หลักการอัดแรงโครงสร้างเพื่อปรับปรุงพฤติกรรมบางอย่างขององค์อาคารได้เป็นที่ทราบกันเป็นเวลานานหลายร้อยปี แต่การนำหลักการนี้มาประยุกต์กับงานคอนกรีตได้เริ่มต้นเมื่อร้อยปีที่แล้ว ในปี ค.ศ. 1886, P.H. Jackson วิศวกรแห่งเมืองซานฟรานซิสโก สหรัฐอเมริกาได้จดทะเบียนการก่อสร้างแผ่นพื้นคอนกรีตโดยการขันท่อนเหล็กเพื่อยึดพื้นคอนกรีตเข้าด้วยกัน ในปี ค.ศ. 1888, C.E.W. Doehring ได้จะทะเบียนการก่อสร้างแผ่นพื้นคอนกรีตโดยการอัดแรงก่อนการรองรับน้ำหนักบรรทุกในประเทศเยอรมัน อย่างไรก็ตามวิธีก่อสร้างแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงในระยะนั้นไม่ใคร่ประสพความสำเร็จมากนัก ทั้งนี้เพราะแรงอัดแผ่นพื้นเกิดขึ้นเนื่องจากการขันท่อนเหล็กกล้าละมุนให้ตึง เมื่อเวลาผ่านไปนาน ๆ แผ่นพื้นคอนกรีตหดตัวเนื่องจากการคืบหรือการหดตัวเนื่องจากสูญเสียความชื้น ทำให้แรงอัดแผ่นพื้นก่อนเหลืออยู่เพียงเล็กน้อย ถึงแม้ว่า C.R. Steiner ในปี ค.ศ. 1908 จะใช้วิธีขันท่อนเหล็กให้แน่นใหม่หลังจากคอนกรีตได้หดตัวไปบ้างแล้ว และค่าก่อสร้างวิธีนี้ก็สูงมากกว่าที่จะก่อสร้างพื้นคอนกรีตเสริมเหล็กธรรมดา จนกระทั่งในปี ค.ศ. 1925 R.E. Dill ใช้ท่อนเหล็กกำลังสูงเสริมคอนกรีต ในการก่อสร้างเหล็กจะถูกทาสารป้องกันการยึดเหนี่ยวก่อนการเทคอนกรีต เมื่อคอนกรีตแข็งตัวแล้วจึงอัดแรงเข้าสู่คอนกรีตโดยการขันน็อตยันกับคานวิธีนี้คือการก่อสร้างแบบดึงเหล็กทีหลัง (post tensioning) อย่างไรก็ดีการก่อสร้างคอนกรีตอัดแรงก็ไม่แพร่หลายนัก
การพัฒนาคอนกรีตอัดแรงสมัยใหม่ได้ริเริ่มในประเทศฝรั่งเศส โดย E. Ereyssinet ในปี ค.ศ. 1928 โดยริเริ่มใช้ลวดเหล็กซึ่งกำลังประลัยถึง 17,500 กก./ซม2 ในการผลิตคอนกรีตอัดแรง เราลองพิจารณาว่าลวดเหล็กกำลังสูงนี้ถูกดึงจนเกิดหน่วยแรงประมาณ 10,000 กก./ซม2 เนื่องจากโมดูลัสของความยืดหยุ่นของลวดกำลังสูงไม่ต่างจากเหล็กกล้าละมุนมากนัก ดังนั้นจะเกิดความเครียดในลวดเหล็กกำลังสูงเป็น 10,000/2,000,000 เท่ากับ 0.005 เมื่อคอนกรีตเกิดการหดตัวคิดเป็นความเครียด 0.001 จะเห็นว่ายังเหลือหน่วยแรงอัดก่อนอยู่ เท่ากับ 0.004x2,000,000 เท่ากับ 8,000 กก./ซม2 ซึ่งเท่ากับ 80 เปอร์เซ็นต์ของแรงอัดก่อนแรกเริ่ม หลังจากปี ค.ศ. 1930 ได้มีการพัฒนาวิธีอัดแรงแบบดึงเหล็กก่อน (pre-tensioning) ในประเทศเยอรมันโดย E. Hoyer รวมถึงการพัฒนาแม่แรงไฮดรอลิคที่ใช้ดึงลวดและอุปกรณ์ยึดลวดในประเทศฝรั่งเศสและประเทศเบลเยี่ยม และการก่อสร้างโดยใช้คอนกรีตอัดแรงได้เป็นที่แพร่หลายตั้งแต่หลังสงครามโลกครั้งที่สองเป็นต้นมา
