องค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะ (Buckling-Restrained Braces) กับการเสริมกำลังอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กเดิมให้ต้านทานแรงแผ่นดินไหว

1.บทนำ

ความเสี่ยงจากแผ่นดินไหวของประเทศไทยเปลี่ยนไปจากความเข้าใจเดิมพอสมควร มาตรฐานการออกแบบอาคารต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว มยผ. 1301/1302-61 ได้ปรับค่าความรุนแรงของแผ่นดินไหวในรูปความเร่งตอบสนองเชิงสเปกตรัมให้ครอบคลุมพื้นที่ทั่วประเทศ และจำแนกประเภทอาคารตามระดับความสำคัญ ทำให้ขอบเขตของพื้นที่และอาคารที่ต้องพิจารณาแรงแผ่นดินไหวกว้างกว่าที่วิศวกรจำนวนหนึ่งเคยเข้าใจ

อย่างไรก็ตาม มาตรฐานและกฎหมายในลักษณะนี้มีผลกับอาคารที่จะก่อสร้างใหม่เป็นหลัก ในขณะที่อาคารซึ่งใช้งานอยู่แล้วและก่อสร้างมาก่อนหน้านั้น ยังคงอยู่กับรายละเอียดโครงสร้างตามแนวปฏิบัติในยุคที่ออกแบบ ปัญหาเชิงวิศวกรรมที่ตามมาจึงไม่ใช่คำถามว่าจะออกแบบอาคารใหม่อย่างไร แต่เป็นคำถามว่าจะเพิ่มความสามารถในการต้านทานแรงด้านข้างให้อาคารเดิมได้อย่างไร โดยควบคุมพฤติกรรมการวิบัติให้อยู่ในรูปแบบที่คาดการณ์ได้ รบกวนการใช้งานอาคารน้อย และมีต้นทุนที่ยอมรับได้

บทความนี้นำเสนอแนวทางหนึ่งที่ตอบโจทย์ดังกล่าว คือการติดตั้งองค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะ (Buckling-Restrained Brace หรือ BRB) เข้าไปในโครงข้อแข็งคอนกรีตเสริมเหล็กเดิม

2.จุดอ่อนของอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่ไม่ได้ออกแบบต้านแรงแผ่นดินไหว

อาคารที่ออกแบบเพื่อรับน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งเป็นหลัก มักปรากฏลักษณะร่วมกันหลายประการที่บั่นทอนความสามารถในการรับแรงกระทำแบบวัฏจักร ได้แก่

• รายละเอียดการเสริมเหล็กที่ไม่เหนียว — ระยะเรียงเหล็กปลอกห่าง โดยเฉพาะบริเวณปลายเสาและจุดต่อคาน-เสา ทำให้แกนคอนกรีตขาดการโอบรัดที่เพียงพอ กำลังจึงเสื่อมถอยอย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการเสียรูปเกินช่วงยืดหยุ่น
• จุดต่อคาน-เสาที่ไม่ได้ออกแบบรับแรงเฉือนวัฏจักร — ไม่มีเหล็กปลอกในจุดต่อ หรือมีในปริมาณน้อยเกินกว่าจะรักษาเสถียรภาพของจุดต่อไว้ได้
• ลำดับการวิบัติที่ไม่พึงประสงค์ — โครงสร้างจำนวนมากมีคานที่แข็งแรงกว่าเสา ทำให้ข้อหมุนพลาสติกมีแนวโน้มเกิดที่เสาแทนที่จะเกิดที่คาน ซึ่งนำไปสู่กลไกวิบัติทั้งชั้น
• ระยะทาบและระยะฝังของเหล็กเสริมไม่เพียงพอ ตามเกณฑ์สำหรับการรับแรงแผ่นดินไหว ทำให้เกิดการหลุดยึดเหนี่ยวก่อนที่หน้าตัดจะพัฒนากำลังได้เต็มที่

2.1 ปัญหาชั้นล่างอ่อน (soft story)

