บทนำ
การเกิดเพลิงไหม้ในอาคารขนาดใหญ่เนื่องจากอุบัติเหตุ หรือจากการลอบวางเพลิง ล้วนเป็นสาเหตุสำคัญทำให้เกิดความเสียหายต่อทรัพย์สิน การดำเนินชีวิตของผู้ใช้อาคาร สำหรับความเสียหายของอาคารนั้น อาจมีความเสียหายจากโครงสร้างหลัก, โครงสร้างรอง หรือวัสดุที่ไม่ใช่ตัวโครงสร้าง โดยความเสียหายของโครงสร้างนี้เป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญ ซึ่งใช้ตัดสินใจวิธีการซ่อมแซมอาคารนั้น ๆ อย่างไรก็ตามการซ่อมแซมอาคารยังต้องพิจารณาปัจจัยอื่น ๆ เช่น ความคุ้มค่าด้านเศรษฐศาสตร์, กฎหมาย, ฯลฯ สำหรับวัตถุประสงค์ของบทความนี้เพื่อแสดงถึงผลกระทบต่อโครงสร้างอาคารจากกรณีเพลิงไหม้ ในหัวข้อกำลังการรับน้ำหนัก, ความเสียหาย และความไม่ปลอดภัยของอาคารหลังเพลิงไม้ โดยเริ่มจากพฤติกรรมของการเกิดเพลิงไหม้และการจำลองการเกิดเพลิงไหม้เพื่อใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้าง จากนั้น จะกล่าวถึงพฤติกรรมของวัสดุโครงสร้าง และในลำดับสุดท้ายเป็นการอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการเกิดเพลิงไหม้กับรูปแบบโครงสร้างต่าง ๆการเกิดเพลิงไหม้
สำหรับวิศวกรรมโยธา เพลิงไหม้ เป็นภาระของโครงสร้าง (Load) ชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงก่อนการก่อสร้าง คือ ตั้งแต่การวิเคราะห์ และ ออกแบบโครงสร้าง ซึ่ง คล้ายกับแรงลม แรงจากแผ่นดินไหว อย่างไรก็ตามสิ่งที่กระทำต่อโครงสร้าง (Load) ในลักษณะเช่นนี้ ต้องอาศัยการเก็บสะสมข้อมูล และการทดสอบมาเป็นจำนวนมาก พร้อมทั้งปรับปรุงอยู่ตลอดเวลา เพื่อให้ได้การออกแบบปลอดภัยที่สุด
เพลิงไหม้ หรือ การเผาไหม้เป็นปฏิกิริยาเคมีของเชื้อเพลิงและอากาศ ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงและมีการปล่อยพลังงาน Walton และ Thomas (2002) ได้เสนอพฤติกรรมของการเผาไหม้ออกเป็น 5 ช่วง คือ จุดไฟให้ลุกไหม้ (Ignition), ไฟลาม (Growth), ลุกโชน (Flashover), ลุกโชนเต็มที่ (Fully developed fire), ไฟมอด (Decay) ดังแสดงในรูปที่ 1
จากรูปที่ 1 พฤติกรรมของเพลิงไหม้ได้ถูกจำลองเป็นความสัมพันธ์ระหว่างเวลากับอุณหภูมิเพื่อใช้ในการออกแบบตามมาตรฐานต่าง ๆ (ISO 834, ASTM E119, BS 476, EC1) ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยรูปเป็นอุณหภูมิซึ่งเกิดจากเพลิงไหม้เชื้อเพลิง หากโครงสร้างสัมผัสกับเพลิงไหม้โดยตรงอุณหภูมิของโครงสร้างนั้น ๆ จะได้รับการส่งต่อของพลังงานและอุณหภูมิจะสูงขึ้นตามลำดับ ซึ่งปกติแล้วคอนกรีตจะมีการนำความร้อนได้น้อย โดยเป็นฉนวนกันความร้อนให้กับโครงสร้าง อย่างไรก็ตามจากการศึกษาของ Greepala (2007) ซึ่งใช้อุณหภูมิเผาไหม้ภายนอกตาม ASTM E119 กับโครงสร้างคอนกรีตพบว่าปูนฉาบสามารถหน่วงการนำความร้อนได้ประมาณ 30 นาที และส่งผลให้เวลาที่ทำให้อุณหภูมิของเหล็กเสริมเข้าสู่อุณหภูมิวิกฤตใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลาตามมาตรฐานต่าง ๆ (Buchanan, 2001)
รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของเหล็กเสริมในเสาคอนกรีตเสริมเหล็กและเวลา Greepala (2007)
คอนกรีตกับเพลิงไหม้
คอนกรีตมีส่วนประกอบหลัก คือ ซีเมนต์, ทราย, หิน และน้ำ แต่ในปัจจุบันมีการผสมสารผสมเพิ่มเพื่อปรังปรุงคุณภาพของคอนกรีตด้วย สำหรับพฤติกรรมของคอนกรีตกับไฟอาจจะพิจารณาส่วนประกอบของคอนกรีตเป็น มวลรวม (หินและทราย) และ ซีเมนต์เพสต์ (ซีเมนต์และน้ำ) ปกติแล้วคอนกรีตมีค่าการนำความร้อนน้อยกว่าเหล็กถึง 50 เท่า ดังนั้นการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในคอนกรีตจะเพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ และส่งผลดีต่อความต้านทานเพลิงไหม้ของคอนกรีต อย่างไรก็ตามในอุณหภูมิที่สูงกว่า 300 องศาเซลเซียส ความแข็งแรงของคอนกรีต (กำลังและความยืดหยุ่น)จะลดลง เนื่องจาก (1) การเกิดรอยร้าวเล็ก ๆ (micro-cracks) และ (2) การเปลี่ยนแปลงหรือสลายของสารยึดเหนี่ยว (C-S-H, CH) ในคอนกรีตเนื่องจากสูญเสียน้ำ (Emmons, 1993) นอกจากนี้ กำลังและสีของคอนกรีตยังเปลี่ยนแปลงไปตามความสัมพันธ์กับอุณหภูมิ (Harmathy, 1993) ดังแสดงในรูปที่ 4 ถึงแม้ว่าปกติ คอนกรีตเมื่อถูกเผาจะเปลี่ยนจากสีปกติเป็นสีชมพู, สีเทา และ สีเหลือง ตามลำดับ แต่ Tovey (1986) พบว่าคอนกรีตอาจไม่มีการเปลี่ยนสีแม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนไปโดยเฉพาะคอนกรีตที่ใช้หินปูน และหินอัคนีเป็นมวลรวม
รูปที่ 4 ความสัมพันธ์ระหว่าง กำลังรับแรงอัดและสีของคอนกรีต กับอุณหภูมิ (Harmathy, 1993)
เหล็กกับเพลิงไหม้
เหล็กในงานก่อสร้าง คือ โลหะผสมซึ่งมีธาตุเหล็ก (Fe) เป็นส่วนประกอบหลัก และมี คาร์บอน (C), ทองแดง (Cu), ฯลฯ เป็นส่วนประกอบรอง เหล็กก่อสร้างซึ่งมีชื่อเรียกจากลักษณะการใช้งานรวมทั้งคุณสมบัติด้วย เช่น เหล็กรูปพรรณ (รีดร้อน, รีดเย็น), เหล็กเสริมคอนกรีต (เหล็กกลม, เหล็กข้ออ้อย), ลวดอัดแรง สำหรับคอนกรีตอัดแรง, ฯลฯ
เหล็กรูปพรรณรีดร้อน (ASTM A-36) และเหล็กเสริมปกติ จะเริ่มสูญเสียกำลังเมื่ออุณหภูมิเกิน 300 องศาเซลเซียส ดังแสดงในรูปที่ 5 และกำลังจะลดลงในอัตราคงที่จนอุณหภูมิถึง 800 องศาเซลเซียส จากนั้นเหล็กรูปพรรณจะเหลือกำลังรับแรงอีกเพียงเล็กน้อยจนกระทั่งหลอมเหลวเมื่ออุณหภูมิถึง 1,500 องศาเซลเซียส แต่หากเป็นเหล็กรีดเย็น (Cold-drawn wire) การลดลงของกำลังจะรวดเร็วมากเมื่ออุณหภูมิเกิน 300 องศาเซลเซียส (Lawson & Newman 1990) สำหรับลวดอัดแรงกำลังสูง (High strength wire) ซึ่งใช้ในคอนกรีตอัดแรงมีการสูญเสียกำลังคล้ายกับเหล็กรูปพรรณ
