ระบบพื้นไร้คานท้องเรียบแบบกลวง

      ระบบพื้นไร้คานท้องเรียบแบบกลวง เริ่มพัฒนามาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1990 โดยใช้แนวคิดเดียวกับแผ่นพื้นสำเร็จแบบกลวง (HOLLOW CORE PRECAST SLAB ) ต่างกันที่ไม่ได้เป็นพฤติกรรมแบบพื้นทางเดียวเหมือนแผ่นพื้นสำเร็จแบบกลวง แต่เป็นพฤติกรรมการรับน้ำหนักแบบพื้นสองทาง (TWO WAY SLAB)

     พิจารณาแรงภายในและความสอดคล้องของความเครียด (STRAIN COMPATIBILITY) จะเห็นว่าส่วนที่รับแรงอัดเหนือแกนสะเทินสำหรับพื้นจะอยู่สูงมาก และมีพื้นที่ด้านล่างที่รับแรงดึงอยู่มาก จึงมีแนวคิดในการเอาคอนกรีตบริเวณใต้แกนสะเทินบางส่วนออกได้

      เทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการสร้างช่องโล่งในคอนกรีต คือการใส่ลูกบอลพลาสติก (PLASTIC VOIDED FORMER) ทรงกลมหรือทรงรี ฝังไว้ในความหนาพื้นก่อนเทคอนกรีต โดยมีเหล็กเสริมประคองไว้และเป็นตัวกำหนดระยะและความสูงของลูกบอล

ระบบพื้นกลวงโดยลูกบอลพลาสติก (PLASTIC VOIDED SLAB SYSTEMS)

      ลูกบอลพลาสติก (PLASTIC VOIDED FORMER) ส่วนใหญ่เริ่มพัฒนาและผลิตในยุโรป วัสดุที่นำมาใช้เป็น HDPE PLASTIC BALL (HIGH DENSITY RECYCLED POLYETHYLENE) โดยมีคุณสมบัติดังนี้

- MATERIAL:HDPE
- COMPRESSIVE STRENGTH: 30,000 KN/M2
- YOUNG MODULUS: 8.00X105 KN/M2
- POISSON’S RATIO: 0.42
- THERMAL EXPANSION: 2.0X10-5
- DENSITY: 10.01 KN/M3

      โดยทั่วไปมีสองบริษัทที่นิยมใช้กันมากในสหรัฐอเมริกาคือ BUBBLE DECK และ COBIAX ซึ่งใช้ลูกบอลทรงกลมหรือทรงรี ส่วนระบบ U-BOOT BETON เป็นระบบของบริษัทที่พัฒนาขึ้นในประเทศอิตาลีที่ใช้พลาสติกรูปร่างที่ต่างออกไปเพื่อสร้างแนวคอนกรีตให้เป็นรูปตัวไอ ช่วยในการรับน้ำหนักให้ดีขึ้น โดยแต่ละระบบมีรายละเอียดดังนี้

1. ระบบของ BUBBLE DECK

1.1 SEMI-PRECAST SYSTEM

      เป็นระบบที่หล่อพื้นส่วนล่างมาจากโรงงานเพื่อใช้เป็นแบบหล่อเพื่อติดตั้ง และติดตั้งลูกบอลและเหล็กเสริมมาแล้วเป็นแผงสำเร็จรูป แสดงดังรูปด้านล่าง

1.2 CAST-IN-PLACE SYSTEM
      ติดตั้งเหล็กเสริมและลูกบอลตามตำแหน่งที่ระบุในแบบก่อสร้างที่หน่วยงานก่อสร้าง แล้วเทคอนกรีต

2. ระบบของ COBIAX

      COBIAX เป็นระบบที่ก่อสร้างหน้างาน มีลูกบอล 2 แบบให้เลือกใช้คือแบบทรงกลม (SPHERE) และทรงรี (ELLIPSE) สำหรับลูกบอลทรงรีจะมีลักษณะคือ เมื่อมองจากด้านบนจะมีรูปร่างเป็นวงกลม และเมื่อมองด้านข้างจะมีลักษณะเหมือนแคปซูล การติดตั้งเริ่มจากติดตั้งแบบหล่อพื้นพร้อมกับติดตั้งเหล็กเสริมล่าง จากนั้นติดตั้งลูกบอลและยึดติดกับเหล็กเสริมตามตำแหน่งที่ระบุในแบบก่อสร้าง จากนั้นติดตั้งเหล็กเสริมบน การเทคอนกรีตแบ่งเป็น 2 ครั้ง ชั้นแรกจะเทให้คลุมเหล็กเสริมล่างและอมลูกบอลลางส่วนเพื่อยึดลูกบอลให้ตรงตามตำแหน่งเมื่อคอนกรีตแข็งตัว เมื่อคอนกรีตที่เทครั้งแรกเริ่มแข็งตัว (ประมาณ 2-3 ชั่วโมง) ให้เทครั้งที่สองจนเต็มความหนาพื้น จุดเด่นของระบบนี้คือ ลักษณะของลูกบอลที่มีสองแบบดังรูปด้านล่าง ลูกบอลในลักษณะทรงรีจะทำให้สามารถออกแบบพื้นได้บางกว่าลูกบอลทรงกลม

