แนวทางการประเมินอาคารต้านทานแผ่นดินไหว

การประเมินความสามารถต้านทานแผ่นดินไหวของอาคาร มักนิยมนำมาตรวจสอบอาคารที่มีอยู่เดิม เพื่อพิจารณาระดับสมรรถะในการต้านทานแผ่นดินไหวของอาคาร ความมั่นคงแข็งแรง และความเสียหายที่เกิดขึ้นเมื่อเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว ทำให้ทราบตำแหน่งที่มีความอ่อนแอของอาคาร ซึ่งสามารถนำมาใช้วางแผนการซ่อมเสริมกำลังอาคารได้อย่างถูกต้อง มาตรฐานการประเมินกำลังโครงสร้างต้านทานแผ่นดินไหวที่นิยมใช้และได้รับการยอมรับได้แก่

• มาตรฐานนิวซีแลนด์ (New Zealand Society for Earthquake Engineering, 2006 , NZSEE)
• มาตรฐานอเมริกัน (American Society of Civil Engineers, 2007, ASCE/SEI41-06)
• มาตรฐานญี่ปุ่น (The Japan Building Disaster Prevention Association 2001)
• มาตรฐานยุโรป (European Committee for Standardization, 2004, EC8-03)

มาตรฐานแต่ละมาตรฐาน มีวิธีการและปรัชญาในการประเมินที่ทั้งเหมือน และแตกต่างกันออกไป  โดยมุ่งเน้นให้สามารถประเมินความสามารถของอาคารให้ใกล้เคียงกับพฤติกรรมจริงมากที่สุด

สำหรับประเทศไทย ได้สร้างแนวทางการประเมินขึ้นเอง ได้แก่ มาตรฐานการประเมินและการเสริมความมั่นคงแข็งแรงของโครงสร้างอาคารในเขตที่อาจได้รับแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว ของกรมโยธิการและผังเมือง กระทรวงมหาดไทย (มยผ. 1303-57) เป็นมาตรฐานที่มีความทันสมัย ได้จัดทำขึ้นจากข้อมูลงานวิจัยที่ศึกษากันในประเทศไทย โดยอ้างอิงกับมาตรฐานการประเมินอาคารต้านทานแผ่นดินไหวจากต่างประเทศ และมีการปรับปรุงตัวแปรต่าง ๆ ให้เหมาะสมกับสภาพทางเศษฐกิจและสังคมในประเทศไทย

1. ระดับสมรรถนะของอาคาร

เป็นสิ่งที่บอกถึงระดับความสามารถ ของอาคารในการต้านทานแผ่นดินไหว โดยสังเกตจากความเสียหายที่เกิดขึ้นกับอาคาร และข้อมูลอื่นๆ ประกอบ มยผ.1303-57 ได้แบ่งระดับสมรรถนะของอาคารเป็น 4 ระดับได้แก่

• ระดับอาคารปฏิบัติงานได้ (Operational level) หมายถึง ระดับสมรรถนะอาคารที่ชิ้นส่วนโครงสร้างมีระดับสมรรถนะโครงสร้างแบบเข้าใช้อาคารได้ทันที
• ระดับเข้าใช้อาคารได้ทันที หมายถึงระดับสมรรถนะอาคารที่ชิ้นส่วนโครงสร้างมีระดับสมรรถนะโครงสร้างแบบเข้าใช้อาคารได้ทันที่ ในขณะที่ส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้างเกิดความเสียหายเล็กน้อย อาคารมีสภาพที่สามารถกลับเข้าใช้งานได้อย่างปลอดภัยทันทีหลังเกิดแผ่นดินไหว แม้ว่าระบบต่าง ๆ ที่ไม่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างอาจใช้งานไม่ได้
• ระดับปลอดภัยต่อชีวิต หมายถึงระดับสมรรถนะอาคารที่ชิ้นส่วนโครงสร้างมีระดับสมรรถนะโครงสร้างแบบปลอดภัยต่อชีวิต ซึ่งจำเป็นต้องทำการซ่อมแซมและบูรณะอาคารค่อนข้างมาก ก่อนกลับเข้าใช้งานได้ตามปกติ
• ระดับป้องกันการพังทลาย เป็นระดับสมรรถนะที่เกิดความเสียหาย โดยรวมที่รุนแรงมาก แต่สามารถทำการอพยพเพื่อหลีกเลี่ยงการเสียชีวิตของผู้ใช้อาคารส่วนใหญ่ได้ เนื่องจากอาคารยังไม่พังทลาย แต่อาจมีความเสี่ยง ต่อการสูญเสียชีวิตของผู้ใช้อาคารบางส่วน เนื่องจากการพังทลายของชิ้นส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง

