07/04/2025
EP3 วันนี้เราจะมาพูดถึงความจำเป็นของ SHM ในช่วงการเกิดแผ่นดินไหวกัน.....
ทำยังไงเราถึงจะรู้ว่า หลังจากเกิดแผ่นดินไหวแล้วสร้างความเสียหายให้กับตัวอาคาร อาคารจะยังคงสามารถใช้งานได้หรือไม่
ณ ปัจจุบัน เครื่องมือที่ผู้ประเมินอาคารใช้กันคือ visual inspection ซึ่งสามารถประเมินความเสียหายได้ในระดับหนึ่ง เนื่องจากว่ารอยแตก (crack) ของคอนกรีตเกิดได้จากหลากหลายปัจจัย ตั้งแต่คอนกรีตยังไม่เซ็ตตัว จนกระทั่งถึงเมื่ออาคารใช้งาน และเมื่อมีการใช้งานอาคารอาจเกิดเหตุการณ์ที่ทำให้อาคารมีรอยแตกร้าวที่กว้างมากขึ้นและชัดเจนขึ้นเช่น มีการทรุดตัวของดินใต้อาคาร แต่หากเราไม่ monitor อาคารอย่างสม่ำเสมอ เราจะไม่สามารถทราบความเสียหายของอาคารอันเกิดจากเหตุการณ์ใดเหตุการณ์หนึ่งได้อย่างชัดเจน
ในขณะเดียวกัน เราสามารถวิเคราะห์หา Global health จาก vibration based SHM โดยการวัด vibration response ของอาคารได้ เช่น เมื่อเราวัดความเร่ง (acceleration response) จากผลตอบสนองของอาคารก่อนและหลังการเกิดแผ่นดินไหว ร่วมกับ visual inspection เราสามารถบอกได้ว่าคาบการสั่น(natural period, T)ของอาคารเปลี่ยนแปลงไปหรือไม่ stiffness ของอาคารเปลี่ยนแปลงไปหรือไม่ ถึงแม้ว่าการหาค่า stiffness ที่เปลี่ยนแปลงไปอาจจะหาโดยตรงทันทีเลยไม่ได้ แต่การเปลี่ยนแปลงของคาบการสั่นของอาคาร สามารถทำให้เราบอกสุขภาพโดยรวมของโครงสร้างได้
ทีนี้....เราควรจะทราบก่อนว่า การเกิดแผ่นดินไหวกระทบอะไรต่อตัวอาคารบ้าง (ผู้เขียนขอนำเสนอแบบวิชาการนิดนึง เพื่อผู้อ่านจะได้เกิดความรู้ความเข้าใจมากขึ้น) เมื่ออาคารได้รับแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว แรงสั่นสะเทือนของอาคารจะคล้ายกับฮาร์มอนิก(harmonic) โดยมีการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูด(amplitude) อย่างค่อยเป็นค่อยไป ถึงแม้ว่าการสั่นของอาคารจะเปลี่ยนแปลงตามรูปแบบการเกิดแผ่นดินไหวในแต่ละครั้ง แต่อาคารยังคงสั่นสะเทือนตามคาบธรรมชาติ (natural period, T)ของตัวอาคารเองเสมอ นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงเรียกว่าคาบ “ธรรมชาติ” หากเราสามารถวัดการสั่นของตัวอาคารภายใต้แรงแผ่นดินไหวเช่นการวัดความเร่ง (acceleration response) และคำนวณหาความถี่ธรรมชาติ (natural frequency, f =1/T) ซึ่งเป็นส่วนกลับของคาบธรรมชาติ เราก็จะสามารถทราบได้ว่าอาคารของเรามีรูปแบบการสั่น ความถี่หรือคาบเท่าไหร่
