บทที่ 2
การปรับแต่งรูปทรงอาคารสูง เพื่อลดผลของแรงลม
2. 1 แรงลมที่ส่งผลต่อองค์อาคารสูง
แรงลมจะส่งผลกระทบต่ออาคารสูงมากกว่าอาคารเตี้ย เนื่องจากแรงลมจะมากขึ้นเมื่อความสูงเพิ่มขึ้น การออกแบบอาคารต้านแรงลมเราต้องทราบความเร็วลมสูงสุดเพื่อนำมาใช้ออกแบบแรงลมซึ่งสามารถหาได้จาก แรงลมของแต่ละที่ตั้งจะถูกใช้ในการประมาณการลมที่รุนแรงที่สุดที่จะกระทำต่ออาคารในแต่ละที่ตั้งนอกจากจะขึ้นอยู่กับความเร็วลมกับความสูงแล้ว รูปทรงของอาคารก็มีผลอย่างสูงต่อแรงกระทำของลม และยังต้องคำนึงถึงผลของลมที่ส่งผลกระทบมาจากอาคารรอบๆด้วย ในกรณีอาคารมีความแข็งของโครงสร้างต่ำจะทำให้เกิดการไหวเอนของส่วนยอดอาคารสูงอันเนื่องมาจากแรงลมทำให้ผู้อาศัยภายในอาคารเกิดความไม่สบาย ในบางครั้งอาจจะไม่สามารถสังเกตได้จากการมอง แต่จะก่อให้เกิดความไม่สบายแก่ผู้อาศัยในอาคารสูง
อาคารจึงควรมีความแข็ง (Stiffness) มากพอที่จะฝืนไม่ไห้เกิดการไหวมากไปกว่า 1/500 ของความสูงอาคาร ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า อาคารที่สูงกว่า 1,500 ฟุต สามารถไหวได้ที่ 3 ฟุต ดังนั้นทางที่จะป้องกันการไหวเอนของอาคารสูงคือ การเสริมโครงสร้างให้มีความแข็งตัวทางตั้งมากขึ้น
 |
ภาพที่ 2.1.1
การเสริมโครงสร้างให้มีความแข็งมากขึ้น
ที่มา : http://home.kku.ac.th/bchumn/highrise/load.html, สืบค้นเมื่อ 20
พฤษภาคม 2555
|
 |
ภาพที่ 2.1.2
Variation
of wind velocity with height.
ที่มา : Taranath, Bungale S.(1988). Structural
Analysis and Design of Tall Buildings. (1st ed.). (New York :
McGraw-Hill), p. 55.
|
จากภาพที่ 2.1.2 จะเห็นได้ว่าลมนั้นมีความเร็วและแรงขึ้น ตามความสูง การที่ลมมากระทำกับอาคารนั้น ซึ่งลมมีลักษณะเป็นแรงในแนวราบ แต่ถ้ายิ่งอาคารสูงมากลมก็จะมีผลมากตามไปด้วย ซึ่งลมจะทำให้เกิดแรงเฉือน และแรงดัดดังภาพที่ 2.1.3 และ 2.1.4 เราจึงต้องมีการเลือกระบบโครงสร้างที่ดีและเหมาะสมเพื่อให้ต้านทานแรงทางด้านข้างให้ดียิ่งขึ้น
|
2.2 การปรับเปลี่ยนทางอากาศพลศาสตร์
ความเฉพาะเจาะจงเกี่ยวกับ ผลกระทบของลม ได้รับการทดสอบเป็นอย่างมาก ระหว่างความสัมพันธ์ของลักษณะอากาศทางพลศาสตร์ของโครงสร้างและผลกระตุ้นของลมในแต่ละระดับ บ่อยครั้งที่มีการปรับเปลี่ยนรูปร่างหน้าตัดของอาคารเพื่อลดผลของอากาศพลศาสตร์ ซึ่งสามารถช่วยลดการสั่นไหวของอาคารลงได้
การปรับเปลี่ยนรูปทรงของอาคารก็มีหลายรูปแบบ อาทิเช่น การเจาะช่องว่างตรงมุม , การติดครีบ, การติดค้ำยัน, การทำช่องเปิดในแนวนอนและแนวตั้งของอาคาร, การทำให้รูปทรงลู่ลม, และ การลดขนาดของมุม
การปรับเปลี่ยนมุมและรูปทรงของอาคาร
|
 |
ภาพที่ 2.2.1
รูปทรงและการปรับเปลี่ยนมุม
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy
Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.).
