ตึกสูงทนแผ่นดินไหวได้อย่างไร

เวลายืนอยู่หน้าอาคารสูงหลายสิบชั้นแล้วคิดถึงแผ่นดินไหว ภาพที่โผล่ขึ้นมาในหัวมักเป็นตึกแข็งๆ ถูกพื้นดินเขย่าจนหัก แต่หลักการออกแบบจริงกลับไม่ได้พยายามทำให้อาคารแข็งชนิดไม่ขยับเลย เพราะสิ่งที่แข็งแต่เปราะอาจแตกร้าวหรือพังอย่างรวดเร็วเมื่อรับแรงเกินขีดจำกัด อาคารสูงจึงต้องมีทั้งกำลังรับแรง ความเหนียว และความสามารถในการขยับตัวอย่างควบคุมได้

จุดสำคัญคือแผ่นดินไหวไม่ได้ยกตึกขึ้นแล้วปล่อยลงมาตรงๆ เป็นหลัก แต่ทำให้ฐานอาคารเคลื่อนที่ไปมาอย่างรวดเร็ว ตัวอาคารมีมวลและมีความเฉื่อย จึงพยายามค้างอยู่ที่เดิมขณะที่พื้นใต้ฐานกำลังขยับ ผลคือเกิดแรงด้านข้างสะสมตามเสา คาน ผนัง และจุดเชื่อมต่อ ยิ่งอาคารสูง การแกว่งและความแตกต่างของการเคลื่อนที่ระหว่างแต่ละชั้นยิ่งต้องถูกคำนวณอย่างละเอียด

ตึกที่โยกได้เล็กน้อยไม่ได้แปลว่ากำลังจะล้ม

อาคารสูงถูกออกแบบให้มีความยืดหยุ่นในระดับที่กำหนด การโยกเล็กน้อยช่วยกระจายแรงและลดโอกาสที่ชิ้นส่วนใดชิ้นส่วนหนึ่งจะรับแรงทั้งหมดจนแตกทันที คล้ายไม้ไผ่ที่ลู่ตามลมได้ แต่คำว่าโยกได้ไม่ได้หมายถึงปล่อยให้แกว่งตามใจ วิศวกรต้องจำกัดระยะเคลื่อนตัวของแต่ละชั้น เพื่อไม่ให้เสา ผนัง กระจก ท่อ และส่วนประกอบอื่นเสียหายเกินเกณฑ์

หัวใจอีกอย่างคือความเหนียวของโครงสร้าง วัสดุและจุดต่อบางตำแหน่งถูกออกแบบให้ยอมเปลี่ยนรูปและดูดซับพลังงานได้ก่อนพัง โครงเหล็ก เหล็กเสริมในคอนกรีต และรายละเอียดการผูกเหล็กบริเวณเสากับคานจึงสำคัญมาก เป้าหมายไม่ใช่รับประกันว่าอาคารจะไม่มีรอยร้าวหลังเกิดแผ่นดินไหวรุนแรง แต่ต้องลดโอกาสพังถล่มฉับพลันและเปิดเวลาให้คนออกจากอาคารได้

แกนกลาง ผนังรับแรง และโครงค้ำช่วยกันต้านแรงด้านข้าง

ตึกสูงจำนวนมากมีแกนกลางคอนกรีตเสริมเหล็กอยู่รอบลิฟต์และบันได แกนนี้ทำหน้าที่คล้ายกระดูกสันหลัง ช่วยรับแรงด้านข้างและควบคุมการบิดตัว บางอาคารใช้ผนังรับแรงเฉือน โครงข้อแข็ง หรือเหล็กค้ำยันทแยงร่วมด้วย ระบบแต่ละแบบมีหน้าที่ถ่ายแรงจากชั้นบนลงสู่ฐานรากอย่างต่อเนื่อง ถ้าเส้นทางการถ่ายแรงขาดตอนหรือชั้นหนึ่งอ่อนกว่าชั้นอื่นมาก ความเสียหายอาจไปรวมอยู่ตรงจุดนั้น

รูปทรงอาคารก็มีผล อาคารที่มวลและความแข็งกระจายค่อนข้างสมมาตรมักตอบสนองต่อแรงสั่นได้คาดการณ์ง่ายกว่าอาคารที่เว้าแหว่ง ต่อเติมไม่สมดุล หรือมีชั้นล่างเปิดโล่งกว้างเป็นพิเศษ หากรูปทรงซับซ้อน วิศวกรต้องวิเคราะห์การบิดและเสริมระบบรับแรงให้เหมาะ ไม่ใช่ดูเพียงว่าคอนกรีตหนาหรือเสาใหญ่แค่ไหน

ฐานแยกแรงและตัวหน่วงช่วยลดพลังงานที่ส่งเข้าอาคาร

อาคารบางประเภทติดตั้งอุปกรณ์แยกฐานระหว่างตัวอาคารกับฐานราก อุปกรณ์นี้ยอมให้ฐานเคลื่อนตัวได้โดยลดการส่งแรงสั่นความถี่สูงขึ้นไปยังตัวตึก อีกวิธีคือติดตั้งตัวหน่วงที่ทำหน้าที่คล้ายโช้ก ดูดซับพลังงานจากการแกว่ง บางตึกมีมวลถ่วงขนาดใหญ่บริเวณชั้นบนเพื่อช่วยต้านการเคลื่อนตัว เทคโนโลยีเหล่านี้ไม่ได้อยู่ในตึกสูงทุกหลัง การเลือกใช้ขึ้นกับความสูง รูปแบบโครงสร้าง สภาพดิน ความเสี่ยงของพื้นที่ เป้าหมายการใช้งาน และงบประมาณ