โดยทั่วไปอาคารสูงตอบสนองต่อการเคลื่อนตัวของแผ่นดินไหวแตกต่างกันจากอาคารเตี้ย ทั้งนี้ขนาดของแรงเฉื่อยที่ถูกเหนี่ยวนำในขณะเกิดแผ่นดินไหวจะขึ้นอยู่หลายองค์ประกอบเช่นกับมวลอาคาร ความเร่งภาคพื้นดิน (ground acceleration) ลักษณะของฐานราก และลักษณะทางพลศาสตร์ของโครงสร้าง อาคารสูงมักจะมีความยืดหยุ่นมากกว่าอาคารเตี้ย และโดยทั่วไปแล้วจะมีอัตราเร่งที่ต่ำกว่ามาก และอาคารที่มีความยืดหยุ่นสูงซึ่งอยู่ภายใต้แรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวเป็นเวลานานอาจได้รับแรงที่มากขึ้นหากช่วงเวลาธรรมชาติใกล้เคียงกับความเร่งภาคพื้นดิน (ground acceleration)
ค่าของคาบธรรมชาติพื้นฐาน (first natural period, T1) ของอาคารสูงขึ้นอยู่กับ Stiffness มวลของอาคาร และลักษณะการหน่วง (damping characteristics) สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในช่วงตั้งแต่ 0.05 ถึง 0.30 เท่าของจำนวนชั้นของอาคาร โดยช่วงคาบการสั่นของโหมดที่สูงกว่าสองโหมดถัดไปคือ T2 และ T3 เท่ากับประมาณ 1/3 และ1/5 ของ T1 ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้างและระบบโครงสร้างที่ใช้
โดยปกติแล้ว เราออกแบบอาคารโดยการคำนึงถึงพารามิเตอร์ Stiffness, Strength และ Ductility ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานในการทำความเข้าใจและควบคุมการตอบสนองต่อแผ่นดินไหว
-Stiffness คือความสามารถของส่วนประกอบหรือชุดส่วนประกอบที่จะต้านทานการเสียรูปเมื่อถูกกระทำ
-Strength คือความสามารถของส่วนประกอบหรือชุดส่วนประกอบในการต้านทานการรับน้ำหนัก ณ จุดนั้นๆ เช่น yield strength คือค่าความต้านทานที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุถูกแรงกระทำจนถึงจุดครากเป็นต้น
-Ductility ความสามารถของส่วนประกอบหรือชุดส่วนประกอบที่จะเสียรูปเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น ซึ่งเมื่อพิจารณาพารามิเตอร์ต่างๆภายใต้แรงแผ่นดินไหว
Stiffness เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่ต้องควบคุมภายใต้แผ่นดินไหวขนาดเล็กที่เกิดบ่อยครั้ง กล่าวคือวัสดุหรือองค์อาคารสามารถต้านทานการเสียรูปได้ ในขณะที่ Strength จะถูกใช้เพื่อควบคุมระดับความไม่ยืดหยุ่นภายใต้แผ่นดินไหวขนาดกลางที่เกิดไม่บ่อยครั้ง กล่าวคือหากอาคารมีการเสียรูปภายใต้แรงๆหนึ่ง แต่องค์อาคารยังสามารถต้านทานแรงนั้นได้โดยไม่เกิดการวิบัติ และเมื่อพิจารณาสภาวะภายใต้แผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่เกิดไม่บ่อย อาคารควรออกแบบให้มี Ductility เพื่อป้องกันการพังทลายขององค์อาคารถึงแม้ว่าองค์อาคารจะเสียรูปจนไม่สามารถกลับคืนสู่สภาวะเดิมได้แล้ว ดังนั้นหากเกิดความเสียหายของโครงสร้างอาคารจนทำให้ Stiffness เปลี่ยนแปลงไป ก็จะส่งผลให้ vibration response ของอาคารเปลี่ยนแปลงไปด้วย การที่เราตรวจวัด vibration ของอาคารอย่างสม่ำเสมอทำให้เราทราบถึงสุขภาพของอาคารภาพใต้แรงกระทำต่างๆได้อย่างทันท่วงที
อ่านเพิ่มเติมได้ที่ Textbook: Fundamentals of Earthquake Engineering
