ความปลอดภัยโครงสร้างถังเก็บน้ำประปาภายใต้แรงแผ่นดินไหว

ปัจจุบัน ทั่วโลกเกิดความตื่นตัวเกี่ยวกับเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นและมีความพยายามในการป้องกันความเสียหายจากพิบัติภัยแผ่นดินไหวกันมากขึ้น ผลของภัยพิบัติแผ่นดินไหว นอกจากกระทำกับโครงสร้างสิ่งปลูกสร้างประเภทอาคารโดยตรงแล้ว ยังกระทำกับโครงสร้างสิ่งปลูกสร้างประเภทที่ใช้บรรจุของเหลว เช่นหอถังสูงเก็บน้ำประปาของชุมชน เนื่องจากน้ำที่อยู่ภายในถังมีการกระฉอกเคลื่อนที่กลับไปกลับมาแบบพลศาสตร์ภายใต้แรงแผ่นดินไหว ก่อให้เกิดแรงกระทำเพิ่มเติมกับโครงสร้างสิ่งปลูกสร้าง การออกแบบโครงสร้างหากไม่ได้คำนึงถึงแรงกระทำดังกล่าวก็สามารถทำให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินรุนแรงในภายหลังได้

สำหรับประเทศไทย มีกฏหมายควบคุมการออกแบบโครงสร้างอาคารต่างๆให้รับแรงแผ่นดินไหวตั้งแต่ พ.ศ.2540  มีมาตรฐานการออกแบบของกรมโญธาธิการและผังเมืองพ.ศ.2552 และ2554  แต่โครงสร้างสิ่งปลูกสร้างประเภทถังเก็บของเหลวในประเทศไทยยังไม่มีการออกแบบให้ต้านทานแรงแผ่นดินไหว ข้อกำหนดในการออกแบบหอถังสูงของการประปาส่วนภูมิภาคทั้งหมดใช้ข้อกำหนดกำลังของคอนกรีตโครงสร้างซึ่งมีการปรับปรุงตั้งแต่ปีพ.ศ. 2533 และใช้มาจนปัจจุบัน   ดังนั้นหอถังสูงจึงไม่ได้คำนวณและออกบบให้รับแรงแผ่นดินไหว โดยเฉพาะในพื้นที่ภาคตะวันตก และภาคเหนือของประเทศไทยซึ่งอยู่ในแนวรอยเลื่อยของเปลือกโลก รวมทั้งกรุงเทพฯและปริมณฑลที่อยู่บนชั้นดินอ่อน   

การสั่นไหวของของเหลวภายในภาชนะบรรจุ

ผศ.ดร.ทรงพล  จารุวิศิษฏ์ อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้สนใจศึกษาผลตอบสนองของแรงกระทำจากของเหลวจากแรงแผ่นดินไหวที่กระทำต่อตัวโครงสร้างหอถังสูงทีใช้บรรจุน้ำประปา(high tower storage tank) เนื่องจากเป็นโครงสร้างสาธารณูปโภคพื้นฐานที่สำคัญของชุมชน โดยเฉพาะในเขตพื้นที่ที่มีโอกาสเสี่ยงภัยแผ่นดินไหวรุนแรงจึงใช้กรณีศึกษาโครงสร้างหอถังสูงเก็บน้ำประปาขนาดความจุ 250 ลูกบาศก์เมตร ของการประปาส่วนภูมิภาค ที่อำเภอพนมทวนและอำเภอด่านมะขามเตี้ย  จังหวัดกาญจนบุรี  ซึ่งอยู่ใกล้รอยเลื่อนมีพลังศรีสวัสดิ์ และรอยเลื่อยเจดีย์สามองค์   ทำการศึกษาตรวจสอบพฤติกรรมการสั่นไหวของน้ำประปาโดยจำลองการวิเคราะห์โครงสร้างกรณีมีน้ำเต็มถังและมีน้ำครึ่งถัง  ถังแบบมีและไม่มีช่องเปิดกลางถัง  ศึกษาความสามารถในการต้านแรงแผ่นดินไหว  ประเมินผลตอบสนองภายใต้แรงกระทำแผ่นดินไหวต่อโครงสร้างหอถังสูงเก็บน้ำประปา ว่าสามารถรับแรงได้อย่างปลอดภัยหรือไม่ รวมทั้งแนวทางปรับปรุงเพื่อความปลอดภัยต่อไป