ในประเทศไทยได้เริ่มมีการก่อสร้างสะพานคอนกรีตอัดแรงในช่วงหลัก พ.ศ. 2505 โดยมีการผลิตคานสะพานคอนกรีตอัดแรงช่วงยาวต่าง ๆ กันตั้งแต่ 5.00 เมตร จนถึง 60 เมตร ในระยะหลังได้มีโรงงานก่อสร้างเสาเข็มคอนกรีตอัดแรง พื้นอาคารคอนกรีตอัดแรงสำเร็จรูปตลอดจนการก่อสร้างระบบพื้นไร้คานแบบหล่อในที่และดึงเหล็กทีหลังหลายโครงการ การก่อสร้างโดยใช้คอนกรีตอัดแรงเป็นที่นิยมกันมาก เพราะทั้งประหยัดเวลาและค่าก่อสร้าง เพราะองค์อาคารน้ำหนักน้อยเมื่อเทียบกับคอนกรีตเสริมเหล็ก นอกจากนี้การก่อสร้างระบบอัดแรงแบบดึงเหล็กก่อนสามารถผลิตได้เป็นจำนวนมากในเวลาสั้นวิธีการอัดแรงสำหรับคอนกรีตอัดแรง
โครงสร้างคอนกรีตอัดแรงสามารถแบ่งตามวิธีการอัดแรงระหว่างการก่อสร้างได้ดังนี้ก. การอัดแรงโดยใช้แม่แรง
วิธีนี้เรียกว่าการอัดแรงภายนอก การอัดแรงกระทำได้โดยใช้แม่แรงวางระหว่างปลายคานทั้งสองข้าง กับ อบัตเมนต์ (abutment) และทำการปั้มแม่แรงจนกระทั่งได้แรงอัดตามที่ต้องการ วิธีนี้ใช้ในการก่อสร้างเขื่อนหรือโครงการพิเศษอื่น ๆ ซึ่งจะต้องมีการก่อสร้าง อบัตเมนต์ให้แข็งแรงพอที่จะต้านแรงอัดได้ การก่อสร้างวิธีนี้ไม่ใคร่เป็นที่นิยมกันมากนัก เพราะการสูญเสียแรงอัดเกิดขึ้นมากกว่าอัดแรงภายในเนื่องจากคอนกรีตอยู่ในภาวะความเครียดคงที่ ทำให้ต้องมีการเพิ่มแรงอัดภายหลังเป็นครั้งคราวข. การอัดแรงแบบดึงเหล็กก่อน
วิธีนี้เรียกว่าการอัดแรงภายใน เป็นวิธีก่อสร้างคอนกรีตอัดแรงที่ใช้กันแพร่หลายในปัจจุบันเพราะการก่อสร้างทำได้รวดเร็ว วิธีนี้เหมาะสำหรับการผลิตในโรงงานซึ่งมีการก่อสร้าง อบัตเมนต์ถาวร การอัดแรงแบบดึงเหล็กก่อนหมายถึง เราดึงเหล็กก่อนการเทคอนกรีต ขั้นตอนก่อสร้างเริ่มต้นจากการเตรียมแบบหล่อคอนกรีต จากนั้นจึงขึงลวดกำลังสูงหรือลวดเหล็กตีเกลียวกำลังสูงหรือตามสะแตรนด์ตามแนวเหล็กที่ออกแบบไว้ ลวดเหล็กนี้มีปลายยึดกับอบัตเมนต์โดยใช้อุปกรณ์ยึด (anchorage) ในกรณีที่แนวของลวดประกอบด้วยเส้นตรงหักมุม จะต้องออกแบบอุปกรณ์สำหรับยึดเส้นลวดด้วย ลวดเหล็กกำลังสูงถูกดึงให้ตึงจนได้แรงในเส้นลวดเท่ากับจำนวนที่ต้องการ ทั้งนี้จะต้องตรวจสอบความดันของน้ำมันไฮดรอลิคและระยะยืดของเส้นลวดด้วย เมื่อทำการดึงเหล็กแล้วจึงเทคอนกรีตลงในแบบหล่อ ตามปกติคอนกรีตที่ใช้จะเป็นชนิดคอนกรีตกำลังสูงกว่าคอนกรีตในงานคอนกรีตเสริมเหล็ก เมื่อคอนกรีตแข็งตัวแล้วก็ทำการบ่ม (curing) ต่อไปอีก 3-7 วัน จนกำลังของคอนกรีตเพิ่มขึ้นมากพอ จึงทำการอัดแรงคอนกรีตโดยการตัดลวด เนื่องจากลวดมีการยึดเหนี่ยวกับคอนกรีตตลอดเส้น เมื่อตัดลวดแรงดึงในเหล็กจะถ่ายเป็นแรงอัดในคอนกรีตโดยผ่านแรงยึดเหนี่ยวที่บริเวณปลายคาน (transfer of prestress) หลังจากนั้นองค์อาคารก็สามารถขนส่งไปยังสถานที่ก่อสร้างได้
