เมื่อวิศวกรรมล้ำสมัย...ช่วยให้ "ไทเป 101" ยืนหยัดท่ามกลางแผ่นดินไหวรุนแรงที่สุดในรอบ 25 ปีของไต้หวัน

โพสต์นี้มาฝึกอ่านบทความภาษาอังกฤษจาก CNN พาไปรู้จักกับความอัจฉริยะในการออกแบบตึกระฟ้า Taipei 101 ที่ครั้งหนึ่งเคยสูงที่สุดในโลก และเพิ่งผ่านบททดสอบสำคัญจากแผ่นดินไหวขนาด 7.4 โดย ไม่ได้รับความเสียหายเลยแม้แต่น้อย

ไทเป 101 กับชัยชนะของวิศวกรรมสมัยใหม่ ท่ามกลางแผ่นดินไหวรุนแรงที่สุดในรอบ 25 ปีของไต้หวัน

แผ่นดินไหวขนาด 7.4 ที่เกิดขึ้น ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิตอย่างน้อย 9 ราย และอาคารเสียหายถึง 770 แห่ง ตามข้อมูลล่าสุดจากสำนักงานดับเพลิงแห่งชาติของไต้หวัน (NFA)

แม้จะอยู่ห่างจากศูนย์กลางแผ่นดินไหวเพียง 80 ไมล์ เมืองหลวงไทเปก็ได้รับแรงสั่นสะเทือนอย่างรุนแรงจากเหตุการณ์นี้ ซึ่งถือเป็นแผ่นดินไหวที่รุนแรงที่สุดของไต้หวันในรอบ 25 ปี อย่างไรก็ตาม อาคารไทเป 101 ที่เคยครองตำแหน่งอาคารที่สูงที่สุดในโลก ก็สามารถยืนหยัดได้โดยไม่มีความเสียหายใด ๆ — ถือเป็นชัยชนะของวิศวกรรมสมัยใหม่

ในภาพจากเหตุการณ์ จะเห็นอาคารสูง 1,667 ฟุตแห่งนี้เอนไหวเล็กน้อย ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความยืดหยุ่นของโครงสร้างที่ช่วยรองรับแรงสั่นสะเทือน อาคารนี้สร้างขึ้นจาก คอนกรีตเสริมเหล็ก ซึ่งเป็นวัสดุที่รวมข้อดีของทั้ง “แรงอัด” ของคอนกรีต และ “แรงดึง” ของเหล็กไว้ด้วยกัน ทำให้โครงสร้างมีความยืดหยุ่นพอจะเอนตัวตามแรงสั่นสะเทือนได้ แต่ยังคงแข็งแรงพอจะต้านทานลมแรงและพายุไต้ฝุ่นที่พัดผ่านไต้หวันเป็นประจำ

หลักการที่ว่า “อาคารสามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือนได้โดยการเคลื่อนไหวไปกับแรงเหล่านั้น แทนที่จะต่อต้าน” นั้น ถูกใช้มานานในสถาปัตยกรรมดั้งเดิมของเอเชียตะวันออก เช่น เจดีย์ญี่ปุ่น และพระราชวังจีน

ลูกตุ้มยักษ์ดูดซับแรงไหว (Tuned Mass Damper)

นอกจากวัสดุก่อสร้างแล้ว ภายในไทเป 101 ยังมีนวัตกรรมอีกหนึ่งอย่างที่ช่วยเพิ่มความมั่นคงให้กับตึก นั่นคือ ลูกตุ้มยักษ์ลดแรงสั่น (Tuned Mass Damper) ที่แขวนอยู่ระหว่างชั้นที่ 87 ถึง 92 ด้วยสายเคเบิลหนา 92 เส้น

ลูกตุ้มทองคำนี้สามารถแกว่งได้ราว 5 ฟุตในทุกทิศทาง ทำหน้าที่เสมือนลูกตุ้มที่เคลื่อนไหวสวนทางกับการเอนตัวของอาคาร ช่วยดูดซับพลังงานจากแรงสั่นสะเทือน

สเตฟาน อัล ผู้เขียนหนังสือ “Supertall: How the World’s Tallest Buildings Are Reshaping Our Cities and Our Lives” อธิบายว่า

“มันคือถ่วงน้ำหนักขนาดใหญ่ โดยในกรณีของไทเป 101 น้ำหนักของมันอยู่ที่ 660 ตัน ซึ่งแม้จะดูหนักมาก แต่เมื่อเทียบกับน้ำหนักรวมของอาคารแล้ว ถือว่าเป็นส่วนน้อย”

