การใช้ประโยชน์จากวัสดุคอมโพสิท

    ในการสร้างโครงสร้างหลังคาขนาดใหญ่ในเดือนกันยายนปี 2004 บริษัท Composite Designs & Technology (CD&T) ซึ่งเป็นบริษัทที่ทำธุรกิจในการออกแบบวิศวกรรมด้านคอมโพสิทแห่งหนึ่งของประเทศอินเดียได้ร่วมมือกับบริษัทผู้ผลิตงานการก่อสร้างด้านคอมโพสิท ชื่อ BFG International of Bahrain ทำการออกแบบและก่อสร้างหลังคาทำด้วยวัสดุพลาสติคเสริมแรงด้วยไฟเบอร์กลาสสำหรับงานก่อสร้างศูนย์ประชุมในประเทศบาห์เรนเป้าหมายในการก่อสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่เช่นนี้  ก็เพื่อเป็นจุดเด่นในการมองเห็นจากบริเวณใกล้เคียงหลังคาดังกล่าวแบ่งออกเป็นโครงสร้างหลังคาโค้ง 5 ชิ้น(Five vault structures) ยาวชิ้นละ50เมตร รวมถึงส่วนที่เป็นจั่วยื่นออกมา (Overhang) ด้านหน้ายาว 7 เมตร โดยความกว้างด้านหน้ามีขนาดกว้าง 16 เมตร และส่วนสูง 9.25 เมตร ไล่ระดับลงไปถึงด้านท้าย  โดยกว้าง 8 เมตรและส่วนสูง 6 เมตร ตามลำดับโครงสร้างขนาดใหญ่อย่างนี้ ถ้าทำด้วยเหล็กหรือคอนกรีต ซึ่งเป็นวัสดุก่อสร้างที่ใช้งานทั่วไปก็จะสร้างปัญหาเรื่องการรับน้ำหนักของตัวมันเอง บนโครงสร้างรองรับคอนกรีตเป็นอย่างมาก และไม่มีทางประหยัดค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างได้

การออกแบบ (Design)

  ขนาดของหลังคาโค้งถูกพิจารณากำหนดตามความต้องการของสถาปนิก เพื่อเป็นการง่ายต่อการหล่อขึ้นรูป และ การเคลื่อนย้าย โดยที่แต่ละหลังคาโค้งจะถูกซอยออกเป็น 6 ชิ้น  ซึ่งจะต้องถูกยึดติดด้วยการขันสกรูน็อตบริเวณขอบที่ต่อกัน (Bolted Flange Construction)แผงหน้า(Front fascia)ใต้หลังคาโค้งทุกชิ้นถูกประดับลวดลายสวยงามด้วยการหล่อติดกับแผงหน้าขณะขึ้นรูปในแม่แบบการวิเคราะห์โครงสร้างใช้วิธีทาง  Finite Element Techniques เพื่อให้รู้ถึงการให้ตัวของชิ้นงาน (Deflections) และแนวของแรงกดดันที่มากระทำต่อชิ้นงาน(Stress patterns)  จากนั้นจึงกำหนดขอบเขตของการออกแบบชั้นลามิเนต (Laminate design parameters) เช่น จำนวนของชั้น ลำดับของการวางชั้นลามิเนต และองศาของแนวเส้นใยเสริมแรงหลังจากได้ข้อมูลวิเคราะห์แล้ว ต้นแบบสุดท้ายก็ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การสร้างเนื้องานคอมโพสิทสามมิติ (3D laminated composite shell elements) และได้มีการทดสอบการรับแรงด้วยวิธีการต่างๆ  รวมถึงการรับแรงกดเกินจริง(Superimposed load)ถึง 1.2 KPa , ทดสอบแรงกดของลมด้วยความเร็วลมถึง 120 กม./ชม.  และทดสอบความคงทนต่ออุณหภูมิ 15^◦C ถึงสูงสุดที่ 50^◦C หลังคาทุกชิ้นต้องสามารถยืนอยู่ได้ด้วยตัวเองโดยไม่มีการเสริมโครงรับแรงใดๆ เพียงแต่ตั้งอยู่ได้บนโครงเหล็กรับแรงตามแนวยาว(Steel trusses along the length) และโครงเหล็กรับแรงก็ต้องได้รับการทดสอบ เกี่ยวกับการให้ตัวเนื่องจากแรงกดดันต่างๆ ร่วมกันไปกับหลังคาด้วยเพื่อที่จะได้กำหนดขนาดและความหนาของโครงเหล็กรับหลังคาให้มีความแข็งแรงเต็มที่พร้อมกันไปด้วย

