คลังความรู้ แบบฟอร์มคำนวณ บริการ คอร์สเรียน สมาชิก ติดต่อเรา

เข้าสู่ระบบ เข้าร่วมเป็นสมาชิก

หน้าแรก / คลังความรู้ / การวิเคราะห์โครงสร้าง

น้ำหนักบรรทุกที่กระทำต่อโครงสร้างแบ่งเป็นหลายประเภท: น้ำหนักบรรทุกคงที่ (Dead Load, D) คือน้ำหนักตัวเองของโครงสร้างและส่วนประกอบถาวร, น้ำหนักบรรทุกจร (Live Load, L) คือน้ำหนักจากการใช้งาน (คน เฟอร์นิเจอร์ สินค้า) ที่แปรผันตามเวลา, แรงลม (Wind Load, W), แรงแผ่นดินไหว (Earthquake Load, E) และน้ำหนักบรรทุกพิเศษอื่น เช่น แรงดันดิน (Ground Pressure) แรงดันน้ำ (Water Pressure) การทรุดตัวไม่เท่ากัน (Settlement Load) แรงกระแทก (Impact Load) หรือแรงเค้นจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Stress)

หากจำแนกตามลักษณะการกระทำ น้ำหนักบรรทุกยังแบ่งเป็น น้ำหนักบรรทุกสถิต (Static Load) ที่กระทำแบบค่อยเป็นค่อยไปจนถึงค่าสูงสุดโดยไม่แปรเปลี่ยนตำแหน่งอย่างรวดเร็ว เช่น น้ำหนักบรรทุกคงที่และน้ำหนักบรรทุกจรส่วนใหญ่ และ น้ำหนักบรรทุกพลวัต (Dynamic Load) ที่กระทำอย่างฉับพลันและเปลี่ยนแปลงทั้งขนาดและตำแหน่งอย่างรวดเร็ว ทำให้โครงสร้างเกิดแรงเฉื่อย (Inertial Force) ตามกฎข้อที่สองของนิวตัน — แรงลมและแรงแผ่นดินไหวจัดเป็นน้ำหนักบรรทุกพลวัตทั้งคู่ (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.08)

แรงในแนวดิ่งจากน้ำหนักบรรทุกจะถูกถ่ายทอดลงสู่ดินตามลำดับที่เรียกว่าเส้นทางถ่ายแรง (Load Path) โดยทั่วไปเรียงจากบนลงล่างดังนี้

องค์อาคาร	บทบาทในเส้นทางถ่ายแรง
พื้น (Slab)	รับน้ำหนักใช้งานโดยตรง และกระจายแรงไปยังคานที่รองรับ
คาน (Beam)	รับแรงดัดจากพื้น แล้วถ่ายแรงไปยังเสาที่รองรับ
เสา (Column)	รับแรงอัดเป็นหลัก และส่งน้ำหนักลงสู่ฐานราก
ฐานราก (Foundation)	กระจายแรงสู่ดิน และจำกัดการทรุดตัวของโครงสร้าง
ดิน (Soil)	รองรับน้ำหนักของโครงสร้างทั้งหมดในขั้นสุดท้าย

เส้นทางถ่ายแรงนี้สอดคล้องกับแนวคิดหน่วยโครงสร้าง (Structural Unit) ที่ประกอบด้วยเสา คาน พื้น และผนังรับน้ำหนักจัดวางเป็นตาราง (Grid) — ระยะห่างระหว่างเสาหรือผนังรับน้ำหนักเป็นตัวกำหนดช่วงพาด (Span) ของพื้นและคาน ซึ่งส่งผลต่อความหนาและระบบพื้นที่เหมาะสม เช่น ช่วงพาดสั้นเหมาะกับพื้นทางเดียว ส่วนช่วงพาดที่มีสัดส่วนใกล้เคียงสี่เหลี่ยมจัตุรัสเหมาะกับพื้นสองทาง (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.19–2.21)

นอกจากรับน้ำหนักในแนวดิ่งแล้ว โครงสร้างต้องมีระบบต้านทานแรงด้านข้าง (ลมและแผ่นดินไหว) โดยระบบพื้น/หลังคาที่แข็งแรงพอทำหน้าที่เป็นแผ่นไดอะแฟรมแนวราบ (Horizontal Diaphragm) ถ่ายแรงด้านข้างไปยังระบบต้านทานแนวดิ่ง 3 รูปแบบหลัก ได้แก่

โครงข้อแข็ง (Moment Frame): ต้านแรงด้วยรอยต่อคาน-เสาที่ยึดแน่น (Rigid Joint) มีความเหนียว (Ductility) สูง แต่มีความแข็ง (Stiffness) ค่อนข้างต่ำ เหมาะกับอาคารที่ต้องการพื้นที่เปิดโล่งปราศจากค้ำยัน เช่น สำนักงานหรือห้างสรรพสินค้า

