World Trade Center วิบัติ ปรากฏการณ์ Self-Weight Bomb และ Progressive Failure
จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
สารบัญ |
[แก้] ข้อมูลโครงสร้าง [Ref 1-3]
อาคาร เวิลด์เทรดเซ็นเตอร์(World Trade Center) ตึก 1 และ 2 เป็นอาคารโครงสร้างชนิด Steel Framed Tube มีขนาดกว้างและยาว 63.4x63.4 เมตร (208x208 ฟุต) ความสูง 110 ชั้น เท่ากันแต่มีความสูงต่างกันเล็กน้อยคือ 417 เมตร และ 415 เมตร ตามลำดับ (1,368 ฟุต และ 1,362 ฟุต) โครงสร้างหลักเป็นโครงเหล็ก มีวัสดุกันอัคคีภัยหุ้มอยู่ อาคาร เวิลด์เทรดเซ็นเตอร์ นี้เป็นอาคารชนิด Frame Tube ที่สูงที่สุด และมีเสาที่ขอบนอกถี่ที่สุด กล่าวคือมีเสาเหล็กรูปกล่องขนาด 35 ซม. (14 นิ้ว) ทุกระยะ 1 เมตร แต่บริเวณด้านล่างจะมีการรวมเสา 3 ต้นเป็นเสา 1 ต้น ที่ใหญ่ขึ้นและระยะห่างมากขึ้นเป็นระยะ 3 เมตร (10 ฟุต) เพื่อให้สามารถใช้งานได้สะดวก (รูปที่ 1 และ 2) (ดังเช่นตึกสำนักงานใหญ่ ปตท. ก็มีลักษณะโครงสร้างคล้าย ๆ กัน)
พื้นอาคารเป็นพื้นคอนกรีตหนา 10 ซม. วางบนโครงถักเหล็กช่วงยาว 18.3 เมตร (60 ฟุต) ลึก 84 ซม. (33 นิ้ว) วางพาดระหว่างเสาริมนอกอาคารกับเสาภายในอาคาร ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของช่องลิฟต์ (รูปที่ 3)
โครงสร้างช่องลิฟต์เป็นโครงสร้างเหล็กมีวัสดุหุ้มป้องกันอัคคีภ ัยอยู่ตอนกลางของอาคารมีขนาดโดยรวม 27.1x42.4 เมตร (89x139 ฟุต)
คานโดยรอบอาคาร (Spandel Beam) เป็นคานเหล็กลึก 60 ซม. (2 ฟุต) คานเหล่านี้ยึดโยงเสาเหล็กโดยรอบอาคาร ทำให้โครงสร้างรวมของอาคารคล้ายท่อเหล็กขนาดใหญ่ (Hollow Tube) ซึ่งสามารถต้านทางแรงในแนวราบ อาทิเช่น ลมและแรงจากแผ่นดินไหวได้ดี (รูปที่ 4)
ฐานรากของอาคารมีขนาด 244x122 เมตร (800x400 ฟุต) ครอบคลุมพื้นที่ของอาคาร WTC ทั้ง 6 หลัง (อาคาร 7WTC สร้างภายหลัง) ฐานรากนี้ตั้งอยู่บนชั้นหินซึ่งมีความลึกประมาณ 21 เมตร (70 ฟุต) จากผิวดิน ทำให้ต้องมีการขุดดินออกถึง 1.2 ล้านลูกบากศ์หลา จากพื้นที่ในกลุ่มอาคารนี้ บริเวณชั้นใต้ดินของกลุ่มอาคารนี้ยังมีร้านค้า ที่จอดรถ 600 คัน และสถานีรถไฟใต้ดิน 3 สถานีอีกด้วย
