::DPM::

Switch to desktop Register Login

คาร์บอนไฟเบอร์วัสดุป้องกันอาคารจากแผ่นดินไหว

Rate this item
(2 votes)

ในปี 1957 กองทัพสหรัฐต้องการพัฒนาชิ้นส่วนที่ใช้ในการสร้างเครื่องบินขึ้นใหม่ ซึ่งต้องเป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบา และมีความทนทานสูง จนเป็นที่มาให้เกิดการพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์อย่างจริงจังเกิดขึ้น ในช่วงแรก Union carbide parma technology center ของสหรัฐอเมริกาสามารถทำคาร์บอนไฟเบอร์จนสำเร็จจากการใช้ความร้อนในการเปลี่ยนเรยอนให้เป็นคาร์บอนไฟเบอร์ แต่ผลิตภัณฑ์ที่ได้พบว่ามีความแข็งแรงและความแข็งตรึง (stiffness) ที่ต่ำ จนปี 1960 Union carbideก็สามารถพัฒนาการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์โดยทำการเปลี่ยนวัสถุดิบในการผลิตจากเรยอนมาเป็นPolyacrylonitrile ( PAN ) โดยใช้ความร้อนในการแยกเส้นใยคาร์บอนที่อุณหภูมิ 1200 – 3000 องศาเซลเซียส ซึ่งคาร์บอนไฟเบอร์ที่ได้จาก PAN มีผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งแรงที่เพิ่มมากขึ้นกว่าที่ผลิตได้จากเรยอน [1]

11-1

คาร์บอนไฟเบอร์ (carbonfiber) เป็นผลิตภัณฑ์ใหม่จากคาร์บอนที่ประสบความสำเร็จ และใช้ในอุตสาหกรรมเชิงพาณิชย์มาช้านานเกือบ 35 ปี เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงและทนทานมาก มีน้ำหนักเบา ทำให้เส้นใยคาร์บอนเป็นที่ต้องการของตลาดและมีปริมาณความต้องการสูง ตั้งแต่การใช้ในการผลิตอุปกรณ์กีฬา อุปกรณ์เกี่ยวกับรถ จนถึงชิ้นส่วนที่ใช้ทำโครงสร้างเกี่ยวกับเครื่องบิน

องค์ประกอบของเส้นใยคาร์บอน ( Cabonfebric )เป็นวัสดุทางวิทยาศาสตร์ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบอย่างน้อยร้อยละ 90 โดยเส้ยใยคาร์บอนจะมีขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ประมาณ 0.005-0.10 มิลลิเมตร โดยส่วมมากแล้วเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตได้นั้นจะถูกควั่นเป็นเส้นด้าย เมื่อนำเส้นใยคาร์บอนที่มีขนาดเล็กเหล่านี้มารวมกันก็จะได้เป็นคาร์บอนไฟเบอร์ขึ้น คุณสมบัติบัติของคาร์บอนไฟเบอร์เมื่อทำการเปรียบเทียบเชิงกลกับเหล็กกล้าในน้ำหนักที่เท่ากัน พบว่าคาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงกว่าเหล็กกว่า ดังแสดงในตาราง [3]

นอกจากนี้คุณสมบัติที่เด่นชัดของคาร์บอนไฟเบอร์ ยังพบว่า มีความแข็งแรงต่อแรงดึงในทิศทางที่ตั้งฉาก ทนต่อการขัดถู ( abrasion resistance ) ทนทานต่อการกระแทก        ( impact resistance ) ทนความร้อนทนต่อการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงได้ดีทนต่อสารเคมี ( chemical resistance ) ในส่วนของข้อเสียของคาร์บอนไฟเบอร์นั้นพบว่า คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงต่อแรงดึงในทิศระนาบต่ำและการนำไปใช้ต้องใช้เครื่องมือพิเศษสำหรับตัดคาร์บอนโดยเฉพาะเท่านั้น ซึ่งมีราคาแพงมากตามคุณสมบัติที่กล่าวมาของคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้วัสดุทางวิทยาศาสตร์ชิ้นนี้ถูกนำมาประยุกต์ใช้ในงานด้านต่างๆมากมาย เช่น การนำคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้ในรูปของคอมโพสิทในอุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบิน การใช้คาร์บอนไฟเบอร์มาทำเป็นตัวถังรถยนต์เนื่องจากจะทำให้รถมีน้ำหนักเบาและแข็งแรง นอกจากนี้คาร์บอนไฟเบอร์ก็ยังถูกยังมาใช้ในการผลิตอุปกรณืกีฬาเพิ่มมากขึ้น เช่น ไม้เทนนิสไม้กอล์ฟกระดานโต้คลื่นไม้แบดมินตันกระดานสกรีคันเบ็ดตกปลาหมวกกันน็อคไม้เบสบอลเป็นต้น [4]

ตารางแสดงการเปรียบเทียบเชิงกลของคาร์บอนไฟเบอร์ และเหล็กกล้าในน้ำหนักที่เท่ากัน [3][4]

วัสดุ

ความหนาแน่น

( กรัม/ซ.ม. )

ความต้านทานแรงดึง

( tensile strength ( Gpa) )

ค่าโมดูลัสแรงดึง

( tensile modulus (Gpa) )

ความแข็งแรงเฉพาะ

( tensile modulus ( Gpa) )

คาร์บอนไฟเบอร์

1.75

3.5

230.0

2.00

เหล็กกล้า

7.87

1.3

210.0

0.17

 

