วิธีการก่อสร้างแบบ Balance Cantilever

บทนำ

วิธีการก่อสร้างแบบ Balance Cantilever ได้รับความนิยมภายหลังจากสงครามโลกครั้งที่ 2 หลัง จากสะพานหลายแห่งได้ถูกทำลายลงจากสงคราม ประกอบกับการพัฒนาเทคโนโลยีด้านคอนกรีตอัดแรงเป็นผลให้วิธีการก่อสร้าง ประเภทนี้ถูกใช้นำมาก่อสร้างบ่อยครั้ง

วิธีการก่อสร้างสะพานแบบดังกล่าวจะมีลักษณะการก่อสร้างเพิ่มส่วนยื่นออกไป ทั้งสองข้าง โดยในแต่ละส่วนที่ยื่นออกไป จะมีการดึงลวดอัดแรง เพื่อต้านกับน้ำหนักของส่วนยื่น เมื่อขั้นตอนการก่อสร้างถึงช่วงหล่อชิ้นสุดท้าย ก็จะทำการดึงลวดช่วงกลาง เพื่อรับน้ำหนักที่เกิดจากโครงสร้างต่อเนื่อง (ดังแสดงในรูปที่ 1 และรูปที่ 2)

รูปที่ 1 แสดงวิธีการก่อสร้างแบบ Balance Cantilever

รูปที่ 2 แสดงวิธีการก่อสร้างช่วงสุดท้าย


ข้อดีของการก่อสร้างสะพานด้วยวิธี Balance Cantilever มีหลายประการเช่น
- ไม่ต้องการนั่งร้านค้ำยัน (Scaffolding) ที่ต้องใช้ค้ำจากระดับพื้นล่าง ซึ่งเหมาะสำหรับในกรณีเป็นสะพานข้ามแม่น้ำหรือข้ามถนนที่มีการจราจรหนาแน่น
- ลดปริมาณการใช้แบบหล่อคอนกรีต (Formworks) และนั่งร้านค้ำยัน (Scaffolding) เนื่องจากการหล่อคอนกรีตทำครั้งละชิ้นส่วน (Segment) และใช้แบบหล่อซ้ำได้อีก
- ประสิทธิภาพการทำงานดีกว่าเนื่องจากระบบการก่อสร้างเป็นแบบที่ซ้ำไปมา ซึ่งจะทำให้คนงานมีความชำนาญมากขึ้นตามระยะเวลา
- การก่อสร้างสามารถก่อสร้างได้หลายช่วงพร้อมๆ กัน

ในปัจจุบันการก่อสร้างสะพานที่นิยมใช้ขึ้นกับช่วงความยาวสะพาน จากสถิติที่เก็บรวบรวมมาจัดแบ่งวิธีการก่อสร้างได้ดังนี้

หลักการและแนวคิด (CONCEPT)
ลักษณะการก่อสร้างด้วยวิธี Balance Cantilever มีส่วนประกอบของโครงสร้างที่สำคัญดังนี้
1. ชิ้นส่วนของคอนกรีต
- Pier segment คือ ชิ้นส่วนของคอนกรีตที่อยู่บริเวณหัวเสา
- Segment คือ ชิ้นส่วนของคอนกรีตทั่วไปที่หล่อยื่นออกจากบริเวณหัวเสา
- Closure pour คือชิ้นส่วนของคอนกรีตที่ตำแหน่งหล่อช่วงเชื่อมต่อสุดท้าย
2. ลวดอัดแรง (ดังแสดงในรูปที่ 4)
- Cantilever cables คือลวดที่ใช้เพื่อรับแรงจาก moment ลบที่ช่วงหัวเสาโดยเฉพาะ ช่วงก่อสร้างที่มีการยื่นของสะพานมากๆ
- Span cables คือลวดที่เสริมในช่วงกลางสะพานเพื่อรับ moment บวกที่เกิดหลังจากที่มีการต่อเชื่อมช่วงกลาง (Closure segment) แล้ว
- Continuity cables คือลวดที่ยาวต่อเนื่อง เพื่อเสริมให้โครงสร้างมีพฤติกรรมแบบคานต่อเนื่อง
3. ชิ้นส่วนของโครงสร้างพิเศษที่ใช้ในการก่อสร้าง
- Traveller Formwork
- นั่งร้าน (Scaffolding)
- Closure beam
- Temporary Pier

วิธีการก่อสร้างด้วย Balance Cantilever จัดได้เป็น 2 ประเภทตามลักษณะของวิธีการยื่นของโครงสร้าง
- วิธีสมมาตร (Symmetrical Method) จะทำการก่อสร้างยื่นทั้ง 2 ข้าง พร้อมๆ กัน วิธีนี้จะง่ายในขั้นตอนการออกแบบ แต่ในขั้นตอนการทำงานแล้วจะต้องการกำลังคนและอุปกรณ์ในการทำงานในเวลาเดียว กัน และต้องการพื้นที่บริเวณหัวเสามากพอที่จะติดตั้ง Formwork Traveller ทั้ง 2 ตัวได้ในเวลาเดียวกัน
วิธีอสมมาตร (Asymmetrical Method) จะ ทำการก่อสร้างยื่นทีละข้าง เพื่อลดพื้นที่การทำงานบริเวณหัวเสาและกระจายการทำงานและแรงงานออกไปไม่ พร้อมๆกัน แต่ในการออกแบบจะต้องคำนึงถึงแนวการเสริมลวดอัดแรงและน้ำหนักที่ก่อสร้างไม่ พร้อมกันนี้ด้วย