2. ระดับสมรรถนะของโครงสร้าง

ระดับสมรรถนะของโครงสร้างแตกต่างจากสมรรถนะของอาคารเพียงเล็กน้อย โดยระดับสมรรถนะของโครงสร้างจะพิจารณาความเสียหายที่เกิดขึ้นแก่โครงสร้างที่มีความจำเป็นต่อการต้านทานแรงแผ่นดินไหว เรียกว่าโครงสร้างหลัก และชิ้นส่วนโครงสร้างที่ไม่มีความจำเป็นต่อการต้านทานแรงแผ่นดินไหวเป็นโครงสร้างรอง ซึ่งในการวิเคราะห์โครงสร้างจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ จะให้ข้อมูลระดับสมรรถะของโครงสร้างออกมา ซึ่งมีการจำแนกเป็น 3 ระดับดังตารางที่ 1

ตารางที่ 1 ระดับสมรรถนะของโครงสร้างและความเสียหาย

(ที่มา: มยผ1303-57 ตารางที่ 3.4-2)

3. ระดับแผ่นดินไหวที่ใช้ทำการประเมินและออกแบบเสริมความมั่นคงแข็งแรง

ระดับความรุนแรงของแผ่นดินไหวที่ใช้ในการประเมินและออกแบบเสริมความมั่นคงแข็งแรงของอาคารตาม มยผ.1303-57 ได้กำหนดให้สามารถใช้ความเร่งของพื้นดินสำหรับออกแบบจากกราฟสเปกตรัมผลตอบสนองตาม มยผ.1302-52 มาเป็นกราฟสเปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการประเมิน หรือสามารถสร้างกราฟเสปกตรัมผลตอบสนองแบบเฉพาะเจาะจงที่ตั้งอาคารก็ได้

สามารถใช้กราฟที่ระบุในมาตรฐานกรมโยธาธิการและผนังเมือง สำหรับการออกแบบอาคารต้านทานการสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหว (มยผ.1302-52) โดยใช้กราฟเสปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการออกแบบด้วยวิธีพลศาสตร์เท่านั้น โดยสามารถลดค่าเหลือเพียงครึ่งหนึ่ง ดังรูปที่ 1 ซึ่งเป็นระดับความรุนแรงที่กำหนดให้สอดคล้องกับคาบการกลับซ้ำประมาณ 225 ปี เนื่องจากอาคารที่ได้รับการประเมินเป็นอาคารเก่า ที่ไม่ได้ออกแบบให้สามารถต้านทานแผ่นดินไหวไว้ตั้งแต่แรก ย่อมมีกำลังต้านทานที่น้อยกว่าอาคารใหม่ ยากที่จะปรับปรุงให้มีกำลังเท่าอาคารใหม่ได้

รูปที่ 1 สเปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการประเมินและออกแบบเสริมกำลัง

ที่มา: มยผ.1303-57

• สเปกตรัมผลตอบสนองแบบเฉพาะเจาะจงที่ตั้ง

เป็นสเปกตรัมที่สร้างขึ้นจากผลการเจาะสำรวจดิน ณ บริเวณอาคารที่ตั้ง ซึ่งจะให้สเปกตรัมผลตอบสนองที่ถูกต้องมากกว่าการใช้สเปกตรัมผลตอบสนองทั่วไป โดยให้ใช้ค่าเฉลี่ยของสเปกตรัมผลตอบสนองที่มีคาบการกลับ 225 ปี เช่นเดียวกับสเปกตรัมทั่วไป

ค่าความเร่งตอบสนองเชิงสเปกตรัมที่คาบการสั่นประจำโหมดของอาคารที่พิจารณาต้องมากกว่าหรือเท่ากับร้อยละ 70 ของสเปกตรัมผลตอบสนองแบบทั่วไป

สำหรับพื้นที่ในแอ่งกรุงเทพฯ สามารถใช้สเปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการออกแบบด้วยวิธีเชิงพลศาสตร์ ใน มยผ. 1302-52 โดยใช้ค่าครึ่งหนึ่งเช่นกัน

4. การวิเคราะห์โครงสร้าง

การวิเคราะห์โครงสร้างเพื่อประเมินและออกแบบเสริมกำลัง ใน มยผ 1303-57 ได้ระบุไว้สามารถเลือกได้จาก 4 วิธี ได้แก่ วิธี

