ทำไมการออกแบบอาคารที่รองรับแผ่นดินไหวจึงสำคัญ ?
ทุกครั้งที่เกิดเหตุแผ่นดินไหว เรามักได้ยินข่าวของการสูญเสีย ทั้งชีวิต ทรัพย์สิน และโครงสร้างพื้นฐานอันสำคัญยิ่งของการดำรงชีวิต เหตุการณ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่สะท้อนถึงพลังของธรรมชาติที่เหนือการควบคุม หากยังเตือนให้เราตระหนักถึงความสำคัญของการเตรียมความพร้อม และออกแบบระบบที่สามารถรับมือกับภัยพิบัติได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ด้วยเหตุนี้ การออกแบบอาคารที่สามารถต้านทานแรงแผ่นดินไหว หรือ Earthquake-proof buildings จึงเป็นหัวใจสำคัญในการลดความสูญเสียและเพิ่มความปลอดภัยให้กับผู้คนในพื้นที่เสี่ยงภัย
บทความนี้จะกล่าวถึงลักษณะของแรงสั่นสะเทือนที่ส่งผลต่อโครงสร้างอาคาร และแนวทางในการออกแบบสิ่งปลูกสร้างให้มีความสามารถในการต้านทานแรงเหล่านี้อย่างมีประสิทธิภาพ
“เมื่อการสั่นสะเทือนมีจุดกำเนิดมาจากฐานราก”
โดยทั่วไป การสั่นสะเทือนของระบบสามารถเกิดขึ้นได้จากการที่มีแรงมากระทำหรือมีการกระตุ้นโดยตรงกับตัวระบบ เช่น การเคาะ การกระแทก หรือแรงจากเครื่องจักร แต่ในกรณีของปรากฎการณ์แผ่นดินไหวนั้น การสั่นสะเทือนเกิดจากการเคลื่อนที่ของฐาน (Base) ที่ตัวระบบติดตั้งอยู่ ซึ่งเราเรียกพฤติกรรมแบบนี้ว่า Base Excitation เป็นหนึ่งในการศึกษาการสั่นสะเทือนหรือ Vibration analysis ของโครงสร้างนั่นเอง
เมื่อเกิดปรากฎการณ์ทางธรรมชาติอย่างแผ่นดินไหว จะมีคลื่นไหวสะเทือน หรือ Seismic wave เกิดขึ้น ซึ่งเจ้าคลื่นเหล่านี้สามารถกระจายไปได้ทั้งภายในและไปตามผิวโลก หากคลื่นเหล่านี้เดินทางมาเจอกับฐานรากของตัวอาคารหรือสิ่งปลูกสร้าง ก็จะทำหน้าที่เสมือนเป็นแรงกระตุ้นในแนวราบแก่ระบบนั่นเอง
โดยทั่วไปแล้ว สิ่งปลูกสร้าง มักถูกออกแบบให้รองรับแรงในแนวดิ่ง หรือแรงที่เกิดจากน้ำหนักของตัวอาคาร อย่างไรก็ตาม คลื่นไหวสะเทือนจากแผ่นดินไหวที่สร้างแรงในแนวราบหรือแรงด้านข้าง ซึ่งเป็นแรงที่อาคารส่วนใหญ่ไม่ถูกออกแบบให้รองรับ โดยเฉพาะในโครงสร้างเก่า ส่งผลให้เกิดความเสียหาย ตั้งแต่รอยร้าวเล็กน้อยจนถึงการพังถล่ม
แล้วจะใช้การศึกษาการสั่นสะเทือนอย่างไรเพื่อลดความเสียหายที่เกิดกับโครงสร้างได้บ้าง ?