เมื่ออาคารสั่นไหว ลูกตุ้มนี้จะเคลื่อนไหวในทิศทางตรงข้าม และดูดซับพลังงานจลน์ผ่านกระบอกไฮดรอลิกที่เปลี่ยนพลังงานนี้ให้เป็นความร้อน แล้วปล่อยออก

Tuned Mass Damper ถูกใช้ในอาคารสูงทั่วโลก เช่น Steinway Tower ในนิวยอร์ก และ Burj al-Arab ในดูไบซึ่งใช้มากถึง 11 ลูก

อุปกรณ์นี้ช่วยลดอันตรายจาก “แรงสั่นสะเทือนฮาร์มอนิก” (Harmonic Vibration) ซึ่งสามารถทำให้โครงสร้างล้มเหลวได้ อัลเปรียบเทียบว่าเป็นเหมือน “เสียงสั่นของส้อมเสียง (tuning fork)” ที่หากตรงกับความถี่ธรรมชาติของอาคาร ก็จะทำให้อาคารเริ่มสั่นแรงขึ้นเรื่อย ๆ จนอาจถล่มได้

Tuned Mass Damper จะถูก "จูน" ให้มีความถี่ใกล้เคียงกับอาคาร เพื่อดูดซับพลังงานโดยมีการเคลื่อนไหวที่นำหรือช้ากว่าเล็กน้อย ซึ่งช่วยกระจายพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ ยังช่วยลดอาการเวียนหัวหรือไม่สบายตัวที่ผู้คนรู้สึกได้เมื่ออยู่ในอาคารสูงที่เอนตัวในขณะเกิดลมแรง

โครงสร้างเสริมความมั่นคง

ออกแบบโดยบริษัท C.Y. Lee & Partners จากไต้หวัน ไทเป 101 เคยเป็นอาคารสูงที่สุดในโลกตั้งแต่ปี 2004 จนถึง 2007 ก่อนจะถูกแซงโดย Burj Khalifa ในดูไบ ปัจจุบันมีจุดชมวิวที่ให้ผู้เยี่ยมชมได้ชมลูกตุ้มยักษ์ขณะเคลื่อนไหวเมื่อมีลมหรือแรงไหว

อย่างไรก็ตาม ลูกตุ้มยักษ์ไม่ใช่องค์ประกอบเดียวที่ทำให้อาคารมั่นคง — ตัวอาคารตั้งอยู่บนรากฐานลึกมาก โดยมีเสาเข็มเหล็กและคอนกรีตเสริมเหล็ก 380 ต้นฝังลึกลงไปในชั้นหินแข็ง

เหนือฐานราก โครงสร้างหลักของอาคารเชื่อมโยงกับ “เมกาคอลัมน์” รอบนอกตัวอาคารด้วยโครงเหล็กขนาดใหญ่ที่เรียกว่า outrigger trusses เพื่อกระจายแรงสั่นสะเทือนไปทั่วอาคาร

ตัวอาคารยังถูกสร้างให้สอดคล้องกับมาตรฐานต้านทานแผ่นดินไหวที่เข้มงวด ซึ่งเหมาะสมกับทำเลที่ตั้งอยู่บนแนว “Ring of Fire” — แนวภูเขาไฟและแผ่นดินไหวรอบมหาสมุทรแปซิฟิกที่ครอบคลุมพื้นที่ตั้งแต่อินโดนีเซียไปจนถึงชิลี

แม้ว่าการออกแบบอาคารจะผ่านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์และการทดสอบ “โต๊ะจำลองแผ่นดินไหว” (Shake Table) แล้วก็ตาม การคาดการณ์ว่าอาคารอย่างไทเป 101 จะรับมือกับแผ่นดินไหวที่รุนแรงหรือใกล้ศูนย์กลางมากกว่านี้ได้เพียงใดนั้น ยังถือเป็นเรื่องสมมุติในระดับหนึ่ง

อัลกล่าวว่า “แม้เราจะมีการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ แต่ก็ยังมีบางอย่างเกี่ยวกับโลกแห่งความจริงที่เรายังไม่สามารถเข้าใจได้จากการจำลองเหล่านั้น” พร้อมเสริมว่า “แม้จะมีเทคโนโลยีล้ำหน้า เราก็ยังต้องทดสอบอาคารในอุโมงค์ลมและโต๊ะจำลองแรงไหวอยู่ดี”