บทที่ 5

มาตรฐานการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคาร

กฎกระทรวงฉบับที่6 (พ.ศ. 2527) ออกตามความในพระราชบัญญัติควบคุมอาคาร พ.ศ. 2522 ข้อ 17 ในหมวดแรงลม ได้กำหนดค่าหน่วยแรงลมที่กระทำกับอาคารเปลี่ยนแปลงตามความสูงของอาคารแต่เพียงอย่างเดียว โดยไม่ได้คำนึงถึงผลกระทบที่เกิดจากปัจจัยอื่น เช่น ตำแหน่งที่ตั้งของอาคารว่าอยู่ในเขตที่มีความเร็วลมอ้างอิงและลักษณะภูมิประเทศที่แตกต่างกัน เป็นต้น ดังนั้นกรมโยธาธิการและผังเมือง จึงได้ดำเนินการให้สถาบันวิจัยและให้คำปรึกษาแห่งมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์เป็นที่ปรึกษาจัดทำมาตรฐานว่าด้วยการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคารสำหรับประเทศไทย

โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อยกระดับมาตรฐานการออกแบบอาคารต้านทานแรงลมภายในประเทศไทยให้ทันสมัยและมีความถูกต้องสมบูรณ์ทัดเทียมกับมาตรฐานสากล ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นในการทำให้มาตรฐานวิชาชีพเป็นที่ยอมรับในประชาคมวิชาชีพระหว่างประเทศในยุคโลกาภิวัฒน์ มาตรฐานฉบับใหม่นี้ได้คำนึงถึง ความเร็วลมอ้างอิงในเขตต่างๆ ลักษณะภูมิประเทศ รูปร่างของอาคาร และคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของอาคาร ซึ่งเป็นรูปแบบของมาตรฐานการคำนวณแรงลมที่ได้รับการยอมรับในระดับสากล (กรมโยธาธิการและผังเมือง กระทรวงมหาดไทย, 2550)

5.1 รูปแบบของการคำนวณแรงลม

ข้อพิจารณาหลักของการออกแบบอาคารต้านแรงลม

-                   ระบบโครงสร้างหลักของอาคาร องค์อาคาร และส่วนประกอบอื่นของอาคาร ต้องได้รับการออกแบบให้มีกำลัง (strength) และเสถียรภาพ (stability) ที่สูงเพียงพอที่จะสามารถต้านทางแรงลมหรือผลเนื่องจากแรงลมได้อย่างปลอดภัย โดยไม่เกิดความเสียหายใดๆ

-                   การโก่งตัวด้านข้าง (lateral deflection) ของอาคารเนื่องจากแรงลมจะต้องมีค่าน้อยเพียงพอที่จะไม่ให้เกิดความเสียหายแก่องค์อาคารหลักและองค์อาคารรอง

-                   การสั่นไหวของอาคาร ( building motion ) ที่เกิดจากแรงลม ทั้งในทิศทางลมและทิศตั้งฉากกับทิศทางลม มีระดับต่ำเพียงพอที่จะไม่ทำให้ผู้ใช้อาคารรู้สึกไม่สบาย หรือเกิดอาการวิงเวียน

5.2 การกำหนดค่าแรงลมสถิตเทียบเท่า

การกำหนดค่าแรงลมสถิตเทียบเท่ามี 3 วิธี ดังนี้

1.      วิธีการอย่างง่าย วิธีการอย่างง่ายใช้กับโครงสร้างต่อไปนี้

-                   ระบบโครงสร้างหลักต้านทานแรงลม (main wind-force resistance system) ของอาคารเตี้ย และอาคารสูงปานกลางที่มีความสูงไม่เกิน 80 เมตร และมีความสูงไม่เกิน 3 เท่าของความกว้างประสิทธิผลที่น้อยที่สุด ยกเว้นอาคารที่ระบุไว้ในหัวข้อ 2

-                   ผนังภายนอกอาคาร (cladding) ของอาคารทุกประเภท

2.      วิธีการอย่างละเอียด วิธีการอย่างละเอียดใช้กับโครงสร้างต่อไปนี้

-                   อาคารที่มีความสูงเกิน 80 เมตร หรือมีความสูงเกิน 3 เท่าของความกว้างประสิทธิผลที่น้อยที่สุด

-                   อาคารที่สั่นไหวง่าย ได้แก่ อาคารที่มีน้ำหนักเบา และมีความถี่ธรรมชาติต่ำ และมีคุณสมบัติความหน่วงของอาคารต่ำ

แผนภาพขั้นตอนการคำนวณแรงลมและการตอบสนองโดยวิธีการอย่างง่ายและวิธีการอย่างละเอียด แสดงในรูปที่ 3 โดยหมายเลขหัวข้อและรูปอ้างอิงตามมาตรฐานในเอกสารอ้างอิง 10 และ 12