อาคารพาณิชย์ อาคารชุด และอาคารสำนักงานจำนวนมากออกแบบให้ชั้นล่างเปิดโล่งเพื่อใช้เป็นที่จอดรถหรือพื้นที่ค้าขาย ขณะที่ชั้นบนมีผนังก่ออิฐแทรกอยู่หนาแน่น ผลคือความแข็งเกร็งและกำลังต้านทานด้านข้างของชั้นล่างต่ำกว่าชั้นถัดขึ้นไปอย่างมีนัยสำคัญ

เมื่อเกิดการสั่นไหว การเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างชั้นจะไปกระจุกตัวอยู่ที่ชั้นล่างเพียงชั้นเดียว เสาชั้นล่างจึงต้องรับทั้งน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งของอาคารทั้งหลังและการเสียรูปด้านข้างเกือบทั้งหมดไปพร้อมกัน เงื่อนไขนี้คือสิ่งที่นำไปสู่การพังทลายแบบทั้งชั้น ซึ่งพบซ้ำในเหตุการณ์แผ่นดินไหวหลายครั้งทั่วโลก

3.เหตุใดค้ำยันทแยงแบบธรรมดาจึงยังไม่เพียงพอ

วิธีที่ตรงไปตรงมาที่สุดในการเพิ่มความแข็งเกร็งด้านข้างคือการใส่ค้ำยันทแยงเหล็กเข้าไปในช่องเสา-คาน แต่ค้ำยันธรรมดามีข้อจำกัดเชิงพฤติกรรมที่สำคัญ คือความไม่สมมาตรระหว่างการรับแรงดึงและแรงอัด

ในทิศทางแรงดึง ชิ้นส่วนสามารถพัฒนากำลังได้จนถึงจุดครากของหน้าตัดเต็ม แต่ในทิศทางแรงอัด ชิ้นส่วนจะเกิดการโก่งเดาะที่ระดับแรงต่ำกว่ากำลังครากมาก โดยระดับแรงวิกฤตขึ้นกับอัตราส่วนความชะลูดของชิ้นส่วน เมื่อโก่งเดาะไปแล้วและถูกกระทำซ้ำในรอบถัดไป กำลังรับแรงอัดที่เหลืออยู่จะยิ่งเสื่อมถอยลงเรื่อย ๆ

ผลที่ตามมาคือวงรอบความสัมพันธ์ระหว่างแรงกับการเสียรูปมีลักษณะคอดตรงกลาง พื้นที่ภายในวงรอบซึ่งแทนพลังงานที่ระบบสลายได้จึงมีค่าน้อย ทั้งที่ความสามารถในการสลายพลังงานคือคุณสมบัติที่เราต้องการมากที่สุดจากระบบต้านแผ่นดินไหว ยิ่งไปกว่านั้น ความไม่สมมาตรของแรงในสองทิศทางยังทำให้แรงที่ถ่ายเข้าสู่เสาและฐานรากเดิมไม่สมดุล ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่งสำหรับงานเสริมกำลังอาคารเดิมที่โครงสร้างรองรับมีกำลังจำกัดอยู่แล้ว

4.หลักการทำงานขององค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะ

BRB แก้ปัญหาข้างต้นด้วยแนวคิดที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง คือแยกหน้าที่รับแรงตามแนวแกนออกจากหน้าที่ยับยั้งการโก่งเดาะ องค์ประกอบหลักมีสามส่วน

• แกนเหล็กรับแรง (steel core) — ทำหน้าที่รับแรงตามแนวแกนทั้งหมด กำลังครากของชิ้นส่วนถูกกำหนดโดยพื้นที่หน้าตัดและกำลังครากของเหล็กที่เลือกใช้
• ปลอกหุ้มยับยั้งการโก่งเดาะ (restraining casing) — โดยทั่วไปเป็นปลอกเหล็กที่เติมด้วยมอร์ตาร์หรือคอนกรีต ทำหน้าที่ประคองแกนไม่ให้โก่งออกด้านข้าง โดยไม่รับแรงตามแนวแกน
• ชั้นวัสดุกันการยึดเกาะ (debonding layer) — คั่นระหว่างแกนกับวัสดุเติม เพื่อให้แกนยืดและหดตัวตามแนวแกนได้อย่างอิสระ และรองรับการขยายตัวด้านข้างของแกนขณะรับแรงอัด

