การป้องกันไฟไหม้โครงสร้างเหล็ก

                       

รูปที่ 1. ความเสียหายแก่โครงสร้างเหล็กเนื่องจากเพลิงไหม้

นอกจากนั้นในเรื่องของความปลอดภัย โครงสร้างเหล็กยังเป็นที่ยอมรับว่ามีความสามารถในการต้านทานแรงต่างๆ ที่กระทำอย่างเฉียบพลันได้เป็นอย่างดี โดยเฉพาะในปัจจุบันข่าวภัยธรรมชาติจากแผ่นดินไหวเกิดขึ้นบ่อยครั้ง วัสดุเหล็กซึ่งมีความเหนียวและยืดหยุ่นสูง ทำให้เมื่อเกิดเหตุการณ์ขึ้นอาคารจะไม่เกิดการวิบัติพังทลายเฉียบพลันทันที โดยโครงสร้างอาคารอาจจะเกิดการยืดหรือที่เรียกว่าการเสียรูปอย่างถาวร ซึ่งอาจทำการซ่อมแซมในภายหลังได้ ทำให้เกิดความสูญเสียกับชีวิตและทรัพย์สินน้อยกว่า

แต่ข้อจำกัดในการใช้งานโครงสร้างเหล็กก็ยังเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นอยู่

·         การสูญเสียกำลังเนื่องจากอุณหภูมิที่สูงเกินขีดความสามารถของเหล็กที่จะคงความแข็งแรงไว้ได้ เป็นอีกหนึ่งในข้อที่จะต้องพิจารณาในการหาวิธีป้องกัน เพื่อลดการสูญเสีย  โดยเงื่อนไขในข้อกำหนดก็เพื่อเป็นการเผื่อระยะเวลาในการอพยพออกจากพื้นที่เพลิงไหม้ได้อย่างปลอดภัยนั้นเอง

ลำดับขั้นการลุกลามของอัคคีภัยหรือพฤติกรรมของไฟสามารถแยกออกได้ 3 ช่วง คือ 1.ช่วงก่อนจุดวาบไฟ ( Pre-Flashover Fire )  2. ช่วงลามไฟ ( Fully-Developed Fire ) และ 3. ช่วงเย็นตัวลง ( Cooling Phase ) แต่ช่วงที่สำคัญซึ่งจะเป็นตัวชี้วัดการลุกลามของไฟ จะอยู่ระหว่างช่วงก่อนจุดวาบไฟและช่วงลามไฟ เราเรียกว่า ช่วงจุดวาบไฟ ( Flashover Period ) ซึ่งเป็นจุดที่จะมีความชันของกราฟเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงระยะเวลาสั้นๆ ตามรูปที่… ในช่วงที่ 1 ช่วงก่อนจุดวาบไฟ เป็นช่วงที่เพลิงไหม้กำลังสะสมความร้อน พฤติกรรมของไฟจะไม่แตกต่างกันและไม่ขึ้นกับสภาวะแวดล้อมถ้าไม่มีจำนวนเชื้อเพลิงและอากาศที่เพียงพอ หรือมีการดับไฟในช่วงนี้ความเสียหายที่เกิดขึ้นจะมีเพียงเล็กน้อย แต่ในทางกลับกันถ้าพื้นที่ดังกล่าวมีเชื้อเพลิงมากมีออกซิเจนในอากาศมากเพียงพอจนถึงจุดวาบไฟ ก็จะเกิดการเผาไหม้ในพื้นที่นั้น การลามของไฟไปยังพื้นที่ข้างเคียงจะเกิดหลังจุดวาบไฟนี้ ซึ่งการลามของไฟนี้อาจจะควบคุมได้ถ้ามีการใช้วัสดุที่สามารถควบคุมหรือหน่วงเวลามิให้เพลิงไหม้ลามไปยังพื้นที่ข้างเคียงได้ ดังนั้นในทางวิศวกรรมจึงพิจารณาถึงการป้องกันไฟสำหรับวัสดุที่จะนำมาใช้เพื่อมิให้โครงสร้างเหล็กเกิดความเสียหายจนวิบัติในเวลาอันรวดเร็ว  หรือเพื่อยืดระยะเวลาความเสียหายให้เกิดขึ้นช้าที่สุดในช่วงลามไฟนี้