3.       วิธีการทดสอบในอุโมงค์ลม

                        วิธีการทดสอบในอุโมงค์ลม ใช้กับอาคารหรือโครงสร้างที่มีความอ่อนไหวต่อแรงลมเป็นพิเศษ และใช้กับอาคารซึ่งอยู่นอกเหนือขอบเขตที่ระบุไว้ในมาตรฐานการคำนวณแรงลม การทดสอบในอุโมงค์ลมสามารถใช้แทนการคำนวณแรงลมโดยวิธีการอย่างง่าย และวิธีการอย่างละเอียด

 

5.3 มาตรฐานการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคารของประเทศไทย ตามมาตรฐานของกรมโยธาธิการและผังเมือง (มยผ.1311-50)

           

การคำนวณแรงลมสถิตเทียบเท่า

      หน่วยแรงลมที่กระทำบนพื้นผิวภายนอกของอาคารในทิศทางลม สามารถคำนวณได้จากสมการ

โดยที่

ความเร็วลมอ้างอิง คือ ค่าความเร็วลมเฉลี่ยในช่วงเวลา 1 ชั่วโมง ที่ความสูง 10 เมตรจากพื้นดิน ในสภาพภูมิประเทศโล่ง (open exposure, สำหรับคาบเวลากลับ (return period) 50 ปี ค่าประกอบเนื่องจากสภาพภูมิประเทศ  การคำนวณค่าแรงลมโดยวิธีการอย่างละเอียด คำนึงถึงสภาพภูมิประเทศเป็น 3 แบบ ดังนี้

ภาพที่ 5.3.1
สภาพภูมิประเทศ

ที่มา : หลักการพื้นฐานสำหรับการคำนวณแรงลมและผลตอบสนองสำหรับการออกแบบอาคาร (นคร ภู่วโรดม, 2550)

-                   สภาพภูมิประเทศแบบ A เป็นสภาพภูมิประเทศแบบโล่ง หรือเป็นบริเวณชายฝั่งทะเล

-                   สภาพภูมิประเทศแบบ B เป็นสภาพภูมิประเทศแบบชานเมือง หรือบริเวณศูนย์กลางเมืองขนาดเล็ก

-                   สภาพภูมิประเทศแบบ  C เป็นสภาพภูมิประเทศของบริเวณศูนย์กลางเมืองใหญ่

ความเร็วลมอ้างอิง

            นิยาม ความเร็วลมเฉลี่ยใน 1 ชั่วโมง ที่ระดับสูง 10 ม.กรณีที่มีสภาพแวดล้อมเปิดโล่งพื้นที่อื่นยกเว้นภาคใต้

-  คาบย้อนกลับของความเร็วลมอ้างอิงประมาณ 50 ปี

-  คาบย้อนกลับของหน่วยแรงลมที่สภาวะจำกัดด้านการใช้งานประมาณ 20-30 ปี

- โอกาสเสี่ยงที่หน่วยแรงลมที่สภาวะจำกัดด้านกำลังจะถูกละเมิดประมาณร้อยละ 5 สำหรับอาคารปกติ ตลอดอายุใช้งาน 30 ปี

พื้นที่ภาคใต้ (อิทธิพลพายุหมุนเขตร้อน)

-  อาคารที่มีความสำคัญสูงต้องไม่พังทลาย

- หน่วยแรงลมที่สภาวะจำกัดด้านกำลังสำหรับอาคารที่มีความสำคัญสูงเทียบเท่ากับหน่วยแรงลมที่ประมาณจากพายุไต้ฝุ่นเกย์

ภาพที่ 5.3.2
แผนที่ความเร็วลมอ้างอิง

ที่มา : แผนที่ความเร็วลมอ้างอิงสำหรับการออกแบบอาคารของประเทศไทย (นเรศ  ลิมสัมพันธ์เจริญ, 2550)

ค่าประกอบเนื่องจากการกระโชกของลม  สำหรับวิธีการอย่างละเอียด คำนวณได้ดังนี้

ซึ่งมาตรฐานนี้ มีคำอธิบายอย่างละเอียดในแต่ละขั้นตอนการคำนวณของมาตรฐาน มาตรฐานนี้มีการคำนึงถึงการตอบสนองของอาคารในทิศทางลม ในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางลม และการบิดของอาคาร โดยการหาค่าตัวแปรต่างๆหาได้จากภาพซึ่งไม่ยุ่งยาก แต่อาจเกิดความผิดพลาดได้ แต่ก็สามารถคำนวณได้จากสมการข้างต้นนั้น อย่างไรก็ตามการคำนวณต่าง ๆ ต้องอาศัยการทดสอบในอุโมงค์ลมเพื่อเปรียบเทียบค่าที่เกิดขึ้นจริงต่อโครงสร้างเพราะอาคารมีความสูง งบประมาณในการใช้ก่อสร้างและดำเนินการทั้งโครงการมีความสำคัญอย่างยิ่ง และมีมูลค่าสูง