ทำการศึกษาแรงลม โดยวิธีวัดแรงลัพธ์ที่ฐานอาคารในอุโมงค์ลม โครงการ หมอชิต คอมเพล็กซ์

Abstract

วัตถุประสงค์ของการศึกษาแรงลมของโครงการอาคารชุด หมอชิต โดยการทดสอบในอุโมงค์ลม มีดังนี้ 1) การศึกษาแรงลมโดยรวมและการตอบสนองของอาคาร ด้วยวิธีการวัดแรงลมที่ฐานอาคารในอุโมงค์ลม เพื่อนำแรงลมไปออกแบบโครงสร้างหลักต้านทานแรงลม และคำนวณอัตราเร่งสูงสุดที่ยอดอาคารภายใต้แรงลม 2) ศึกษาแรงลมเฉพาะที่สำหรับออกแบบผนังภายนอกอาคาร ด้วยวิธีวัดหน่วยแรงลมของแบบจำลองในอุโมงค์ลม เพื่อนำหน่วยแรงลมไปออกแบบกระจกรอบอาคารตามหน่วยแรงลมที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งทำให้ปลอดภัย และประหยัด กล่าวคือบริเวณที่มีหน่วยแรงลมมากก็เสริมกระจกให้มีความหนามากขึ้น ส่วนบริเวณที่มีหน่วยแรงลมน้อยก็ใช้กระจกที่บางลงได้ 3) ) ศึกษาผลกระทบของแรงลมต่อผู้ใช้และผู้สัญจรรอบอาคาร ด้วยวิธีการวัดความเร็วลมบริเวณอาคารและโดยรอบ ในอุโมงค์ลม เพื่อสร้างความสะดวกสบายให้กับผู้ใช้และผู้สัญจรรอบอาคาร เช่น บริเวณที่รับส่ง บริเวณทางเดิน ร้านอาหารกลางแจ้ง บริเวณสระว่ายน้ำ เป็นต้น อาคารชุด หมอชิต ที่ศึกษาประกอบด้วย 2 อาคารเชื่อมต่อกันที่ด้านบน สูง 36 ชั้น มีความสูง 147.8 ม. อาคาร A กว้าง 32.4 ม. ลึก 56.2 ม. อาคาร B กว้าง 32.4 ม. ลึก 68.52 ม. อาคารตั้งอยู่บนถนนพหลโยธินกรุงเทพมหานคร อาคารที่ศึกษาต้องมีการทดสอบต้านทานแรงลม เนื่องจากมีลักษณะดังนี้ 1) อาคารที่มีความสูงและอ่อนตัวมาก 2) อาคารที่มีรูปทรงไม่สม่ำเสมอ ไม่เป็นสี่เหลี่ยม และ 3) สภาพแวดล้อมของอาคารที่ตั้งอยู่ในที่มีอาคารสูงหนาแน่น ลักษณะดังกล่าวข้างต้น ทำให้หน่วยแรงลมที่เกิดขึ้นจริงจะแตกต่างจากการคำนวณโดยใช้มาตรฐานการคำนวณ ดังนั้นการศึกษาแรงลมโดยการทดสอบในอุโมงค์ จึงมีความจำเป็นเพื่อให้ได้อาคารที่แข็งแรง ปลอดภัย และประหยัด เนื่องจากการทดสอบจะได้แรงลมที่กระทำกับรูปทรงอาคารจริงได้อย่างถูกต้อง ภายใต้สภาพแวดล้อมของอาคารจริง รวมถึงการคำนวณการสั่นไหวของอาคารภายใต้แรงลมได้อย่างถูกต้อง เพื่อไม่ให้ผู้ใช้อาคารรู้สึกไม่สบายหรือเกิดอาการวิงเวียน วิธีการทดสอบในอุโมงค์: การทดสอบอาคารสูงทำโดย การสร้างแบบจำลองอาคารที่ทดสอบให้เหมือนจริง และสร้างแบบจำลองสภาพแวดล้อมอาคารที่เหมือนจริงในรัศมี 400 ม. ในอัตราการย่อส่วน 1 ต่อ 400 แล้วนำแบบจำลองมาวางบนพื้นโต๊ะหมุนในอุโมงค์ลม ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 ม. พื้นโต๊ะหมุนนี้สามารถหมุนได้ 360 องศา หลังจากนั้นเปิดลมแล้ววัดแรงลมที่กระทำกับอาคารโดยรวมที่ฐานอาคาร หรือวัดหน่วยแรงลมเฉพาะที่ที่ผนังอาคาร การทดสอบจะทำการหมุนพื้นโต๊ะหมุนครั้งละ 10 องศา เพื่อศึกษาแรงลมที่กระทำกับอาคารทุกทิศทาง การจำลองลักษณะลมในอุโมงค์ลม ให้เหมือนลักษณะลมในสภาพภูมิประเทศจริง ต้องจำลองลักษณะลมดังนี้ 1. ลักษณะความเร็วลมเฉลี่ยที่แปรเปลี่ยนตามความสูงจากพื้นดิน 2. ลักษณะลมที่แปรปรวน (หรือผันผวน) ในรูปของความเข้มข้นของความแปรปรวน ที่แปรเปลี่ยนตามความสูงจากพื้นดิน และ 3. ค่าสเปกตรัมลมที่แปรปรวน การจำลองลักษณะลมได้อ้างอิงตามมาตรฐาน ASCE 7 ของประเทศสหรัฐอเมริกา ตามมาตรฐานการคำนวณแรงลมและการตอบสนองของอาคาร ของกรมโยธาธิการและผังเมือง มยผ. 1311-50 ความเร็วลมอ้างอิงสำหรับอาคารที่ศึกษา คือค่าความเร็วลมเฉลี่ยในช่วงเวลา 1 ชั่วโมง ที่ความสูง 10 เมตรจากพื้นดิน ในสภาพภูมิประเทศโล่ง สำหรับคาบเวลากลับ 50 ปี มีค่าเท่ากับ 25 เมตรต่อวินาที และค่าประกอบไต้ฝุ่นมีค่าเท่ากับ 1.0 ดังนั้นความเร็วลมอ้างอิงที่ยอดอาคารสูงเทียบเท่า 147.8 ม. มีค่าเท่ากับ 28.07 เมตรต่อวินาที ในสภาพภูมิประเทศแบบเมืองใหญ่ การออกแบบที่ประหยัดควรพิจารณาค่าตัวประกอบทิศทางลม เพื่อพิจารณาลดแรงลมในการออกแบบ ซึ่งเกิดมาจาก 2 โอกาส คือ 1. โอกาสในการลดความน่าจะเป็นของการเกิดความเร็วลมสูงสุดในแต่ละทิศทาง และ 2. โอกาสในการลดความน่าจะเป็นของการเกิดหน่วยแรงลมสูงสุดที่กระทำกับอาคารในแต่ละทิศทาง ค่าตัวประกอบทิศทางลมที่แนะนำสำหรับออกแบบผนังภายนอกอาคาร สำหรับกรุงเทพมหานคร มีค่า 0.93 ดังนั้นความเร็วลมอ้างอิงสำหรับอาคารที่ศึกษา มีค่าเท่ากับ 0.93*25 = 23.52 เมตรต่อวินาที