อย่างไรก็ตามเหล็กรูปพรรณและเหล็กเสริมต่าง ๆ ถึงแม้ว่าเมื่ออุณหภูมิสูงประมาณ 450-500 องศาเซลเซียส จะยังไม่เกิดการสูญเสียกำลังอย่างมีนัยสำคัญ แต่การคืบ (Creep) จะมีผลให้เกิดการแอ่นตัวเพิ่มขึ้น เรื่อย ๆ ขณะที่ไฟไหม้ โดยไม่ต้องมีการเพิ่มเติมน้ำหนักให้กับโครงสร้าง (Twilt, 1988; Tide, 1998) ดังนั้นการพิจารณาความเสียหายนั้นอาจไม่จำเป็น หากหลังจากเพลิงไหม้แล้วเหล็กรูปพรรณหรือ โครงสร้างยังเป็นเส้นตรงและคงสภาพเดิม (Tide, 1998)
รูปที่ 5 ผลของอุณหภูมิต่อกำลังของเหล็กชนิดต่าง ๆ (ACI, 1995)
เพลิงไหม้กับโครงสร้างหลักของอาคาร
พฤติกรรมของวัสดุโครงสร้างขณะเกิดเพลิงไหม้ และการจำลองเพลิงไหม้จากผู้ศึกษาในอดีต ถูกใช้เป็นพื้นฐานในการวิเคราะห์พฤติกรรมของโครงสร้างต่อการเกิดอัคคีภัยในบทความนี้ สำหรับโครงสร้างชนิดต่าง ๆ ในบทความนี้ ชนิดของโครงสร้างได้ถูกแบ่งตามลักษณะของการใช้วัสดุในโครงสร้าง โดยแบ่งรูปแบบโครงสร้างเป็น 3 ชนิด คือ คอนกรีตเสริมเหล็ก, คอนกรีตอัดแรง และ เหล็กรูปพรรณ ซึ่งรูปแบบโครงสร้างทั้งสามชนิดนี้เป็นรูปแบบโครงสร้างหลัก ๆ ซึ่งใช้ในอาคารขนาดใหญ่ของประเทศไทย
คอนกรีตเสริมเหล็ก ซึ่งเป็นรูปแบบโครงสร้างที่นิยมใช้ทั่วไป ประกอบด้วยคอนกรีตและเหล็กเสริม ก่อสร้างโดยไม่ได้ใช้เทคนิคพิเศษเฉพาะทาง โดยโครงสร้างของอาคารเล็ก ๆ ทั่วไป จนถึงโครงสร้างอาคารขนาดใหญ่บ้าง โดยอาคารขนาดใหญ่บางแห่งก็เป็นโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กปกติทั้งหมด ตั้งแต่ ฐานราก เสา คาน พื้น จนถึงดาดฟ้า สำหรับการวิเคราะห์พฤติกรรมของคอนกรีตเสริมเหล็กกับกรณีเพลิงไหม้อาจคล้ายกับการศึกษาของ Greepala (2007) โดยความร้อนจะค่อย ๆ เข้าสู่คอนกรีตอย่างช้า ๆ ประมาณครึ่งชั่วโมงความร้อนจะเข้าถึงเหล็กเสริมหลักในคอนกรีต และความร้อนที่จะทำให้อุณหภูมิของเหล็กเสริมเข้าสู่ภาวะวิกฤตต้องใช้เวลาอย่างน้อยประมาณ 2 ชั่วโมง จึงจะทำให้เหล็กเสริมหลักเริ่มมีการลดกำลังลงอย่างต่อเนื่อง อย่างไรคอนกรีตส่วนที่สัมผัสไฟไหม้โดยตรงเป็นระยะเวลา 2 ชั่วโมงกำลังของคอนกรีตฉาบหน้าลดลงอย่างมาก อาจมีกำลังเหลืออยู่ไม่ครึ่งของกำลังคอนกรีตก่อนเพลิงไหม้ ขณะที่คอนกรีตใจกลางภายในเหล็กรัด (เหล็กปลอก) ยังคงมีกำลังลดลงไม่มาก หากการเผาไหม้ยังดำเนินต่อไป เหล็กเสริมหลักจะมีกำลังลดลงอย่างต่อเนื่องและในชั่วโมงที่ 3 นี้เหล็กเสริมอาจเหลือกำลังเพียงร้อยละ 40 ของเหล็กเสริมก่อนเพลิงไหม้ ขณะที่คอนกรีตใจกลางมีกำลังเพียงครึ่งเทียบกับก่อนเพลิงไหม้ ยิ่งไปกว่านั้น การล้าของเหล็กเสริมจะส่งเสริมให้เกิดการแอ่นตัวของโครงสร้าง ทำให้ไม่มีเสถียรภาพและอาจเกิดการวิบัติได้ตลอดเวลา