3. ระบบของ U-BOOT BETON (U-BOOT)

      เป็นระบบที่มาจากประเทศอิตาลี ซึ่งไม่ได้ทำช่องโล่งด้วยลูกบอลทรงกลมหรือทรงรี แต่มีลักษณะคล้ายกล่อง แสดงดังรูปด้านล่าง

      การทำช่องโล่งในพื้นลักษณะนี้ จุดประสงค์เพื่อจะทำให้สร้างชิ้นส่วนคอนกรีตรูปตัวไอ (I-SHAPE) เพื่อทำให้พื้นมีความแข็งแรง (ดูรูปด้านล่างประกอบ) วิธีการติดตั้งจะหมือนวิธีของ COBIAX คือติดตั้งที่หน้างานและแบ่งเทคอนกรีต 2 ครั้ง

การออกแบบพื้น POST TENSION สำหรับ VOIDED SLAB

      ระบบพื้นไร้คานท้องเรียบแบบกลวง เริ่มต้นใช้งานในพื้นคอนกรีตเสริมเหล็ก จากนั้นจึงเริ่มนำมาใช้ในงานพื้น POST TENSION ในปัจจุบันเราสามารถใช้โปรกรมคอมพิวเตอร์ที่วิเคราะห์โครงสร้างด้วย FINITE ELEMENT METHOD (FEM) ได้อย่างแพร่หลาย จึงมีความเห็นว่าควรที่จะวิเคราะห์โครงสร้างโดยใช้ FEM เพื่อที่จะได้ค่าแรงภายในที่เกิดขึ้นและการโก่งตัวอย่างแม่นยำ และนำค่าที่ได้มาออกแบบ ขั้นตอนในการออกแบบมี ดังนี้

ขั้นตอนที่ 1 เลือกชนิดของPLASTIC BALL

ขั้นตอนที่ 2 คำนวณคุณสมบัติของวัสดุ

ขั้นตอนที่ 3 กำหนดน้ำหนักบรรทุก SDL, LL หรือ น้ำหนักบรรทุกอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 4 ตรวจสอบแรงเฉือน

ขั้นตอนที่ 5 กำหนดบริเวณ SOLID SLAB และ VOIDED SLAB

ขั้นตอนที่ 6 วางแนวและโปรไฟล์ของลวดอัดแรง

ขั้นตอนที่ 7 วิเคราะห์โครงสร้างด้วย FINITE ELEMENT

ขั้นตอนที่ 8 กำหนดแนว DESIGN STRIP

ขั้นตอนที่ 9 ตรวจสอบ STRESS ที่ผิวบนและผิวล่าง

ขั้นตอนที่ 10 ตรวจสอบการออกแบบกำลังรับแรงดัด

ขั้นตอนที่ 1 เลือกชนิดของ PLASTIC BALL
       ในที่นี้ขอกล่าวถึงเฉพาะ PLASTIC BALL ที่นิยมใช้กันทั่วไปคือของ BUBBLE DECK ที่เป็นลูกบอลทรงกลมและ COBIAX ที่เป็นลูกบอลทรงกลมและทรงรี โดยดูคุณสมบัติของวัสดุเพื่อนำมาใช้ในการสร้างแบบจำลอง

ขั้นตอนที่ 2 เลือกชนิดของ PLASTIC BALL
      ทั้งสองผลิตภัณฑ์มีข้อมูลทางเทคนิคดังนี้

MAIN PARAMETER OF COBIAX CAGE MODULES

คำนวณค่าอัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัด SECTIONAL AREA RATIO

      ดูค่า SPACING ของลูกบอล และความหนาของพื้น แล้วนำมาคำนวณค่าอัตราส่วนของพื้นที่หน้าตัด ดังนี้ เช่น เลือกใช้ลูกบอลทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100MM CLEAR SPACING ระหว่างลูกบอล 30MM ความหนาพื้นเท่ากับ 210MM