และค่าความเร็วลมอ้างอิงที่ยอดอาคารสูงเทียบเท่า 147.8 ม. มีค่าเท่ากับ 26.11 เมตรต่อวินาที ในสภาพภูมิประเทศแบบเมืองใหญ่ ผลการศึกษา:ผลการศึกษาแรงลมเฉพาะที่สำหรับออกแบบผนังภายนอกอาคาร ทั้งหน่วยแรงดันสูงสุด และหน่วยแรงดูดสูงสุด แสดงในภาคผนวก นอกจากนี้ผลการศึกษาแรงลมเฉพาะที่ที่แนะนำสำหรับออกแบบผนังภายนอกอาคาร พบว่าหน่วยแรงดันสูงสุดโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 500 ถึง 1, 250 N/m2 (0.5 kPa ถึง 1.25 kPa) หน่วยแรงดูดสูงสุดโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 1,000 ถึง 1,750 N/m2 (1 kPa ถึง 1.75 kPa) และบางตำแหน่งรวมทั้งบริเวณขอบผนังอยู่ในช่วง 1,750 ถึง 2,750 N/m2 (1.75 kPa ถึง 2.75 kPa) เมื่อเปรียบเทียบหน่วยแรงลมที่ได้จากผลการทดสอบกับมาตรฐาน ASCE 7 พบว่า 1. หน่วยแรงดันสูงสุดที่ได้จากผลการทดสอบโดยทั่วไป มีค่ามากกว่าเล็กน้อย เมื่อเทียบกับค่าที่ได้จากมาตรฐาน ASCE 7 2. หน่วยแรงดูดสูงสุดที่ได้จากการทดสอบ บริเวณกลางและขอบผนังรอบอาคาร มีค่าสอดคล้องพอสมควร เมื่อเทียบกับค่าที่ได้จากมาตรฐาน ASCE 7 หน่วยแรงดูดสูงสุดที่ได้จากผลการทดสอบ บางบริเวณของผนังรอบอาคาร มีค่ามากกว่าพอสมควร เมื่อเทียบกับค่าที่ได้จากมาตรฐาน ASCE 7 ค่าดังกล่าวเกิดจากผลกระทบของอาคารข้างเคียง ดังนั้นการศึกษาแรงลมของอาคารโครงการโดยการทดสอบในอุโมงค์ จึงมีความจำเป็น เพื่อให้ได้อาคารที่แข็งแรง ปลอดภัย ประหยัด และลดโอกาสที่จะเกิดความเสียหายจากผลของแรงลม The Morchit Building Project comprises 2 high-rise buildings with 36 stories with connected bridge at the top of buildings. The project is developed on the Phaholyothin Road in central Bangkok. The tower A has 36 stories and 147.80 m. roof high, 32.40 m equivalent width and 56.20 m equivalent depth. The tower B has 36 stories and 147.80 m. roof high, 32.40 m equivalent width and 68.52 m equivalent depth. These buildings have the following special characteristics: a) the very flexible and high-rise buildings, b) the irregular geometry of the floor area, and c) close spacing of many high-rise buildings. These special characteristics result in pressure distributions significantly different from those specified in the building codes. Accordingly, the wind-tunnel tests are essential to achieve structural designs that are not overly costly and for which the risk of wind damage is realized at the lever chosen for the design. All wind-tunnel wind simulation and testing are in conformance with provision of ASCE Manual and Reports on Engineering Practice No. 67, “Wind Tunnel Studies of Buildings and Structures” and the requirement of the Department of Public Works and Town & Country Planning, Thailand - Standard No. 1311-50, “Wind Loading Calculation and Response of Buildings”. Wind Tunnel Test Procedure: The studied building was specially constructed by an acrylic rigid model. The 1:400 scale models of studied building and its surrounding buildings within 400 m radius from the studied building were mounted on a 2-m diameter turntable, allowing any wind direction to be simulated by rotating the model to the appropriate angle in the wind tunnel. The studied building model and its surroundings were tested in a boundary layer wind tunnel where the mean wind velocity profile, turbulence intensity profile, and turbulence spectrum density function of the winds approaching the study site are simulated for urban exposure based on the ASCE7 Standard and ASCE Manual and Reports on Engineering Practice No. 67. In this study, the wind load for cladding design obtained from a wind tunnel test were measured on a direction-by-direction basis for 36 directions at 10-degree intervals, on the 1:400 scale model of the building