วิศวกรรมกับการบูรณะโครงสร้างโบราณสถาน

"การบูรณะบำรุงรักษาโครงสร้างโบราณสถานเป็นเรื่องที่ต้องใช้องค์ความรู้ หน่วยงานที่เกี่ยวข้อง  จึงต้องร่วมกันสนับสนุนเพื่อให้สมบัติของชาติเหล่านี้ยังคงอยู่ต่อไป ขณะนี้สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ได้ประสานงานกับกรมศิลปากร เพื่อร่วมกันสร้างองค์ความรู้ที่จำเป็นต่อการบูรณะโครงสร้างโบราณสถานเหล่านี้"

หมายเหตุ:บทความ เรื่อง วิศวกรรมกับการบูรณะโครงสร้างโบราณสถาน เขียนโดย ศ.ดร.อมร พิมานมาศ นักวิจัย สกว. และรองเลขาธิการสภาวิศวกร สถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร มหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์

ท่ามกลางกระแสการพัฒนาเศรษฐกิจของประเทศไทยเพื่อให้ก้าวทันกับโลกยุคสมัยใหม่ การก่อสร้างผุดขึ้นเป็นจำนวนมากมาย ทุกวันนี้เราเห็นการก่อสร้างรถไฟฟ้าสายสีต่าง ๆ การก่อสร้างอาคารสูง คอนโดมิเนียม สะพาน โครงสร้างสาธารณูปโภคพื้นฐานต่าง ๆ ทำให้เมื่อพูดถึงการก่อสร้างขึ้นมา หลายคนคงจะนึกถึงแต่โครงการขนาดใหญ่ ๆ เมกะโปรเจคที่มีมูลค่าการลงทุนนับพันนับหมื่นล้านบาท

พวกเราคงลืมไปว่ายังมีโครงสร้างโบราณสถานอีกเป็นจำนวนมาก เช่น พระเจดีย์ พระปรางค์ หรือสถูปต่าง ๆ ที่มีคุณค่าทางจิตใจต่อประชาชน มีชื่อเสียงถึงขั้นได้รับยกย่องว่าเป็นมรดกโลก สามารถดึงดูดนักท่องเที่ยวจากทั่วโลก นำเงินรายได้เข้าสู่ประเทศชาติมหาศาล แต่ปัญหาหาด้านวิศวกรรมโครงสร้างโบราณสถานในประเทศไทย พบว่าโบราณสถานที่มีอายุยาวนานหลายร้อยปี กำลังเสื่อมสภาพตามกาลเวลา รวมถึงผลกระทบจากสภาพแวดล้อมต่าง ๆ นานา 

ขณะนี้โบราณสถานหลายแห่งในจังหวัดพระนครศรีอยุธยา เช่น พระเจดีย์ พระปรางค์ มีอายุมากถึง 400-500 ปี กำลังมีการเสื่อมสภาพอย่างชัดเจน ทั้งทางด้านวัสดุก่อสร้างในสมัยก่อนที่ใช้อิฐเป็นก้อน ๆ วางเรียงต่อกันเป็นโครงสร้าง ยกตัวอย่างเช่น พระเจดีย์ที่วัดใหญ่ชัยมงคล เกิดการเอียงตัวถึง 3.5 องศาจากแกนเดิม ก่อให้เกิดความวิตกกังวลกับประชาชนทั่วไปว่าองค์พระเจดีย์จะมีเสถียรภาพมากน้อยเพียงใด และจะล้มคว่ำลงมาหรือไม่ 

จากการศึกษาโครงสร้างสถาปัตยกรรมโบราณสถาน พบว่าพุทธเจดีย์เป็นโครงสร้างที่มีความสมบูรณ์มากกว่าสถาปัตยกรรมร่วมสมัยชนิดอื่น ๆ เนื่องจากมีเทคนิคการก่อสร้างและออกแบบโครงสร้างให้มีความแข็งแรง เมื่อเทียบกับช่วงเวลาในการก่อสร้าง แสดงให้เห็นถึงภูมิปัญญาและองค์ความรู้ในการก่อสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ในอดีต