|
การปรับเปลี่ยนรูปทรงของอาคารได้รับการตรวจสอบแล้วว่าสามารถลดระดับความรุนแรงในการแอ่นตัวของอาคารได้ เป็นอย่างดี ซึ่งตัวอย่างการปรับเปลี่ยนรูปทรงของอาคารสามารถดูได้จากภาพข้างต้น จากการตรวจสอบในเรื่องของการปรับเปลี่ยนมุมของอาคาร อาทิเช่น การตัดมุม , การทำช่องเปิดในแนวนอน, และการเจาะช่องว่างบริเวณมุม จะสามารถสามารถลดผลของ along wind และ across wind ลงได้มาก เมื่อเทียบกับรูปทรงอาคารขั้นพื้นฐาน
ทั้งนี้การเปลี่ยนแปลงของแรงดังกล่าวเกิดขึ้นจากกลไก 3 ประเภทคือ การแยกตัวของลมบริเวณขอบมุมอาคาร (Separation) การพัดผ่านของลมด้านข้างอาคาร (Reattachment) และการพัดของลมที่ปั่นป่วนบริเวณด้านหลังของอาคาร (Wake) ซึ่งกลไกทั้ง 3 ประเภทจะเกิดขึ้นควบคู่กัน โดยเกิดการแยกตัวของลมบริเวณมุมของอาคารก่อน หลังจากนั้นจึงเกิดการพัดผ่านของลมด้านข้างอาคาร และการพัดของลมที่ปั่นป่วนบริเวณด้านหลังของอาคารดังแสดงในภาพที่ 7
 |
ภาพที่ 2.2.2
ลักษณะการไหลของลมผ่านวัตถุ ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.2.3
ลักษณะลมที่ไหลผ่านระหว่างตึก ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.2.4
ลักษณะลมที่ไหลผ่านตึกสูง ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.2.5
Near
wind climate (ลักษณะของลมผ่านตึก)ที่มา : Taranath, Bungale S.(1988). Structural
Analysis and Design of Tall Buildings. (1st ed.). (New York :
McGraw-Hill), p. 122. |
ผลของการเปลี่ยนแปลงมุมของอาคาร ที่เกี่ยวข้องกับ Aerodynamic
force จะมีการตั้งค่ารูปแบบการทดลองของรูปทรงสี่เหลี่ยมสองและสามมิติในหลายรูปแบบ
การไหลจะมีการไหล 2 แบบ คือ การไหลแบบราบเรียบ (laminar flow), การไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow)
เราจะใช้การทดสอบโดยการใช้อุโมงค์ลม เพื่อตรวจวัดปริมาณอากาศพลศาสตร์
เช่น ค่าเฉลี่ยและสถิติของ fluctuating ของ lift และ drag force, การกระทำของแรงลมต่อหน้าตัดของอาคาร ซึ่งมีทั้งแบบไม่เปลี่ยนแปลงมุม
รวมไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงมุมในรูปแบบต่าง ๆ
 |
ภาพที่ 2.2.6
ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า
CD และ CL ในสภาพลมแบบสม่ำเสมอ
|
(a) 2D cylinders in uniform flow; (b) 3D cylinders in
uniform flow.
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.).