exposed to an approaching wind. According to the DPT Standard 1311-50 [DPT 2007], the reference velocity pressure, q, for the design of main structure and cladding shall be based on a probability of being exceeded in any one year of 1 in 50 (50-year return period) corresponding to reference wind speed of 25 m/s at the height of 10 m in open terrain. Because the proposed building is in the urban terrain, the exposure C was applied in this study, and the typhoon factor = 1.0. Then, design wind speed is = 1.0 * 25 = 25 m/s, and corresponding to design wind speed of 28.07 m/s at the 147.80 m equivalent roof height in the exposure C. For economic design consideration, the wind load for cladding design of the studied building shall consider the wind directionality factor. This factor accounts for two effects: (1) The reduced probability of maximum winds coming from any given direction and (2) the reduced probability of the maximum pressure coefficient occurring for any given direction. According to wind climate in Bangkok with wind directionality factor, a value of 0.93 is recommended for calculation of wind load for cladding design with V50. Therefore, design wind speed is = 0.93 * 25 = 23.25 m/s and corresponding to design wind speed of 26.11 m/s at the 147.80 m equivalent roof height in the exposure C. Recommended Peak Maximum Pressures and Minimum Pressures (Suctions) for Cladding Design The results of predicted peak maximum pressures and peak minimum pressures (negative or suctions) in kPa (1 kPa = 1,000 N/m2) for studied building are presented graphically in Figs. E.1 and E.2 of Appendix E, respectively. In addition, the results of recommended peak maximum pressures and peak minimum pressures (negative or suctions) in kPa for cladding design of walls of studied building are presented graphically in Figs. 4.1 and 4.2 of chapter 4, respectively, and shown in executive summary for convenient as Figs 1 and 2. The recommended peak maximum pressures are generally in the range of 500 to 1,250 N/m2 (0.50 kPa to 1.25 kPa). The recommended peak minimum pressures (negative or suctions) are in the range of 1,000 to 1,750 N/m2 (1.0 kPa to 1.75 kPa) in most part of building and in the range of 1,750 to 2,750 N/m2 (1.75 kPa to 2.75 kPa) in some areas including corner and edge zones. The largest peak maximum pressure and peak minimum pressures (negative or suctions) are 1,221 and -2,776 N/m2, respectively. It is found that the largest peak maximum pressure was observed at the pressure tap N41B at the level of 121.50 m and the largest minimum pressure (negative or suction) occurred at the pressure tap G16B at the level of 72.37 m. When comparisons of the wind tunnel test results with the ASCE7 standard, it was found that: 1) The local peak maximum pressures in most parts obtained from wind tunnel test are in general slightly higher than those based on the ASCE standard. 2) The local peak minimum pressures in middle zones and edge zone obtained from wind tunnel test agree fairly in general with those based on the ASCE standard. 3) The local peak minimum pressures in some areas obtained from wind tunnel test are moderately higher than those based on the ASCE standard. These high peak minimum pressures (suctions) are induced by the interference effects of surrounding buildings and irregular shape of building. Therefore, wind tunnel test of studied building is essential to achieve the building safety and reduction in the risk of wind damage.