ในกรณีที่ เลือกใช้ลูกบอลทรงรี ลูกบอลลักษณะนี้เมื่อมองจากด้านบนจะมีรูปร่างเป็นวงกลม และเมื่อมองด้านข้างจะมีลักษณะเหมือนแคปซูล ดังรูป

ยกตัวอย่าง ใช้ลูกบอลทรงรีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 170MM ความสูงของลูกบอล 110MM CLEAR SPACING ระหว่างลูกบอล 30MM ความหนาพื้นเท่ากับ 210MM

คำนวณค่าอัตราส่วนของน้ำหนัก WEIGHT RATIO

      เมื่อกำหนดความหนาพื้น ให้คำนวณค่าน้ำหนักต่อตารางเมตรของพื้นคอนกรีตเต็ม จากนั้นดูน้ำหนักที่หายไปต่อตารางเมตรจากตาราง เช่น เลือกพื้นหนา 0.23M น้ำหนักต่อตารางเมตรเท่ากับ 552 KG/M2 เลือกใช้ ลูกบอลเส้นผ่านศูนย์กลาง 18CM จากตาราง สามารถลดน้ำหนักได้ 1.91 KN/M2 หรือ 1.91X101.97 = 194.76 KG/M2

ค่าอัตราส่วน RIGIDITY FACTOR หรือ STIFFNESS CORRECTION FACTOR

      เมื่อพื้นที่เราใช้งานมีช่องโล่งอยู่ภายในจะทำให้ค่า STIFFNESS ของพื้นมีค่าลดลง จึงต้องมีการปรับแก้ค่า I โดยจะมีค่าระบุให้ในตาราง เรียกว่าค่า RIGIDITY FACTOR หรือ STIFFNESS CORRECTION FACTOR เป็นค่า LPVS

โดยที่

LPVS = ค่า I ของ PLASTIC VOIDED SLAB

LSLAB = ค่า I ของ SOLID SLAB

      สำหรับกรณีที่ไม่ได้ใช้ค่าจากตาราง สามารถใช้สูตรอย่างง่ายในการคำนวณ LPVS ต่อหนึ่งหน่วยความกว้าง สำหรับลูกบอลแบบทรงกลมเท่านั้นโดยใช้สูตร

โดยที่

      สำหรับกรณีที่ไม่ได้ใช้ค่าจากตาราง สามารถใช้สูตรอย่างง่ายในการคำนวณ IPVS ต่อหนึ่งหน่วยความกว้าง สำหรับลูกบอลแบบทรงกลมเท่านั้นโดยใช้สูตร

โดยที่

D = OVERALL THICKNESS OF SLAB

A = DISTANCE FROM THE CENTER OF ONE VOID TO THE CENTER OF A SOLID SECTION

ขั้นตอนที่ 3 กำหนดน้ำหนักบรรทุก SDL, LL หรือ น้ำหนักบรรทุกอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 4 ตรวจสอบแรงเฉือน

4.1 ONE WAY SHEAR OR BEAM SHEAR

      การตรวจสอบ ONE WAY SHEAR ที่ระยะ D จากหน้าเสา จะเห็นว่าแนวหน้าตัดวิกฤติผ่านทั้งส่วนที่เป็นพื้นเต็มและพื้นที่เป็น VOIDED SLAB การคิดน้ำหนักจะต้องลดน้ำหนักเนื่องจาก VOIDED SLAB ด้วย ส่วนกำลังรับแรงเฉือนของพื้น คำนวณจากสูตร

มีค่าประมาณ 0.50-0.60 ซึ่งจะระบุไว้ในตารางข้อมูลจากผู้ผลิต

4.2 TWO WAY SHEAR OR PUNCHING SHEAR

      การตรวจสอบ TWO WAY SHEAR จะตรวจสอบที่หน้าตัดวิกฤติ 2 ตำแหน่งคือ ที่ระยะ D/2 จากหน้าเสา และที่ระยะ D/2 จากขอบพื้นเต็ม การคิดน้ำหนักจะต้องลดน้ำหนักเนื่องจาก VOIDED SLAB ด้วย

ส่วนกำลังรับแรงเฉือนของพื้น ที่ระยะ D/2 จากหน้าเสา คำนวณจากสูตรปกติ คือ

ส่วนกำลังรับแรงเฉือนของพื้น ที่ระยะ D/2 จากหน้าขอบพื้นเต็ม ซึ่งจะไปตกอยู่ในบริเวณ VOIDED SLAB คำนวณจากสูตร