วัสดุหุ้มป้องกันอัคคีภัยที่หุ้มบนโครงสร้างในระยะแรกของการก่อ สร้างเป็นชนิดมีแอสเบสตอสผสมอยู่ แต่ต่อมามีปัญหาฝุ่นเอสเบสตอสในอากาศจึงเปลี่ยนไปใช้วัสดุประเภ ทเซรามิคซึ่งนับเป็นอาคารหลังแรกที่ใช้วัสดุชนิดนี้
วิศวกรผู้ออกแบบโครงสร้าง กล่าวว่า ขณะออกแบบอาคารแฝดนี้ได้กำหนดให้รับแรงลมและแผ่นดินไหว อีกทั้งออกแบบให้รับแรงจาการชนของเครื่องบินโบอิ้ง 707 ได้ ซึ่งก็เป็นความจริงว่าอาคารทั้งสองหลังนี้มิได้พังทลายทันที่ถู กเครื่องบนโบอิ้ง 757 ชน
นอกจากอาคาร 1WTC และ 2WTC แล้วในบริเวณเดียวกันยังมี WTC อีก 5 หลัง ประกอบด้วย 3 WTC เป็นอาคารโรงแรมสูง 22 ชั้น 4WTC และ 5WTC เป็นอาคารศูนย์การค้าสูง 9 ชั้น 6WTC เป็นอาคารของกรมศุลกากร และ 7WTC เป็นอาคารสำนักงานสูง 47 ชั้น (รูปที่ 5) อาคาร 7WTC เกิดการวิบัติใน 7 ชั่วโมงต่อมาหลังจากนั้นอาคาร 3WTC, 4WTC, 5WTC และ 6WTC ก็พังทลายในวันถัดมา สันนิษฐานว่า การวิบัติของ 1WTC และ 2WTC แรงสั่นสะเทือนเศษวัสดุจำนวนมหาศาลที่กองทับถม อาจกระทบกระเทือนถึงฐานรากและโครสร้างชั้นใต้ดินซึ่งอยู่ร่วมกั นของอาคาร กลุ่มอาคาร WTC ทั้งหมดออกแบบโดยสถาปนิกชาวญี่ปุ่น Minoru Yamaski และ Emery Roth และวิศวกรโครงสร้างบริษัท Skilling, Helle, Christianson, Robertson (Mr. John Skilling และ Mr. Leslie Robertson)
[แก้] เหตุการณ์วิบัติ
อาคาร 1WTC (หรือตึกทิศเหนือ) ถูกเครื่องบินโดยสาร Boeing 767 เที่ยวบินที่ 11 ชนที่ประมาณชั้นที่ 90-95 เมื่อเวลาประมาณ 8.45 น. (เวลาท้องถิ่น) และเกิดการวิบัติเมื่อประมาณ 10.30 น. หลังจากที่เกิดเพลิงใหม้อย่างรุนแรงและลุกลามต่อเนื่องไป ทั้งด้านบนและด้านล่างของอาคาร
อาคาร 2WTC (หรือตึกทิศใต้) ถูกเครื่องบินโดยสาร Boeing 767 เที่ยวบินที่ 77 ชนที่ระดับชั้นที่ประมาณชั้นที่ 75-90 ซึ่งต่ำกว่าตึก 1WTC เมื่อเวลาประมาณ 9.03 น. ทำให้เกิดเปลวไฟและเพลิงไหม้รุนแรงกว่าตึก 1WTC และเกิดการวิบัติเมื่อเวลา 10.05 น. หรือหลังจากการชนเพียง 1 ชั่วโมง เร็วกว่าตึก 1WTC ซึ่งใช้เวลาประมาณ 1 ชั่วโมง 45 นาที
คำถามที่น่าสนใจคือ ทำไมตึก 2WTC จึงพังก่อน 1WTC และทำไมตึกทั้งสองซึ่งดูแล้วน่าจะแข็งแรงจึงพังทลายอย่างง่ายดา ย ?