เมื่อโครงสร้างหรือระบบวิศวกรรมต้องเผชิญกับแรงสั่นสะเทือนที่มาจาก “ฐาน” สิ่งสำคัญที่ช่วยลดผลกระทบจากแรงสั่นเหล่านี้คือ
Damping หรือ การหน่วงการสั่นสะเทือน
Damping คือกระบวนการที่พลังงานจากแรงสั่นสะเทือนถูกดูดซับหรือสลายไปจากระบบ โดยอาศัยแรงต้านซึ่งมีลักษณะตรงข้ามกับการเคลื่อนไหวของระบบ หากไม่มี Damping โครงสร้างจะสั่นต่อเนื่อง ยิ่งถ้าเกิด “แรงกระตุ้นต่อเนื่องในจังหวะพ้อง” (resonance) ก็อาจทำให้โครงสร้างเสียหายถึงขั้นพังทลายได้
ตัวอย่าง Damping ที่พบในอาคารสูง มักถูกเรียกว่า 𝗣𝗲𝗻𝗱𝘂𝗹𝘂𝗺 𝗧𝗼𝘄𝗲𝗿 โดยหลักการหรือหัวใจของ Pendulum Tower คือการใช้ ลูกตุ้มขนาดใหญ่ที่ถูกแขวนไว้ภายในอาคาร ที่สามารถเคลื่อนไหวได้อิสระในทิศทางตรงข้ามเพื่อลดความรุนแรงในการสั่น
อย่างเช่นตึกไทเป 101 ที่มีลูกตุ้มดังกล่าวที่หนักกว่า 660 ตัน ติดตั้งไว้เหนือพื้นดินที่ระดับความสูง 1,000 ฟุต ที่ทำให้การแกว่งมีความรุนแรงลดลงกว่า 40% จากเหตุการณ์แผ่นดินไหว
นอกเหนือจากการใช้ระบบ Damping ช่วยในการหน่วงการสั่นสะเทือนเนื่องจากแผ่นดินไหวแล้วนั้น ยังมีอีก 1 วิธีการที่วิศวกรประยุกต์ใช้ การศึกษาแรงสั่นสะเทือนในการลดความเสียหายจากแผ่นดินไหวได้ นั่นคือ วิธีการควบคุมการสั่นสะเทือนแบบ
Vibration Isolation
เมื่อเกิดแผ่นดินไหว อาคารที่มีฐานรากถาวรจะได้รับแรงสั่นสะเทือนจากพื้นดินโดยตรง แรงสั่นสะเทือนเหล่านี้จะถูกถ่ายจากพื้นดินเข้าสู่โครงสร้างของอาคาร ทำให้อาคารเคลื่อนที่ตามแรงที่มากระทำ อย่างไรก็ตามตัวอาคารไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกับพื้นดินในทันที แต่จะเกิดการ “เคลื่อนตัวในทิศทางตรงข้าม” ซึ่งเป็นผลมาจากแรงเฉื่อย (Inertia) ที่ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ ซึ่งทำให้เกิด การเสียรูป (Deformation) ของโครงสร้าง หากการเสียรูปนี้เกินกว่าขีดจำกัดที่โครงสร้างสามารถรับได้ โครงสร้างก็จะเกิดความเสียหาย (Structural Failure)
โดยทั่วไป ความเสียหายที่รุนแรงมักเริ่มต้นที่ ชั้นล่างสุด หรือ ชั้นฐาน เนื่องจากน้ำหนักหรือมวลส่วนใหญ่ของอาคารจะอยู่เหนือขึ้นไป และแรงเฉื่อยจากมวลนั้นจะถ่ายลงมายังชั้นล่างอย่างรุนแรง หากไม่มีการออกแบบรองรับที่ดีเพียงพอ ชั้นล่างจึงมีโอกาสเสียหายหรือล้มพังมากที่สุด
https://www.thk.com/sg/en/journal/products/article-19072023-1.html
ยกตัวอย่างนวัตกรรมของบริษัท ชินวะ เรียลเอสเตท ที่มีชื่อเสียงด้านเทคโนโลยีการก่อสร้าง ที่ใช้หลักการเดียวกันนี้และรับมือแผ่นดินไหวได้สูงสุดถึง 9 ริกเตอร์โดยที่อาคารสั่นไหวเพียงเล็กน้อยนั่นเอง
แรงสั่นสะเทือนเกิดขึ้นได้แม้จะไม่ใช่ตอนที่มีแผ่นดินไหว
