วิธีการ แปลงความเร็วลม ที่คาบเวลากลับต่าง ๆ ตาม มยผ. 1311
เรื่องการพิจารณาแรงลมที่กระทำกับโครงสร้างอาคารถือว่าเป็นสิ่งสำคัญที่วิศวกรผู้ออกแบบจะต้องมีความรู้ความเข้าใจนะครับ ไม่ว่าจะเป็นเรื่องของการ แปลงความเร็วลม แปลงคาบเวลากลับ กำหนดแรงดันลมภายในและภายนอก และทิศทางและเครื่องหมายของแรงลม เป็นต้น
โดยมาตรฐานการออกแบบแรงลมในประเทศไทย อย่างที่เราคุ้นเคยกันดี ก็จะเป็น “มาตรฐานการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคาร (มยผ. 1311-50) หรือบางท่านอาจจะใช้ ASCE 7 ในการอ้างอิงไม่ว่าจะเป็น ASCE 7-05, 7-10 และ 7-16
แต่หากทำการออกแบบแรงลม โดยอ้างอิง มยผ. 1311 แล้ว ก็ต้องทราบก่อนนะครับว่า มาตรฐานเล่มนี้ได้ทำการอ้างอิงบางส่วนของ ASCE 7-05 สำหรับการคำนวณแรงลมและการตอบสนองในทิศตั้งฉากกับทิศทางลม
ดังนั้นแล้ว ตัวแปรหลาย ๆ อย่าง หรือวิธีการพิจารณาก็ต้องอ้างอิง ASCE 7-05 ด้วย เพื่อความถูกต้องครับ ซึ่งในมาตรฐานเล่มนี้จะพิจารณา ความเร็วลม ที่คาบเวลากลับ 50 ปี เป็นหลัก พร้อมกับความเร็วลมกรรโชกที่ 3 วินาที ซึ่งจะต่างจาก มยผ. 1311 ครับ ที่พิจารณาความเร็วลมเฉลี่ย 1 ชั่วโมง หรือ 3,600 วินาที
Load combination และการ แปลงความเร็วลม
หากต้องการใช้ load combination ตาม ASCE 7-05 แล้ว อย่างแรกเลย ถือว่าเป็นสิ่งที่เน้นย้ำกันอยู่ตลอด ก็คือ จะต้องเปลี่ยนความเร็วลมจากเฉลี่ย 1 ชั่วโมง ให้เป็น 3 วินาทีเสียก่อน ซึ่งใน มยผ. ส่วนอธิบายเพิ่มเติมก็ได้บอกไว้ว่าให้ทำการคูณด้วย 1.52 ยกตัวอย่างเช่น หากพิจารณาออกแบบอาคารในพื้นที่ กรุงเทพฯ ความเร็วลมเฉลี่ยที่ระบุจะมีค่าเท่ากับ 25 m/s จากนั้นทำการคูณด้วย 1.52 >> 25 x 1.52 = 38 m/s ครับ หากลองไปเปิดดูใน ASCE 7-05 ก็จะเห็นว่ามีค่าเท่ากันเป๊ะเลย
การพิจารณาความเร็วลมที่คาบเวลากลับต่างๆ
ทีนี้วนกลับมาที่หัวข้อของเรา ก็คือ หากเราต้องการพิจารณาความเร็วลมที่คาบเวลากลับอื่น ต้องทำอย่างไร?? เนื่องจาก หากลองดู ASCE 7-10 และ ASCE 7-16 แล้ว คาบเวลากลับที่ใช้พิจารณาจะเปลี่ยนจาก 50 ปี ไปเป็น 300 700 1,700 และ 3,000 ปี เนื่องจากมีการเปลี่ยนแนวคิดในการพิจารณาบางส่วนครับ
แต่สำหรับมาตรฐานของเราแล้วความเร็วลมที่เราใช้กันตาม มยผ. นั้นมีขั้นตอนในการวิเคราะห์ข้อมูล โดยทำการเก็บข้อมูลความเร็วลมในพื้นที่ต่าง ๆ แล้วเอามาพิจารณาโดยวิธีทางสถิติและมีการปรับแก้ทางทฤษฎี เพื่อหาค่า
- ค่ากำหนดการกระจายตัว (dispersion parameter, α ) และ ค่ากำหนดตำแหน่ง (location parameter, β ) ของฟังก์ชั่นการกระจายตัวสะสมของความเร็วลม
- การพิจารณาความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 50 ปี เมื่อพิจารณาเส้นชั้นของค่ากำหนดการกระจายตัว ร่วมกับผลการวิเคราะห์ความเร็วลม ณ สถานีต่างๆ ที่คาบเวลากลับ 50 ปี ก็ทำให้ได้ความเร็วลมที่ภาคต่าง ๆ ในประเทศไทย ซึ่งระบุอยู่ใน ภาคผนวก ก. (มยผ 1311-50)