[แก้] สาเหตุของการวิบัติ
เมื่อเครื่องบินโบอิ้ง 767 พุ่งเข้าชนอาคาร WTC โมเมนตัมของน้ำหนักเครื่องบินประมาณ 170 ตัน ที่บินด้วยความเร็วกว่า 300 ไมล์ต่อชั่วโมง ได้ทำลายเสาเหล็กริมอาคารจำนวนมากและหลายชั้น ชิ้นส่วนของทั้งเครื่องบินและเสาเหล็กที่ถูกทำลาย ยังได้พุ่งเข้าภายในตัวตึก ซึ่งคาดว่าจะทำลายโครงสร้างของช่องลิฟต์บางส่วน และเนื่องจากเครื่องบินทั้งสองลำมิได้ชนตรง ๆ ที่กึ่งกลางตัวอาคารแต่ชนแบบเยื้องจุดกึ่งกลางตึกเล็กน้อย ทำให้ชิ้นส่วนเครื่องบินบางส่วนพุ่งทะลุออกไป ทำลายเสาเหล็กริมอาคารด้านตรงข้ามด้วย และภายในเสี้ยววินาทีนั้นน้ำมันเครื่องบินประมาณ 27 ตันต่อลำ ซึ่งอยู่ในถังน้ำมันที่อยู่ในปีกเครื่องบินก็ระเบิดอย่างรุนแรง คาดว่าแรงระเบิดจะทำให้โครงสร้างเหล็กของอาคาร เสียหายและบิดเบี้ยวเสียรูปจำนวนมากหลังจากนั้น น้ำมันเครื่องบินยังเป็นเชื้อเพลิงชั้นดีที่ลุกไหม้เผาผลาญโครง สร้างอาคาร ประกอบกับอาคาร WTC เป็นอาคารสำนักงานที่มีกระดาษเอกสารเฟอร์นิเจอร์ที่เป็นเชื้อเพ ลิงอย่างดีเช่นเดียวกัน ทำให้เพลิงไหม้เกิดต่อเนื่องยาวนาน นอกจากนี้น้ำมันเชื้อเพลิงเครื่องบินอาจจะไหลนองลงไปตามช่องลิฟ ต์ ซึ่งทำให้เพลิงไหม้กระจายออกไปและเพลิงยังเผาผลาญโครงสร้างของช ่องลิฟต์โดยตรงอีกด้วย
ในระยะแรกแม้ว่าเสาเหล็กรอบอาคารจะถูกทำลายจำนวนมาก แต่อาคารก็ยังไม่วิบัติโดยฉับพลัน เนื่องจากลักษณะโครงสร้างคล้ายท่อ (Framed Tube) ทำให้น้ำหนัก (ซึ่งเคยรองรับโดยเสาที่ถูกทำลายลง) กระจายออกไปลงที่โครงสร้างช่องลิฟต์และเสาเหล็กรอบอาคารที่อยู่ ข้างเคียงที่ยังไม่ถูกทำลาย ศูนย์ถ่วงการรับน้ำหนักจะขยับไป เสาริมอาคารด้านตรงข้ามมีแนวโน้มที่จะรับแรงอัดน้อยลง (เพราะส่วนบนของอาคารมีแนวโน้มจะหักพังลงไปยังด้านที่เสาถูกทำล าย ดังกรณีอาคาร 2WTC ซึ่งเมื่อเริ่มต้นการพังทลายยอดอาคารได้เอียงตัวลง) ทำให้น้ำหนักอาคารด้านบนยิ่งจะถ่ายเข้าสู่โครงสร้างช่องลิฟต์ ซึ่งอยู่กึ่งกลางอาคารมากขึ้น
แรงปะทะของเครื่องบินและแรงระเบิดของน้ำมันเชื้อเพลิง คาดว่าจะทำให้โครงสร้างเหล็กจำนวนมากบิดเบี้ยวเสียรูป และยังทำให้วัสดุหุ้มป้องกันอัคคีภัยของเสาเหล็กโครงถักเหล็กแล ะโครงสร้างช่องลิฟต์หลุดออกเสียหายจำนวนมาก เพลิงไหม้จากน้ำมันเชื้อเพลิงและเชื้อไฟในอาคารจึงสัมผัสเหล็กโ ครงสร้างโดยตรง ระบบดับเพลิงอัตโนมัติของอาคาร