                              

รูปที่ 2 กราฟความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและเวลาภายใต้สภาวะเพลิงไหม้ทั่วไป

ซึ่งจากผลการทดสอบจากงานวิจัยต่างๆ พบว่าจุดวาบไฟจะอยู่ที่อุณหภูมิประมาณ 600 องศาเซลเซียส แม้เหล็กจะเป็นวัสดุที่ไม่ติดไฟ แต่เพื่อป้องกันการเสียรูปทางกลศาสตร์เนื่องจากอุณหภูมิ เช่น กำลังคลาก โมดูลัสยืดหยุ่น ซึ่งจะส่งผลถึงความสามารถในการรับแรงที่ลดลง ทำให้ต้องพิจารณาหาทางป้องกันไม่ให้โครงสร้างเหล็กมีอุณหภูมิสูงเกินขีดจำกัดดังกล่าวหรือหน่วงเวลาให้นานขึ้น

รูปแบบของการป้องกันอาจแบ่งเป็น 2 แบบคือ

1.       Active เช่น Sprinkler , Smoke Detector หรือ Heat Detector ซึ่งจะแจ้งเตือนให้มีการเข้าดับเพลิงอย่างรวดเร็ว ลดระยะเวลาที่โครงสร้างจะต้องเผชิญกับเพลิงไหม้เป็นเวลานาน

2.       Passive คือการหน่วงเวลาที่จะทำให้อุณภูมิของวัสดุเหล็กที่เป็นโครงสร้างเพิ่มสูงขึ้น เพื่อเพิ่มเวลาในการอพยพและเคลื่อนย้ายออกจากอาคารได้ทัน

การออกแบบโครงสร้างให้มีความทนไฟในปัจจุบันมี 2 วิธี คือ

1.       Prescriptive Method  ซึ่งมาตรฐานการออกแบบระบุว่าจะต้องออกแบบให้วัสดุแต่ละชิ้นสามารถทนไฟได้ตามแต่ที่ต้องการหรือตามข้อกำหนดของชิ้นส่วนนั้นๆ   แต่ไม่ได้หมายรวมถึงความสามารถในการทนไฟโดยรวมทั้งอาคาร

2.       Performance-Based Method ซึ่งวิธีนี้ได้รับความนิยมกันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากการจะเป็นการพิจารณาการป้องกันโครงสร้างทั้งระบบ เช่น ชนิดของเพลิงไหม้ น้ำหนักบรรทุกของอาคาร ลักษณะการใช้งานของอาคาร ฯลฯ ทำให้เกิดประสิทธิภาพมากกว่า

           

รูปที่ 3 วิธีการป้องกันไฟให้กับเสาเหล็ก ( www.fgg.uni-lj.si )

                         

รูปที่ 4 วิธีการป้องกันไฟให้กับคานเหล็ก ( ที่มา www.compactdynamics.com )

1.       Insulation Technology

เป็นการใช้วัสดุหุ้มรอบโครงสร้างเหล็กเพื่อมิให้โครงสร้างเหล็กปะทะกับไฟโดยตรง โดยวัสดุที่เลือกใช้ควรมีคุณสมบัตินำความร้อนต่ำ เช่น คอนกรีต อิฐ กระเบื้อง หรือวัสดุที่ปัจจุบันได้รับความนิยมมากคือ ยิปซั่ม ( Gypsum ) เนื่องจากองค์ประกอบของยิปซั่มมีน้ำเป็นองค์ประกอบร่วมกับ Calcium Sulfate ซึ่งการจะดึงน้ำออกจาก Calcium Sulfate จะต้องใช้ความร้อนและพลังงานที่มาก อีกทั้งราคาก็ไม่สูงมากอีกด้วย

2.       การใช้คอนกรีตหุ้มรอบ ( Concrete Encasement )