การสั่นของหอถังสูง กรณีศึกษาต่างๆ

            ผลการศึกษา สรุปได้ว่า ค่าการเคลื่อนตัวของโครงสร้างและโมเมนต์พลิกกลับของหอถังสูง อยู่ในเกณฑ์ที่ปลอดภัย เพราะค่าที่ได้ทั้งการวิเคราะห์ด้วยวิธีด้วยวิธี Finite Element Method (FEM) ทั้งวิธีแรงสถิตย์เทียบเท่าและวิธีพลศาสตร์เชิงเส้น ยังมีค่าน้อยกว่าค่าที่ยอมให้ของโครงสร้าง ส่วนโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก ทั้ง เสา คาน และฐานราก มีความปลอดภัยในการรับแรงแผ่นดินไหว ไม่เกิดการวิบัติ ทั้งในพื้นที่อำเภอพนมทวนและอำเภอด่านมะขามเตี้ย ส่วนผนังมีความปลอดภัยในพื้นที่อำเภอพนมทวน ทุกหน้าตัด แต่โครงสร้างแบบเดียวกันในพื้นที่อำเภอด่านมะขามเตี้ยบางหน้าตัดมีค่าเกินกว่าที่ผนังจะรับได้เล็กน้อยซึ่งอาจยังถือว่าปลอดภัยอยู่ แต่โครงสร้างพื้น ทั้งในพื้นที่อำเภอพนมทวนและอำเภอด่านมะขามเตี้ย ไม่ปลอดภัย ในกรณีมีน้ำเต็มถัง ควรมีการเสริมเหล็กพื้นถัง หรือลดระดับการเก็บน้ำลง หาความจุของถังที่มามารถรับได้สูงสุด และอาจเปลี่ยนขนาดเหล็กเสริมเพื่อให้มีความปลอดภัยในกรณีที่จะสร้างในพื้นที่เสี่ยงภัยแผ่นดินไหว

แรงตามแนวแกน แรงเฉือนและโมเมนต์ ที่เกิดขึ้นในเสาโครงสร้าง

การใส่แรงเพื่อวิเคราะห์แบบจำลองวิธีแรงสถิตเทียบเท่า กรณีศึกษาที่ S1 (Full Tank)

โดยการทำแบบจำลองโครงสร้างและวิเคราะห์ทั้งวิธีแรงสถิตเทียบเท่า และวิธีพลศาสตร์เชิงเส้น พบว่าการจำลองแบบโครงสร้างหอถังสูงแบบมีช่องเปิดกลางถัง จะให้ผลการวิเคราะห์ที่มากกว่า แบบที่ไม่มีช่องเปิดกลางถัง ประมาณร้อยละ 5-10 และวิธีแรงสถิตเทียบเท่า จะให้ผลการวิเคราะห์ที่มากกว่าวิธีพลศาสตร์เชิงเส้น อยู่ประมาณร้อยละ 30-50 ซึ่งอาจสรุปได้ว่าการวิเคราะห์ด้วยวิธีแรงสถิตเทียบเท่าด้วยแบบจำลองที่มีช่องเปิดกลางถัง จะให้ผลที่ปลอดภัยกว่าแบบจำลองอื่นๆ  

ผลการดำเนินงานวิจัยครั้งนี้เป็นเพียงการจำลองโครงสร้างหอถังสูงขนาดความจุ 250 ลูกบาศก์เมตร หากสามารถทำแบบจำลองขนาดความจุอื่นๆในหลายๆพื้นที่ในประเทศไทยและนำมาเปรียบเทียบกัน จะทำให้ได้ข้อมูลที่แม่นยำยิ่งขึ้น   ข้อเสนอแนะสำหรับกรณีที่จะสร้างหอถังสูงใหม่ ในพื้นที่เสี่ยงภัยแผ่นดินไหว หากผลวิเคราะห์ไม่สามารถรับแรงแผ่นดินไหวได้ปลอดภัย ควรปรับขนาดหน้าตัดหรือขนาดเหล็กเสริมให้ใหญ่ขึ้น กรณีหอถังสูงได้สร้างเสร็จสิ้นอยู่แล้วในพื้นที่เสี่ยงภัยแผ่นดินไหว เมื่ผลวิเคราะห์พบว่าไม่ปลอดภัยในการรับแรง ควรปรับโดยการหาขนาดความจุของน้ำที่มากที่สุดหรือระดับน้ำในถังสูงสุดที่จะปลอดภัยเมื่อเกิดแผ่นดินไหวในขนาดที่ออกแบบ และไม่ใส่น้ำในถังเกินกว่าที่สมารถของถังที่จะรับได้เมื่อรับแรงกระทำจากแผ่นดินไหว

	ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก. หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.ทรงพล จารุวิศิษฏ์ ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์   เรียบเรียง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก. โทร. 02 561 1474 e-mail : rdiwan@ku.ac.th
ผศ.ดร.ทรงพล จารุวิศิษฏ์