ซึ่งน่าจะเป็น Sprinkle ฉีดน้ำถูกออกแบบไว้สำหรับดับเพลิงไหม้ธรรมดาที่มิใช่เพลิงไหม้ร ุนแรงจากน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องบินจำนวนมาก ระบบดับเพลิงจึงไม่สามารถสกัดกั้นเพลิงไหม้ได้ อีกทั้งน้ำดับเพลิงยังอาจไหลนองพาน้ำมันเชื้อเพลิงซึ่งเบากว่าก ระจายออกไปอีก นอกจากนั้นเหตุเพลิงไหม้พร้อม ๆ กันเป็นบริเวณกว้างถึงเกือบ 10 ชั้น ก็เป็นเหตุผิดปกติที่ผู้ออกแบบคาดไม่ถึง ปริมาณน้ำดับเพลิงที่เตรียมไว้ไม่น่าจะเพียงพอเมื่อเปลวเพลิงซึ ่งรุนแรงมากสัมผัสโครงสร้างเหล็กจนทำให้อุณหภูมิเหล็กเกิน 800 ฐC คุณสมบัติเหล็กจะเปลี่ยนไป กำลังความแข็งแรงจะลดลงโมดูลัสยึดหยุ่นของเหล็กจะลดลงอย่างรวดเ ร็วเช่นกัน ทำให้โครงเหล็กถักแอ่นตัว พื้นอาคาร (ซึ่งเป็นส่วนที่ค้ำยันเพิ่มเสถียรภาพให้แก่เสาโดยรอบของอาคาร) ก็จะแอ่นตัวลงดึงให้เสาโดยรอบของอาคารล้มลงเสียเสถียรภาพไปด้วย
ด้วยลักษณะของโครงสร้างแบบท่อมีแกนกลาง (Framed Tube) ทำให้โครงสร้างไม่พังลงทันทีที่เสารอบอาคารบางส่วนถูกทำลายแต่เ มื่อเสาโดยรอบถูกทำลายมากขึ้น น้ำหนักส่วนบนของอาคารก็จะก่ายเข้าสู่โครงสร้างช่องลิฟต์มากขึ้ นเรื่อย ๆ เช่นกันจนกระทั่งโครงสร้างช่องลิฟต์ซึ่งมีสภาพเสียหายเสียรูปจา กแรงชนปะทะจากแรงระเบิด และจากเพลิงไหม้ก็ทานน้ำหนักอาคารส่วนบนไม่ไหว จึงเกิดการพังทลายลงมาน้ำหนักอาคาร (Self Weight) อันมหาศาลที่ตกกระทบลงในแนวดิ่งเป็นโมเมนตัมที่ทำให้โครงสร้างอ าคาร (ทั้งช่องลิฟต์และเสาเหล็ก) เกิดการวิบัติต่อเนื่องเป็น Progressive Failure ทั้งอาคาร
จากภาพถ่ายเห็นได้ว่า อาคาร 2WTC (อาคารทิศใต้) เริ่มถล่มโดยส่วนบนของอาคารเริ่มเอียงออกแต่ทันที่ที่เกิดการ Progressive Failure อาคารส่วนล่างก็พังทลายลงในแนวดิ่ง ขณะที่อาคารส่วนบนที่เสมือนตุ้มตอกเสาเข็มที่ทุบทำลายส่วนล่างข องอาคารก็ถูกทำลายลงเช่นเดียวกัน สำหรับอาคาร 1WTC (อาคารทิศเหนือ) ซึ่งพังทลายภายหลังมีการพังทลายค่อนข้างอยู่ในแนวดิ่ง สรุปแล้วทั้งสองอาคารมีกลไกวิบัติที่เหมือนกัน
กรณีตึก 2WTC ถูกเครื่องบินชนที่ระดับชั้นที่ตำกว่า 1WTC ทำให้ 2WTC มีน้ำหนักอาคารที่เป็น Self-Weight Bomb ที่คอยทำลายอาคารมากกว่า 1WTC ประกอบกับภาพที่ปรากฏจะเห็นถึงการระเบิดและเพลิงไหม้ที่รุนแรงก ว่า ทำให้อาคาร 2WTC เกิดการวิบัติภายในเวลาเพียง 1 ชั่วโมง ขณะที่อาคาร 1WTC มีการวิบัติภายในเวลา 1 ชั่วโมง 45 นาที