ฐานรากและดินใต้ตึกสำคัญไม่แพ้ส่วนที่มองเห็น วิศวกรต้องสำรวจชั้นดิน ประเมินว่าคลื่นสั่นอาจถูกขยายหรือไม่ และพิจารณาความเสี่ยงจากดินสูญเสียกำลังเมื่อมีน้ำอยู่มาก เสาเข็มหรือฐานรากต้องถ่ายน้ำหนักและแรงด้านข้างลงสู่ชั้นดินที่เหมาะสม อาคารสองหลังที่หน้าตาคล้ายกันแต่ตั้งอยู่บนสภาพดินต่างกัน จึงอาจต้องใช้รายละเอียดโครงสร้างต่างกันมาก

คำว่าทนแผ่นดินไหวไม่ได้แปลว่าไม่มีวันเสียหาย

มาตรฐานการออกแบบมักกำหนดระดับสมรรถนะตามความรุนแรงและโอกาสเกิดของแรงสั่น เหตุการณ์ที่ไม่รุนแรงมากอาคารควรเสียหายน้อย ส่วนเหตุการณ์รุนแรงและเกิดไม่บ่อยอาจยอมให้ส่วนประกอบบางอย่างเสียหายได้ แต่ต้องเน้นการป้องกันการถล่ม อาคารสำคัญอย่างโรงพยาบาลหรือศูนย์ฉุกเฉินอาจถูกกำหนดให้คงการใช้งานได้ในระดับสูงกว่าอาคารทั่วไป

ขนาดแมกนิจูดเพียงตัวเดียวจึงใช้ตัดสินไม่ได้ว่าตึกหนึ่งจะปลอดภัยหรือไม่ แรงที่อาคารได้รับขึ้นกับระยะจากรอยเลื่อน ความลึกของแผ่นดินไหว ทิศทางการแตกตัว ชนิดของดิน ระยะเวลาการสั่น และคาบธรรมชาติของอาคารด้วย ถ้าจังหวะของคลื่นเข้าใกล้จังหวะการแกว่งตามธรรมชาติของตึก การตอบสนองอาจเพิ่มขึ้น วิศวกรจึงใช้ข้อมูลอันตรายแผ่นดินไหวและแบบจำลองหลายรูปแบบในการคำนวณ ไม่ได้ออกแบบจากคำว่า “รับได้กี่ริกเตอร์” เพียงประโยคเดียว

คุณภาพการก่อสร้างและการดูแลภายหลังก็ชี้เป็นชี้ตาย แบบที่คำนวณดีจะไม่มีความหมายถ้าใช้วัสดุผิด ลดเหล็ก ทำจุดต่อไม่ตรงแบบ หรือควบคุมงานไม่ดี อาคารเก่าบางแห่งอาจสร้างก่อนมีข้อกำหนดสมัยใหม่ ส่วนการเจาะคาน รื้อผนัง หรือต่อเติมน้ำหนักโดยไม่ตรวจโครงสร้างอาจเปลี่ยนพฤติกรรมของอาคารได้ การประเมินความปลอดภัยจึงต้องดูแบบก่อสร้าง อายุอาคาร การดัดแปลง ร่องรอยความเสียหาย และผลตรวจจากผู้เชี่ยวชาญร่วมกัน

ระหว่างเกิดแรงสั่น คนในตึกสูงไม่ควรตีความการโยกเป็นสัญญาณให้วิ่งเข้าลิฟต์ ให้อยู่ห่างกระจก หมอบ ป้องกันศีรษะ และยึดเกาะสิ่งที่มั่นคง เมื่อแรงสั่นหยุดแล้วจึงปฏิบัติตามแผนอพยพของอาคาร ใช้บันไดหนีไฟเมื่อได้รับคำแนะนำ และอย่ารีบกลับเข้าไปจนกว่าจะมีการตรวจสอบ เพราะระบบป้องกันที่ดีช่วยลดความเสี่ยงจากการถล่ม แต่สิ่งของ กระจก ระบบไฟฟ้า ท่อ และส่วนประกอบที่ไม่ใช่โครงสร้างยังเสียหายได้

สรุปง่ายๆ ตึกสูงไม่ได้รอดเพราะทำให้แข็งที่สุดชิ้นเดียว แต่รอดจากการทำงานร่วมกันของรูปทรง โครงสร้างที่เหนียว เส้นทางถ่ายแรง แกนกลางหรือผนังรับแรง ฐานรากที่เหมาะกับดิน และในบางอาคารก็มีอุปกรณ์ลดแรงสั่นเสริมเข้ามา ทั้งหมดต้องอาศัยแบบที่ถูกต้อง งานก่อสร้างตรงมาตรฐาน และการตรวจดูแลตลอดอายุใช้งาน

อ้างอิงข้อมูล
https://www.fema.gov/emergency-managers/risk-management/earthquake
https://www.usgs.gov/programs/earthquake-hazards