การศึกษาเรื่องแรงสั่นสะเทือน (Vibration Analysis) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรม และมีความเกี่ยวข้องอย่างลึกซึ้งกับโครงสร้างและอุปกรณ์ในชีวิตประจำวันอื่นๆด้วย เช่น รถยนต์ เครื่องจักร หรือแม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก แรงสั่นสะเทือนที่ไม่ได้รับการควบคุมอย่างเหมาะสมอาจก่อให้เกิดปัญหาตั้งแต่ความไม่สะดวกสบายในการใช้งาน ไปจนถึงความเสียหายเชิงโครงสร้างและอุบัติเหตุร้ายแรง ดังนั้นการเข้าใจธรรมชาติของแรงสั่น ตลอดจนการวิเคราะห์และออกแบบระบบที่สามารถลดหรือควบคุมแรงเหล่านั้น จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการพัฒนาเทคโนโลยีและโครงสร้างที่ปลอดภัย แข็งแรง และยั่งยืนในระยะยาว
เพื่อให้การวิเคราะห์แรงสั่นสะเทือนและพฤติกรรมของโครงสร้างเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด นักวิศวกรรมอาจพิจารณาเลือกใช้เครื่องมือวิเคราะห์ทางโครงสร้างที่มีความแม่นยำและทรงพลัง หนึ่งในโซลูชันที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในประเทศญี่ปุ่นคือ ADVENTURECluster ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มการวิเคราะห์เชิงโครงสร้างด้วยเทคนิค Finite Element Analysis (FEA) ที่พัฒนาขึ้นเพื่อรองรับการคำนวณขนาดใหญ่ด้วยความเร็วสูง
การผสานระหว่างความเข้าใจด้านแรงสั่นสะเทือนกับการใช้เครื่องมือวิเคราะห์ที่ล้ำสมัยอย่าง ADVENTURECluster คือก้าวสำคัญในการพัฒนาโครงสร้างที่ทั้งปลอดภัย ยั่งยืน และตอบโจทย์ความท้าทายของวิศวกรรมยุคใหม่ได้อย่างแท้จริง
ขอขอบคุณ SCSK Corporation สำหรับความเอื้อเฟื้อในโมเดลการวิเคราะห์การสั่นในรถยนต์ไฟฟ้า
หากคุณสนใจเรียนรู้การออกแบบเพื่อแก้ปัญหาการสั่นสะเทือน Dentsu Soken Thailand เราพร้อมให้คำปรึกษา ติดต่อเราเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมได้ที่:
📞 Tel: +66 (2) 632-9112
📧 Email: sales_th@th.dentsusoken.com
🌐 Website: www.th.dentsusoken.com
🟢 Line Official: https://bit.ly/DentsuSokenThailand-Line
🔵 Facebook: www.facebook.com/dentsu.soken.thailand
🔵 LinkedIn: www.linkedin.com/company/dentsu-soken-thailand-limited
🔴 YouTube: www.youtube.com/@Dentsu-Soken-Thailand
👨🏻💻 เขียนและวิเคราะห์บทความโดย:
นิธิกิตติ์ ธนธีรารังสรรค์
Manufacturing Dept. Team Leader
ผู้เชี่ยวชาญและผู้ฝึกสอนโซลูชั่น CAE ที่มีประสบการณ์ในการวิเคราะห์และออกแบบอากาศพลศาสตร์ของอากาศยานไร้คนขับแบบไฟฟ้าและพลังงานแสงอาทิตย์ด้วยเทคนิคพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) การวิเคราะห์และออกแบบกลไกกระเป๋าใส่เครดิตการ์ดแบบพกพา การวิเคราะห์สาเหตุการหยุดทำงานเนื่องจากปัจจัยความร้อนของ Outdoor Unit ในอุตสาหกรรมเครื่องปรับอากาศ การวิเคราะห์การสูญเสียแรงดันในท่ออากาศ และอื่นๆ
Connect Author’s LinkedIn : www.linkedin.com/in/nithikitt