สรุปได้ว่าอาคาร WTC ซึ่งพังทลายโดยปรากฏการณ์ Self-Weight Bomb และ Progressive Failure ทำให้คนทั่วโลกตระหนักถึงจุดอ่อนของโครงสร้างตึกสูงซึ่งง่ายต่อ การก่อวินาศกรรมอย่างชัดเจน
[แก้] การวิบัติของโครงสร้างเหล็กเมื่อถูกเพลิงไหม้
โครงสร้างเหล็กซึ่งถูกเพลิงไหม้โดยตรงจะเกิดการวิบัติได้ภายในร ะยะเวลาอันสั้น ประสบการณ์การวิบัติของอาคารโรงงานเคเดอร์ อินดัสเทียล ซึ่งเป็นอาคาร 4 ชั้น ที่มีเสาและคานเป็นเหล็กรูปพรรณที่ไม่มีวัสดุหุ้มกันอัคคีภัยเล ย อาคารโครงสร้างเหล็กถึง 3 หลัง ได้เกิดการวิบัติหลังจากเกิดเพลิงไหม้เพียง 30 นาทีเท่านั้น (รูปที่ 6)
[แก้] Self-Weight Bomb
Self-Weight Bomb เป็นปรากฏการณ์ที่ไม่ใช่ของใหม่สำหรับวิศวกรไทย เพราะเคยเกิดเหตุการวิบัติที่โด่งดังมากที่สุดในประเทศไทย คือ โรงแรมรอยัลพลาซ่าวิบัติเมื่อที่ 13 สิงหาคม 2536 เมื่อมีการต่อเติมอาคารจากความสูง 2 และ 3 ชั้น เป็น 6 ชั้น จึงเกิดการวิบัติโดยน้ำหนักของตัวอาคารเอง (รูปที่ 7) อีกกรณีคือ การวิบัติของอาคารสูง 11 ชั้น ถนนรามคำแหง เมื่อวันที่ 5 ธันวาคม 2533 เมื่อเจ้าของอาคารสร้างตึกที่ขออนุญาตไว้ 7 ชั้น จนถึงชั้นที่ 11 อาคารก็พังลงมา
[แก้] Progressive Failure
เหตุการณ์ Progressive Failure โดยมี Self Weight Bomb ที่ชัดเจนที่สุดที่เคยเกิดขึ้นในประเทศไทยเมื่อวันที่ 9 กรกฎาคม 2534 ที่หน่วยงานก่อสร้างอาคาร 16 ชั้น ถนนรัชดาภิเษก เมื่อผู้รับเหมาก่อสร้างได้ก่ออิฐจำนวนมากไว้บนนั่งร้านที่ตั้ง สูงจากพื้นชั้นที่ 12 ประมาณ 6 เมตร (รูปที่ 9) เมื่อนั่งร้านสูง 6 เมตรเกิดพังทลายลงมา น้ำหนักอิฐที่ตกลงมากระทบพื้นชั้นที่ 12 จึงเป็น Self Weight Bomb ที่ทำให้พื้นชั้นที่ 12 พังทลายและเกิด Progressive Failure ที่พื้นชั้นที่ถัด ๆ ลงมาพังต่อเนื่องทะลุลงมาตลอดจนถึงชั้นล่าง (รูปที่ 9)
[แก้] ข้อสังเกตต่อการวิบัติ
การวิบัติครั้งนี้มีข้อสังเกตที่น่าสนใจดังนี้
- ประการแรกที่สุด ระบบดับเพลิงอัตโนมัติของอาคาร ซึ่งก็คือหัวฉีดน้ำ Sprinkler ของตึกสูงทั่วไปออกแบบให้ดับเพลิงไหม้ จากเหตุเพลิงไหม้ธรรมดา จึงไม่สามารถดับเพลิงจากน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องบินจำนวนมาก