นอกจากนี้ลักษณะการก่อสร้างที่ทำให้โครงสร้างมีลักษณะสมมาตร บริเวณส่วนผนังมีการก่ออิฐมวลต่อเนื่องเพื่อรับน้ำหนักส่วนบนในลักษณะผนังรับน้ำหนัก (Load bearing wall) โดยส่วนล่างของโครงสร้างมีขนาดใหญ่และมีขนาดที่เล็กลงทางด้านบน สอดคล้องกับหลักถ่ายแรงจากบนลงล่างตามหลักแรงโน้มถ่วง (Gravity) ทำให้ตัวโครงสร้างมีเสถียรภาพ

ส่วนบริเวณพื้นของตัวองค์เจดีย์มีการวางอิฐลักษณะคล้ายฐานรากแผ่ (Mat foundation) ขนาดใหญ่ ซึ่งรับน้ำหนักตัวเจดีย์ (ผนัง) ทั้งองค์ ก่อนถ่ายน้ำหนักสู่ฐานรากแผ่ส่วนล่าง จากนั้นก็ถ่ายลงสู่ชั้นดินต่อไป จากการวิเคราะห์โครงสร้างของพระเจดีย์สรุปได้ว่ามีการถ่ายน้ำหนักถูกต้องตามหลักทางโครงสร้างและกลศาสตร์สมัยใหม่ 

(ศ.ดร.อมร พิมานมาศ)

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าการก่อสร้างองค์พระเจดีย์หรือพระปรางค์จะใช้เทคโนโลยีที่ดีที่สุดในยุคสมัยนั้น แต่ก็เป็นการก่อสร้างที่อาศัยอิฐเป็นหลัก ไม่ได้ใช้วัสดุที่มีความแข็งแรง เช่น คอนกรีตและเหล็กเสริมเหมือนกับการก่อสร้างในปัจจุบัน เมื่อเวลาผ่านไปหลายร้อยปีจึงย่อมต้องมีการเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลา เนื่องจากปัจจัยหลายประการ ได้แก่

1.วัสดุก่อสร้าง เช่น อิฐ มีการเสื่อมสลายผุพังไปตามธรรมชาติ และมีความแข็งแรงน้อยกว่าคอนกรีตถึง 10 เท่า เมื่อต้องเผชิญลม ฝน แสงแดด เป็นระยะเวลาหลายร้อยปี จึงทำให้อิฐผุกร่อน แตกสลาย และเสื่อมกำลังลง ประกอบกับลักษณะการกระจายน้ำหนักที่ไม่สม่ำเสมอส่งผลให้เกิดการสะสมความเค้นที่จุดใดจุดหนึ่งมากเกินไป นำไปสู่การทรุดเอียง

2.โครงสร้างส่วนบน หมายถึง โครงสร้างที่อยู่เหนือฐานรากขึ้นไป เนื่องจากโครงสร้างมีน้ำหนักมาก และวัสดุที่ใช้เสื่อมสลายอ่อนกำลังลง ทำให้กำลังรับน้ำหนักของโครงสร้างลดลง เกิดการแตกร้าวและกะเทาะหลุดออกมา 

3.โครงสร้างส่วนล่าง หมายถึงฐานรากของโครงสร้าง การก่อสร้างในอดีตมักใช้รูปแบบฐานรากแผ่ วางบนดินโดยตรง ไม่ได้ใช้เสาเข็ม สำหรับการก่อสร้างฐานรากในชั้นดินอ่อนของจังหวัดพระนครศรีอยุธยา ดินอาจเกิดการทรุดตัวได้เนื่องจากการอ่อนกำลัง เช่น เกิดจากน้ำท่วม ทำให้ฐานรากอาจทรุดตัว และทำให้องค์เจดีย์หรือองค์พระปรางค์เกิดการทรุดตัว แตกร้าว หรือเอียง ตามมา