เป็นอีกวิธีที่ได้รับความนิยม เนื่องจากคอนกรีตเป็นวัสดุที่หาได้ง่ายและและใช้กันอย่างคุ้นเคย อีกทั้งราคาวัสดุก็ไม่สูง ตลอดจนคุณสมบัติของคอนกรีตที่เป็นฉนวนความร้อนที่ดี มีค่าการนำความร้อนต่ำ คือ ประมาณ 1-3 วัตต์ต่อเมตร ต่อเคลวิน

สำหรับความหนาของคอนกรีตที่ใช้หุ้มจะแปลผันตรงกับความสามารถในการป้องกันความร้อน คือยิ่งหนามากก็จะกันความร้อนได้มากและนาน แต่ข้อเสียก็อยู่ที่การทำให้น้ำหนักโครงสร้างเพิ่มขึ้นนั่นเอง แต่วิธีแก้ไขเพื่อไม่ให้น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นเป็นภาระให้กับโครงสร้างอย่างเดียว ก็คือถ้าคอนกรีตที่หุ้มมีความหนามากพอ สามารถใส่เหล็กเสริมและนำมาคำนวณเป็นโครงสร้างช่วยรับแรงได้เช่นกัน ซึ่งวิธีน้ำได้รับความนิยมในญี่ปุ่น อังกฤษ และสหรัฐอเมริกา

                                          

รูปที่ 5 การป้องกันไฟโดยการหุ้มคอนกรีตรอบโครงสร้างเหล็ก

นอกจากการใช้คอนกรีตธรรมดาในการหุ้มและยังมีคอนกรีตประเภท Autoclaved Aerated ( AAC ) หรืออาจเรียกว่า Autoclaved Cellular Concrete ( ACC )  ซึ่งจะใช้วัสดุมวลรวมขนาดเล็กเช่น หินปูน ผงอลูมิเนียมและสารผสมเพิ่มอื่นๆ ทำให้เกิดปฏิกริยาเคมีจนเกิดฟองอากาศจำนวนมากภายในเนื้อคอนกรีต ซึ่งวัสดุประเภทนี้อาจให้ค่าการทนไฟได้นานถึง 4 ชั่วโมงตามข้อกำหนดของ ASTM E119 อีกด้วย

3.       แผ่นฉนวนกันความร้อน ( Insulating Board System )

มักผลิตมาจากวัสดุจำพวก แคลเซียมซิลิเกต ( Calcium Silicate ) ยิปซั่ม พลาสเตอร์ หรือไฟเบอร์ที่ผลิตขึ้นจากการผสมกันระหว่างยางน้ำและยิปซั่ม โดยอาจมีส่วนผสมของ เวอร์มิคิวไลท์ ( Vermiculite ) ร่วมด้วย ซึ่งวิธีการใช้มักนำมาติดกับโครงสร้างเหล็กโดยตรง ตัวอย่างการนำมาใช้กับคานหน้าตัดรูปตัวไอ ( I Section ) ที่มีอัตราส่วนเส้นรอบรูปต่อพื้นที่หน้าตัด ( Perimeter / Area ) ที่ 150 m^-1 เพื่อให้ได้ความสามารถทนไฟที่ 1 ชั่วโมง ต้องใช้ฉนวนหนาประมาณ 15-20 มิลลิเมตร และถ้าต้องการให้อัตราทนไฟเพิ่มขึ้นเป็น 2 ชั่วโมงต้องใช้ความหนาที่ประมาณ 25-40 มิลลิเมตร

                            

รูปที่ 6 การใช้แผ่นฉนวนกันไฟสำหรับงานโครงสร้างเหล็ก( ที่มา www.british-gypsum.com )

แผ่นฉนวนประเภทยิปซั่มจะได้รับความนิยมมากกว่าแคลเซียมซิลิเกต เนื่องจากหาง่ายและราคาถูกกว่า   โดยที่การใช้งานมักใช้กับโครงสร้างที่เป็นเสามากกว่าคานเนื่องจากเป็นส่วนที่ต้องปะทะสายตามากว่า

                                

รูปที่ 7 แผ่นฉนวนกันไฟสำหรับงานโครงสร้างเหล็ก ( ที่มา http://ziboyinghan.itm.com.cn )