- ประการที่สอง โครงสร้าง Framed Tube ซึ่งมีเสาอยู่รอบนอก และมีกลุ่ม Core อยู่กลางตึก มีความแข็งแรงต้านทานแรงในแนวราบได้ดีแต่ถ้าเสาด้านนอกถูกทำลาย โดยเครื่องบินก็จะเกิดการวิบัติได้ง่าย
- ประการที่สาม วัสดุหุ้มกันอัคคีภัย แม้ว่าจะผ่านการทดสอบว่าป้องกันเพลิงไหม้ได้มากกว่า 3 ชั่วโมง แต่ถ้าเกิดอุบัติเหตุซึ่งทำให้วัสดุกันอัคคีภัยหลุดจากเหล็ก ก็จะทำให้โครงสร้างเหล็กได้รับความร้อนโดยตรงจึงวิบัติได้ง่าย
[แก้] คิดใหม่ ทำใหม่ วินาศกรรมแบบใหม่
ในอดีตเราจะเห็นเหตุการณ์ผู้ก่อการร้ายพยายามขับรถบรรทุกระเบิด ชนด้านล่างของตึกเพื่อพังทลายตึกคล้ายกับกรณีการระเบิด ทำลายอาคารเก่าแต่ครั้งนี้ผู้ก่อการร้ายมีแนวคิดใหม่ ๆ ที่แปลกออกไป หากกลุ่มก่อการร้ายผู้วางแผนก่อวินาศกรรมครั้งนี้ จินตนาการไว้ก่อนว่าจะทำให้ตึกขนาดสูง 110 ชั้น พังทลายได้อย่างที่เห็น โดยใช้เครื่องบินตึกละ 1 ลำเท่านั้น โดยได้วิเคราะห์ถึงปัจจัยเรื่องตำแหน่งการชนที่จะทำให้มี Self-Weight Bomb ที่เพียงพอ และทำให้ตึกวิบัติโดยพฤติกรรม Progressive Failure ดังที่วิเคราะห์ไว้ข้างต้น ไม่ใช่การฟลุค การบังเอิญที่สามารถทำให้เกิดการวิบัติอย่างวินาศสันตะโรเช่นนี ้ ก็นับได้ว่าเป็นอัจฉริยะในการคิดก่อวินาศกรรมโดยแท้ เพราะเป็นสิ่งที่ไม่เคยเกิดขึ้นกับอาคารสูงเช่นนี้มาก่อน
แต่ถ้าเล็งดูองค์ประกอบก็น่าจะเห็นว่าผู้ก่อการร้ายตั้งใจพอสมค วร กล่าวคือผู้ก่อการร้ายเลือกเครื่องบินลำค่อนข้างโตคือ 767 (ที่ไม่เลือก Boeing 747 อาจจะเพราะลำโตเกินไป ผู้โดยสารมาก การจี้อาจจะลำบากกว่าดังเช่นลำที่ตกที่เพนซิลเวเนีย) และเลือกเครื่องบินที่บินค่อนข้างไกล (ปลายทางของเครื่องบินคือลอสแองเจลิส) เพื่อจะได้มีเชื้อเพลิงในเครื่องบินมากๆ สำหรับตำแหน่งที่เครื่องบินชนก็อยู่ในระดับที่ค่อนข้างสูง แต่ก็ไม่สูงมากเกินไป ซึ่งอาจจะทำให้น้ำหนักอาคารด้านบนไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิด Progressive Failure และต้องไม่ต่ำเกินไปเพราะถ้าต่ำมากๆ โครงสร้างอาจจะแข็งแรงเกินกว่าเครื่องบินจะทำอันตรายได้
[แก้] References
1. Structured Systems for Tall Buildings, Council on Tall Buildings and Urban Habitat, 1995
2. Structural Analysis & Design of Tall Building, Bungale S. Taranath, 1988
3. National Council of Structural Engineers Associations (www. NCSEA. COM)
[แก้] อ้างอิงจาก
เว็บไซด ไทยเอนจีนิเรียริ้ง.คอม[1]