อาคารโครงสร้างเหล็ก กับการต้านทานแผ่นดินไหว (1)

ตั้งแต่ต้นปืที่ผ่านมานี้ ได้มีข่าวคราวเกี่ยวกับแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ในต่างประเทศที่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินในหลายพื้นที่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แผ่นดินไหวขนาด 6.4 ซึ่งมีศูนย์กลางการเกิดที่เมืองยูจิง (Yujing) ประเทศไต้หวัน ในวันที่ 5 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2559 อันส่งผลทำให้อาคารพักอาศัยรวมแห่งหนึ่งได้พังถล่มลงมา จนเป็นเหตุให้มีผู้เสียชีวิตหลายสิบคน และสูญหายนับร้อยคน

คำถามที่เกิดขึ้น คือ แผ่นดินไหวมันส่งผลต่อตัวอาคารอย่างไร อะไรเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่อการวิบัติของตัวอาคารได้บ้าง คำถามนี้เป็นคำถามสำคัญเพราะเป็นเหตุที่นำไปสู่ผลที่ว่า จะทำอย่างไรถึงจะสามารถป้องกันอาคารของเรามิให้ “พังถล่ม” ลงมาจนเกิดความเสียหายต่อชีวิตและทรัพย์สินได้

ภาพอาคารพักอาศัยรวมที่พังถล่มลงมา
Via: www.telegraph.co.uk

ผลจากปรากฏการณ์ของการเกิดแผ่นดินไหวต่อโครงสร้างอาคาร

ก่อนอื่นต้องเข้าใจก่อนว่า แผ่นดินไหวไม่ทำให้คนเสียชีวิต (แต่แผ่นดินแยกอาจทำให้คนเสียชีวิตนะครับ) สิ่งที่ทำให้คนเสียชีวิต คือ การที่อาคารพังลงมาจนทำให้คนติดอยู่ในซากปรักหักพังและออกมาไม่ได้ หรือกระทั่งการที่สิ่งของเครื่องใช้เฟอร์นิเจอร์ต่าง ๆ พังลงมาทับคนที่ติดอยู่ภายใน ดังนั้นในหลายประเทศที่มีความเสี่ยงภัยต่อการเกิดแผ่นดินไหว จึงมักมีมาตรการเป็นขั้นตอนสำหรับผู้ใช้อาคารต้องประพฤติปฏิบัติเมื่อเกิดแผ่นดินไหว เช่น การพาตัวเองเข้าไปอยู่ใน “สามเหลี่ยมแห่งชีวิต หรือ Triangle of Life” แทนการมุดตัวหลบเข้าใต้โต๊ะ เป็นต้น

รูปที่  2 การป้องกันตนเองด้วย สามเหลี่ยมแห่งชีวิต 

และแล้วเหตุใดการสั่นไหวถึงทำให้อาคารวิบัติ อันดับแรกต้องมองภาพให้ออกว่า แผ่นดินไหวก็เหมือนการกระชากจากตำแหน่งที่อยู่นิ่งให้เคลื่อนที่ไป ซึ่งส่งผลให้เกิดความเร่งของพื้นดิน (ground acceleration) แน่นอนว่าตัวอาคาร ณ ตำแหน่งที่อยู่ติดกับพื้นดิน (เช่น ฐานราก ตอม่อ คานคอดิน) ก็จะเกิดความเร่งที่เท่ากับพื้นดิน มองในอีกมุมหนึง หากเรายกอาคารให้ลอยจากพื้นดินได้ ถึงพื้นดินจะสั่นแรงแค่ไหนอาคารเราก็ไม่สั่นไหว ซึ่งเป็นหลักการของการคิดค้นระบบตัดแยกฐานรากออกจากตัวอาคาร (seismic base isolation) ซึ่งจะขอกล่าวถึงในลำดับถัดไปครับ

แรงแผ่นดินไหวที่กระทำต่อตัวอาคารนี้ จะค่อย ๆ เพิ่มขึ้น โดยมีค่าเป็นศูนย์ ณ ชั้นที่อยู่ติดดิน และเพิ่มขึ้นไปเรื่อย ๆ ตามชั้นที่สูงขึ้นไป แรงแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นนี้จะมีค่ามากหากว่า

(1) ความรุนแรงของการสั่นของพื้นดิน เช่น ความรุนแรงขนาด 6.4 ที่เกิดที่ประเทศใต้หวัน หรือ เป็นหน่วยริกเตอร์ เป็นต้น หลาย ๆ ครั้ง จะแสดงในรูปของความเร่งที่พื้นดินสั่น เช่น หน่วย gal (1 gal = 1 เซนติเมตรต่อวินาทียกกำลังสอง) เทียบกับความเร่งจากแรงโน้มถ่วงของโลก (g = 9.81 เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง) เช่น เกิดความรุนแรงระดับ 2.7g (หรือราว 2,700 gal) ดังเหตุการณ์ Great East Japan Earthquake & Tsunami ในวันที่ 11 มีนาคม พ.ศ. 2554

(2) น้ำหนักของตัวอาคาร ยิ่งน้ำหนักมากแรงยิ่งมากตามกฎของนิวตัน คือแรงเท่ากับมวลคูณความเร่ง ดังนั้นตัวอาคารที่มีน้ำหนักเบา เช่นโครงสร้างเหล็ก ก็จะได้รับผลจากการสั่นไหวน้อย หรือกล่าวได้ว่าแรงที่กระทำต่อตัวอาคารโครงสร้างเหล็กจากแผ่นดินไหวจะเกิดน้อยกว่าแรงที่กระทำต่อตัวโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กนั่นเอง

(3) ความถี่ในการสั่น ในที่นี้หมายถึง การสั่นของพื้นดิน (ในลักษณะที่อยู่ ณ จุดหยุดนิ่ง ขยับไปซ้าย ย้อนกลับมาขวาแล้วมายังจุดหยุดนิ่งที่เดิมนั้น เรียกว่า 1 รอบ) มีการสั่นกี่รอบต่อวินาที ตรงนี้ถ้าพื้นดินเกิดการส่งคลื่น ไป “พ้อง” กับความถี่ธรรมชาติของตัวอาคาร ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของอาคารหนึ่งๆ แล้ว จะเกิดพฤติกรรมที่เรียกว่า “การกำทอน หรือการสั่นพ้อง หรือ resonance” ซึ่งส่งผลให้ความรุนแรง (ความเร่ง) ที่เกิดขึ้น เกิดการขยายเพิ่มเติมไปจากเดิมเป็นทวีคูณได้

ทั้งหมดที่ว่านี้เป็นการพิจารณาแรงจากแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นกับตัวอาคาร โดยแรงดังกล่าวก็จะต้องถ่ายไปสู่ระบบรับแรงด้านข้างเพื่อถ่ายลงดินต่อไป ซึ่งแปลว่าความสามารถในการต้านทานแรงดังกล่าวนี้ ก็เป็นอีกส่วนหนึ่งที่ต้องนำมาพิจารณานะครับ

และในฉบับต่อไปจะขอกล่าวถึงแนวทางการออกแบบอาคารโดยเฉพาะอย่างยิ่งอาคารโครงสร้างเหล็ก ให้สามารถต้านทานต่อการเกิดแผ่นดินไหวอย่างปลอดภัยต่อไปนะครับ

นิตยสาร Builder Vol.30 APRIL 2016