ผนังอิฐก่อกับพฤติกรรมต้านทานแผ่นดินไหวของอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กในประเทศไทย: ทบทวนจากผลการทดสอบเชิงทดลอง

1.บทนำ

อาคารคอนกรีตเสริมเหล็กจำนวนมากในประเทศไทยมีผนังก่ออิฐเป็นผนังกั้นห้อง ในทางปฏิบัติวิศวกรออกแบบมักไม่นับผนังเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของระบบรับแรงด้านข้าง เพราะถือว่าเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โครงสร้าง (non-structural) แต่ในความเป็นจริง เมื่อเกิดแผ่นดินไหว ผนังอิฐก่อจะเข้าไปมีปฏิสัมพันธ์กับโครงข้อแข็งทันที เพราะติดแนบชิดกับเสาและคานโดยรอบ

งานวิจัยเรื่องพฤติกรรมของโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อ (Masonry Infilled RC Frame) ภายใต้แรงกระทำด้านข้างมีผู้ศึกษามาแล้วจำนวนมากในต่างประเทศ แต่ผนังก่ออิฐที่ก่อสร้างจริงในประเทศไทยมีรายละเอียดเฉพาะที่แตกต่างออกไป คือมีเสาเอ็น ทับหลัง และเหล็กเสริมยึดผนังโดยรอบ ประกอบกับคุณสมบัติวัสดุ เช่น กำลังอัดของอิฐมอญและมอร์ตาร์ที่ใช้ในประเทศ ก็แตกต่างจากงานวิจัยต่างประเทศ การศึกษาพฤติกรรมของผนังอิฐก่อแบบไทยโดยเฉพาะ จึงมีความจำเป็นต่อการประเมินความสามารถต้านทานแผ่นดินไหวของอาคารที่มีอยู่จริง

งานวิจัยที่ทบทวนในบทความนี้ใช้แบบอาคารโรงเรียนมาตรฐานในเขตกรุงเทพมหานครเป็นอาคารต้นแบบ สร้างตัวอย่างทดสอบขนาดครึ่งหนึ่งของอาคารจริง กว้าง 1 ช่วงเสา สูง 1 ชั้น แล้วให้แรงกระทำด้านข้างแบบกึ่งสถิตสลับทิศ (Quasi-Static Cyclic Loading) ร่วมกับแรงกระทำในแนวดิ่งคงที่ เพื่อจำลองสภาพการรับแรงของเสาชั้นล่างขณะเกิดแผ่นดินไหว

2.ลำดับความเสียหายตามระยะเคลื่อนตัวสัมพัทธ์

ผลการทดสอบแสดงลำดับความเสียหายที่ชัดเจนและสัมพันธ์กับระยะเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ระหว่างชั้น (Interstory Drift Ratio) ดังสรุปในตารางที่ 1

กลไกการวิบัติที่พบคือการวิบัติแบบเฉือน (Shear Failure) เกิดจุดหมุนพลาสติก (Plastic Hinge) ที่บริเวณปลายเสาด้านบน ร่วมกับการวิบัติของรอยต่อทาบเหล็กเสริม (Lap Splice Failure) บริเวณปลายเสาด้านล่าง ซึ่งเป็นรูปแบบที่ทำให้โครงอาคารสลายพลังงานได้น้อย ไม่เหมาะสมต่อการต้านทานแรงแผ่นดินไหว

3.ผลกระทบต่อกำลังและความแข็งแกร่งของโครงอาคาร

ผนังอิฐก่อทำให้กำลังรับแรงด้านข้างของโครงอาคารสูงกว่าโครงอาคารที่ไม่มีผนังถึง 3 เท่า แต่ผลดังกล่าวมีเฉพาะในช่วงระยะเคลื่อนตัวสัมพัทธ์ต่ำ คือต่ำกว่า 0.75% เท่านั้น เมื่อพ้นช่วงนี้ไปกำลังรับแรงจะตกลงอย่างรวดเร็ว สอดคล้องกับลำดับความเสียหายในหัวข้อที่ 2 ที่ผนังเริ่มหลุดร่อนที่ระยะเคลื่อนตัว 0.75%

