่วยในอาคาร หากผู้ป่วยรู้สึกถึงการสั่นสะเทือน หรือการโยกของอาคาร จนรู้สึกอยู่ไม่สบายถือว่าเป็นเรื่องที่ไม่สามารถรับได้ และหากจำกันได้ ในมาตรฐานการออกแบบแรงลมนั้น ก็มีระบุค่าประกอบความสำคัญของอาคารชนิดต่างๆ ไว้เช่นกัน ซึ่งโรงพยาบาล ก็มีค่าประกอบสูงสุด (อ้างอิง มยผ. 1311)
การเคลื่อนตัวทางด้านข้าง (drift)
เรื่องของการเลือก drift limit ในอาคาร multi-story นั้น หลายครั้งก็เป็นปัญหากับวิศวกรผู้ออกแบบพอสมควร เพราะว่า drift control นี้ ก็ไม่ได้รับรองถึงประสิทธิภาพในด้านการรับรู้ของผู้ใช้อาคารต่อการเคลื่อนตัวของอาคาร ซึ่งทำให้ในบางครั้งอาจจะไม่ได้มี limit ที่ตายตัวสำหรับการเลือกใช้
แต่อย่างไรก็ตาม ในอดีต ก็เคยมีการทำแบบสอบถามเพื่อเก็บข้อมูลว่า วิศวกรผู้ออกแบบนั้น เลือกใช้ค่า drift limit กันที่เท่าไหร่ และก็ไม่น่าแปลกใจเท่าไหร่ ที่คำตอบออกมาหลากหลายมากๆ …. ซึ่งท้ายที่สุด ก็ได้คำตอบที่เป็นค่าที่คนตอบเยอะที่สุด ซึ่งก็คือ 0.0025 ซึ่งเป็นค่า deflection / height
อย่างไรก็ดี หากลองเปิดดูในมาตรฐาน เช่น ASCE 7-16 ก็จะเห็นว่าใน code ได้มีการระบุ drift limit ไว้ให้ โดยได้อ้างอิงความสำคัญของอาคาร ที่ไปสอดคล้องกับความเร็วลมที่ใช้ออกแบบครับ
ระบบรับแรงทางด้านข้าง Braced Frames
อย่างที่หลายท่านทราบกันดีว่า ระบบรับแรงทางด้านข้างนั้น มีความหลากหลายพอสมควร แต่ “braced frame” ถือว่า เป็นระบบต้านทานแรงลมที่ให้ความประหยัดคุ้มค่ามากที่สุดระบบหนึ่งเลยก็ว่าได้ครับ แต่หลายครั้ง ก็ไม่สามารถเลือกใช้งานระบบต้านทางแรงทางด้านข้างนี้ มาใช้งานได้ เนื่องจากจะไปติดงานด้านสถาปัตยกรรม เช่น ประตู หน้าต่าง
ทีนี้มาพูดถึงระบบที่เราเรียกกันว่า pin-connected K-braced frames กันหน่อยครับ รูปที่ 4 ซึ่งสามารถทำได้ 2 รูปแบบครั้ง คือ (1.) ส่วนที่ชนกันของ member มีทิศทางพุ่งขึ้นด้านบน (upward) (ควรออกแบบให้เป็นลักษณะนี้ และ (2.) ส่วนที่ชนกันของ member มีทิศทางพุ่งลงด้านล่าง (downward)
หากถามว่า ทำไมต้องทำให้ทิศทางของ member เป็นแบบ upward ก็เป็นเหตุมาจากว่า การติดตั้งรูปแบบดังกล่าว ทำให้อาคารเกิด drift ที่น้อยกว่านั่นเองครับ ดูที่รูป 5 จะเป็นตัวอย่างอาคาร 10 ชั้น ที่มีการติดตั้ง member ในลักษณะที่แตกต่างกัน ดังที่กล่าวไปข้างต้น ซึ่งจะเห็นว่า การติดตั้งแบบทิศทางพุ่งขึ้นนั้น ทำให้อาคารเกิด drift ที่น้อยกว่ามากทีเดียว คือ 35%
ที่ผลออกมาเป็นแบบนี้ เนื่องจากว่า การติดตั้งแบบ upward นั้น ทำให้ไม่เกิด column strain ลองเปรียบเทียบอาคาร 1 ชั้น ที่มีการติดตั้ง member 2 รูปแบบ คือ upward และ downward จะเห็นว่าในการติดตั้งแบบ upward นั้น แรงในแนวแกนที่เกิดขึ้นในเสาเนื่องจาก story shear นั้นมีค่าเท่ากับ 0 ซึ่งเป็นผลมาจากแรงเข้าไปอยู่ใน member ที่ติดตั้งในแนวทแยง หมดแล้ว แต่จะให้ผลที่แตกต่างกันหากหากติดตั้งแบบ downward
สำหรับตัวอย่างการออกแบบ จะขอนำเสนอในโพสต์ต่อไปนะครับ