• วิธีสถิตเชิงเส้น (Linear static procedure, LSP) ) เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด โดยเปรียบเทียบอัตราส่วนของความต้องการต่อกำลังโครงสร้าง (DCR) >2 เหมาะกับโครงสร้างที่มีลักษณะสมมาตร และรูปร่างปกติ
• วิธีพลศาสตร์เชิงเส้น (Linear dynamic procedure, LDP) เหมาะกับโครงสร้างที่ไม่ปกติ ต้องใช้ประวัติเวลาของคลื่นแผ่นดินไหวในการวิเคราะห์
• วิธีสถิตไม่เชิงเส้น (Nonlinear static procedure, NSP) เป็นวิธีที่ทำการผลักโครงสร้างให้ถึงการเคลื่อนที่เป้าหมายโดยตรวจสอบกำลังของหน้าตัดว่าสามารถเคลื่อนที่ได้ยอมให้หรือไม่ ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุด
• วิธีพลศาสตร์ไม่เชิงเส้น (Nonlinear dynamic procedure, NDP) เป็นวิธีที่มีความละเอียดสูงสุด แต่ต้องใช้เวลาในการแปรผล

ปัจจุบันวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดได้แก่ วิธีสถิตไม่เชิงเส้น เนื่องจากเป็นวิธีทีมีการป้อนข้อมูลที่ไม่ซับซ้อน และให้ผลใกล้เคียงกับพฤติกรรมที่เกิดขึ้นจริง โดยการวิเคราะห์โครงสร้างด้วยวิธีสถิตไม่เชิงเส้น เป็นการใช้แรงด้านข้างที่เป็นตัวแทนของแรงแผ่นดินไหวกระทำต่อโครงสร้าง โดยค่อย ๆ ผลักจนกระทั่งการเคลื่อนที่ของยอดอาคาร (ที่จุดควบคุม) มีค่าเท่ากับหรือมากกว่าค่าการเคลื่อนที่เป้าหมาย การเสียรูปของอาคารจะเป็นลักษณะของโหมดที่ 1 ผลลัพธ์ ที่ได้จากการผลักได้แก่ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงเฉือนที่ฐาน (Base shear force) เป็นแกนตั้ง และการเคลื่อนที่ที่ยอดอาคาร (Roof displacement) เป็นแกนนอน เรียกว่าเส้นโค้งกำลัง (Capacity curve) ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 เส้นโค้งกำลังที่ได้จากการวิเคราะห์โครงสร้างโดยวิธีสถิตไม่เชิงเส้น

(ที่มา: ATC40)

เส้นโค้งกำลังดังกล่าว สามารถอธิบายพฤติกรรมโดยรวมของโครงสร้างอาคาร จะเห็นว่าเมื่อเริ่มผลักโครงสร้าง ช่วงแรกโครงสร้างอยู่ในสภาวะยืดหยุ่น เส้นกราฟเป็นเส้นตรง แต่เมื่อเพิ่มแรงผลักมากขึ้นไปอีก โครงสร้างจะมีการเสียรูป บางองค์อาคารเกิดการคราก หรืออาคารมีความเสียหายเล็กน้อยมาก เส้นกราฟเริ่มเปลี่ยนแปลงความชัน ระดับสมรรถนะของโครงสร้างจะเปลี่ยนเป็นอยู่ในระดับเข้าใช้งานได้ทันที (IO) และเมื่อเพิ่มแรงผลักไปอีก จะโดยการเคลื่อนที่ของโครงสร้างมีค่าเพิ่มมากขึ้นอย่างมาก โครงสร้างเกิดการคราก และมีความเสียหายมากขึ้นเรื่อย ๆ สมรรถนะของโครงสร้างช่วงนี้เรียกว่าระดับปลอดภัยต่อชีวิต (LS) แต่ภายหลังเพิ่มแรงกระทำและการเคลื่อนที่ที่มากขึ้นไปอีก  จนกระทั้งโครงสร้างสามารถต้านทานแรงกระทำ และการเคลื่อนที่ได้สูงสุด ก่อนที่จะมีกำลังต้านทานแรงด้านข้างตกลง แต่ยังสามารถรับน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งได้ สมรรถนะช่วงนี้เรียกว่า ระดับป้องกันการพังทลาย (CP) แต่ภายหลังจากกำลังต้านทานแรงด้านข้างตกลง โครงสร้างไม่สามารถรับน้ำหนักบรรทุกแนวดิ่งได้ จะถือว่าโครงสร้างเกิดการพังพลายแล้ว (Collapse)

นอกจากกราฟเส้นโค้งกำลังแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นลักษณะหรือรูปแบบความเสียหายที่จะเกิดขึ้น ภายในโครงสร้าง โดยจะมีการพัฒนาความเสียหายเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ตามแรงกระทำและการเคลื่อนที่ที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเราเรียกว่าจุดหมุนพลาสติก (plastic hinge) (รูปที่ 3) ซึ่งในการวิเคราะห์โครงสร้างจะต้องกำหนดจุดหมุนพลาสติกให้กับโครงสร้างไว้ล่วงหน้า ด้วยพฤติกรรมแบบไม่เชิงเส้น จุดหมุนพลาสติกอาจจำแนกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ได้ 2 แบบ ได้แก่จุดหมุนเนื่องจากแรงดัด (Flexural plastic hinge) จุดหมุนเนื่องจากแรงเฉือน (Shear hinge) ตำแหน่งไหนที่เกิดความเสียหายก่อน จะเป็นจุดอ่อนของโครงสร้าง ซึ่งช่วยให้เราสามารถเสริมกำลังโครงสร้างได้อย่างถูกต้อง

รูปที่ 3 การพัฒนาจุดหมุนพลาสติกที่เกิดขึ้นในโครงสร้าง ขณะประเมินโครงสร้าง

5. การเปรียบเทียบเส้นโค้งกำลังกับสเปกตรัมผลตอบสนอง

เมื่อได้กราฟเส้นโค้งกำลังของโครงสร้างแล้ว ต้องการตรวจสอบว่าระดับสมรรถนะของโครงสร้างอยู่ในระดับไหน สามารถทำได้โดยนำกราฟสเปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการประเมิน และออกแบบที่ได้สร้างขึ้น มาเปรียบเทียบ โดยกราฟทั้งสองจะสามารถซ้อนทับหรือเปรียบเทียบกันได้ จะต้องทำให้อยู่ในสเกลเดียวกัน ซึ่ง ATC40 แนะนำให้ทำการแปลงค่าแกน y ให้อยู่ในหน่วยของความเร่งตอบสนองเชิงเปกตรัม ( (g)) ส่วนแกน x ให้อยู่ในหน่วยของการเคลื่อนที่เชิงสเปกตรัม (spectral displacement, (หน่วยของความยาว เช่น เซนติเมตร มิลลิเมตร)) เมื่อทำให้กราฟเส้นโค้งกำลัง และสเปกตรัมผลตอบสนองสำหรับการออกแบบอยู่ในหน่วยเดียวกันแล้ว นำทั้ง 2 กราฟวางซ้อนทับกัน จะได้จุดตัดกันระหว่าง 2 กราฟ เรียกว่าจุดสมรรถนะ (performance point) ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 การเปรียบเทียบเส้นโค้งกำลังกับสเปกตรัมผลตอบสนอง

6. ตัวอย่างการประเมินอาคารต้านทานแผ่นดินไหว

อาคารสูง 5 ชั้น มีชั้นใต้ดินสำหรับจอดรถ 1 ชั้น ชั้นที่ 1-2 เป็นห้างสรรพสินค้า ส่วนชั้น 3-5 เป็นห้องพักอาศัย ระบบโครงสร้างเป็น โครงข้อแข็งคอนกรีตเสริมเหล็ก 6 ชั้น (รวมชั้นใต้ดิน) ขนาดประมาณ 63×56ม. สูง 24.25 ม. มีกำแพงรับแรงเฉือน เฉพาะชั้นใต้ดิน ใช้เป็นถังเก็บน้ำ พื้นชั้นใต้ดิน ถึง ชั้น 2 เป็นพื้นคอนกรีตหล่อในที่ พื้นชั้น 3-5 เป็นพื้นสำเร็จ มีคอนกรีตทับหน้าหนา 5 ซม. มีหลังคาโครงหลังคาเป็นโครงเหล็ก มุงด้วยกระเบื้องลอนคู่

รูปที่ 5 แปลนอาคารตัวอย่างที่ทำการประเมิน

รูปที่ 6 ภาพถ่ายอาคารที่ทำการประเมิน

ใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ทำการสร้างแบบจำลองเป็น 3 มิติ เพื่อให้ได้แบบจำลองอาคารที่เหมือนกับอาคารจริงมากที่สุด ป้อนขนาดหน้าตัดเสา ขนาดหน้าตัดคาน ปริมาณเหล็กเสริมให้เหมือนกับแบบก่อสร้างอาคาร สร้างพื้นสองทาง และพื้นสำเร็จทางเดียว จากนั้นจึงป้อนน้ำหนักบรรทุกจากกำแพง บันได และน้ำหนักบรรทุกจร 300 กิโลกรัมต่อตารางเมตร ภาพแบบจำลองอาคาร 3 มิติ กำหนดจุดหมุนพลาสติกที่จะเกิดขึ้นให้กับคาน เสา ผนัง และพื้น ทั้งหมด

