เรียนรู้

แผ่นดินไหว : เมื่อคลื่นยำคน เมื่อคนสู้คลื่น

คลื่นยำคน

เมื่อพูดถึงภัยพิบัติแผ่นดินไหว เอาแค่เรื่องแรงสั่นสะเทือนอย่างเดียว มนุษย์เราก็น่าจะห่อเหี่ยวลงไปไม่น้อย ชัวร์ครับ !!! คลื่นแผ่นดินไหวไปที่ไหน ก็บรรดัยกันแน่ๆ แต่จะมากหรือน้อยก็ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย

ไม่ต้องบอกก็รู้ว่ายิ่งแผ่นดินไหวมี 1) ขนาด (magnitude) ใหญ่ แรงสั่นสะเทือนก็ยิ่งแรงขึ้น และก็เหมือนเคราะห์ซ้ำกรรมซัด เพราะแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ก็จะให้แรงสั่นที่ 2) นาน (duration) ขึ้นด้วย เป็นเงาตามตัว เช่นในกรณีของแผ่นดินไหวขนาด 5.0 จะสั่น 4 วินาที ในขณะที่แผ่นดินไหวขนาด 8.5 สั่นนานถึง 43 วินาที ยิ่งถ้าคลื่นวิ่งผ่านชั้นดินอ่อน เราก็งานงอกทันที เพราะนอกจากคลื่นไหวสะเทือนจะแรงขึ้น มันยังสั่นนานขึ้นอีกด้วย

เพิ่มเติม : แรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว : หน้าตา นิสัย และหน่วยวัด

(ซ้าย) อัตราเร่งจากแผ่นดินไหวขนาดต่างๆ ในประเทศเม็กซิโก ที่มีระยะห่างจากจุดศูนย์กลางถึงสถานีตรวจวัดเท่าๆ กัน ยืนยันว่าแผ่นดินไหวใหญ่สั่นแรงกว่าแผ่นดินไหวเล็ก (Anderson และ Quaas, 1988) (ขวา) ความยาวนานของแรงสั่นสะเทือนที่ระยะห่างจากจุดศูนย์กลางแผ่นดินไหวน้อยกว่า 10 กิโลเมตร (Krinizsky, 1977)

อีกอย่างเราก็คงเลือกไม่ได้เหมือนเลือกไก่ KFC เพราะทุกครั้งที่แรงสั่นมา คลื่นทั้ง 4 แบบ ก็จะประเคนมาให้ครบแทบทุกตัว ซึ่งคลื่นแต่ละตัว ก็เขย่าพื้นดิน 3) ต่างสไตล์หลายลีลา (style) เช่น คลื่นปฐมภูมิ ที่เป็นแบบอัด-ขยายไปตามทิศวิ่ง ดังนั้นเมื่อคลื่นซึ่งมาจากใต้โลกวิ่งถึงผิวโลก คลื่นปฐมภูมิจะโหม่งพื้นโลกกระแทกแบบตั้งฉาก ซึ่งเราก็จะรู้สึกเหมือนกำลังนั่งอยู่บนรถที่วิ่งบนถนนขรุขระ ซึ่งถ้าโดนนานๆ แบบแรงๆ ก้นเราก็แดงได้เหมือนกัน แต่ด้วยทิศกระแทกของคลื่นปฐมภูมินั้นสวนกับแรงโน้มถ่วงโลก จึงไม่ค่อยจะมีผลกับอาคารบ้านเรือนมากนัก เพราะยังมีน้ำหนักของตัวอาคารที่กดทับ สวนสู้กับแรงกระแทกของคลื่นปฐมภูมิได้

การเคลื่อนที่ของพื้นดินเมื่อคลื่นแบบต่างๆ วิ่งผ่าน แผ่นดินไหว 1 ครอบครัว (มีอยู่ 4 ตัว ลูก 2 หลาน 2) และผลกระทบต่อวัตถุบนพื้นผิวโลก

และถึงแม้ว่า คลื่นทุติยภูมิ จะสั่นในแนวระนาบและทำให้ตึกโอนเอนได้ แต่ก็เพราะมีแอมพลิจูดต่ำ แม้จะเป็นแรงโยกของน้องทุติย ก็ทำได้แค่สะกิดตึกเบาๆ แบบพอระคายผิว ถ้าแผ่นดินไหวไม่ใหญ่หรือเกิดใกล้จริงๆ แต่ คลื่นพื้นผิว ทั้ง คลื่นเลิฟ และ คลื่นเรลีย์ มีโอกาสนำพาความวิบัติมาสู่เรา ก็ด้วยความที่แอมพลิจูดสูงกว่าคลื่นภายในโลกอยู่หลายเท่า อีกทั้งลีลาการโยกนั้นเย้ายวนทั้งเลื้อยทั้งกลิ้ง ถ้าเจอกันซึ่งหน้าจริงๆ อาคารก็อาจจะอ่อนยวบลงไปได้