ด้วยคุณสมบัติที่ดีของคาร์บอนไฟเบอร์ในที่สุดก็มีการประยุกต์นำวัสดุชิ้นนี้มาใช้ในการป้องกันแผ่นดินไหวกันแล้วในหลายประเทศ โดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในการเสริมกำลังให้กับโครงสร้างตัวอาคาร บ้านเรือน ตึกสูง และสถานที่ซึ่งมีความสำคัญกันมากขึ้น โดยคาร์บอนไฟเบอร์จะช่วยในการป้องกันโครงสร้างต่างๆของตัวอาคารไม่ให้เกิดการพังทลายได้ง่ายเมื่อต้องประสบกับแรงสั่นสะเทือนที่เกิดมาจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว โดยส่วนใหญ่อาคารบ้านเรือน ตึกสูงที่เกิดการถล่มจากแผ่นดินไหวนั้นพบว่ามีสาเหตุมาจากการแตกร้าวของเสาอาคาร เมื่อได้รับแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวที่มีขนาดรุนแรง หรือได้รับแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวตาม (After Shock) ที่เกิดขึ้นถี่ๆ จนทำให้คอนกรีตที่ใช้ในการหล่อเป็นเสาเกิดการแตกและร้าวจนหลุดออกมาเหลือแต่โครงสร้างของเหล็กเส้นที่อยู่ด้านในซึ่งไม่สามารถแบกน้ำหนักของตัวอาคารทั้งหมดได้จึงเป็นผลให้เกิดการทรุดตัวและพังทลายของตัวอาคารตามมา ซึ่งตำแหน่งที่พบว่ามีความเสี่ยงต่อการแตกร้าวมากที่สุดของตัวอาคารคือ บริเวณโคนเสาชั้นล่างสุดของตัวอาคารเนื่องจากเป็นส่วนที่รองรับน้ำหนักทั้งหมดของตัวอาคารไว้

11-211-3

 


สำหรับในประเทศไทยเริ่มมีการศึกษาวิจัยการใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในการเสริมความแข็งแรงให้กับตัวอาคารเป็นครั้งแรก โดย รศ.ดร.อมร พิมานมาศ นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร ม.ธรรมศาสตร์ในโครงการที่มีชื่อว่า “โครงการเสริมกำลังเสาต้านทานแผ่นดินไหวด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์”ผลจากการวิจัยครั้งนี้ทำให้พบว่าการใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในการห่อโคนเสาของอาคารจะช่วยเพิ่มความเหนียวให้กับเสาและป้องกันการพังทลายของตึกจากแผ่นดินไหวได้ถึง 3 เท่าในการประยุกต์ใช้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ในการป้องกันแผ่นดินไหวนั้น รศ.ดร.อมร กล่าวไว้ว่าเป็นวิธีที่ง่ายมากทำได้โดยการนำแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มาพันโดยรอบของโคนเสาทุกเสาที่อยู่ในชั้นล่างสุดในรอบแรกจากนั้นก็นำกาวอีพอกซี่มาทารอบๆเพื่อให้กาวซึมเข้าไปในเนื้อของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์จากนั้นจึงนำแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มาพันรอบโค่นเสาซ้ำอีกครั้งและตามด้วยการทากาวอีพอกซี่อีกรอบ หลังจากนั้นก็ทิ้งไว้ให้กาวแห้งเป็นเวลา 1 วัน เราก็สามารถเพิ่มความแข็งแรงให้กับเสาเพิ่มขึ้นได้ถึง 3 เท่า โดยขนาดของคาร์บอนไฟเบอร์ที่นำมาใช้พันเสาไว้นั้นต้องให้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มีขนาดความสูงประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของความสูงของเสา การป้องกันอาคาร บ้านเรือน ตึกสูงต่างๆด้วยวิธีนี้เป็นอีกหนึ่งวิธีที่ผู้เขียนคิดว่าน่าจะเป็นประโยชน์ต่อผู้อ่านได้ไม่มากก็น้อย เนื่องจากเป็นวิธีที่จัดได้ว่าเป็นทางป้องกันที่สะดวกรวดเร็วนอกจากนี้ยังใช้งบประมาณในการปรับปรุงที่ไม่สูงมากนัก โดยคำนวณค่าใช้จ่ายแล้วอยู่ที่ประมาณ 3,000 – 5,000 บาทต่อเสาหนึ่งต้น ซึ่งถือว่าคุ้มค่ามากเมื่อต้องแลกกับชีวิตและทรัพย์สินที่จะเกิดความเสียหายตามมาถ้าเกิดเหตุการณ์การทรุดและพังทลายของอาคารขึ้น [5][6]

 

อ้างอิง

 

[1] D. D. EDIE.1998. THE EFFECT OF PROCESSING ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF CARBON FIBERS. Elsevier Science Ltd. Carbon Vol. 36, No. 4, pp. 3455362, 1998

 

[2] Johnson, D. J., Structure property relationships in carbon fibers, J. Phys. D: Appl. Phys., 1987, 20(3),287-291.

 

[3]http://www.thaicarbonfiber.com/ProductC5.html

 

[4] http://www.mtec.or.th/index.php?option=com_content&;task=view&id=492&Itemid=36

 

[5] http://www.oknation.net/blog/bypunnee/2010/09/02/entry-1

 

[6] http://www.lancer-club.net/forum/index.php?topic=39851.0


Last modified on Tuesday, 17 July 2012 12:14

© 2012 สถาบันบัณฑิตพัฒนบริหารศาสตร์

Top Desktop version