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. (1^st 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 ที่มา : Taranath, Bungale S.(1988). Structural Analysis and Design of Tall Buildings. (1st ed.). (New York : McGraw-Hill), p. 221 – 222.

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. (1^st 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 C_D และ C_L ในสภาพลมแบบสม่ำเสมอ

(a) 2D cylinders in uniform flow; (b) 3D cylinders in uniform flow.
ที่มา : Ahsan Kareem¹, Tracy Kijewski², Yukio Tamura³, (ม.ป.ป.).

ภาพที่ 2.2.7

ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า C_Lrms ในสภาพลมแบบสม่ำเสมอ
ที่มา : Ahsan Kareem¹, Tracy Kijewski², Yukio Tamura³, (ม.ป.ป.).

ภาพที่ 2.2.8

ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า C_D และ C_L ในสภาพลมแบบปั่นป่วน
ที่มา : Ahsan Kareem¹, Tracy Kijewski², Yukio Tamura³, (ม.ป.ป.).

ภาพที่ 2.2.9

ผลจากการเปลี่ยนแปลงมุมของโครงสร้างที่มีผลต่อค่า C_Lrms 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 C_L(dC_L/da)

      จะมีค่าเป็นบวก ที่ค่า a = 0^๐  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