เมื่อพิจารณาความแข็งแกร่ง (Stiffness) ในการต้านทานแรงด้านข้าง โครงอาคารที่มีผนังอิฐก่อมีค่าสูงกว่าโครงอาคารที่ไม่มีผนังถึง 16 เท่า ตัวเลขนี้สะท้อนความแข็งเกร็งช่วงแรกของระบบซึ่งสูงกว่าอัตราส่วนกำลังสูงสุดมาก เพราะผนังอิฐก่อทำหน้าที่เสมือนค้ำยันทแยงที่แข็งมากในช่วงต้น ก่อนจะแตกร้าวและสูญเสียความแข็งเกร็งไปอย่างรวดเร็วเมื่อระยะเคลื่อนตัวเพิ่มขึ้น

ในภาพรวมโครงอาคารมีความเหนียวอยู่ในระดับพอประมาณ แต่รูปแบบวงรอบการสลายพลังงาน (Hysteretic Loop) ที่ปรากฏมีลักษณะคอดแคบ (Pinched) ซึ่งเป็นสัญญาณว่าระบบสลายพลังงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ แม้จะมีความเหนียวในระดับหนึ่งก็ตาม

4.จากผนังกั้นห้องสู่กลไกเสาสั้นและการวิบัติแบบเฉือน

ประเด็นที่สำคัญที่สุดของผลการทดสอบนี้ไม่ใช่ตัวเลขกำลังหรือความแข็งแกร่ง แต่คือการเปลี่ยนรูปแบบการวิบัติของโครงอาคาร เมื่อผนังอิฐก่อหลุดร่อนออกจากส่วนบนของช่องเสา-คานที่ระยะเคลื่อนตัว 1.00% ส่วนของเสาที่เหลือความสูงอิสระ (ไม่มีผนังยึดรั้ง) จะสั้นลงกว่าความสูงเสาเต็มช่วงเดิม เกิดเป็นพฤติกรรมเสาสั้น (Captive Column)

เสาสั้นมีผลโดยตรงต่อแรงเฉือนที่เสาต้องรับ เพราะแรงเฉือนแปรผกผันกับความสูงอิสระของเสา เมื่อความสูงอิสระลดลงจากผนังที่ยังเหลือค้ำอยู่บางส่วน แรงเฉือนที่ต้องรับจึงเพิ่มสูงขึ้นเฉพาะจุด ซึ่งเสาที่ออกแบบไว้แต่เดิมมักไม่ได้เผื่อกำลังรับแรงเฉือนสำหรับสถานการณ์นี้ นำไปสู่การวิบัติแบบเฉือนที่ปลายเสาด้านบนดังที่กล่าวในหัวข้อที่ 2

ผลการทดสอบชี้ว่าผนังอิฐก่อเป็นองค์ประกอบที่มีความสำคัญต่อพฤติกรรมการรับแรงของอาคารอย่างมาก ซึ่งขัดกับความเชื่อทั่วไปที่มองว่าเป็นเพียงองค์ประกอบตกแต่ง วิศวกรจึงจำเป็นต้องพิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างผนังอิฐก่อกับโครงอาคารโดยเฉพาะในการประเมินกำลังอาคารเดิมสำหรับการต้านทานแผ่นดินไหว เพราะรูปแบบวิบัติที่เปลี่ยนไปอาจนำไปสู่กลไกการพังทลายแบบชั้นล่างอ่อน (Soft Story) ได้เมื่อผนังชั้นล่างถูกออกแบบให้เปิดโล่งกว่าชั้นบน ขณะที่แรงเฉือนเฉพาะจุดจากเสาสั้นในชั้นอื่นยิ่งซ้ำเติมความเสี่ยง

5.แบบจำลองเชิงวิเคราะห์ — Multiple Strut เทียบ Single Strut

ในการวิเคราะห์โครงสร้างที่มีผนังอิฐก่อ วิศวกรมักจำลองผนังเป็นค้ำยันทแยงเทียบเท่า (Equivalent Diagonal Strut) ผลการเปรียบเทียบระหว่างสองแบบจำลองพบว่า