โครงค้ำยัน (Braced Frame): ใช้ค้ำยันทแยง (Diagonal Bracing) รับแรงด้านข้างด้วยแรงดึง-แรงอัดตามแนวแกนของค้ำยัน มีความแข็งสูงกว่าโครงข้อแข็งและควบคุมการโก่งตัวด้านข้าง (Drift) ได้ดีกว่า รูปแบบค้ำยันที่พบทั่วไปคือ Knee Bracing, K-Brace และ Cross Bracing เหมาะกับอาคารโรงงานหรืออาคารโครงเหล็ก

ผนังรับแรงเฉือน (Shear Wall): ใช้ผนังคอนกรีตเสริมเหล็กรับทั้งแรงเฉือนและโมเมนต์ดัด มีความแข็งสูงที่สุดในสามระบบและควบคุมการโก่งตัวด้านข้างได้ดีที่สุด เหมาะกับอาคารสูง โรงพยาบาล หรือคอนโดมิเนียมที่ต้องการจำกัดการเสียรูปอย่างเข้มงวด

ระบบ	Stiffness	Ductility	การควบคุม Drift
Moment Frame	★★★	★★★★	ปานกลาง
Braced Frame	★★★★	★★★	ดี
Shear Wall	★★★★★	★★★★	ดีที่สุด

ทั้งสามระบบอาจใช้ร่วมกันได้ในอาคารเดียว การจัดวางควรให้ตำแหน่งจุดศูนย์กลางมวล (Center of Mass) และจุดศูนย์กลางความต้านทาน (Center of Resistance) ใกล้เคียงกันมากที่สุดเพื่อลดผลของแรงบิด (Torsional Irregularity) และควรหลีกเลี่ยงชั้นที่มีความแข็งลดลงกะทันหัน (Soft/Weak Story) ซึ่งเป็นจุดวิบัติที่พบบ่อยในอาคารที่ประสบแผ่นดินไหว การออกแบบต้องเป็นไปตามกฎกระทรวงกำหนดการรับน้ำหนัก ความต้านทาน ความคงทนของอาคาร และมาตรฐาน มยผ.1301/1302 (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.22–2.23)

โครงสร้างแบ่งตามความสามารถในการหาแรงปฏิกิริยาและแรงภายในได้ด้วยสมการสมดุลเพียงอย่างเดียว: โครงสร้างสถิตยะกำหนดได้ (Statically Determinate) เช่น คานช่วงเดียวธรรมดา (Simple Beam) คานยื่น (Cantilever) หรือคานยื่นปลาย (Overhanging Beam) สามารถหาแรงภายในได้จากสมการสมดุลโดยตรงโดยไม่ขึ้นกับหน้าตัดหรือวัสดุ และ โครงสร้างสถิตยะกำหนดไม่ได้ (Statically Indeterminate) เช่น คานปลายยึดแน่น (Fixed-End Beam) หรือคานต่อเนื่องหลายช่วง (Continuous Beam) ซึ่งมีความแข็งแรงมากกว่าและโมเมนต์ดัดน้อยกว่าคานช่วงเดียวที่มีช่วงพาดและน้ำหนักบรรทุกเท่ากัน แต่ต้องอาศัยสมการความเข้ากันได้ของการเสียรูป (Compatibility) เพิ่มเติมจากสมดุลแรง เนื่องจากค่าปฏิกิริยาและโมเมนต์ขึ้นกับหน้าตัดและวัสดุของคานด้วย (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.15)

แรง (Force) เป็นปริมาณเวกเตอร์ที่มีทั้งขนาดและทิศทาง เมื่อมีแรงหลายแรงกระทำร่วมกันอาจจำแนกเป็น แรงร่วมแนว (Collinear) ที่กระทำตามแนวเส้นตรงเดียวกัน, แรงร่วมจุด (Concurrent) ที่มีแนวการกระทำตัดกันที่จุดเดียว ซึ่งหาผลรวมได้ด้วยกฎรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน (Parallelogram Law) หรือวิธีรูปหลายเหลี่ยมแรง (Polygon Method) และ แรงไม่ร่วมจุด (Nonconcurrent) ที่แนวการกระทำไม่ตัดกันที่จุดเดียว โมเมนต์ (Moment, M = F × d) คือแนวโน้มของแรงที่ทำให้เกิดการหมุนรอบจุดหรือแกน ส่วนคู่แรง (Couple) คือแรงขนาดเท่ากันสองแรงที่กระทำในทิศตรงข้ามขนานกัน ทำให้เกิดการหมุนโดยไม่มีการเลื่อนที่