คอนกรีตอัดแรง รูปแบบของโครงสร้างคล้ายกับคอนกรีตเสริมเหล็กเพียงแต่คอนกรีตอัดแรงพัฒนาขึ้นเพื่อให้หน้าตัดคอนกรีตเล็กลงแต่โครงสร้างยังคงรับน้ำหนักดี ดังนั้นคอนกรีตอัดแรง จึงประกอบขึ้นจากคอนกรีตกำลังสูงและลวดอัดแรงกำลังแรงสูง คอนกรีตอัดแรงมักพบให้โครงสร้างพื้นไร้คานในอาคารขนาดใหญ่ ทั้งนี้การก่อสร้างคอนกรีตอัดแรงต้องใช้เทคนิคและความชำนาญเป็นพิเศษ รวมทั้งราคาสูงเมื่อเทียบกับคอนกรีตเสริมเหล็กปกติด้วย ปกติแล้วคอนกรีตอัดแรงจะมีคอนกรีตฉาบหน้า (Covering) อยู่
เหล็กรูปพรรณ เป็นโครงสร้างซึ่งเริ่มมีความนิยมในเมืองไทย มีการใช้เป็นเสาและคานในอาคาร ข้อเสียของเหล็กรูปพรรณคือมีราคาสูงเมื่อเทียบกับคอนกรีตเสริมเหล็ก อย่างไรก็ดี การทำโครงสร้างอาคารด้วยโครงสร้างเหล็กรูปพรรณนั้นมีความรวดเร็วกว่าคอนกรีตเสริมเหล็กมาก ซึ่งในปัจจุบันค่าแรงงานของไทยสูงขึ้นกว่าอดีต การเลือกให้โครงสร้างเหล็กรูปพรรณอาจทำให้ค่าก่อสร้างรวมถูกลงจนคุ้มค่าที่จะเลือกใช้โครงสร้างเหล็ก สำหรับงานเหล็กรูปพรรณที่นิยมใช้กัน คืองานโครงสร้างหลังคา โดยใช้กันตั้งแต่งานขนาดเล็กจนถึงอาคารขนาดใหญ่ นอกจากนี้การปรับปรุงโครงสร้างเพื่อให้สามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้น หรือเปลี่ยนแปลงวัตถุประสงค์การใช้งานของโครงสร้างมักใช้เหล็กรูปพรรณในการปรับปรุงโครงสร้างอีกด้วย สำหรับการทนทานต่อความร้อนของเหล็กรูปพรรณกรณีเพลิงไหม้นั้นอาจกล่าวได้ว่าน้อยมาก หากไม่มีการป้องกันเพลิงไหม้ด้วยฉนวนชนิดต่าง ๆ และอาจวิบัติได้ภายในระยะเวลาไม่เกิน 10 นาที เมื่อวิเคราะห์จากแบบจำลองของเพลิงไหม้รูปที่ 2 และกำลังของเหล็กรูปพรรณในรูปที่ 5 อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบมักใช้วัสดุฉนวนหุ้มเสาและคานเหล็กเพื่อให้ทนเพลิงไหม้ได้ไม่น้อยกว่า 2 ชั่วโมง จึงจะทำให้เหล็กโครงสร้างนั้นมีอุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส โดยวัสดุฉนวนที่ใช้หุ้ม
สรุป
จะเห็นได้ว่าผลกระทบของไฟไหม้ต่อโครงสร้างอาคาร จะต้องพิจารณาเริ่มตั้งแต่วัสดุ จากนั้นพิจารณาถึงระบบของโครงสร้าง จึงจะสามารถจะวิเคราะห์ถึงผลกระทบขององค์อาคารโดยรวมได้ เพื่อประกอบกับการพิจารณาความเสียหาย หรือการป้องกันจากเหตุอัคคีภัย
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น