ลำดับเวลาการเดินทางไปถึงที่ต่างๆ และแอมพลิจูดหรือความสูงของคลื่นแผ่นดินไหวในแต่ละชนิด

เพิ่มเติม : การลำดับญาติ คลื่นแผ่นดินไหว

อีกปัจจัยสำคัญ ที่จะทำให้อาคารมีโอกาสเสียหายได้มากคือ 4) ความถี่ (frequency) เคยไหมครับ !!! รถติดหล่ม… เคยไหมครับถูกแฟนสุดที่รักใช้ให้ลงไปเข็นรถ ถ้าผู้อ่านเคย (รถติดหล่มในช่วงที่มีแฟน) คงพอจะนึกออกว่า ถ้าเราทู่ซี้ ยืนยันจะดันอย่างเดียว ไม่ผ่อนแรง ต่อให้ดันจนหน้าแดง…จ้างให้รถก็ไม่ขึ้น

ถ้าจะเอาให้ถูกหลัก เราต้องออกแรงผลักรถให้เป็นจังหวะ เมื่อเริ่มผลักรถออกไป รถจะไหลกลับมา รอให้รถไหลกลับไปข้างหน้า เราก็ผลักเสริมไปอีกที โยกไป โยกมา ซักพักด้วยจังหวะดีๆ ล้อรถก็หลุดหล่มขึ้นไปได้ (ถ้ามั่นใจว่าแฟนสุดที่รักไม่ได้เหยียบเบรกเอาไว้) วิธีการแบบนี้เป็นวิธีการเสริมแรงให้ตรงกับจังหวะโยกของรถ หรือที่เรียกอย่างเป็นทางการว่า การสั่นพ้อง (resonance)

ตึกก็ไม่ต่างจากรถ (ของแฟน) เพราะถ้าตึกโยกไปทางซ้ายในช่วงที่แอมพลิจูดคลื่นกำลังส่ายไปทางซ้าย พอตึกกำลังเอนกลับมาทางขวาพอดิบพอดีกับที่คลื่นกำลังส่ายไปทางขวา เข้ากันเป็นปี่เป็นขลุ่ยอย่างนี้ไปเรื่อยๆ ตึกก็จะโยกแรงขึ้นๆๆๆ แรงขึ้นอีก ผลสุดท้ายก็…บะ-ระ-บรึ้มมม ครับ

บางท่านอาจจะคิดว่าตึกสูงๆ จะมีความเสี่ยงต่อการโยกมากกว่าตึกเตี้ยเสมอ ผิดถนัดครับ !!! ไม่ว่าตึกกี่ชั้นก็โยกได้ ส่ายได้เต็มที่เหมือนกัน ถ้าเมื่อไหร่คาบการสั่นธรรมชาติของตึก เผอิญไปตอบสนอง สอดคล้องกับคลื่นที่วิ่งมา ปกติแล้ว ตึก 1 ชั้นจะมีคาบธรรมชาติในการสั่นประมาณ 0.1 วินาที ดังนั้นถ้าตึก 30 ชั้นก็จะสั่นด้วยคาบประมาณ 3 วินาที ไม่มีขาดไม่มีเกิน

การทดลองแสดงการสั่นพ้อง (resonance) ของอาคารความสูงต่างๆ กับแรงสั่นสะเทือนที่มีความถี่แตกต่างกัน

ในเรื่องของการสั่นพ้อง นักแผ่นดินไหวอธิบายเสริมว่า ตึกสูงจะตอบสนองสอดคล้องกับคลื่นที่มี ความถี่ต่ำหรือมีคาบยาว (low frequency หรือ long period) สั่นแบบตึ๋งหนืดๆ ส่วนอาคารเตี้ยๆ จะสอดรับกับคลื่นที่มี ความถี่สูงๆ หรือคาบสั้น (high frequency หรือ short period) สั่นแบยิกๆ ดังนั้นถ้ายังจำกันได้ ตึกสูงควรให้ความสนใจกับแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ที่มาจากแดนไกล เพราะคลื่นที่วิ่งมาจะเหลือเฉพาะคลื่นคาบยาว หรืออาจเกิดจากคลื่นใกล้ๆ ที่ความถี่สูงแต่เมื่อเจอชั้นดินอ่อนก็โยกยาว กลายเป็นคาบยาวสาวไส้เราได้เหมือนกัน ส่วนตึกเตี้ยๆ ส่วนใหญ่ก็จะสอดรับกับแผ่นดินไหวใกล้บ้าน ดังนั้นอย่านิ่งนอนใจ เพราะสูงแค่ไหนมันเสี่ยงพอๆ กัน