การก่อสร้างแบบดึงเหล็กก่อนเหมาะสำหรับการผลิตเป็นจำนวนมากในเวลาเดียวกันในระบบผลิตแบบนี้โครงสร้างฐานแบบอบัตเมนต์จะมีระยะห่างกันมากกว่า 100 เมตร ซึ่งฐานหล่อคอนกรีตจะมีความยาวที่จะหล่อองค์อาคารได้หลายท่อนพร้อม ๆ กัน ระบบผลิตนี้นิยมใช้สำหรับการก่อสร้างเสาเข็ม คานสะพาน หรือพื้นสำเร็จรูป ค. การอัดแรงแบบดึงเหล็กทีหลัง
วิธีนี้เป็นการอัดแรงในอีกวิธีหนึ่งซึ่งใช้กันแพร่หลายเช่นเดียวกัน เหมาะสำหรับโครงสร้างซึ่งมีขนาดใหญ่ซึ่งไม่สะดวกในการขนส่ง หรือสำหรับสถานที่ก่อสร้างซึ่งอยู่ห่างไกลโรงงานผลิตมาก ท่อ conduit และลวดเหล็กกำลังสูงจะถูกร้อยภายในแบบหล่อองค์อาคารคอนกรีตพร้อมอุปกรณ์ แองคอเรจทั้งสองข้าง จากนั้นจึงทำการเทคอนกรีต เมื่อคอนกรีตแข็งตัวและได้รับการบ่มจนมีกำลังสูงเพียงพอจึงทำการอัดแรงโดยใช้แม่แรงไฮดรอลิค ดึงเหล็กให้ยึดออกโดยยันกับตัวคานคอนกรีตเอง และลวดเหล็กจะขึงตึงระหว่างปลายทั้งสองข้างโดยการยึดของตัวลิ่มในอุปกรณ์แองคอเรจ เราสามารถจะทำให้ลวดเหล็กยึดติดกับเนื้อคอนกรีตตลอดความยาวของคานได้โดยการอัดมอร์ต้าที่ปลายข้างแม่แรงเข้าไปในท่อ conduit จนเต็ม tendon ที่มีการอัดมอร์ต้านี้เรียกว่า bonded tendon ส่วน tendon ที่ไม่ได้มีการอัดมอร์ต้าใน conduit เรียกว่า unbonded tendon คานซึ่งมี bonded tendon จะมีพฤติกรรมในช่วง overload ดีกว่าคานซึ่งมี unbonded tendon ตามปกติ tendon หนึ่งจะประกอบด้วยลวดกำลังสูงหรือ strand หลายเส้นร้อยอยู่ใน conduit ท่อเดียวกันและอุปกรณ์ anchorage ที่ปลายคานจะมีจำนวนรูสำหรับยึดลวดเท่ากับจำนวนลวดหรือ strand ใน conduit
ในการก่อสร้างระบบพื้นไร้คานอัดแรงหรือพื้นสองทางอัดแรง วิศวกรมักจะออกแบบเหล็กอัดแรงเป็นแบบ unbonded tendons เนื่องจากค่าใช้จ่ายในการอัดมอร์ต้าและราคา conduit จะเป็นมูลค่าสูง tendon ในพื้นปกติจะประกอบด้วยเหล็ก strand เดี่ยววางห่างกัน 40-50 ซม. เหล็ก strand การอัดแรงบางส่วน
หลักการออกแบบคอนกรีตอัดแรงในระยะแรกมักจะพิจารณาระดับการอัดแรงเต็มที่ (full prestressing) กล่าวคือที่ระดับน้ำหนักบรรทุกปกติหน่วยแรงที่เกิดขึ้นเป็นเฉพาะหน่วยแรงอัด นโยบายการอัดแรงที่มีข้อเสียคือแรงอัดคานมีขนาดใหญ่ ทำให้ขนาดขององค์อาคารเพิ่มขึ้นเพื่อหน่วยงานแรงอัดจะต้องไม่สูงมากเกินไปด้วย นอกจากนี้คานอาจจะเกิดการโค้งงอเนื่องจากการอัดแรงมากเกินไปด้วย