4.       Man Made Mineral Fiber (MMMF) System

เป็นระบบที่มีประสิทธิภาพสูงอีกวิธีหนึ่ง ซึ่งผลิตจากวัสดุที่สังเคราะห์ขึ้นจากสินแร่จำพวกใยหิน ( Rockwool ) เซรามิคไฟเบอร์ หรือ ไฟเบอร์กลาส ( ประมาณ 97-99%) นำไปผสมรวมกับวัสดุประสานและน้ำมัน การใช้จะอาศัยกาวยาง ( Resin ) เป็นวัสดุที่ใช้ติดตั้ง MMMF กับเหล็กโครงสร้าง แต่มักไม่ใช้กับคานหรือเสาที่อยู่ภายนอกหรือต้องปะทะกับสายตาโดยตรงเนื่องจากความไม่สวยงาม

                         

รูปที่ 8 วัสดุ MMMF ( ที่มา www.wbdg.org )

วิธีการนำไปใช้ตัวอย่างหน้าตัดเหล็กรูปพรรณตัวไอ ( I Beam ) ที่มีอัตราส่วนเส้นรอบรูปต่อพื้นที่หน้าตัด ( Perimeter / Area ) ที่ 150 m^-1 ถ้าต้องการอัตราทนไฟที่ 1 ชั่วโมงต้องใช้ความหนาประมาณ 20-25 มิลลิเมตร และถ้าต้องการอัตราทนไฟที่ 2 ชั่วโมงต้องใช้ความหนาที่ประมาณ 30-50 มิลลิเมตร

5.       วัสดุฉีดพ่นกันไฟ ( Sprayed Fie Resistive Material, SFRM )

มักทำขึ้นจากซีเมนต์หรือยิปซั่ม ผสมกับวัสดุมวลรวม ( Aggregate) ที่มีน้ำหนักเบา เช่น วัสดุจำพวก เวอร์วิคิวไลท์ เพอร์ไลท์ หรือ โพลีไสตลีน โดยมีวัสดุจำพวกเส้นใยไฟเบอร์ หรือเซลลูโลสเป็นวัสดุผสมเพิ่มประสิทธิภาพในการทนไฟ

                              

รูปที่ 9 การใช้วัสดุพ่นกันไฟให้กับโครงสร้างเหล็ก ( ที่มา www.gni.ca )

อย่างไรก็ตามจากผลการสำรวจพบว่าวิธีนี้ได้รับความนิยมน้อยลงในประเทศอังกฤษ แม้ว่าราคาจะไม่สูงก็ตาม อาจจะเป็นเรื่องของการควบคุมคุณภาพซึ่งทำได้ยาก การเตรียมงานที่ยุ่งยาก หรือความไม่สวยงามก็เป็นได้

5.1     เพอร์ไลท์ ( Perlite )

เป็นวัสดุประเภทแร่เส้นใยที่มีคุณสมบัติสามารถดูดซับความชื้นและกลิ่นได้ดี ไม่ติดไฟ ทนทานต่อความร้อนได้สูงและเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดี มีค่าการนำความร้อนต่ำ ดูดซับน้ำและความชื้นได้ดี เป็นสารเฉื่อย(เกิดปฏิกริยาเคมีกับสารอื่นยาก ) มีค่า PH เป็นกลาง  มีความหนาแน่นต่ำและน้ำหนักเบาเพียงประมาณ 95-145 กิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร อีกทั้งยังไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม หาได้ในประเทศ ด้วยคุณสมบัติต่างๆ เหล่านี้ทำให้เพอร์ไลท์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวาง ทั้งใช้เป็นสารดูดกลิ่น วัสดุกรอง วัสดุเก็บเสียง เป็นฉนวนกันความร้อนในอุตสาหกรรมและก่อสร้าง เป็นต้น

                       

รูปที่ 10 ลักษณะของหินเพอร์ไลท์ และ แร่เส้นใยเพอร์ไลท์ ( ที่มา http://enghome.eng.psu.ac.th )

