ภัยจากแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว ไม่ได้ห่างไกลประเทศไทยอีกต่อไป  การใช้เหล็กที่มีความเหนียวสูงในการก่อสร้างช่วยเพิ่มเวลาให้หนีออกจากตัวอาคารที่ประสบภัยแผ่นดินไหว

สามนักศึกษานำเสนองานวิจัยอาคารแผ่นดินไหว

นายณัฐวุฒิ  ช่วยศรี  นายศุภกิจ  ภักดี  และนายวรพล  เฟื่องรอด  สามนักศึกษาที่ทำงานวิจัยหัวข้อ ได้ร่วมกันนำเสนอข้อสรุปจากการวิจัย “พฤติกรรมภายใต้แรงกระทำแบบวัฏจักรของเสาคอนกรีตเสริมเหล็กโดยใช้เหล็กเสริมที่มีความเหนียวสูง”

จุดเริ่มต้นที่สำคัญคือ ประเทศไทยเริ่มประสบภัยแผ่นดินไหวแล้ว  ดังเช่น เหตุการณ์ผลกระทบจากแผ่นดินไหวซึ่งเกิดขึ้นที่ จังหวัดเชียงราย 6.3 แมกนิจูด (magnitude)   เชียงใหม่ 5.2  แมกนิจูด ตาก 5.6 แมกนิจูด และกาญจนบุรี 5.9 แมกนิจูด  เป็นต้น  แม้ว่าศูนย์กลางแผ่นดินไหวไม่ได้อยู่ในประเทศไทย แต่แรงสั่นสะเทือนดังกล่าวทำให้เกิดความเสียหายแก่สิ่งปลูกสร้าง มีอันตรายความสูญเสียต่อชีวิตและทรัพย์สิน ทางราชการได้มีกฎหมายข้อบังคับให้ก่อสร้างอาคารต้านแรงแผ่นดินไหว

ทั้งนี้การสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว ไม่ได้มีผลทำให้เกิดแรงในโครงสร้างคล้ายกับเป็นแรงกระแทกหรือแรงปะทะโดยตรง  เช่น  แรงลมดังที่หลายคนเข้าใจ  แต่เป็นลักษณะของแรงเฉื่อยซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ด้วยความเร่งของมวลส่วนต่าง ๆ ในโครงสร้าง  ทั้งนี้แรงเฉื่อยดังกล่าวมีค่าเท่ากับผลคูณของมวลกับความเร่งตามกฎของนิวตัน  F= m x a    ขยายความคือ F  หมายความถึง Inertia force    ส่วน m คือมวลขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุและรูปแบบของการจัดวางส่วนโครงสร้าง   ความเร่ง(a) ขึ้นอยู่กับขนาดของความเร่ง ส่วนประกอบเชิงความถี่ของแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นและคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของโครงสร้าง

หลักการออกแบบอาคารต้านแผ่นดินไหว  มีประเด็นสำคัญคือ  ยอมให้อาคารเกิดความเสียหายขึ้นได้ (เกิดการครากได้)  แต่ต้องไม่ถึงขั้นที่ทำให้เกิดการพังทลาย (ระยะการเคลื่อนตัวไม่เกินจุดวิบัติ)  ต้องออกแบบให้โครงสร้างมีความเหนียวที่เพียงพอ

วัตถุประสงค์และขอบเขตงานวิจัย

เพื่อศึกษาและเปรียบเทียบ พฤติกรรมความเหนียวของเสาคอนกรีตที่เสริมด้วยเหล็กเสริม SD 40 แบบความเหนียวสูงและแบบปกติ โดยการทดสอบเสาขนาดจริงภายใต้แรงกระทำสลับทิศในห้องปฏิบัติการโครงสร้าง

ขอบเขตงานวิจัยเพื่อศึกษาผลของแรงกระทำในแนวแกนและแรงกระทำสลับทิศที่มีผลต่อเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก จำนวน  2 ตัน โดยใช้เหล็กเสริม SD 40  แบบความเหนียวสูง และแบบปกติ 