เมื่อปลอกหุ้มยับยั้งการโก่งเดาะได้อย่างมีประสิทธิผล แกนเหล็กจะสามารถครากได้ทั้งในทิศทางแรงดึงและแรงอัด พฤติกรรมของชิ้นส่วนจึงใกล้เคียงกับวัสดุอุดมคติแบบยืดหยุ่น-พลาสติกเต็มรูป ผลลัพธ์เชิงวิศวกรรมที่ได้มีสามประการที่สำคัญ

• สลายพลังงานได้สูง — วงรอบฮีสเทอรีซิสเต็มและเสถียรตลอดหลายรอบการกระทำ ต่างจากวงรอบคอดของค้ำยันธรรมดาอย่างชัดเจน
• คาดการณ์กำลังได้แม่นยำ — กำลังครากคำนวณจากพื้นที่หน้าตัดแกนโดยตรง ทำให้ควบคุมระดับแรงสูงสุดที่จะถ่ายเข้าสู่โครงสร้างเดิมได้
• ทำหน้าที่เป็นชิ้นส่วนเสียสละ — ออกแบบให้ความเสียหายไปเกิดที่ BRB ซึ่งถอดเปลี่ยนได้ แทนที่จะไปเกิดที่เสาคอนกรีตเสริมเหล็กซึ่งซ่อมแซมยากและกระทบต่อเสถียรภาพของอาคารโดยตรง

5.ผลการศึกษาที่ผู้เขียนร่วมดำเนินการ

ระหว่าง พ.ศ. 2553–2556 ผู้เขียนได้ร่วมในชุดการศึกษาว่าด้วยการประยุกต์ใช้ BRB กับโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กในบริบทของประเทศไทย ซึ่งดำเนินไปเป็นลำดับสามขั้น

5.1 การพัฒนาชิ้นส่วนต้นแบบ (พ.ศ. 2553)

ขั้นแรกเป็นการพัฒนาองค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะสำหรับงานเสริมกำลังอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก โดยมุ่งไปที่การกำหนดรูปแบบหน้าตัดแกน วัสดุปลอกหุ้ม และวัสดุกันการยึดเกาะ ให้สามารถผลิตได้ด้วยเทคนิคและวัสดุที่หาได้ในประเทศ เผยแพร่ในการประชุมวิชาการคอนกรีตประจำปี ครั้งที่ 6

5.2 การทดสอบแบบวัฏจักรกับโครงข้อแข็งที่ไม่เหนียว (พ.ศ. 2554)

ขั้นที่สองเป็นการทดสอบโครงข้อแข็งคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีรายละเอียดการเสริมเหล็กแบบไม่เหนียว ซึ่งจำลองลักษณะของอาคารเดิมในประเทศไทย โดยเปรียบเทียบพฤติกรรมก่อนและหลังการเสริมกำลังด้วย BRB ภายใต้แรงกระทำด้านข้างแบบวัฏจักร เผยแพร่ใน The 2011 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics

5.3 กรณีโครงสร้างชั้นล่างอ่อน (พ.ศ. 2556)

ขั้นที่สามขยายผลไปสู่โครงสร้างที่มีลักษณะชั้นล่างอ่อน ซึ่งเป็นรูปแบบที่พบมากที่สุดในอาคารพาณิชย์ของไทย เผยแพร่ใน JCI Annual Convention ณ เมืองนาโงยา ประเทศญี่ปุ่น

5.4 การเชื่อมโยงสู่บริบทท้องถิ่น

ต่อมาใน พ.ศ. 2559 ผู้เขียนได้ศึกษาการประเมินระดับความต้านทานแรงแผ่นดินไหวของอาคารในจังหวัดจันทบุรี ซึ่งทำให้เห็นภาพสภาพอาคารในพื้นที่ชัดเจนขึ้น และเป็นการเชื่อมองค์ความรู้เชิงเทคนิคเข้ากับโจทย์จริงของท้องถิ่น อันเป็นบทบาทที่มหาวิทยาลัยราชภัฏพึงมีต่อพื้นที่ที่ตนตั้งอยู่