ในการใช้งานคานคอนกรีตอัดแรงเต็มที่อาจจะเกิดหน่วยแรงดึงบ้าง เช่น คานสะพานเมื่อมีน้ำหนักจราจรสูงมากซึ่งเกิดขึ้นเป็นครั้งคราว จะทำให้เกิดหน่วยแรงดึงขึ้นเป็นผลให้เกิดรอยแตกร้าว รอยร้าวนี้จะเปิดสนิทเมื่อน้ำหนักบรรทุกผ่านเลยไป ในเวลาต่อมาหลักการออกแบบอนุญาตให้องค์อาคารเกิดหน่วยแรงดังได้บ้าง นโยบายนี้ทำให้ขนาดของแรงอัดคานลดลงซึ่งเราเรียกว่า การอัดแรงบางส่วน (partial prestressing) โดยควบคุมให้หน่วยแรงดึงไม่สูงเกินไป หลักการอัดแรงบางส่วนนี้ทำให้ขนาดขององค์อาคารคอนกรีตอัดแรงลดลงได้ นอกจากนี้พฤติกรรมการแอ่นตัวก็ดีขึ้น ในบางกรณีข้อบัญญัติกำหนดให้ใช้เหล็กกล้าละมุนต้านทานหน่วยแรงดึงที่เกิดขึ้นดังนั้นการอัดแรงบางส่วนจึงเป็นมาตรการกลางระหว่างคอนกรีตซึ่งอัดแรงเต็มที่และคอนกรีตซึ่งอัดแรงเต็มที่และคอนกรีตเสริมเหล็กการเปรียบเทียบระหว่างคอนกรีตอัดแรงและคอนกรีตเสริมเหล็ก
ในการพิจารณาข้อดีและข้อเสียระหว่างคอนกรีตอัดแรงและคอนกรีตเสริมเหล็ก จะต้องพิจารณาเหล็กเกณฑ์ที่จะใช้เปรียบเทียบ ประการแรกคือวัสดุที่ใช้ในคอนกรีตอัดแรงเราจำเป็นต้องใช้เหล็กกำลังสูง ทั้งนี้เพื่อให้แรงอัดสุทธิหลังจากเกิดการสูญเสียแรงไปแล้ว ยังมีขนาดสูง เพราะนอกจากคอนกรีตกำลังสูงจะมีการคืบและการหดตัวน้อยกว่าคอนกรีตกำลังปกติแล้ว การใช้คอนกรีตกำลังสูงจำเป็นเพื่อต้านทานหน่วยแรงยึดเกาะสูงที่เกิดขึ้นขณะถ่ายแรงอัดในคานแบบดึงเหล็กก่อนหรือเพื่อต้านทานหน่วยแรงกดเนื่องจากอุปกรณ์ anchorage ขณะถ่ายแรงในคานแบบอัดแรงทีหลัง
ประการที่สองคือความปลอดภัย ในประเด็นของความปลอดภัยคอนกรีตอัดแรงมีระดับความปลอดภัยที่สภาวะประลัยใกล้เคียงกับคอนกรีตเสริมเหล็ก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบและมาตรฐานการควบคุมการก่อสร้าง อย่างไรก็ดีคอนกรีตอัดแรงอาจมีระดับความปลอดภัยที่สูงกว่าเล็กน้อย คอนกรีตอัดแรงเกิดการแอ่นตัวที่สภาวะประลัยมากว่าคอนกรีตเสริมเหล็ก ความสามารถขององค์อาคารที่จะดูดซึมพลังงานเจลน์ของน้ำหนักกระแทกอยู่ในระดับเดียวกันเมื่อเปรียบเทียบคอนกรีตทั้งสองชนิด คอนกรีตอัดแรงมีความต้านทานต่อการผุกกร่อนดีกว่าเนื่องจากไม่มีรอยร้าวในช่วงน้ำหนักบรรทุกปกติ ในประเด็นความปลอดภัยเนื่องจากเพลิงไหม้ เหล็กกำลังสูงภายใต้หน่วยแรงดึงสูงจะเสียกำลังเมื่อถูกความร้อนมากกว่าเหล็กกล้าละมุนในคอนกรีตเสริมเหล็ก อย่างไรความหนาของคอนกรีตที่ห่อหุ้มเหล็กโดยเฉลี่ยจะหนากว่าในคอนกรีตอัดแรงเทียบกับคานคอนกรีตเสริมเหล็ก ทั้งนี้เนื่องจากแนวเหล็ก tendon เป็นแนวโค้ง ในด้านการออกแบบการก่อสร้าง คอนกรีตอัดแรงต้องการ การวางแผนเกี่ยวกับการใช้สอยที่แน่นอน เช่น ตำแหน่งช่องเปิดของพื้นเพื่อการวางทอ จะต้องทราบตำแหน่งแน่นอน เพราะเมื่อการก่อสร้างทำสำเร็จแล้ว การเจาะพื้นใหม่จะทำได้ยากกว่าพื้นคอนกรีตเสริมเหล็ก นอกจากนี้ยังเป็นอันตรายอีกด้วยหาก tendon ชำรุดหรือแนวโค้งเปลี่ยนไปจากที่ออกแบบไว้ครั้งแรก