โดยที่ FSR = VOIDED SHEAR REDUCTION FACTOR มีค่าประมาณ 0.50-0.60 ซึ่งจะระบุไว้ในตารางข้อมูลจากผู้ผลิต

ขั้นตอนที่ 5 กำหนดบริเวณ SOLID SLAB และ VOIDED SLAB

      โดยปกติ เมื่อตรวจสอบแรงเฉือนแล้ว ก็จะใช้ระยะที่แรงเฉือนเจาะทะลุผ่านเป็นแนวพื้นเต็มทั้งสองทิศทาง เพื่อให้ลวดอัดแรงสามารถวิ่งผ่านได้

ขั้นตอนที่ 6 กำหนดบริเวณ SOLID SLAB และ VOIDED SLAB

ขั้นตอนที่ 7 วิเคราะห์โครงสร้างด้วย FINITE ELEMENT

      โดยบริเวณที่เป็นพื้นเต็มให้ใช้ค่า พารามิเตอร์ปกติ ส่วนในบริเวณที่เป็น VOIDED SLAB ให้ปรับแก้ค่าต่างๆ ตามที่คำนวณไว้ในขั้นตอนที่ 2

ขั้นตอนที่ 8 กำหนดแนว DESIGN STRIP

ขั้นตอนที่ 9 ตรวจสอบ STRESS ที่ผิวบนและผิวล่าง

สำหรับค่า ALLOWABLE STRESS ค่าที่แนะนำตามเอกสารอ้างอิงจะใช้เพียง 90% ของค่า ALLOWABLE STRESS ปกติ

ขั้นตอนที่ 10 ตรวจสอบ STRESS ที่ผิวบนและผิวล่าง

      ตามสมมติฐานที่เราตั้งไว้ในการออกแบบกำลังรับแรงดัดคือ ในบริเวณที่เป็น VOIDED SLAB เมื่อรับแรงดัด ส่วนที่เป็น COMPRESSION ZONE จะอยู่ในส่วนที่เป็นพื้นเต็ม หรือ แนวแกนสะเทินลงมาไม่ถึงลูกบอล

      แต่ถ้าพื้นต้องรับน้ำหนักมาก มีโอกาสที่แนวแกนสะเทินจะลงมาถึงลูกบอลทำให้ COMPRESSION ZONE มีบางส่วนที่เลยลงไปในช่องโล่ง จากการศึกษาและการทดลองในประเทศเยอรมัน สามารถสรุปเป็นข้อแนะนำที่ระบุไว้ใน DIN 1045 ว่า ให้ตรวจสอบด้วยวิธีอย่างง่าย คือค่าอัตราส่วนระหว่างโมเมนต์ที่ต้านโดย VOIDED SLAB กับโมเมนต์สำหรับพื้นเต็ม (MBALL/MU) จะต้องไม่เกิน 0.20 ระยะของ STRESS BLOCK และความสอดคล้องของความเครียดจึงจะกระจายซ้ำออกไป สามารถยอมให้ใช้การคำนวณ STRESS BLOCK แบบปกติได้

วีดีโอตัวอย่าง

1. ระบบของ BUBBLE DECK

2. ระบบของ COBIAX

3. ระบบของ U-BOOT BETON (U-BOOT)

เรียบเรียงโดย

ภาคภูมิ วานิชกมลนันท์ [วย. 1924]

เอกสารอ้างอิง

1.“Frequently Asked Questions (FAQ) About Flat Plate Voided Concrete Slab System”, CRSI (Concrete Reinforcing Steel Institute)

2. “Economic Application of Post-Tensioning in Korean Residence Building”, DAELIM Industrial Co.,Ltd. , Adapt Corporation (2012)

3. “Bubble Deck Design Guide for Compliance with BCA using AS3600 and EC2”, Bubble deck company (Australia and New Zealand) (2008)

4. “Plastic Voided Slab Systems : Applications and Design”, C.J. Midkiff (2013)

5. “The Biaxial Hollow Deck; The way to new solutions”, Bubble deck company

6. “Engineering Manual Issue 2010”, Cobiax (2010)

7. “Analysis of Bubble Deck Slab Design by Finite Element Method”;M.Pandey, M.Srivastava (2016)

PHOTO CREDIT

1. Bubble Deck

2. Cobiax

3. U-Boot beton

ดาวน์โหลดบทความ

DownloadPDF DownloadPDF