วันอังคารที่ 6 มีนาคม พ.ศ. 2555

ไฟไหม้

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 ๆ

การเกิดเพลิงไหม้
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
  รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างไฟและเวลาของการลุกไหม้ (Walton and Thomas, 2002)
 
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