ซึ่งหากลองดูใน คำอธิบาย บทที่ 2 แล้ว จะเห็นว่าทางผู้จัดทำมาตรฐานได้มีการคำนวณค่าต่าง ๆ ที่จำเป็นต้องใช้ในการคำนวณความเร็วลม พร้อมกับมีสมการสำหรับการแปลงค่าเหล่านี้ไว้ให้แล้วด้วย (รูปที่ 3)
โดยตัวแปรเหล่านี้จะแตกต่างกันไปตามพื้นที่ครับ และหากลองคำนวณความเร็วลมออกมาโดยใช้สมการเหล่านี้ ตามรูปที่ 4 ก็จะเห็นว่า ค่าที่ได้จะเท่า ๆ กับที่มาตรฐานระบุไว้ให้เลยครับ (ความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 50 ปี) เช่น อาคารที่ต้องอยู่ในพื้นที่กลุ่มที่ 1 เช่น กรุงเทพ นนทบุรี ฉะเชิงเทรา ให้ใช้ความเร็วลมเฉลี่ย = 25 m/s
แต่จะเห็นว่าสมการเหล่านี้สามารถนำไปใช้สำหรับการคำนวณ ความเร็วลมที่คาบเวลากลับอื่น ๆ ได้อีกด้วย อย่างเช่นในรูปที่ 4 จะเห็นว่าความเร็วลมที่คาบเวลากลับอื่น ๆ ก็จะมีความรุนแรงเพิ่มขึ้น เมื่อพิจารณาปีที่เพิ่มมากขึ้นครับ
ทีนี้ เพื่อให้ผู้ใช้งานสามารถหาค่าเหล่านี้ออกมาได้อย่างง่าย ๆ ก็เลยมีการจัดทำตารางค่าประกอบการ แปลงความเร็วลม เฉลี่ยสำหรับคาบเวลากลับต่าง ๆ (ในคำอธิบาย บทที่ 2 ของ มยผ 1311) ซึ่งแสดงอยู่ในรูปที่ 5 บางส่วน หากลองดูจะเห็นว่าถ้าต้องการเปลี่ยนความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 50 ปี ไปเป็นคาบเวลากลับอื่น ๆ แล้ว
ก็แค่ V50 ไปคูณกับ factor F ก็จะได้ค่าออกมาแล้วครับ โดย factor ตัวนี้ หากผู้ใช้ต้องการจะพิจารณาความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 300 ปี ซึ่งไม่มีระบุอยู่ในมาตรฐาน ก็สามารถทำได้โดย จะทำการ interpolate ค่าจากตาราง หรือเทียบอัตราส่วนระหว่าง V300 กับ V50 โดยจากตารางรูปที่ 4 ให้ทำการเฉลี่ยค่า V50 และ V300 ออกมา จากนั้นก็เอามาเทียบกันโดย V300 / V50 ก็จะได้ factor ออกมาแล้วครับ
มาถึงเรื่องสุดท้ายของวันนี้ครับ ก็เป็นเรื่องของ load factor ใน load combination ของ ASCE 7-05 ซึ่งจะเห็นว่า ใน load case ที่พิจารณาแรงลม ค่า load factor จะเท่ากับ 1.6 คำถามก็คือ 1.6 มาจากไหน??
ก็ต้องบอกว่า ในการพิจารณาสภาวะจำกัด้านกำลังของโครงสร้าง (Strength Design) เราจะต้องพิจารณาใช้ความเร็วลมที่คาบเวลากลับ 500 ปี (V500) แต่…. มาตรฐานใช้ V50 เป็นตัวอ้างอิงในการคิดแรงลมออกมานั่นเองครับ ดังนั้น จึงต้องหาความสัมพันธ์ของค่าทั้ง 2 ค่านี้ออกมาเพื่อเพิ่มความแรงของลม ที่จะ apply เข้าสู่ structure เมื่อทำการออกแบบด้านกำลังนั่นเอง รูปที่ 6 ครับ
ก็จะเห็นว่า Load factor มีค่าเท่ากับ 1.6 เมื่อเทียบ V500 / V50 ดังนั้น ใน load combination ของ ASCE 7-05 จึงมีค่า 1.6W ปรากฎอยู่นั้นเองครับ ย้ำนะครับว่า 7-05 แต่หากท่านลองไปดูใน ASCE 7-10 และ 7-16 ก็จะเห็นว่า 1.6 มันหายไปแล้ว ไว้ครั้งหน้าจะมาเล่าให้ฟังครับว่ามันหายไปได้ยังไง