การเคลื่อนตัวด้านข้าง สำหรับอาคารเตี้ยโครงสร้างเหล็ก (Lateral Drift for Low-rise Steel Buildings)

เคยสงสัยกันไหมครับว่า หากจะออกแบบอาคารเตี้ยโครงสร้างเหล็ก เช่น โรงยิม อาคารหอประชุม อาคาร PEB อาคารโรงงานหรือโกดัง คลังเก็บสินค้า จะต้องมีค่าการเคลื่นตัวด้านข้างที่ยอมให้ (Drift) เท่าไรถึงจะเหมาะสม หากค่า Drift มีค่ามากหรือน้อยเกินไป จะมีผลกระทบอะไรบ้าง อาคารแต่ละประเภทมีเกณฑ์ของค่า Drift ที่ยอมให้แตกต่างกันหรือไม่ โพสต์นี้เราจะมาแบ่งปันข้อมูลเรื่องนี้กันครับ

การเคลื่อนตัวด้านข้าง (Lateral drift) คืออะไร

Lateral drift คือ การเคลื่อนตัวด้านข้างของอาคารอันเป็นผลจากน้ำหนักบรรทุกกระทำด้านข้าง เช่น แรงลมและแรงแผ่นดินไหว สำหรับอาคารเตี้ยโครงสร้างเหล็กซึ่งมีน้ำหนักเบาจะพิจารณาเป็นมิติในส่วนของการใช้งานอาคารได้ดี มี 2 ประเภทคือ การเคลื่อนตัวทั้งหมดของอาคาร (Total drift) และ การเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างชั้น (Story drift) โดยทั่วไปจะนิยมพิจารณาในแบบที่เป็นการเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างชั้น ซึ่งหมายถึง การเคลื่อนที่ด้านข้างสัมพัทธ์ระหว่างพื้นของชั้นถัดไปที่อยู่เหนือชั้นที่พิจารณา และชั้นที่พิจารณา ตามแสดงตามในรูปที่ 2

มีขีดจำกัดการเคลื่อนตัวที่ยอมให้ (Drift limit) หรือไม่

Drift limit ได้มีการถูกกำหนดค่าไว้แตกต่างกันไปในแต่ละมาตรฐานการก่อสร้างของแต่ละประเทศ และมักจะใช้ค่าที่แตกต่างกันตามลักษณะประเภทของอาคาร สำหรับอาคารโรงงาน การควบคุม Drift เพื่อเป็นการลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ไม่ใช่ส่วนของโครงสร้างรับน้ำหนักอาคารเช่น Cladding ห่อหุ้มอาคาร และ ผนังภายในอาคาร (Partition) เป็นต้น โดยขีดจำกัดที่ใช้แสดง มี 2 รูปแบบคือ 1) ในรูปของความสูงของชั้นที่พิจารณา (H) หารด้วยตัวเลขที่เหมาะสมค่าหนึ่ง เช่น Story drift = H / 400 และ 2) ในรูปของดัชนีการเคลื่อนตัว (Drift index หรือ Deflection index) คือ ค่า Story drift หารด้วย ความสูงของชั้นพี่พิจารณา (H) เช่น ดัชนีการเคลื่อนตัวของ Story drift ที่ H/400 = Story drift / H = 1/400 = 0.0025 นั่นเอง

ประเด็นที่น่าสนใจเกี่ยวกับ Drift

ปัจจุบันยังมีข้อการถกเถียงกันอยู่เกี่ยวกับเรื่องเกณฑ์การใช้งานที่เหมาะสมของค่าการเคลื่อนตัวด้านข้าง การโก่งตัวทั้งแนวดิ่งและด้านข้างที่ยอมให้ หรือประเด็นอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานอาคารได้ดี เช่น การสั่นสะเทือนของอาคาร เป็นต้น ในมาตรฐานหรือกฎหมายงานก่อสร้างอาคารจะกำหนดเฉพาะในส่วนที่เกี่ยวข้องกับกำลังและความปลอดภัยของอาคาร ส่วนเรื่องของการใช้งานได้ดีมักจะระบุให้เป็นดุลพินิจของผู้ออกแบบซึ่งไม่ได้มีกฎเกณฑ์ที่ตายตัวและค่อนข้างเป็นนามธรรม ทำให้ประเด็นในเรื่องนี้มักจะเป็นที่ถกเถียงกันเป็นประจำ เช่น ค่าที่ยอมรับได้ของผู้ออกแบบหลักของโครงการอาจจะยอมรับไม่ได้ของผู้ออกแบบทีมวิศวกรที่ปรึกษาโครงการ เป็นต้น  แล้วต้องใช้เท่าไรถึงจะเหมาะสม