รูปที่ 5 แสดงวิธีการก่อสร้าง

การวิเคราะห์โครงสร้างและผลจากการก่อสร้างในแต่ละช่วงเวลา
เนื่อง จากการก่อสร้างจะทำการหล่อชิ้นส่วนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งในแต่ละชิ้นส่วนก็จะทำการอัดแรง ทำให้หน่วยแรงที่วิเคราะห์จะต้องพิจารณาผลการอัดแรงที่มีอยู่ในโครงสร้าง เดิม บวกกับการอัดแรงครั้งใหม่ จึงจะได้หน่วยแรงลัพธ์สุดท้ายที่หน้าตัดนั้นๆ ซึ่งเมื่อทำการก่อสร้างเพิ่มส่วนยื่นไปเรื่อยๆจนถึงส่วนของการหล่อชิ้นส่วน หล่อปิด (Closure pour) และทำการดึงลวดอัดแรงของลวดช่วงกลาง (Span Tendons) ทำ ให้โครงสร้างเปลี่ยนสภาพจากช่วงยื่นเป็นช่วงต่อเนื่องใช้รับน้ำหนักที่สภาวะ ใช้งาน ดังนั้นการวิเคราะห์โครงสร้างจะต้องคำนึงถึงผลดังกล่าวในการคำนวณ เพราะค่าหน่วยแรงที่เกิดขึ้นในขั้นตอนการก่อสร้าง อาจมีค่าวิกฤติกว่าในสภาวะการใช้งานก็เป็นได้
การวิเคราะห์และออกแบบ
การวิเคราะห์โครงสร้างของวิธีการก่อสร้างด้วย Balance Cantilever จะ พิจารณาถึงสภาพการก่อสร้างซึ่งค่อยๆ เพิ่มส่วนยื่นตามเวลา ซึ่งสภาพน้ำหนักที่กระทำต่อตัวโครงสร้างจะเปลี่ยนไปตามสภาพโครงสร้างด้วย เช่น ตำแหน่งของน้ำหนักจาก Traveller, น้ำหนักของชิ้นส่วน ที่เทใหม่ เป็นต้น จากสภาพน้ำหนักที่แตกต่างกัน ในแต่ละช่วงเวลานี้ เป็นผลให้ในการออกแบบจะต้องพิจารณาสภาพของการก่อสร้างและช่วงเวลาที่ใช้ใน การก่อสร้างโดยละเอียด โดยคำนึงถึงผลการเสียรูปอันเนื่องมาจาก Creep และ Shrinkage ของคอนกรีตด้วย
นอก จากการก่อสร้างที่เวลาต่างๆ จะมีผลกับน้ำหนักที่กระทำและหน่วยแรงที่เกิดขึ้นแล้ว ในส่วนของตัวโครงสร้างคอนกรีตอัดแรง แรงในลวดอัดแรงก็จะมีการสูญเสียไปตามเวลาเช่นกัน สาเหตุของแรงในลวดที่สูญเสียไปตามเวลาคือ Creep, Shrinkage, Relaxation, Elastic Shortening ซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาด้วย
จำนวนและตำแหน่งลวด

จากผลการวิเคราะห์โครงสร้างเมื่อรวมผลของเวลาและขั้นตอนการก่อสร้างมาพิจารณาแล้ว การให้จำนวนและตำแหน่งลวดจะขึ้นอยู่กับ Moment Diagram ซึ่งแนวทางการจัดลวดจะเป็นไปตาม Moment Diagram ดังกล่าว ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงการจัดลวดกับ Moment ที่เกิดขึ้น

เสถียรภาพของโครงสร้าง
การก่อสร้างด้วยวิธี Balance Cantilever นี้ เสถียรภาพของโครงสร้างเป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะการขาดสมดุล (Overturning) จากสภาพน้ำหนัก ที่เกิดขึ้นไม่เท่ากันทั้งสองข้าง สภาพน้ำหนักที่เกิดจะต้องพิจารณามีดังนี้
- ผลแตกต่างของน้ำหนักโครงสร้างที่ตั้งสมมุติฐานไว้กับการก่อสร้างจริง
- ผลของน้ำหนักของตัวโครงสร้างกรณีที่ก่อสร้างด้วยวิธี อสมมาตร (Asymmetrical)
- ผลของน้ำหนักที่กระทำจากอุปกรณ์การก่อสร้างที่รู้ตำแหน่งแน่นอน เช่น Formwork Traveller
- ผลของน้ำหนักที่กระทำจากการก่อสร้างที่มีการเคลื่อนย้าย เช่น วัสดุ, เครื่องมือ, คน ซึ่งจะต้องพิจารณาเป็นกรณีไป
- แรงลม
- สภาวะที่รับน้ำหนักมากขึ้น เนื่องจากผลของแรงกระแทก (Impact Effect)
หากผลของการพิจารณาพบว่าโครงสร้างไม่เสถียรภาพแล้ว จึงจำเป็นต้องเสริมเสถียรภาพของโครงสร้างด้วยวิธีต่าง ๆ ดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 7 แสดงแรงที่กระทำกับโครงสร้างเพื่อพิจารณาเสถียรภาพ