6.ข้อพิจารณาเมื่อนำไปใช้กับอาคารจริง

ประสิทธิผลของ BRB ขึ้นกับรายละเอียดการออกแบบโดยรอบไม่น้อยไปกว่าตัวชิ้นส่วนเอง ประเด็นที่ต้องพิจารณาอย่างรอบคอบมีดังนี้

7.บทสรุป

อาคารคอนกรีตเสริมเหล็กเดิมที่ไม่ได้ออกแบบต้านทานแรงแผ่นดินไหวเป็นความเสี่ยงที่มีอยู่จริงและกระจายตัวอยู่ทั่วประเทศ การเสริมกำลังด้วยค้ำยันทแยงแบบธรรมดาช่วยเพิ่มความแข็งเกร็งได้ก็จริง แต่ไม่ได้แก้ปัญหาที่แท้จริง เพราะการโก่งเดาะในทิศทางแรงอัดทำให้ระบบสลายพลังงานได้จำกัด และกำลังเสื่อมถอยลงเมื่อถูกกระทำซ้ำ

องค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะตอบโจทย์นี้ด้วยการแยกหน้าที่รับแรงออกจากหน้าที่ยับยั้งการโก่งเดาะ ทำให้แกนเหล็กครากได้ทั้งสองทิศทาง ให้วงรอบฮีสเทอรีซิสที่เต็มและเสถียร คาดการณ์กำลังได้แม่นยำ และเปลี่ยนตำแหน่งความเสียหายไปยังชิ้นส่วนที่ถอดเปลี่ยนได้ ชุดการศึกษาที่ผู้เขียนร่วมดำเนินการระหว่าง พ.ศ. 2553–2556 ชี้ให้เห็นความเป็นไปได้ของการนำแนวคิดนี้มาใช้กับโครงสร้างที่มีรายละเอียดแบบไม่เหนียวและมีชั้นล่างอ่อน ซึ่งเป็นลักษณะที่พบทั่วไปในอาคารของไทย

ข้อเสนอสำหรับการดำเนินงานในระยะต่อไป คือการจัดทำแนวทางปฏิบัติสำหรับการคัดกรองอาคารเสี่ยงในระดับจังหวัด และการพัฒนาแบบมาตรฐานของรอยต่อสำหรับงานเสริมกำลังด้วย BRB ที่ผู้รับเหมาในท้องถิ่นสามารถดำเนินการได้ ซึ่งจะทำให้องค์ความรู้นี้เคลื่อนจากห้องปฏิบัติการไปสู่การใช้งานจริงในพื้นที่ได้อย่างเป็นรูปธรรม

8.เอกสารอ้างอิง

1. กรมโยธาธิการและผังเมือง. (2564). มาตรฐานการออกแบบอาคารต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว มยผ. 1301/1302-61 (ฉบับปรับปรุงครั้งที่ 1). กระทรวงมหาดไทย.
2. เป็นหนึ่ง วานิชชัย, ชาตรี งามเสงี่ยม, อำนาจ คำพานิช, และ สุทัศน์ ลีลาทวีวัฒน์. (2553). การพัฒนาองค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะสำหรับการเสริมกำลังอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก. ใน การประชุมวิชาการคอนกรีตประจำปี ครั้งที่ 6.
3. ชาตรี งามเสงี่ยม. (2559). การประเมินระดับความต้านทานแรงแผ่นดินไหวของอาคารในจังหวัดจันทบุรี. ใน The 2nd National Conference on Industrial Technology and Engineering.
4. Khampanit, A., Ngamsangiem, C., Niyompanitpattana, S., & Leelataviwat, S. (2011). Cyclic testing of a non-ductile reinforced concrete frame strengthened with buckling restrained braces. In The 2011 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics.
5. Nakano, T., Khampanit, A., Leelataviwat, S., & Ngamsangiem, C. (2013). A study on soft story RC frame strengthened with buckling restrained braces. In JCI Annual Convention in Nagoya.
6. American Institute of Steel Construction. (2022). Seismic provisions for structural steel buildings (ANSI/AISC 341-22).
7. American Society of Civil Engineers. (2023). Seismic evaluation and retrofit of existing buildings (ASCE/SEI 41-23).