เสาทดสอบมีขนาดเท่ากับขนาดของเสาอาคารตัวอย่าง 

ไม่มีการต่อทาบของเหล็กเสริมตามยาว

การทดสอบในห้องปฏิบัติการกำหนดใช้การทดสอบแบบ Quasi-Static Test  (การผลักไปและกลับแบบวัฎจักร)

ข้อมูลทั่วไปอาคารในไทย

ทีมงานวิจัยนำเสนอว่า ลักษณะทางโครงสร้างของอาคารในประเทศไทยมีภาพรวมดังนี้

1.นิยมใช้โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กเป็นหลัก

2.ขนาดคานใหญ่กว่าเสา

3.ชั้นที่1มักเป็นพื้นที่โล่งเปิดกว้าง

4.ไม่ได้ออกแบบอาคารเพื่อรองรับการเกิดแผ่นดินไหว

ส่วนลักษณะทางโครงสร้างของอาคารในประเทศไทยประกอบด้วย  1.ระยะห่างของเหล็กปลอกในเสาค่อนข้างมาก 2.ที่จุดต่อ คาน-เสาของโครงสร้างไม่มีเหล็กปลอกอยู่ภายใน 3.เหล็กเสริมตามยาวของคานไม่ต่อเนื่องในจุดต่อซึ่งทำให้มีระยะฝังยืดในเสาน้อย 4.มีการทาบต่อเหล็กเสริมทันทีที่บริเวณเหนือพื้น

การวิบัติของโครงสร้าง

ทีมวิจัยได้ศึกษาการวิบัติของโครงสร้างอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อให้เข้าใจและแสดงถึง กลไกการวิบัติโดยดารดัด  การวิบัติเนื่องจากแรงในแนวแกน  การวับัติของเสาด้วยแรงเฉือน  และการวิบัติที่บริเวณจุดต่อระหว่างคานเสา

การวิบัติต่าง ๆ  ดังกล่าวเกี่ยวข้อกับคุณสมบัติของเหล็กเบื้องต้นคือ  1.ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นกับความเครียด  สาระสำคัญเกี่ยวข้องกับ ขีดจำกัดสัดส่วน ขีดจำกัดความยืดหนุ่น  การรู้ถึงจุดคราบและจุดครากล่าง  การรู้ถึงกำลังประลัย และการรู้ถึงจุดแตกหัก  2.ความเหนียวหมายถึงความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานไว้ได้โดยไม่เกิดการแตกหัก  ความเหนียวมีความสัมพันธ์กับความแข็งแรงและความสามารถในการยืดตัวของวัสดุเนื่องจากโดยทั่วไปการประเมินค่าความเหนียวมักใช้การประเมินจากพื้นที่ใต้เส้นโค้งความเค้นและความเครียดที่ได้จากการทดสองแรงดึง

ขั้นตอนการวิจัย

ทีมงานวิจัยโดยนักศึกษาทั้งสาม นายณัฐวุฒิ  ช่วยศรี  นายศุภกิจ  ภักดี  และนายวรพล  เฟื่องรอด   โดยมีดร.ณัฐวุฒิ  ธนศรีสถิติย์เป็นอาจารย์ที่ปรึกษา กำหนดขั้นตอนการดำเนินงานวิจัยไว้ดังนี้

1.ศึกษาแบบอาคารตัวอย่าง

2.วิเคราะห์น้ำหนกบรรทุกกระทำลงเสา

3.กำหนดลักษณะเสาตัวอย่างที่นำมาทดสอบ

4.ศึกษาอุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ

และ5.การกำหดนดแนวทางเบื้องต้นในการทดสอบ

ข้อมูลแบบอาคารตัวอย่างคือ เป็นอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก 2 ชั้น  เนื้อที่ใช้งานประมาณ 300 ตารางเมตร เสาอาคารยาว 3.50 เมตร