พื้นฐานของการวิเคราะห์โครงสร้างทุกวิธีคือสมการสมดุลของนิวตัน: ผลรวมแรงในแนวราบเท่ากับศูนย์ (ΣFx = 0), ผลรวมแรงในแนวดิ่งเท่ากับศูนย์ (ΣFy = 0) และผลรวมโมเมนต์รอบจุดใดๆ เท่ากับศูนย์ (ΣM = 0) ใช้ทั้งกับโครงสร้างทั้งระบบและแต่ละชิ้นส่วนที่ตัดแยกออกมาพิจารณาด้วยแผนภาพวัตถุอิสระ (Free Body Diagram) ซึ่งแสดงทั้งแรงกระทำและแรงปฏิกิริยาตามกฎข้อที่สามของนิวตัน (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.11–2.12)

เสา (Column): เสาสั้นและหนามักวิบัติด้วยการแตกบด (Crushing) เมื่อหน่วยแรงอัดเกินกำลังของวัสดุ ส่วนเสายาวและชะลูดมักวิบัติด้วยการโก่งเดาะ (Buckling) ก่อนถึงหน่วยแรงคราก ความชะลูดของเสาวัดด้วยอัตราส่วนความชะลูด (Slenderness Ratio) เท่ากับความยาวประสิทธิผล (Effective Length) หารด้วยรัศมีไจเรชัน (Radius of Gyration) โดยความยาวประสิทธิผลปรับด้วยตัวประกอบ k ตามลักษณะการยึดปลายเสา: ยึดแน่นทั้งสองปลาย k=0.5, ยึดแน่นปลายหนึ่ง-หมุนได้ปลายหนึ่ง k=0.7, หมุนได้ทั้งสองปลาย k=1.0, และปลายอิสระ-ยึดแน่นอีกปลาย k=2.0 — เสาที่ยึดแน่นทั้งสองปลายจึงรับน้ำหนักได้มากกว่าเสาปลายอิสระถึง 4 เท่าที่ความชะลูดเท่ากัน

คาน (Beam): เมื่อรับน้ำหนักตามขวาง คานเกิดโมเมนต์ดัด (Bending Moment) ซึ่งต้านทานด้วยโมเมนต์ต้าน (Resisting Moment) ภายในหน้าตัด ก่อให้เกิดหน่วยแรงดัด (Bending Stress) ทั้งแรงอัดและแรงดึงโดยมีค่าสูงสุดที่ผิวนอกสุดห่างจากแกนสะเทิน (Neutral Axis) และเกิดแรงเฉือนตามขวาง (Transverse Shear) ซึ่งมีค่าสูงสุดที่แกนสะเทิน การแอ่นตัว (Deflection) ของคานแปรผกผันกับโมเมนต์ความเฉื่อย (Moment of Inertia) ของหน้าตัดและมอดุลัสยืดหยุ่นของวัสดุ ข้อสังเกตเชิงออกแบบที่สำคัญคือ การเพิ่มความลึกของคานเป็นสองเท่าจะลดหน่วยแรงดัดลงถึง 4 เท่า ในขณะที่การเพิ่มความกว้างเป็นสองเท่าลดหน่วยแรงดัดได้เพียง 2 เท่า จึงนิยมออกแบบคานให้ลึกมากกว่ากว้างเพื่อความประหยัดวัสดุ (อ้างอิง Building Construction Illustrated, §2.13–2.14)

วิธีวิเคราะห์แบบดั้งเดิมที่วิศวกรควรเข้าใจหลักการ ได้แก่ วิธีตัด (Method of Sections/Joints) สำหรับโครงถัก, วิธีการกระจายโมเมนต์ (Moment Distribution Method) และ วิธีมุมลาด-การโก่งตัว (Slope-Deflection Method) สำหรับคานและโครงข้อแข็งต่อเนื่อง ปัจจุบันงานวิเคราะห์จริงในทางปฏิบัตินิยมใช้ วิธีเมทริกซ์ความแกร่ง/ไฟไนต์เอลิเมนต์ (Matrix Stiffness / Finite Element Method) ผ่านโปรแกรมคอมพิวเตอร์ (เช่น ETABS, SAP2000, STAAD.Pro) ซึ่งช่วยวิเคราะห์โครงสร้างที่ซับซ้อนได้แม่นยำและรวดเร็ว แต่วิศวกรยังต้องเข้าใจหลักการเพื่อตรวจสอบผลลัพธ์ให้สมเหตุสมผล (Sanity Check) เสมอ

การออกแบบโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กในปัจจุบันนิยมใช้ วิธีกำลัง (Strength Design Method / LRFD) ซึ่งคูณน้ำหนักบรรทุกแต่ละประเภทด้วยตัวคูณความปลอดภัยที่แตกต่างกันตามความไม่แน่นอนของน้ำหนักนั้น แล้วนำผลรวมที่มากที่สุดมาออกแบบ เช่น รูปแบบทั่วไปตามหลักการที่ยอมรับสากลและมาตรฐาน ว.ส.ท. 1008: 1.4D และ 1.2D+1.6L เป็นต้น (ค่าตัวคูณและชุดผสมที่แม่นยำต้องตรวจสอบจากมาตรฐานฉบับที่บังคับใช้จริง) แนวทางเดิมคือ วิธีหน่วยแรงใช้งาน (Allowable Stress Design/ASD) ซึ่งไม่คูณตัวประกอบน้ำหนักแต่ลดค่าหน่วยแรงที่ยอมให้ของวัสดุแทน ปัจจุบันใช้น้อยลงในงานคอนกรีตเสริมเหล็ก

การออกแบบต้องพิจารณา 2 สภาวะ: สภาวะขีดจำกัดด้านกำลัง (Ultimate/Strength Limit State) คือกำลังต้านทานของโครงสร้างต้องมากกว่าแรงกระทำที่คูณตัวประกอบแล้ว เพื่อป้องกันการวิบัติ และ สภาวะขีดจำกัดด้านการใช้งาน (Serviceability Limit State) คือการควบคุมการแอ่นตัว การโก่งตัวด้านข้าง การสั่นสะเทือน และความกว้างรอยร้าวให้อยู่ในเกณฑ์ที่ใช้งานได้ปกติ แม้โครงสร้างจะมีกำลังเพียงพอแล้วก็ตาม ทั้งสองสภาวะต้องผ่านการตรวจสอบควบคู่กันเสมอ ตัวอย่างเกณฑ์การควบคุมการเสียรูปทั่วไปมีดังนี้ (ค่าที่แน่นอนต้องอ้างอิงมาตรฐานและข้อกำหนดเฉพาะโครงการ)

รายการควบคุม	วัตถุประสงค์	ค่าแนะนำทั่วไป
การแอ่นตัวในแนวดิ่ง (Vertical Deflection)	ป้องกันรอยร้าวของพื้น ผนัง ฝ้าเพดาน และวัสดุตกแต่ง	Δ/L ≤ L/240 ถึง L/360
การโก่งตัวด้านข้าง (Lateral Drift)	ลดความเสียหายของผนัง กระจก วัสดุหุ้มอาคาร ป้องกันแรงลำดับที่สอง (P-Δ Effect) และเพิ่มความสบายของผู้ใช้อาคาร	Δ/H ≤ H/250 ถึง H/560

(อ้างอิงแนวคิดตามกฎกระทรวงกำหนดการรับน้ำหนัก ความต้านทาน ความคงทนของอาคาร และพื้นดินที่รองรับอาคาร)

นอกจากตรวจสอบกำลังและการเสียรูปของหน้าตัดแล้ว วิศวกรต้องตรวจสอบเสถียรภาพโดยรวมของอาคารต่อแรงด้านข้างด้วยอัตราส่วนความปลอดภัย (Factor of Safety, FS) สองรูปแบบหลัก: ความปลอดภัยต่อการพลิกคว่ำ (Overturning Stability) คือ FS = Mo/Mot โดย Mo คือโมเมนต์ต้านการพลิกคว่ำจากน้ำหนักบรรทุกคงที่ของอาคาร และ Mot คือโมเมนต์ที่ทำให้เกิดการพลิกคว่ำจากแรงด้านข้าง โดยทั่วไปกำหนดให้ FS ≥ 1.50 สำหรับตัวอาคาร และ FS ≥ 2.00 สำหรับฐานราก และ ความปลอดภัยต่อการเลื่อน (Sliding Stability) คือ FS = Fr/H โดย Fr คือแรงต้านทานการเลื่อน และ H คือแรงในแนวราบที่ทำให้เกิดการเลื่อน โดยทั่วไปกำหนดให้ FS ≥ 1.50

แนวคิดนี้สอดคล้องกับหลักการออกแบบต้านแผ่นดินไหวในตำราวิศวกรรมโครงสร้างทั่วไป ซึ่งระบุว่าโมเมนต์ต้านทาน (Restoring Moment) จากน้ำหนักบรรทุกคงที่ของอาคารต้องมีค่ามากกว่าโมเมนต์พลิกคว่ำ (Overturning Moment) อย่างน้อย 50% นั่นคือค่า FS ≥ 1.50 ที่สอดคล้องกัน แสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนความปลอดภัยระดับนี้เป็นหลักการที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในงานวิศวกรรมโครงสร้าง (อ้างอิงแนวคิดตามกฎกระทรวงกำหนดการรับน้ำหนักฯ และ Building Construction Illustrated, §2.10)

FacebookYouTube