การเอียงตัวของเจดีย์วัดใหญ่ชัยมงคลถึง 3.5 องศาในวันนี้ ทำให้สังเกตเห็นการเอียงขององค์เจดีย์ได้อย่างชัดเจน แต่เนื่องจากฐานรองรับที่มีขนาดใหญ่ จึงยังสามารถรักษาเสถียรภาพของเจดีย์ไว้ได้ แต่ก็ควรต้องติดตามและประเมินสถานการณ์การเอียงตลอดเวลา และเตรียมแนวทางรับมือไว้แต่เนิ่นๆ 

สำหรับแนวทางแก้ไขปัญหา ต้องเริ่มต้นจากการเก็บข้อมูล ได้แก่ ข้อมูลเชิงสัณฐานและรูปร่างทางเรขาคณิตของเจดีย์ ตลอดจนถึงทิศทางทรุดตัว ควรจัดทำฐานข้อมูลของโบราณสถานเหล่านี้และติดตามปรับปรุงข้อมูลเป็นประจำตามรอบระยะเวลาที่กำหนด

นอกจากนี้ต้องเก็บข้อมูลสภาพอิฐเพื่อระบุคุณสมบัติทางกายภาพและด้านกำลังของอิฐ ตลอดจนตำแหน่งที่เกิดโพรงหรือรอยร้าวในฐานอิฐ และเจาะสำรวจดินใต้ฐานรากเพื่อหาข้อมูลดินสำหรับใช้ตรวจสอบกำลังรับน้ำหนักของดินชั้นฐาน จากนั้นจึงนำข้อมูลที่ได้มาทำการสร้างและวิเคราะห์โครงสร้างแบบจำลองเจดีย์แบบ 3 มิติ ด้วยโปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์ในคอมพิวเตอร์เพื่อระบุค่าความเค้นที่ตำแหน่งต่าง ๆ เพื่อหาสาเหตุและตำแหน่งที่ทำให้เกิดการทรุดตัว และคำนวณตัวเลขอัตราส่วนความปลอดภัยของวัสดุก่อและชั้นดิน เพื่อตรวจสอบความมีเสถียรภาพ และกำลังรับน้ำหนัก

เมื่อวิเคราะห์โครงสร้างด้วยโปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์แล้ว ต้องหาวิธีการที่จะเสริมความแข็งแรงชั้นอิฐหรือชั้นฐานรากที่เหมาะสม เช่น ฐานเจดีย์ที่สร้างด้วยอิฐก่อสามารถบูรณะได้ด้วยการฉีดน้ำปูนกำลังสูงหรือปูนเกราท์เข้าไปในตำแหน่งที่มีรอยร้าวหรือโพรงช่องว่าง โดยอาจจะต้องเสริมเหล็กไร้สนิมในบางตำแหน่ง สำหรับการเพิ่มกำลังรับน้ำหนักของดิน อาจใช้การอัดน้ำปูนแรงดันสูง การใช้ดินผสมซีเมนต์ปั่น การเสริมฐานราก ฯลฯ เป็นต้น เพื่อเปลี่ยนสภาพการรับน้ำหนักให้เกิดการถ่ายแรงได้ดีขึ้น และลดความเสี่ยงการในเอียงลง

 ปัญหาที่สำคัญอีกประการหนึ่งของโครงสร้างโบราณสถาน คือ แผ่นดินไหว ในบางพื้นที่ของประเทศไทย เช่น ภาคเหนือและภาคตะวันตก จัดเป็นพื้นที่ที่มีความเสี่ยงต่อแผ่นดินไหว เนื่องจากมีรอยเลื่อนที่มีพลังถึง 14 รอยเลื่อน เมื่อปี พ.ศ. 2554 ได้เกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.7 ใกล้ชายแดนไทย-พม่า ห่างจาก อ.แม่สาย จ.เชียงราย ไปทางทิศเหนือ เป็นระยะทาง 56 กิโลเมตร