ในการศึกษาได้วิเคราะห์น้ำหนักบรรทุกลงเสา พบว่า  เสาที่รับแรงมากที่สุดนั้นรับน้ำหนักบรรทุกคงที่ 35 ตัน  น้ำหนักบรรทุกจร 6 ตัว  น้ำหนักบรรทุประลัย (หรือน้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่กำหนดให้ใช้ในการคำนวณ) 41 ตัน  จากนั้นได้กำหนดลักษณะเสาตัวอย่างที่นำมาทดสอบ เป็นคอนกรีตกำลังอัด 240 กิโลกรัมต่อตารางเซนติเมตร  ขนาดเสาหน้าตัด 0.20 x 0.20  เมตร สูง 3.50 เมตรเสริมเหล็ก DB 12  จำนวน 6 เส้น

จำนวนเสาที่นำมาทดสอบ  2 ต้น ที่มีความแตกต่างกันคือ เสา C1   เสริมเหล็ก DB 12   SD 40  หมายถึงความเหนียวปกติ  (6-DB 12 ม.ม.ความเหนียวปกติ ป- RB  6 ม.ม.@ 0.20 ม.  Covering 2.5 cm.)

เสา C2    เสริมเหล็ก DB 12   SD 40 S  หมายถึงความเหนียวพิเศษ  (6-DB 12 ม.ม.ความเหนียวพิเศษ ป- RB  6 ม.ม.@ 0.20 ม.  Covering 2.5 cm.)

อุปกรณ์ในการทดสอบประกอบด้วย  1.Load Cell   ตรวจวัดแรงกระทำต่อเสามีเท่าใด  2.LVDTวัดการเคลื่อนตัว  3.Strain gage  วัดการยืดตัว  4.Hydraulic jack ใช้แรงดึงไป-กลับกดดันแกน  5.Data logger  เก็บข้อมูลการทดสอบ

การนำไปใช้ประโยชน์

การวิจัยได้กำหนดแนวทางเบื้องต้นในการทดสอบ โดยการหาแรงกระทำที่ใช้ในการทดสอบเสาตัวอย่าง  เมื่อนำหนักหนักบรรทุกประลัยที่ได้จากการวิเคราะห์แรงกระทำกับเสา พล็อตลงในกราฟ Interaction diagram  ของหน้าตัดเสาตัวอย่างทดสอบ  พบว่าเสาตัวอย่างสามารถรับแรงตามแนวแกน 41 ตัน   โมนเมนต์ดัด (Bending Moment) ประลัย 3.26 ตัน-เมตร  ซึ่งจะนำแรงและโมเมนต์ทีได้ไปใช้อ้างอิงในการทดสอบ

ในการทดสอบได้กำหนดแนวทางเบื้องต้นไว้คือ  แรงที่ใช้ในการทดสอบประกอบด้วยแรง 2 ชนิด

1.แรงในแนวดิ่ง ได้ติดตั้งที่หัวเสาให้แรงกดเพียงอย่างเดียว

2.แรงด้านข้าง เป็นการใช้แรงกระทำแบบสลับทิศ

แรงทั้งสองชนิดใช้ Hydraulic jack  เป็นเครื่องมือที่ใช้ให้แรง

ข้อมูลและผลการศึกษาพฤติกรรมและการวิบัติของเสาคอนกรีตที่เสริมเหล็กยืนที่มีความเหนียวสูง ภายใต้การรับแรงแผ่นดินไหวในห้องปฏิบัติการ  ดังกล่าวนำไปใช้ประโยชน์เพื่อเป็นแนวทางในการออกแบบโครงสร้างรับแรงแผ่นดินไหว

งานวิจัยที่นำเสนอนี้ได้รับทุนสนับสนุนการวิจัยปริญญานิพนธ์ (Senior Project) จากบริษัท   ทาทา สตีล (ประเทศไทย) จำกัด  (มหาชน) โดยรับมอบทุนสนับสนุนเมื่อวันที่  24 มีนาคม  2560  ที่ผานมา ณ ห้องประชุมใหญ่ชั้น 2 อาคาร 89 ภาควิชาวิศวกรรมโยธา  คณะวิศวกรรมศาสตร์  มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ  ในงานดังกล่าวมีนักศึกษาภาควิชาวิศวกรรมโยธาเข้าร่วมจำนวนหนึ่ง  รวมทั้งมีสื่อมวลชนมาร่วมทำข่าว

#