รูปที่ 8 แสดงวิธีการเสริมเสถียรภาพของโครงสร้าง


ค่าการโก่งตัว
ค่าการโก่งตัวของวิธี Balance Cantilever จะ มีลักษณะโก่งลง เมื่อมีน้ำหนักจากการก่อสร้าง และจากน้ำหนักของคอนกรีตส่วนที่หล่อใหม่ แต่จะโก่งตัวขึ้นเมื่อมีการอัดแรง นอกจากนี้ผลจากการทรุดของฐานรากก็มีผลต่อระดับสะพานเช่นกัน ผลดังกล่าวจะเกิดการโก่งตัวเช่นนี้ซ้ำซ้อน จนกระทั่งถึงช่วงที่หล่อ Closure Pour ซึ่งจะต้องให้ระดับที่ทำมาจาก 2 ฝั่งมีค่าใกล้เคียงกันเพื่อหล่อส่วนปิดนี้ได้
ดัง นั้นการคำนวณค่าการโก่งตัวโดยละเอียดจึงจำเป็น เพื่อคาดการณ์ค่าการโก่งตัวให้รูปร่างของสะพานได้ตามที่ต้องการในสภาพใช้งาน การวัดค่าการโก่งตัวของแต่ละช่วงที่อัดแรง จะใช้เฝ้าดูแนวโน้มการโก่งตัวที่เกิดขึ้นจริงกับการโก่งตัวที่ได้จากการ คำนวณ เพื่อนำไปปรับระดับแบบหล่อ ในการหล่อชิ้น (Segment) ต่อไป จนกระทั่งสามารถทำให้ระดับช่วงชิ้นส่วนหล่อปิด (Closure Pour) มีค่าใกล้เคียงกันทั้ง 2 ข้างให้มากที่สุด
การวัดและการตรวจสอบการก่อสร้าง
การ วัดและการตรวจสอบการก่อสร้างเป็นสิ่งจำเป็นที่ผู้ควบคุมการก่อสร้างต้องให้ ความสำคัญ เนื่องจากจะมีผลถึงลักษณะรูปร่างของสะพาน ความปลอดภัยในระหว่างการก่อสร้าง และความแข็งแรงของโครงสร้างในสภาวะใช้งาน วิศวกรและผู้ปฏิบัติงานควรจะมีประสบการณ์และเชี่ยวชาญเป็นพิเศษ จุดที่ควรให้ความสนใจเป็นพิเศษในการควบคุมการก่อสร้าง ของสะพาน มี 2 จุด ที่สำคัญดังนี้
1. Traveller แบ่งเป็นแต่ละช่วงการทำงานดังนี้
- ขั้นตอนการติดตั้ง ควรตรวจสอบตำแหน่งของ Tie Down ต่างๆ การยึดโยงกันเซ (Bracing) ระดับล้อ ระดับราง ชิ้นส่วนหิ้ว (Hanger) แบบหล่อต่างๆ
- ขั้นตอนการหล่อชิ้นส่วน ควรตรวจสอบระดับการหล่อตามแบบที่ให้ระดับไว้ ตาม Casting Curve
- ขั้นตอนการเลื่อน ควรตรวจสอบว่า ได้ยึดรางอย่างถูกต้องเพียงพอและได้ถอดชิ้นส่วนแบบให้หลุดพ้นจากคอนกรีตเดิม ก่อนทำการเลื่อน
ในทุกขั้นตอนจะต้องมีรายการตรวจสอบ (Check List) เพื่อให้มั่นใจว่าได้ปฏิบัติครบทุกขั้นตอนอย่างถูกต้อง
2. ระดับ ของสะพาน การคำนวณระดับของสะพานถึงจะคำนวณโดยละเอียดแล้ว แต่ในสภาพจริงอาจไม่ตรงกับสมมติฐานที่ใช้ การวัดระดับตรวจสอบในแต่ละขั้นตอนจึงเป็นข้อมูลที่สำคัญ เพื่อใช้ในการปรับแก้ค่าสมมุติฐานที่ใช้ในการคำนวณเพื่อให้ระดับของสะพานให้ มีรูปร่างตามที่ต้องการ
รายละเอียดของแบบก่อสร้าง (Detailing)
การให้รายละเอียดตำแหน่งของลวด จะต้องพิจารณาประกอบไปกับช่องเปิดท่อ (Sleeve) ต่างๆ ซึ่งจะมีไว้สำหรับการยึด Traveller และเหล็กเสริมต่างๆ โดยเฉพาะในแนว Web ที่อาจจะมาตัดกับแนวลวดได้