สำหรับอาคารสูงปานกลางหรืออาคารสูง ผู้ออกแบบมักจะเลือกใช้การเคลื่อนตัวด้านข้างที่ยอมให้คล้าย ๆ กัน (อาจจะไม่เหมือนกัน) เพราะมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับความแข็งแรงของโครงสร้างและส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง แต่สำหรับอาคารเตี้ยโครงสร้างเหล็ก โรงงาน โกดังสินค้า หอประชุม หรืออาคารโครงสร้าง PEB ยังเป็นที่สับสนกันอยู่เพราะอาคารประเภทนี้ Siding ที่หุ้มตัวอาคารมักจะเป็นโลหะที่มีความยืดหยุ่นสูงซึ่งทำให้สามารถใช้งานได้กับการเคลื่นตัวด้านข้างเยอะ ๆ ได้ ทำให้ขีดจำกัดความใช้งานได้ดีของอาคารมักจะไม่เป็นปัญหาสำหรับอาคารประเภทนี้

Drift Limit ควรที่จะมีกำหนดให้บังคับใช้ในมาตรฐานการก่อสร้างไหม

Drift limit สะท้อนขนาดและสติฟเนสของโครงสร้าง และโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่ก็สะท้อนถึงงบประมาณก่อสร้างที่มากขึ้น รวมถึงประเภทของอาคารที่แตกต่างกันก็ควรจะมีเกณฑ์การเคลื่อนตัวด้านข้างที่แตกต่างกันไปตามลักษณะการใช้งาน เช่น โรงพยาบาลก็ควรที่จะมีเกณฑ์การเคลื่อนตัวที่เข้มงวดกว่าอาคารออฟฟิสทั่วๆไป วิศวกรผู้ออกแบบส่วนมากจึงเห็นว่าไม่ควรที่จะกำหนดบังคับตายตัวไว้ในมาตรฐานงานก่อสร้าง

อย่างไรก็ดี จะมีการกำหนดขั้นต่ำของขีดจำกัดไว้บ้าง เพื่อรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างรวมถึงปกป้ององค์อาคารที่สำคัญของโครงหรือ Partition ที่เปราะบางภายในอาคาร เช่น การเคลื่อนตัวด้านข้างที่มากเกินไปจะทำให้เกิดแรงที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของ P – Delta Effect ในเสาอาคาร หรือ อาจทำให้เกิดความเสียหายกับผนังทั้งภายนอกและภายใน เป็นต้น

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ มาตรฐานอาคารมักจะคำนึกถึง Drift limits ที่เกิดขึ้นจากแผ่นดินไหวมากกว่าแรงลมเพราะ แผ่นดินไหวที่รุนแรงจะส่งผลกระทบอย่างมากกับชิ้นส่วนที่เป็นโครงสร้างและไม่ใช่โครงสร้างทั้งภายในและภายนอกของอาคาร ในขณะที่ผลกระทบจากแรงลมพายุส่วนมากแล้วจะกระทบรุนแรงเฉพาะกรอบภายนอกของอาคารเท่านั้น อีกอย่างคือ ขนาดของแรงกระทำที่เกิดจากแผ่นดินไหวมักจะมีขนาดใหญ่กว่าที่เกิดจากแรงลมอย่างมาก

Drift Limits จากผลของแผ่นดินไหวที่กำหนดในมาตรฐานของประเทศไทย

มยผ. 1311-61 เป็นมาตรฐานที่วิศวกรไทยใช้ในการคำนวณแรงเพื่อออกแบบอาคารต้านทานแรงแผ่นดินไหวภายในประเทศ โดยในมาตรฐานกำหนดค่าการเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างชั้นที่ยอมให้ตามตารางที่แสดงในรูปที่ 5 โดยค่าที่ยอมให้จะขึ้นอยู่กับประเภทของโครงสร้างและลักษณะความสำคัญของอาคาร โครงสร้างอาคารที่ไม่มีผนังก่ออิฐรับแรงเฉือนจะมีช่วงของค่า Drift index จาก 0.020h_sx – 0.010h_sx จากความสำคัญอาคารประเภท I – IV โดย h_sx คือความสูงระหว่างชั้นที่อยู่ใต้พื้นชั้น x ส่วนค่าขีดจำกัดอื่น ๆ ให้พิจารณาดังแสดงในรูปที่ 5 โดยทั่ว ๆ ไปแล้วสำหรับอาคารโครงสร้างเหล็กชั้นเดียว ค่า Drift limit จากแรงแผ่นดินไหวมักจะไม่ใช่ตัว Control ค่า Stiffness ภาพรวมของโครงสร้าง