เนื่องจากเพอร์ไลท์สามารถทนอุณหภูมิได้สูงถึงประมาณ 980-1000 องศาเซลเซียส   จากการทดสอบโดยนำเพอร์ไลท์มาผสมกับซีเมนต์ (เพื่อเป็นสารยึดเกาะ) และน้ำตามอัตราส่วนแล้วฉีดพ่นที่ความหนา 2 นิ้วพบว่ามีคุณสมบัติป้องกันความร้อนได้เท่ากับแผ่นฉนวนความร้อนมาตรฐาน โดยผลจากการทดสอบตาม ASTM E119 พบว่าชิ้นส่วนที่พ่นวัสดุเคลือบป้องกันที่มีส่วนผสมของเพอร์ไลท์อยู่จะทนไฟได้ประมาณ 3 ชั่วโมง จึงน่าจะเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการนำมาใช้

                          

รูปที่ 11 โครงสร้างเหล็กหลังจากฉีดพ่นสารเคลือบป้องกันไฟประเภทเพอร์ไลท์ ( ที่มา www.inspectapedia.com )

6.       สีกันไฟ ( IntumescentPaint )

เป็นวัสดุที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นเวลายาวนาน โดยปัจจุบันมีผู้ผลิตเพิ่มขึ้นหลายรายซึ่งรายละเอียดการใช้ก็จะแตกต่างกันได้บ้าง ดังนั้นการใช้จึงต้องศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมจากผู้ผลิตเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด

สีกันไฟมีองค์ประกอบที่สำคัญ คือ เรซิน ( Resin ) ซึ่งเป็นยางน้ำที่ใช้เป็นวัสดุประสานกับวัสดุที่นำมาผสม โดยคุณสมบัติที่โดดเด่นของเรซินคือ เมื่อเกิดความร้อนหรือเพลิงไหม้ เรซินจะหลอมละลายตัวแล้วเกิดเป็นแก๊ซ และส่งผลให้เกิดการขยายตัวเป็นเสมือนโฟมที่ไหลเคลือบป้องกันไฟที่จะสัมผัสกับโครงสร้างเหล็ก ซึ่งการขยายตัวของเรซินอาจมากถึง 15-30 เท่าของความหนาของสีกันไฟปกติที่ทา

                                    

รูปที่ 12 การขยายตัวของสีกันไฟภายใต้เปลวไฟ ( ที่มา www.mace.manchester.ac.uk )

ซึ่งผลิตภัณฑ์สีกันไฟที่ใช้กันทั่วไปนั้น มีอยู่ 3 ประเภทใหญ่ๆ ดังนี้

–                    สีกันไฟที่มีตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำเป็นส่วนประกอบ ( Single Part Solvent-Based )

–                    สีกันไฟที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ ( Single Part Water-Base )

–                    Two-Part Epoxy Solvent Free หรือ Solvent-Based

โดยข้อแตกต่างทั้ง 3 ประเภทคือ สีกันไฟประเภทที่มีตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำเป็นส่วนประกอบ มักใช้กับโครงสร้างที่อยู่ภายนอกอาคารซึ่งมักต้องสัมผัสกับสภาวะแวดล้อมโดยตรง สำหรับประเภทที่สองที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบข้อดีคือกลิ่นจะไม่รุนแรง เหมาะกับการใช้กับโครงสร้างภายในอาคาร  แต่ข้อจำกัดคือจะไม่ทนทานต่อสภาวะความชื้นและอุณหภูมิที่ต่ำ และสำหรับประเภทสุดท้าย จะมีอีพ๊อกซี่ ( Epoxy ) เป็นตัวประสาน ( Binder ) พฤติกรรมเพื่อได้รับความร้อนจะคล้ายกับสองประเภทแรกคือจะมีการขยายตัว แต่จะมีความทนทานต่อคลื่นความร้อนและการสึกกร่อนได้ดีกว่าสองประเภทแรก จึงมักใช้กับพื้นที่ที่เข้าซ่อมบำรุงได้ยาก เช่นโครงสร้างในทะเล โรงงานเคมีอันตราย เป็นต้น

ขอบคุณที่มาของบทความ  http://sscc.isit.or.th/