การผลิตและประกอบติดตั้ง (Manufacturing and assembly)
      ชิ้นงานหลังคาทั้งหมดทำการผลิตด้วยระบบแม่แบบเปิด(Open mold)โดยให้ส่วนผสมของเส้นใยเสริมแรงในอัตราส่วน35 % และใช้วัสดุแกนกลางเป็นฮันนี่โคม หรือรังผึ้ง   (honey combcore material) โดยประกบผิวบนและล่างด้วยคอมโพสิทเสริมแรงด้วยใยแก้ว ทำให้เป็นชิ้นงานแบบแซนด์วิช (Sandwich Constructions)สำหรับใยแก้วเสริมแรงเลือกใช้วัสดุ E-glass หลายรูปแบบเช่นใยเสื่อ (Chopped strand mat) และใยสาน (Woven roving) ส่วนเรซิ่นใช้ชนิดทนไฟเพื่อป้องกันไฟไหม้  เพื่อให้การผลิต การประกอบ และ เคลื่อนย้ายเป็นไปอย่างสะดวกสบาย แผ่นหลังคาโค้งทุกชิ้นจะถูกแบ่งออกเป็น 6 ส่วนโดยกำหนดให้ทุกชิ้นส่วนมีน้ำหนักเท่ากัน แม้กระนั้นการทำงานจริงกลับมีปัญหาอย่างมากในการเคลื่อนย้ายชิ้นส่วน ที่มีขนาดกว้าง 13 ม.x ยาว 21 ม. จากโรงงานไปสถานที่ติดตั้ง  ดังนั้นจึงต้องตัดสินใจที่จะทำการผลิตณ ที่ก่อสร้างเลย โดยทำการสร้างสถานที่ผลิตตามขั้นตอนการดำเนินการ เพื่อให้ได้มาตรฐานการผลิตที่เป็นไปตามมาตรฐาน ISO ซึ่งรับผิดชอบโดย บริษัท BFG International, Bahrain ในการขึ้นแบบชิ้นงานต้นแบบ ทำด้วยการใช้ระบบ CAD ควบคุมการตัดแผ่นไม้สำหรับขึ้นแบบ (template) ด้วยเครื่อง CNC  ส่วนการทำแม่แบบใช้ระบบ คอนกรีตเสริมแรง และผิวหน้าทำด้วยลายหินอ่อน น้ำหนักของชิ้นงานไฟเบอร์กลาสแต่ละชิ้นจะมีน้ำหนักหนักประมาณ 5 ตัน ทำให้โครงสร้างพิเศษสำหรับยกขึ้นตั้ง (special gantry) และโครงยึดแม่แบบส่วนบนสำหรับถอดชิ้นงาน (demoulding jig) จำเป็นต้องถูกสร้างขึ้นมาใช้งาน เพื่อความปลอดภัยในการถอดชิ้นงานออกจากแม่แบบและยกไปติดตั้ง ชิ้นส่วนของหลังคาทั้งหมดจะถูกประกอบเข้าด้วยกันบนพื้น โดยการใช้โครงสร้างสำหรับประกอบชิ้นส่วน(jig assembly) การประกอบติดตั้งต้องใช้เครนขนาด 200 ตัน และ 400 ตัน ซึ่งต้องใช้เวลาในการประกอบติดตั้งเข้าด้วยกัน สำหรับหลังคาหนึ่งชุดใช้เวลา 3 วัน และจำเป็นต้องใช้โครงสร้างสำหรับประกอบชิ้นส่วนโดยเฉพาะ ซึ่งมีน้ำหนักรวมทั้งสิ้น 25 ตัน เมื่อประกอบชิ้นส่วนหลังคา 1 ชุด พร้อมจิ๊กหลังคาแต่ละชุดจะถูกยกขึ้นไปสูง 30 เมตร เพื่อยึดเข้าที่ภายในเวลา 3 วัน โครงการก่อสร้างหลังคาคอมโพสิทนี้ใช้เวลาในการทำงานตั้งแต่การออกแบบ จนกระทั้งประกอบติดตั้งเสร็จใช้เวลาทั้งสิ้น 16 เดือน

แปลโดย  อ.กิตติ อนุชาผัด  จากวารสาร Reinforce Plastic