Drift Limits จากผลของแรงลม

สำหรับอาคารน้ำหนักเบา เช่น อาคารโครงสร้างเหล็ก อาคารโรงงานระบบ PEB ฯลฯ แรงแผ่นดินไหวมักจะไม่ใช่ตัวควบคุม แต่จะเป็นแรงลมที่มีผลมากกว่า ดังนั้น ค่าขีดจำกัดการเคลื่อนตัวด้านข้างก็จะเป็นผลเนื่องจากแรงลมเป็นหลัก แต่ว่ามาตรฐานแรงลมที่เกี่ยวข้องกับอาคารโครงเหล็กไม่ได้มีการกล่าวถึงไว้ เหตุผลคือวิศวกรยังไม่เห็นพ้องต้องกันว่าจำเป็นต้องบังคับตายตัวเป็นตัวเลขใดตัวเลขหนึ่ง รวมถึงความเข้าใจที่ว่าค่าการเคลื่อนตัวด้านข้างเป็นค่าที่ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานของอาคารมากกว่าที่จะระบุออกมาเป็นค่าใดค่าหนึ่งสำหรับอาคารทุกประเภท

ค่า Story drift ที่ใช้โดยทั่วๆไปจะมีช่วงอยู่ระหว่าง H/200 ถึง H/600 ขึ้นอยู่กับประเภทอาคาร วัสดุห่อหุ้มอาคาร รวมถึงวัสดุที่ใช้ทำผนังภายในอาคาร แต่ที่ใช้บ่อย ๆ คือ H/400 ถึง H/500 (ASCE 1988) ซึ่งค่านี้ทำให้โครงสร้างอาคารมี Stiffness แข็งแรงเพียงพอที่จะไม่สร้างความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญกับระบบผนังทั้งภายนอกและในของอาคาร โดยสามารถเลือกใช้ค่าที่น้อยกว่านี้ได้ถ้าส่วนที่ห่อหุ้มอาคารเป็นวัสดุประเภทเปราะเช่น กระจก เป็นต้น

Drift Limits จาก AISC Design Guide No.3

ในประเทศสหรัฐอเมริกามีแนวปฏิบัติ (AISC Design guide) สำหรับออกแบบอาคารโครงสร้างเหล็กที่เกี่ยวข้องกับความสามารถในการใช้งานได้ดี ใน design guide ได้มีการกล่าวถึงค่าการเคลื่อนตัวด้านข้างที่เหมาะสมสำหรับอาคารที่มีการใช้วัสดุห่อหุ้มอาคารประเภทต่างๆ รวมถึงโครงหลังคาเหล็กและผนังภายในอาคาร

ใน design guide ใช้ค่าการเกิดซ้ำของหน่วยแรงลมที่ 10 ปี สำหรับคำนวณค่าการเคลื่อนตัวด้านข้างแทนที่จะใช้ 50 ปี ที่ปกติใช้คำนวณในส่วนของกำลังความแข็งแรงของโครงสร้าง ด้วยเหตุผลว่า แรงลมระดับ 50 ปีที่ใช้ออกแบบความแข็งแรง เป็นแรงลมที่ไม่ได้เกิดขึ้นทุกวันจึงไม่เหมาะที่จะทำมาใช้เพื่อคำนวณออกแบบเป็นค่าขีดจำกัดการเคลื่อนตัวด้านข้างของอาคารเตี้ยโครงสร้างเหล็ก ตลอดจนถึงแม้ว่าจะเกิดการวิบัติเนื่องจากการ เคลื่นตัวด้านข้าง ก็ไม่ใช่การวิบัติที่รุนแรงถึงขั้นทำให้เกิดการเสียชีวิต (แค่ผนังอาคารเกิดรอยร้าวเสียหาย) จึงไม่คุ้มที่จะออกแบบค่า drift limit ด้วยแรงลมที่ 50 ปี โดยขนาดของแรงลมที่ 10 ปีมีขนาดประมาณ 75% ของแรงลม 50 ปี

AISC design guide no.3 แนะนำค่าขีดจำกัดการเคลื่อนตัวด้านข้างสำหรับโครงข้อแข็งสำหรับใช้กับระบบกำแพงและผนังประเภทต่าง ๆ ค่อนข้างครอบคลุม ในที่นี้จะยกมาเป็นตัวอย่างบางส่วน ดังต่อไปนี้

• H/60 – H/100 สำหรับผนังที่เป็นแผ่นโลหะบาง ยืดหยุ่นได้มาก เช่น meteal sheet
• H/100 สำหรับ ผนังคอนกรีตสำเร็จรูป
• H/200 สำหรับผนังก่ออิฐ (ลดเหลือ H/100 ได้ถ้าทำรายละเอียดระหว่างผนังกับโครงข้อแข็งให้สามารถรองรับการเคลื่อนตัวของโครงข้อแข็งได้)
• H/500 หากมีการใช้ผนังภายในอาคาร หรือผนังด้านนอกมีความเปราะสูงและไม่ต้องการให้เกิดความเสียหาย เช่น กระจก เป็นต้น

ซึ่งทั้งหมดนี้ก็เป็นตัวอย่างคำแนะนำการเลือกใช้ค่า Drift limits จาก Design guide นะครับ ส่วนรายละเอียดเนื้อหาอื่น ๆ สามารถอ่านเพิ่มเติมได้จากเล่มสมบูรณ์ของ AISC Design Guide No.3 Serviceability Design Consideration for Steel Building ครับ