• แบบจำลอง Single Strut — ใช้ค้ำยันทแยงเพียงเส้นเดียวแทนผนังทั้งแผ่น คำนวณง่ายแต่ไม่สามารถจับภาพปฏิสัมพันธ์เฉพาะจุดระหว่างผนังกับเสาและคานได้ครบถ้วน
• แบบจำลอง Multiple Strut — ใช้ค้ำยันทแยงหลายเส้นกระจายจุดสัมผัสไปตามความยาวของเสาและคาน ทำให้สามารถแสดงผลกระทบเฉพาะจุด เช่น พฤติกรรมเสาสั้นที่กล่าวในหัวข้อที่ 4 ได้ถูกต้องกว่า

ผลการวิเคราะห์ด้วยแบบจำลอง Multiple Strut ให้ค่าใกล้เคียงกับผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการ โดยมีความคลาดเคลื่อนประมาณ 2% เท่านั้น ซึ่งดีกว่าแบบจำลอง Single Strut อย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากสามารถแสดงการค้ำยันของผนังกับทั้งเสาและคานพร้อมกันได้ตามพฤติกรรมจริง

6.นัยเชิงวิศวกรรมและความเชื่อมโยงกับงานเสริมกำลังอาคาร

ผลการทดสอบนี้มีความสำคัญต่อสองบทบาทของวิศวกรโครงสร้าง บทบาทแรกคือการประเมินอาคารเดิม — การเพิกเฉยต่อผนังอิฐก่อในการวิเคราะห์อาจทำให้ประเมินความสามารถต้านทานแผ่นดินไหวของอาคารผิดพลาดไปในทิศทางตรงข้ามกัน คือกำลังจริงในช่วงต้นสูงกว่าที่คำนวณ แต่กลับวิบัติแบบเฉือนซึ่งเป็นการวิบัติแบบเปราะที่อันตรายกว่าการวิบัติแบบโค้งงอ (Flexural Failure) ที่ออกแบบไว้แต่เดิม

บทบาทที่สองคือการออกแบบเสริมกำลัง ซึ่งเชื่อมโยงโดยตรงกับแนวทางการเสริมกำลังด้วยองค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะ (Buckling-Restrained Braces หรือ BRB) ที่ผู้เขียนได้ศึกษาต่อในช่วงเวลาเดียวกันของหลักสูตร เนื่องจากทั้งสองแนวทางล้วนมุ่งแก้ปัญหาเดียวกัน คือโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กเดิมที่ไม่ได้ออกแบบต้านทานแผ่นดินไหว เพียงแต่เข้าหาปัญหาจากมุมต่างกัน ผลการทดสอบผนังอิฐก่อในบทความนี้ชี้ให้เห็นความเสี่ยงของระบบต้านทานแรงที่ไม่ได้ออกแบบไว้ตั้งแต่ต้น (ผนังที่ควบคุมพฤติกรรมโดยไม่ได้ตั้งใจ) ขณะที่แนวทาง BRB เป็นการเสริมระบบต้านทานแรงที่ออกแบบมาโดยเจตนาและควบคุมพฤติกรรมได้ ผู้สนใจสามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่บทความ "องค์อาคารรั้งยึดไร้การโก่งเดาะ (BRBs) กับการเสริมกำลังอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กต้านแผ่นดินไหว" ในหมวดบทความวิชาการของเว็บไซต์นี้

7.เอกสารอ้างอิง

1. เกริกฤทธิ์ พรหมดวง. (2553). การทดสอบโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อภายใต้แรงสลับทิศ [วิทยานิพนธ์ปริญญามหาบัณฑิต]. มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี.
2. เกริกฤทธิ์ พรหมดวง, สุรศักดิ์ นิยมพานิชพัฒนา, เจนศักดิ์ คชนิล, สุทัศน์ ลีลาทวีวัฒน์, และ เป็นหนึ่ง วานิชชัย. (2553). การทดสอบโครงอาคารคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีผนังอิฐก่อภายใต้แรงสลับทิศ. ใน การประชุมวิชาการวิศวกรรมโยธาแห่งชาติ ครั้งที่ 15.