นอกจากนี้ 5) วัสดุที่ใช้ก่อสร้าง (material of building) ก็มีผลต่อคาบธรรมชาติของตึก เช่น อาคารที่สร้างด้วยไม้หรือเหล็กจะมีความยืดหยุ่นสูง ทำให้ตอบสนองกับคลื่นคาบยาว ส่วนอาคารที่ก่อด้วยปูนหรืออิฐแข็งโป๊ก จะตอบสนองกับคาบสั้น ทำให้อาคารที่สร้างด้วยปูนจะพังง่ายกว่าโครงสร้างไม้ เนื่องจากไม้พลิ้วไหวไหลไปกับคลื่นได้มากกว่าปูนหรืออิฐ

ถึงตรงนี้…ผู้อ่านอาจจะคิดว่า ทำไมโลกนี้มันช่างโหดร้ายกับมนุษย์อย่างเราเสียจริง อย่าเพิ่งจิตตกไปครับ ทุกคำถามต้องมีคำตอบ ทุกปัญหาก็ต้องมีทางแก้ไข แรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหวก็เหมือนกัน ถึงจะไม่สามารถห้ามปรามมันได้ แต่ด้วยสมองติดมันอันชาญฉลาดของมนุษย์ เราก็พอที่จะผ่อนหนักให้เป็นเบาลงได้

คนสู้คลื่น

ด้วยเทคโนโลยีด้านวิศวกรรมปัจจุบัน วิศวกรได้คิดมุกบรรเทาภัยพิบัติแผ่นดินไหวเอาไว้หลายแบบ เช่นในกรณีของตึกสูงที่สุดในประเทศไต้หวันอย่าง ไทเป 101 ซึ่งไต้หวันถือเป็นอีกหนึ่งประเทศที่มีแผ่นดินไหวดุในระดับแนวหน้าของโลก ดังนั้นเพื่อที่จะให้ไทเป 101 พ้นภัยจากการสั่นพ้อง วิศวกรเลือกใช้ ลูกตุ้มยักษ์ (mass damper) ห้อยต่องแต่งไว้บนตึก

(ซ้าย) ตึกไทเป 101 (ขวา) รูปสเกตภายในของตึกไทเป 101 (ที่มา : www.wikipedia.org)

ซึ่งเมื่อปะทะกับแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว ลูกตุ้มจะแกว่งไกว ไปพร้อมๆ กับการสั่นของตึก แต่เนื่องจากลูกตุ้มนั้นสั่นด้วยความถี่หรือคาบที่ต่างจากคาบธรรมชาติของตึก ทำให้ตึกเสียจังหวะการส่าย ไม่สั่นพ้องได้ง่ายๆ กับคลื่นที่วิ่งมากระทบ เหมือนกับเรากำลังเข้าจังหวะแร๊พอยู่ดีๆ มีเพื่อนมาเซิ้งหมอลำคร่อมจังหวะอยู่ข้างๆ สเต็ปเท้าเราก็อาจเป๋ ขาตาย หยุดเต้นเอาดื้อๆ ได้เหมือนกัน

ลูกตุ้มยักษ์ ที่ห้อยอยู่ภายในตึกไทเป 101 (ที่มา : www.flickr.com)

นอกจากจะช่วยขัดจังหวะการสั่นของตึกจากแผ่นดินไหวแล้ววัตถุประสงค์หลักของการแขวนลูกตุ้มเอาไว้บนตึกไทเป 101 ก็คือความพยายามที่จะขัดจังหวะ ลมเฉือน (windshear) ที่มักจะเป็นไม้เบื่อไม้เมากับตึกที่สูงชลูดทั่วโลก

หรือถ้าต้องการหลีกเลี่ยงการสั่นพ้องแบบง่ายๆ เราก็สามารถทำได้ โดยไม่ต้องพึ่งตุ้ม เช่น การเอาแท๊งก์น้ำไปไว้บนดาดฟ้าตึก (liquid damper) แล้วเติมน้ำในระดับที่คำนวณแล้วว่าได้ผล เมื่อเกิดแผ่นดินไหวน้ำจะกระเพื่อม ขัดจังหวะการส่ายของตึกได้เหมือนกัน แถมบางประเทศยังมีไอเดียบรรเจิด คิดเทคนิคเปลี่ยนแรงกระเพื่อมของน้ำให้กลายเป็นความร้อนมาต้มมาม่า นั่งกินเคล้าแรงสั่น สบายใจเฉิบ

แบบจำลองอย่างง่ายของการใช้ลูกตุ้มมาขัดจังหวะการสั่นของอาคาร

อีกหนึ่งตัวอย่างแนวทางในการต้านแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว ซึ่งนิยมใช้มากในประเทศญี่ปุ่นคือ การใช้ฐานรากของอาคารให้สามารถเคลื่อนที่ได้ (base isolation) ไม่ยึดติดด้วยเสาเข็ม โดยปกติมักจะใช้เป็นลูกกลิ้ง หรือล้อเลื่อน หรือห่วงยางรูปโดนัท ซึ่งเมื่อเกิดแผ่นดินไหว แรงจะทำให้ตึกทั้งตึกเคลื่อนไปมา แต่ทำให้ตัวตึกนั้นโยกน้อยลง