รูปที่ 7 ภาพแบบจำลองอาคาร 3 มิติในโปรแกรม SAP2000

6.1 ผลการประเมินโครงสร้าง

เมื่อนำกราฟเส้นโค้งกำลังกับแรงแผ่นดินไหวที่ต้องการ มาพล็อตร่วมกัน เพื่อหาจุดสมรรถนะของอาคาร พบว่า กรณีแรงแผ่นดินไหวตามแนวแกน x ได้จุดสมรรถนะอยู่ในช่วงการผลักลำดับที่ 3 ถึง 4 ซึ่งมีแรงผลัก (V) ประมาณ 869 ตัน (ใช้ลำดับที่ 4) หรือประมาณ  เมื่อ  เป็นน้ำหนักอาคาร 25,667 ตัน ความเร่งเชิงสเปกตรัมอยู่ที่ 0.070g และการเคลื่อนที่เชิงสเปกตรัมที่ 1.07 เซนติเมตร ดังรูปที่ 8
รูปที่ 8 จุดสมรรถนะของอาคาร เมื่อแรงแผ่นดินไหวกระทำตามแนวแกน x

6.2 ตรวจสอบการเคลื่อนตัวระหว่างชั้น

ผลการตรวจสอบการเคลื่อนตัวระหว่างชั้น ที่ระดับการผลักลำดับที่ 4 พบว่า การเคลื่อนตัวระหว่างชั้นมีค่าไม่เกินร้อยละ 1 ดังนั้นอาคารดังกล่าวผ่านการประเมินต้านทานแผ่นดินไหว โดยมีระดับสมรรถนะอาคารในอยู่ในระดับเข้าใช้งานอาคารได้ทันที

ตารางที่ 2 การตรวจสอบการเคลื่อนตัวระหว่างชั้น เมื่อแรงแผ่นดินไหวกระทำตามแกน x

7. การตรวจสอบจุดหมุนพลาสติก

การตรวจสอบจุดหมุนพลาสติก เป็นการตรวจสอบรูปแบบความเสียหายที่เกิดขึ้นกับโครงสร้าง และเมื่อเพิ่มแรงผลักไปจนถึงระดับที่เป็นจุดสมรรถนะ คือที่ลำดับการผลักที่ 4 ด้วยแรงผลัก 869.07 ตัน ระยะการเคลื่อนที่ที่ยอดอาคาร เท่ากับ 1.56 ซม. พบว่า ความเสียหายยังพบที่เสา โดยเป็นความเสียหายด้วยแรงเฉือนทั้งหมด ไม่พบความเสียหายในคานแต่อย่างใด ความเสียหายในเสาที่พบลามไปเกือบทุกชั้น ความเสียหายที่เกิดขึ้นในเสาอยู่ในระดับสามารถเข้าใช้งานอาคารได้ทันที (Immediately Operation, IO) แต่มีเสาชั้น 4 ของ grid line D9 อยู่ในระดับปลอดภัยต่อชีวิต (Life Safety, LS)

Grid line D

รูปที่ 9 ตัวอย่างจุดหมุนพลาสติกที่เกิดขึ้นที่แต่ละระนาบของโครงสร้าง เมื่อผลักในลำดับที่ 4

8. ระดับความสามารถในการรองรับแผ่นดินไหวของอาคารตัวอย่าง

จากการเปรียบเทียบกราฟเส้นโค้งกำลัง และแรงแผ่นดินไหวที่ต้องการ ตรวจสอบการเคลื่อนตัวระหว่างชั้น และตรวจสอบจุดหมุนพลาสติก สามารถสรุปได้ว่า อาคารมีระดับสมรรถนะสามารถเข้าใช้งานอาคารได้ทันที (Immediately Operation) อาคารยังอยู่ในช่วงยืดหยุ่น เมื่อประเมินด้วยแรงแผ่นดินไหวตาม มยผ.1303-57 ไม่มีการเคลื่อนที่ระหว่างชั้นอย่างถาวรโครงสร้างโดยรวมยังคงสติฟเนส และกำลังส่วนใหญ่ของเดิมไว้ได้ ผนังรอบอาคาร ผนังกั้นห้อง และฝ้าเพดานรวมทั้งชิ้นส่วนโครงสร้าง เกิดรอยร้าวขนาดเล็กมาก ระบบที่สำคัญต่อการดำเนินการปกติทั้งหมดสามารถทำงานได้