ผลของแผ่นดินไหวนี้ทำให้ยอดพระธาตุเจดีย์หลวง ซึ่งเป็นเจดีย์ที่สูงที่สุดในอำเภอเชียงแสน จังหวัดเชียงราย มีอายุเก่าแก่ถึง 600-700 ปี ได้หักโค่นลงมา ขณะที่ยอดฉัตรของพระธาตุจอมกิตติ ในวัดพระธาตุจอมกิตติ ยอดดอยน้อย อำเภอเชียงแสน มีอาการทรุดเอียงลง 30 องศา

ปัญหาโบราณสถานกับแผ่นดินไหวเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นในหลาย ๆ ประเทศเช่นกัน เนื่องจากโครงสร้างที่ก่อสร้างจากอิฐแม้จะมีความมั่นคงตั้งอยู่ในแนวดิ่งได้ แต่จะไม่สามารถรองรับแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวได้ในระดับปานกลางหรือรุนแรง เช่น โบราณสถานจำนวนไม่น้อยที่พังถล่มในเหตุการณ์แผ่นดินไหวขนาด 7.8 ที่ประเทศเนปาลเมื่อเดือนเมษายนที่ผ่านมา

การบูรณะบำรุงรักษาโครงสร้างโบราณสถานเป็นเรื่องที่ต้องใช้องค์ความรู้ หน่วยงานที่เกี่ยวข้อง  จึงต้องร่วมกันสนับสนุนเพื่อให้สมบัติของชาติเหล่านี้ยังคงอยู่ต่อไป ขณะนี้สำนักงานกองทุนสนับสนุนการวิจัย (สกว.) ได้ประสานงานกับกรมศิลปากร เพื่อร่วมกันสร้างองค์ความรู้ที่จำเป็นต่อการบูรณะโครงสร้างโบราณสถานเหล่านี้ เรายังขาดแคลนองค์ความรู้ทางวิศวกรรมโครงสร้างที่จำเป็น การเรียนการสอนในมหาวิทยาลัยยังคงเน้นที่โครงสร้างสมัยใหม่ เรากำลังมุ่งหน้าสร้างรถไฟฟ้า อาคาร สะพาน แต่เรากำลังลืมที่จะสร้างองค์ความรู้ในการบูรณะโครงสร้างโบราณสถานของเรา

ขอให้เราระลึกว่า โบราณสถานเหล่านี้เป็นมรดกโลก เป็นสมบัติของโลกที่คนไทยทุกคนร่วมกันเป็นเจ้าของ มนุษย์เกิดมาและก็ตายจากไปรุ่นต่อรุ่น เฉกเช่นเดียวกัน โบราณสถานที่มีคุณค่าเหล่านี้ก็มิได้อยู่ค้ำฟ้าตลอดไป มีวันที่ต้องเสื่อมสลายเช่นเดียวกัน เป็นหน้าที่ที่คนไทยทุกคนจะต้องช่วยกันรักษาไว้ให้อยู่กับเราให้นานที่สุด เพื่อส่งต่อความภูมิใจของชาติไทยจากรุ่นเราไปสู่รุ่นต่อไป และเพื่อให้ลูกหลานของเราในอนาคตได้เห็นว่าเราได้ทำหน้าที่ดูแลสิ่งที่บรรพบุรุษได้สร้างไว้และได้ส่งต่อให้พวกเขา

ขอให้คนไทยทุกคนมาร่วมกันเพื่อรักษาโบราณสถานเหล่านี้ให้คงอยู่เป็นประจักษ์พยานในการเชื่อมสัมพันธ์ที่มีระหว่างรุ่นต่อรุ่นของคนไทยทุกคนสืบไป .

 อ่านประกอบ:นักวิจัย สกว.ชี้เจดีย์วัดใหญ่ชัยมงคล อยุธยา เอียง เหตุดินอ่อน-อิฐเสื่อม

อิฐก้อนเดียวก็มีค่า บูรณะองค์พระเจดีย์ 'วัดใหญ่ชัยมงคล' ก่อนสาย!