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.).
 |
ภาพที่ 2.2.7
ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า
CLrms ในสภาพลมแบบสม่ำเสมอ
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.2.8
ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า
CD และ CL ในสภาพลมแบบปั่นป่วน
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.2.9
ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า
CLrms ในสภาพลมแบบปั่นป่วน
ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
2.3 ผลจากการปรับเปลี่ยนมุมของอาคาร
1. จะสามารถลดแรง Drag force ลงได้
2. สำหรับการปรับแต่งมุมแบบโค้ง
ในสภาวะแรงลมแบบปั่นป่วน (Turbulent flow) ค่า Slope ของ CL(dCL/da)
จะมีค่าเป็นบวก ที่ค่า a = 0๐
และค่าสเปคตรัมของความถี่จะสูงกว่าการแรงลมแบบสม่ำเสมอ
3. ในสภาพแรงลมแบบสม่ำเสมอ
ค่าของ C LRMS สำหรับแบบจำลอง 3 มิติ ถูกลดลงถึง 10% จากค่าของแบบจำลอง
2 มิติ นั่นแสดงว่า ผลของ Karman votices และผลของ lift force มีผลไม่มากต่อแบบจำลองแบบ 3 มิติ
4. ในกรณี แบบจำลอง 3 มิติ ค่าของ C LRMS ในสภาวะแรงลมแบบปั่นป่วนจะมีค่ามากกว่าแรงลมแบบสม่ำเสมอ
2.4 ปัจจัยที่มีอิทธิพลกับแรงลม
1. ผลของสภาพภูมิประเทศ : ภาพที่ 2.4.1
แสดงรูปแบบที่ไม่ใช่สเปกตรัมพลังงานของแรงแนวขวางลมของอาคารรูปทรงสี่เหลี่ยม
ที่มีอัตราส่วนคือ 6 สำหรับสภาพภูมิประเทศที่แตกต่างกัน
จะเห็นได้ว่ามีรูปแบบของประเภทภูมิประเทศจาก A ถึง D, จุดสูงสุดของสเปกตรัมของแรงลมจะกว้างขึ้นและกลายเป็นจุดสูงสุดที่ต่ำลง
และความถี่สูงสุดเคลื่อนไปทางด้านซ้ายเล็กน้อย ไม่เท่านั้น
อาคารในการทดสอบอื่นๆมีแนวโน้มไปในรูปแบบนี้
2. ผลของอัตราส่วน :
ผลกระทบของอัตราส่วนแรงแนวขวางลมมีการทดลองศึกษาโดยใช้ตารางแต่เฉพาะอาคารรูปทรงสี่เหลี่ยมจะแสดงในภาพที่
2.4.2 ในรูปทั่วไป, อัตราส่วนขนาดใหญ่ขึ้นจะส่งผลให้ความถี่ที่สูงขึ้นและขนาดของความถี่สูงขึ้น
เมื่ออัตราส่วนแตกต่างกันไป 4 - 9,
ความถี่ในจุดสูงสุดแตกต่างกันจากประมาณ
0.09 - 0.1;
และขนาดความถี่จากประมาณ 0.04 - 0.1
นอกจากนี้ดูจากตัวเลขก็ยังสามารถเห็นได้ว่ารูปแบบของความถี่สูงสุดและช่วงกว้างของคลื่นของสเปกตรัมของอาคารด้วยอัตราส่วนด้านมีขนาดใหญ่กว่า
6 มีแนวโน้มที่จะลดลงเมื่อเทียบกับอาคารที่มีลักษณะอัตราส่วนขนาดเล็กกว่า
3. ผลของอัตราส่วนด้านข้างรูปตัด :
ภาพที่ 2.4.3
นำเสนอสเปกตรัมพลังงานของแรงแนวขวางลมของอาคารรูปสี่เหลี่ยมที่แตกต่างกันของอัตราส่วนทางด้าน
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสเปกตรัมเหล่านี้ไม่สามารถเห็นได้จากรูป
สำหรับอาคารที่มีอัตราส่วนด้าน 1/3 - 2/3;
4. ผลของการปรับเปลี่ยนมุม รูปที่ 2.4.4 และ 2.4.5
อธิบายสเปกตรัมของแรงลมในอาคารสี่เหลี่ยมที่มีการปรับเปลี่ยนมุม
จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงมุมมีผลกระทบอย่างมากในแรงแนวขวางลม
