iFoundation by Dr.Jirayut Suebsuk

การวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มโดยทั่วไปจะใช้สมมติฐานว่าแผ่นฐานรากแข็งแกร่ง (rigid footing) การคำนวณหาน้ำหนักบรรทุกที่ถ่ายลงเสาเข็มแต่ละต้นสามารถคำนวณได้ง่ายถ้ากำหนดให้การยึดรั้งของแผ่นฐานรากกับเสาเข็มเป็นหมุด (hinge connection) โมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้นจากน้ำหนักบรรทุกไม่ถ่ายลงสู่เสาเข็ม การออกแบบเช่นนี้แผ่นฐานรากจึงรับโมเมนต์ทั้งหมดที่เกิดขึ้น การออกแบบฐานรากเสาเข็มเป็นฐานรากแบบแข็งแกร่งนี้สามารถใช้ได้ดีกับฐานรากที่มีขนาดเล็ก แต่เมื่อฐานรากมีขนาดใหญ่พฤติกรรมของฐานรากจะมีแนวโน้มเป็นฐานรากดัดตัวได้ (flexible footing) มากกว่า การวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มแบบดัดตัวได้เป็นที่ทราบกันดีว่าต้องอาศัยการวิเคราะห์ด้วยวิธีเชิงตัวเลขที่ใช้แบบจำลองสามมิติถึงจะได้ผลคำตอบไปใช้ประกอบการออกแบบโครงสร้างฐานรากได้ วิธีวิเคราะห์ด้วยวิธีเชิงตัวเลขแบบสามมิติยังสามารถเลือกใช้ได้หลายวิธี เช่น วิธีไฟไนท์อิลลิเมนต์, วิธีไฟไนท์ดิฟเฟอร์เรนต์, วิธีคานสปริง (beam spring method) เป็นต้น ตัวอย่างโปรแกรมที่สามารถวิเคราะห์เป็นแบบสามมิติ ได้แก่ ANSYS, FLAC3D, ABAQUS เป็นต้น การวิเคราะห์โดยวิธีเชิงตัวเลขแบบสามมิติมีแบบจำลองที่เสมือนจริงมากที่สุด อีกทั้งยังสามารถใช้แบบจำลองพฤติกรรมของวัสดุแบบไม่เป็นเส้นตรง (non-linear) ได้เมื่อต้องการผลคำตอบที่ตรงกับสภาพจริงยิ่งขึ้น แต่วิธีการคำนวณจะยุ่งยาก ซับซ้อน การคำนวณแต่ละครั้งต้องใช้เวลามากต้องการหน่วยประมวลผล (CPU) ที่มีประสิทธิภาพ การวิเคราะห์ด้วยวิธีเชิงตัวเลขแบบสามมิติจึงไม่เหมาะสมกับการนำไปใช้ในการออกแบบฐานราก

โปรแกรมช่วยการออกแบบฐานรากในปัจจุบันแบ่งออกได้ 3 ประเภท ได้แก่ 1. โปรแกรมวิเคราะห์กำลังรับน้ำหนักบรรทุกของดิน ตัวอย่างเช่น โปรแกรม CBEAR (U.S. Department of Transportation) สามารถวิเคราะห์กำลังรับแรงแบกทานยอมให้ของชั้นดินโดยสมการตามวิธี Limit analysis, โปรแกรม DRIVEN (U.S. Department of Transportation) สามารถวิเคราะห์กำลังรับน้ำหนักบรรทุกยอมให้ของเสาเข็มโดยใช้สมการตามวิธีสถิตศาสตร์ เป็นต้น 2. โปรแกรมวิเคราะห์หาแรงภายในของโครงสร้าง ตัวอย่างเช่น โปรแกรม STAAD Pro 2004 (REI Software Co., Ltd) สามารถใช้วิเคราะห์โมเมนต์ดัด แรงเฉือนและการทรุดตัวในแผ่นฐานรากโดยจำลองฐานรากเป็นชิ้นส่วนแบบแผ่น (plate element) ร่วมกับการจำลองชั้นดินเป็นสปริงยืดหยุ่นติดใต้แผ่น

ฐานราก, โปรแกรม FLAC3D (Itasca Consulting Group, Inc.) สามารถวิเคราะห์โดยจำลองชั้นดินและโครงสร้างรวมอยู่ในแบบจำลองเดียวกันและวิเคราะห์รวมกันในการคำนวณเพียงครั้งเดียวได้ เป็นต้น 3. โปรแกรมออกแบบจำนวนเหล็กเสริมในโครงสร้างฐานราก โปรแกรมประเภทนี้มักมีลักษณะเป็นตารางคำนวณ (spread sheet) การแยกการทำงานของโปรแกรมดังกล่าวข้างต้นทำให้การออกแบบขนาดฐานรากที่เหมาะสมยังคงต้องใช้การลองผิดลองถูกโดยผู้ออกแบบเอง โดยเฉพาะในฐานรากเสาเข็มต้องใช้เวลามากในการลองผิดลองถูก อีกทั้งยังต้องเสียเวลาในการตีความและถ่ายโอนคำตอบจากการวิเคราะห์กำลังรับน้ำหนักของดินไปใช้ในการออกแบบโครงสร้างฐานราก โดยยังไม่มีวิธีที่เหมาะสมสำหรับใช้วิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มในขั้นตอนลองผิดลองถูกของการออกแบบขนาดฐานราก

ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงพัฒนาวิธีการวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มที่รองรับน้ำหนักบรรทุกทั้งแนวดิ่ง น้ำหนักบรรทุกแนวราบ และโมเมนต์ดัด วิธีที่จะพัฒนาขึ้นนี้จะช่วยลดหรือแก้ปัญหาดังกล่าวข้างต้นของการวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มด้วยวิธีเชิงตัวเลขแบบเดิม และจะพัฒนาโปรแกรมวิเคราะห์และออกแบบฐานรากที่รวมการวิเคราะห์และออกแบบอยู่ในโปรแกรมเดียว โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นนี้นำวิธีการวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มซึ่งพัฒนาขึ้นในส่วนแรกมาใช้ วัตถุประสงค์เฉพาะมีดังนี้

• เพื่อพัฒนาวิธีการวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มที่ง่ายกว่าวิธีเชิงตัวเลขแบบเดิมที่มีใช้กันอยู่ พร้อมทั้งนำมาสร้างเป็นโปรแกรมคอมพิวเตอร์
• เพื่อสร้างโปรแกรมออกแบบฐานรากที่สามารถลองผิดลองถูกหาขนาด ฐานราก วิเคราะห์หาแรงภายใน (โมเมนต์ดัดและแรงเฉือน) ในแผ่นฐานรากและคำนวณเหล็กเสริมโดยอัตโนมัติในโปรแกรมเดียว
• เพื่อสร้างโปรแกรมออกแบบฐานรากที่ผู้ใช้เลือกวิธีการคำนวณ สมการ และพารามิเตอร์ต่างๆ ที่ใช้ในการคำนวณได้เอง

ข้อจำกัดการใช้งาน

วิธีวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มที่ง่ายกว่าวิธีเชิงตัวเลขแบบเดิมที่จะพัฒนาขึ้นนี้จะสมมติให้ แผ่นฐานรากและเสาเข็มไม่เกิดการแตกร้าวในขณะรับน้ำหนักบรรทุกในช่วงใช้งาน, แผ่นฐานรากและเสาเข็มเป็นวัสดุเนื้อเดียวกัน (homogeneous) พร้อมกับมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกทิศทาง (isotropic), ชั้นดินที่รองรับฐานรากมีพฤติกรรมการรับน้ำหนักบรรทุกแนวดิ่งและแนวราบอยู่ในช่วงยืดหยุ่น และการถ่ายแรงระหว่างเสาเข็มกับฐานรากเกิดอย่างสมบูรณ์ การพัฒนาวิธีวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มนี้ตัวแปรไม่ทราบค่าที่ต้องหาจากการวิเคราะห์ คือ โมเมนต์ดัด แรงเฉือน การเคลื่อนตำแหน่งของแผ่นฐานรากและเสาเข็ม รวมไปถึงแรงปฏิกิริยาของชั้นดินที่ตอบสนองต่อน้ำหนักบรรทุกแนวราบที่กระทำต่อเสาเข็ม

โปรแกรมวิเคราะห์และออกแบบฐานรากที่พัฒนาขึ้นจะรวมความสามารถในการวิเคราะห์โครงสร้างและการวิเคราะห์ดินไว้ในโปรแกรมเดียว การวิเคราะห์ฐานรากเสาเข็มใช้วิธีที่พัฒนาขึ้นใหม่ในงานวิจัยนี้ในส่วนแรก การวิเคราะห์ฐานรากตื้น (ฐานรากเดี่ยว, ฐานรากคู่ และฐานรากแพ) จะใช้วิธีไฟไนท์กริด (Bowles, 1988) ซึ่งจะถูกปรับปรุงเพิ่มความถูกต้องในการคำนวณในงานวิจัยนี้ด้วย การวิเคราะห์กำลังรับแรงแบกทานของฐานรากตื้นใช้สมการตามวิธี Limit analysis การวิเคราะห์กำลังรับน้ำหนักแนวดิ่งของเสาเข็มเดี่ยวใช้สมการตามวิธีสถิตศาสตร์ ส่วนการวิเคราะห์เสาเข็มที่รับน้ำหนักบรรทุกแนวราบหรือโมเมนต์ดัดนั้นจะใช้วิธี p-y curves โดยโปรแกรม COM624P (public domain) หน่วยการคำนวณที่ใช้เป็นหน่วยพื้นฐานของโปรแกรม คือ หน่วย SI โปรแกรมสามารถออกแบบโครงสร้างแผ่นฐานรากทั้งสำหรับฐานรากเสาเข็มและฐานรากตื้น (ฐานรากเดี่ยว, ฐานรากร่วม, ฐานรากแพ) ตามมาตรฐาน ACI 318-02 และว.ส.ท. 1008-40

Download EXE Program

Download User manual

Download Theory manual

last updated 27-08-2559