ประการที่สามเกี่ยวกับรูปร่างและการแอ่นตัว องค์อาคารคอนกรีตอัดแรงมีน้ำหนักเบา และความลึกของหน้าตัดน้อยเทียบกับคอนกรีตเสริมเหล็กที่มีน้ำหนักบรรทุกเท่ากัน ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการก่อสร้างช่วงยาวซึ่งต้องการช่วงลอดสูง การแอ่นตัวสุทธิขององค์อาคารน้อยกว่าในคอนกรีตเสริมเหล็ก นอกจากนี้รูปร่างของหน้าตัดของคอนกรีตอัดแรงสามารถออกแบบให้เหมาะสมทางด้านสถาปัตยกรรมน้ำหนักบรรทุกบนโครงสร้าง
ในการออกแบบโครงสร้างคอนกรีตอัดแรง วิศวกรจำเป็นต้องคำนวณน้ำหนักขององค์อาคาร และน้ำหนักบรรทุกจรที่กระทำต่อโครงสร้างเช่นเดียวกันโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กหรือโครงสร้างเหล็ก น้ำหนักขององค์อาคารคอนกรีตคำนวณจากน้ำหนักจำเพาะของคอนกรีตเท่ากับ 2400 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร ตามปกติเราจะต้องกำหนดขนาดของหน้าตัดองค์อาคารซึ่งมีความแข็งแรงที่จะต้านทานน้ำหนักบรรทุกจร หลังจากการวิเคราะห์โครงสร้างจำเป็นต้องทบทวนขนาดหน้าตัดใหม่ให้เหมาะสม เกี่ยวกับน้ำหนักบรรทุกจรวิศวกรจะต้องพิจารณาประเภทของลักษณะการใช้สอยของโครงสร้าง น้ำหนักบรรทุกจรนี้กำหนดให้ข้อบัญญัติและมาตรฐานของการออกแบบต่าง ๆ มาตรฐานของ American National Standards Institute (ANSI) มาตรฐานของ American association of state Highway and Transportation Officials (AASHTO) ข้อบัญญัติของกรุงเทพมหานคร เป็นต้น ความปลอดภัยของโครงสร้าง
น้ำหนักบรรทุกปกติเนื่องจากน้ำหนักองค์อาคารและน้ำหนักบรรทุกจร ทำให้เกิดแรงภายในบนส่วนต่าง ๆ ของโครงสร้างและหน่วยแรงในวัสดุ ในการออกแบบส่วนต่าง ๆ ของโครงสร้างจะต้องมีความแข็งแรงเพียงพอที่จะต้านทานแรงการะทำประลัยบนโครงสร้างจนถึงระดับหนึ่งทำให้วัสดุต้านทานหน่วยแรงที่เกิดขึ้นจนถึงกำลังสูงสุด เนื่องจากขนาดของแรงกระทำประลัยขึ้นอยู่กับโอกาสของการเกิดแรงนั้น ตามมาตรฐานการออกแบบ เช่น มาตรฐานการออกแบบอาคารของ American Concerte Institute จึงกำหนดระดับโหลดแฟคเตอร์ , U ซึ่งเป็นอัตราส่วนของแรงกระทำประลัยต่อแรงการะทำปกติบนโครงสร้าง
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น