นอกจากนี้ในรูปแบบเหล่านี้ช่วงกว้างของคลื่นสูงสุดในสเปกตรัมของแรงลมในอาคารที่มีอัตราส่วนด้านข้างที่ต่ำที่สุดคือ
10%
 |
ภาพที่ 2.4.1
ผลของสภาพภูมิประเทศ ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.4.2
ผลของอัตราส่วน ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.4.3
ผลกระทบของอัตราข้างเคียงของการตัดขวาง ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
 |
ภาพที่ 2.4.4
ผลของการตัดมุม (แบบมุมเอียง) ที่มา : Ahsan Kareem1, Tracy Kijewski2, Yukio Tamura3, (ม.ป.ป.). |
การปรับแต่งรูปทรงอาคารนั้นสามารถกระทำได้หลากหลายรูปแบบ
ยิ่งหากเป็นรูปทรงที่มีความทันสมัยและแปลกตาตามความต้องการของผู้ลงทุน
หรือผู้ออกแบบซึ่งต้องอาศัยการทดลองทางวิศวกรรม (ทดสอบในอุโมงค์ลม)
ในการทดสอบผลของแรงลมที่เกิดขึ้นกับโครงสร้างอาคารสูงที่ออกแบบมา ตัวอย่างอาคารสูงที่ได้มีการปรับแต่งรูปทรงอาคาร
เช่น Mitsubishi Heavy Industries Yokohama Building (ภาพที่
2.4.6), Aqua Tower ประเทศชิคาโก (ภาพที่ 2.4.7 – 2.4.8) เป็นต้น
 |
ที่มา : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitsubishi_Heavy_Industries_Yokohama_
Building_-01.jpg, 20 พฤษภาคม 2555
|
2.5 การเพิ่มช่องเปิดให้กับอาคาร
การเพิ่มช่องเปิดให้กับอาคารยังเป็นทางเลือกได้อีกทางหนึ่งของการปรับปรุงการตอบสนองต่ออากาศพลศาสตร์ของโครงสร้าง แต่อย่างไรก็ตามการปรับเปลี่ยนใดๆทางอากาศพลศาสตร์ของโครงสร้าง จะต้องใช้ด้วยความระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงผลข้างเคียงที่อาจส่งผลกระทบต่ออาคาร ช่องเปิดที่ทะลุผ่านตัวอาคารโดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณด้านบนสามารถช่วยลดพฤติกรรม Vortex shedding ได้อย่างมาก และในส่วนของการตอบสนองของการสั่นไหวแนวขวางลม ช่องเปิดจะช่วยลดให้ความเร็ววิกฤตสูงขึ้นเล็กน้อย
อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของวิธีนี้จะลดลง
ถ้าช่องเปิดอยู่บริเวณส่วนล่างของอาคาร
การเพิ่มช่องเปิดหรือการเปลี่ยนแปลงอื่นๆอาจมีผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์
หากผลที่ได้ไปลด Resonant vortex frequency ในญี่ปุ่นวิธีการเพิ่มช่องเปิดได้ถูกนำไปใช้ในอาคารหลายแห่ง
และกำลังถูกนำไปใช้กับอาคารที่สูงที่สุดในโลก เช่น Shanghai World
Financial Center ที่ความสูง 54 เมตร มีการตัดผิวหน้าออก
เพื่อลดแรงดันที่ตำแหน่งนี้ ช่องเปิดในภาพที่ 2.5.1
มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 51 เมตร ซึ่งตึกไม่เพียงแต่ใช้ประโยชน์จากการลดขนาดหน้าตัดตลอดช่วงความสูง
โดยที่ตึกมีความสูง 460 เมตร
อย่างไรก็ตามวิศวกรควรจะใช้ความระมัดระวังในการปรับปรุงเพิ่ม
เพื่อให้มั่นใจว่าจะได้ผลตามที่ต้องการและควรใช้อุโมงค์ลมในการตรวจสอบถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโครงสร้าง การปรับปรุงที่พยายามลดหน้าตัดที่ลมมาปะทะจะช่วยลดการสั่นสะเทือนเนื่องจากลมได้มาก