วัสดุและหน้าตามุมต่างๆ ของอุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมต่อระหว่างตัวอาคารและเสาเข็ม เพื่อให้อาคารเปรียบเสมือนแยกออกจากฐานราก และสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างเป็นอิสระเมื่อเกิดแผ่นดินไหว
กลไกการทำงานของส่วนรอยต่อหรืออุปกรณ์ที่ใช้เป็นฐานรากของอาคารให้สามารถเคลื่อนที่ได้ (base isolation)

นอกจากนี้ยังมีนวัตกรรมทางด้านวิศวกรรมอื่นๆ อีกมากมายที่วิศวกรคิดเอาไว้ เพื่อให้สอดรับกับคลื่นไหวสะเทือนและให้อาคารนั้นเสียหายน้อยที่สุด เช่น การยึดตรึง (brace) เป็นการเสริมโครงสร้างอาคารด้วยโครงสร้างแบบทแยงมุม ช่วยให้อาคารสามารถรองรับแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหวที่มาแบบแกว่งไปมา การแทรกโครงสร้าง (infill) การใส่กรอบเสริม (frame) ตลอดจน การค้ำยัน (buttress) เป็นต้น

นวัตกรรมทางด้านวิศวกรรม ที่ช่วยลดความเสี่ยงต่อแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว
(ซ้าย-ขวาบน) สภาพการปริแตกและการล้มคะเมนของอาคาร หลังจากได้รับแรงสะเทือนจากแผ่นดินไหว (ขวาล่าง) รูปแบบของอาคารที่ได้รับการยึดตรึง (brace)

หรือหากอัตคัด มีงบไม่มากพอที่จะเทลงไปกับโครงสร้างต้านแผ่นดินไหว นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันก็ยังคิดค้นำ แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber Reinforced Polymers, CFRP) เพื่อใช้สำหรับพันตามจุดเชื่อมต่อของโครงสร้างที่อาจปริแตกได้ง่ายเมื่อเกิดแผ่นดินไหว โดยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์นี้ มีคุณสมบัติมหัศจรรย์ ช่วยให้ส่วนที่ถูกห่อหุ้มเหนียวขึ้น สนนราคาก็ประมาณตารางเมตรละ 2,000 กว่าบาท ซึ่งก็ถือว่าถูกมากเมื่อเทียบกับวิธีอื่นๆ ผู้เขียนว่า มันก็น่าจะเหมาะดีกับบ้านเรา ที่ยังคงมีอาคารเก่าๆ มากมายที่สร้างขึ้นก่อนกฎหมายด้านแผ่นดินไหวจะถูกบังคับใช้ และยิ่งนับวัน ข้อมูลวิจัยใหม่ๆ ก็สื่อเป็นนัยๆ ว่าแผ่นดินไหวในประเทศไทยนั้นไม่ได้จิ๊บจ้อย

(ซ้าย) หน้าตาแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ (ที่มา : www.blogspot.com) (ขวา) การนำแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มาพันเสาอาคารเพื่อช่วยต้านทานแรงสั่นสะเทือนแผ่นดินไหว (Islam และคณะ, 2011) ยึดได้ก็ยึด พันได้ก็พัน

เฮ้ออออออ ถึงตรงนี้ใจชื้นกันบ้างไหมครับ ใจร่มๆ เรายังอยู่ได้ อยู่กับมันได้อย่างทุเลา แต่ที่สำคัญเราใส่ใจกับการป้องกันมันบ้างหรือเปล่า ผู้เขียนฝากไว้เป็นข้อคิดก่อนจะปิดบทความนี้นะครับว่า เคยเห็นคนไหนที่ยืนอยู่กลางถนนแล้วถูกแรงสั่นจนชักตาย ไม่มีใช่ไหมครับ นั่นคือสิ่งที่ยืนยันว่าแผ่นดินไหวไม่เคยฆ่าคน มีแต่อาคารที่เราสร้างมันมากับมือต่างหากที่เป็นฆาตกร ดังนั้นถ้าอยากห่างไกลจากภัยแผ่นดินไหว ไม่ใช่เรื่องยากครับ แค่สร้างตึกที่ปลอดภัย เป็นร่มโพธิ์ร่มไทรให้เราได้พึ่งพิง ไม่ใช่เป็นเหมือนหอกแหลมมาทิ่มแทงเราเมื่อยามแผ่นดินไหวมา เท่านี้เราก็อยู่กับแผ่นดินไหวได้แล้วอย่าง…สันติ ภัยหลบลี้

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth

Share: