แผงแซนวิชช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทนไฟของอาคารโครงสร้างเหล็กได้อย่างไร

Why Steel Structures Are Vulnerable to Fire

The Critical Temperature Threshold for Structural Steel Degradation

โครงสร้างเหล็กเริ่มสูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็วเมื่อถูกความร้อน воздейств ที่อุณหภูมิประมาณ 550 องศาเซลเซียส (ประมาณ 1022 องศาฟาเรนไฮต์) เหล็กสามารถรับน้ำหนักได้เพียงครึ่งหนึ่งของปกติเท่านั้น โดยทั่วไปแล้วการพังทลายสมบูรณ์มักเกิดขึ้นระหว่าง 600 ถึง 700 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐานการทดสอบไฟไหม้ ASTM ที่เราคุ้นเคยกันดี สาเหตุของความอ่อนแอในนี้เกิดจากคุณสมบัติการนำความร้อนของเหล็กเอง ซึ่งมีค่าการนำความร้อนประมาณ 45 ถึง 50 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ทำให้ความร้อนแพร่ผ่านคานและเสาเหล็กได้รวดเร็วกว่าวัสดุอื่นๆ คอนกรีตและอิฐมีคุณสมบัติทนไฟในตัวเอง ซึ่งเหล็กไม่มีตามธรรมชาติ หากไม่มีการป้องกัน ชิ้นส่วนเหล็กสามารถถึงอุณหภูมิที่เป็นอันตรายได้ภายใน 18 นาที ในสถานการณ์ไฟไหม้ตามการทดสอบมาตรฐาน UL 263 นั่นหมายความว่าอาคารทั้งหลังอาจกลายเป็นไม่มั่นคงได้เร็วกว่าที่หลายคนคาดคิดในเหตุการณ์เพลิงไหม้

ผลกระทบจากการพังทลายจากไฟไหม้ในอาคารพาณิชย์และโรงงานอุตสาหกรรม

เมื่อคานเหล็กเพียงชิ้นเดียวเกิดความเสียหาย ก็อาจกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ทำให้อาคารขนาดใหญ่ที่มีพื้นที่โล่งกว้างพังทลายลงได้ เช่น โกดังขนาดใหญ่ที่มีพื้นที่มากกว่า 10,000 ตารางฟุต ตัวอย่างเช่นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นที่ศูนย์โลจิสติกส์ในปี 2022 ที่อุณหภูมิภายในอาคารสูงขึ้นเกิน 800 องศาเซลเซียสภายในเวลาไม่ถึงครึ่งชั่วโมง ก่อนที่ส่วนหนึ่งของอาคารจะเริ่มพังทลายลง ตามข้อมูลล่าสุดจากสมาคมป้องกันอัคคีภัยแห่งชาติ (NFPA) ในปี 2023 ไฟไหม้โรงงานอุตสาหกรรมประเภทนี้มักสร้างความเสียหายเฉลี่ยประมาณ 2.4 ล้านดอลลาร์ต่อครั้ง แม้ว่าตัวเลขดังกล่าวจะยังไม่นับรวมความเสียหายทางเศรษฐกิจจากช่วงเวลาที่ต้องหยุดดำเนินการณ์ ปัญหาดังกล่าวจะเลวร้ายยิ่งขึ้นในโรงงานที่มีพื้นที่เปิดโล่ง เนื่องจากไฟสามารถลุกลามได้เร็วขึ้นถึงสามเท่าเมื่อเทียบกับอาคารที่แบ่งเป็นห้องๆ ทำให้โครงสร้างอาคารพังทลายได้ง่ายขึ้นในยามฉุกเฉิน

ความเปราะบางในตัวนี้เองเป็นเหตุผลที่ทำให้อธิบายได้ว่าทำไมในปัจจุบัน 78% ของสถาปนิกจึงให้ความสำคัญกับการใช้วัสดุทนไฟ เช่น แผงแซนวิช (sandwich panels) ตั้งแต่ขั้นตอนวางแผนโครงการโครงสร้างเหล็ก

แผงแซนวิชช่วยป้องกันไฟแบบพาสซีฟได้อย่างไร

คุณสมบัติในการกันความร้อนของแผงแซนวิชขณะเกิดเพลิงไหม้

แผงแซนวิชทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยชะลอการถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนประกอบโครงสร้างเหล็กได้อย่างมีนัยสำคัญ วัสดุฉนวนภายในแผงเหล่านี้ โดยทั่วไปมักเป็นแร่ขนหรือหินขน สามารถลดการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิได้ประมาณ 70% เมื่อเทียบกับเหล็กที่ไม่ได้รับการปกป้อง ซึ่งช่วยให้พื้นผิวไม่รับความร้อนมากเกินไป โดยสามารถคงอุณหภูมิไว้ต่ำกว่า 400 องศาฟาเรนไฮต์ (ประมาณ 204 องศาเซลเซียส) เป็นเวลานานในระหว่างเกิดเพลิงไหม้ รายงานล่าสุดจาก Fire Safety Materials ในปี 2024 ชี้ว่า การใช้วัสดุแกนกลางที่ไม่ลุกติดไฟช่วยป้องกันการลุกลามของเปลวไฟได้ในสถานการณ์ไฟไหม้ในโรงงานอุตสาหกรรมประมาณ 8 จาก 10 ครั้ง แม้อัตราส่วนที่แน่นอนอาจแตกต่างกันไปตามเงื่อนไขเฉพาะ แต่แนวโน้มโดยรวมแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ที่ชัดเจนต่อความปลอดภัย

ยืดอายุการใช้งานโครงสร้าง: ระยะเวลาทนไฟเกินกว่า 60 นาที

ระบบแผงแซนวิชประสิทธิภาพสูงสามารถรักษาน้ำหนักที่รับได้ไว้ได้เป็นเวลา 90–120 นาทีในการทดสอบไฟมาตรฐาน ซึ่งเกินข้อกำหนดขั้นต่ำของกฎหมายอาคาร ช่วงเวลาการป้องกันที่ยาวนานนี้ช่วยให้การอพยพปลอดภัยมากขึ้น และให้เวลากับเจ้าหน้าที่ฉุกเฉินในการควบคุมเพลิงก่อนที่โครงสร้างจะเริ่มพังทลาย

กลไกการยับยั้งการถ่ายเทความร้อนในระบบแผงแซนวิช

กลไกสามประการที่ทำงานร่วมกันช่วยป้องกันความร้อนไม่ให้ไปถึงโครงสร้างเหล็ก

1. การกั้นการนำความร้อน : แกนกลางที่มีการนำความร้อนต่ำต้านทานการไหลของความร้อน
2. การหยุดการพาความร้อน : ช่องอากาศที่ถูกปิดผนึกภายในแกนกลางขัดขวางการหมุนเวียนของความร้อน
3. การสะท้อนรังสีความร้อน : พื้นผิวอลูมิเนียมหรือเหล็กกล้าสะท้อนรังสีอินฟราเรดได้ 85–92%

โดยรวมแล้ว คุณสมบัติเหล่านี้จำกัดอัตราการเพิ่มอุณหภูมิของเหล็กไว้ที่ 38°F/นาที (21°C/นาที) ทำให้อุณหภูมิของโครงสร้างยังคงต่ำกว่าจุดวิกฤติที่ทำให้โครงสร้างบิดงอซึ่งอยู่ที่ 1,100°F (593°C)

ประสิทธิภาพการทนไฟที่เหนือกว่าของแผงแซนวิชแกนใยหิน

เหตุใดวัสดุแกนใยหินที่ไม่ติดไฟได้เหนือกว่า EPS, PU และวัสดุแกนอื่นๆ

แผงแซนวิชใยหินโดดเด่นเรื่องความต้านทานไฟไหม้ เนื่องจากผลิตจากแร่ธรรมชาติ ไม่ใช่วัสดุสังเคราะห์ แผงเหล่านี้สามารถทนอุณหภูมิที่สูงเกินกว่า 1,000 องศาเซลเซียส โดยไม่ละลายหรือปล่อยก๊าซพิษ ซึ่งดีกว่าวัสดุที่ติดไฟได้ง่าย เช่น โฟมพอลิสไตรีน (EPS) และพอลิยูรีเทน (PU) ปัญหาของแกน PU นั้นปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจนเมื่อเกิดเพลิงไหม้ เนื่องจากเริ่มสูญเสียความแข็งแรงในการรับโครงสร้างภายในเวลาเพียงแค่ประมาณ 15 นาทีเท่านั้น ในทางตรงกันข้าม ใยหินยังคงรูปร่างและความมั่นคงไว้ได้นานประมาณสองชั่วโมงแม้ในสภาพความร้อนจัด สิ่งที่ทำให้ใยหินแตกต่างคือการจัดวางเส้นใยที่สร้างเป็นเกราะป้องกันความร้อนตามธรรมชาติ การทดสอบแสดงให้เห็นว่า การจัดเรียงแบบนี้สามารถป้องกันการแพร่กระจายของความร้อนได้ดีกว่าผลิตภัณฑ์ฉนวนกันความร้อนแบบโฟมทั่วไปประมาณ 43 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสร้างเป็นเกราะป้องกันที่มีประสิทธิภาพเพื่อปกป้องโครงสร้างเหล็กจากอุณหภูมิที่สูงมาก

การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัยจากอัคคีภัย: ASTM E814 และ BS 476 สำหรับแกนใยหิน

แผงแซนวิชใยหินที่ได้รับการรับรองผ่านโปรโตคอลการทดสอบระหว่างประเทศอย่างเข้มงวด:

มาตรฐานการปฏิบัติงานเหล่านี้อธิบายว่าทำไม 78% ของสถาปนิกอุตสาหกรรมจึงกำหนดให้ใช้แกนฉนวนจากแร่ภูเขาไฟในสภาพแวดล้อมเสี่ยงสูง ตามการสำรวจวัสดุก่อสร้างปี 2023 ที่ยืนยันไว้

กรณีศึกษา: แผงแซนวิชจากแร่ภูเขาไฟในเหตุเพลิงไหม้โกดัง – รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

ระหว่างเกิดเพลิงไหม้ที่ศูนย์โลจิสติกส์ขนาด 12,000 ตารางเมตร ไฟลุกท่วมอาคารเป็นเวลานาน 94 นาที ในขณะที่อาคารสำนักงานข้างเคียงที่ใช้แผง EPS ที่ติดไฟได้ล้มทลายภายใน 23 นาที แต่โครงสร้างเหล็กที่หุ้มด้วยแร่ภูเขาไฟกลับ:

• รักษาการแบ่งเขตป้องกันไฟในพื้นที่ 87%
• ควบคุมอุณหภูมิของเสาเหล็กให้อยู่ที่ 482°C (ต่ำกว่าจุดวิกฤต 550°C)
• รักษารูปแบบโครงสร้างหลังเกิดเพลิงไหม้ได้ 100%

ทำความเข้าใจการรับรอง 'แร่ภูเขาไฟ ระดับ A' และความสำคัญของมัน

การจัดระดับไฟ A หมายถึงวัสดุที่ไม่สามารถลุกติดไฟได้ตามมาตรฐาน EN 13501-1 ซึ่งกำหนดให้:

• ไม่มีการลุกลามของเปลวไฟเลยแม้แต่จุดเดียว
• การปล่อยความร้อนต่ำกว่า 2 MJ/m²
• การผลิตควันต่ำกว่า 10% ความทึบ

การได้รับการรับรองนี้ทำให้แผงแซนวิชใยหินเป็นสิ่งบังคับใน 34 ประเทศสำหรับอาคารที่มีความสูงเกิน 18 เมตร เพื่อให้สอดคล้องกับข้อบังคับด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัยระดับโลกที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

การบรรลุการจัดอันดับความปลอดภัยจากไฟระดับ A ในการออกแบบอาคารเชิงพาณิชย์

อะไรที่กำหนดให้เป็นการจัดอันดับความปลอดภัยจากไฟระดับ A และเหตุใดจึงสำคัญต่อข้อกำหนดความสอดคล้องของอาคาร

การจัดอันดับความต้านทานไฟระดับคลาส A ถือเป็นมาตรฐานทองคำสำหรับสมรรถนะของวัสดุในการป้องกันการลุกลามของเปลวไฟ โดยการจัดอันดับนี้จะมอบให้กับวัสดุที่มีค่า Flame Spread Index (FSI) ระหว่าง 0 ถึง 25 ตามผลการทดสอบมาตรฐาน ASTM E84 ที่มักถูกกล่าวถึงกันอย่างแพร่หลาย ความสำคัญของใบรับรองนี้ชัดเจนมากในสถานที่ที่มีคนจำนวนมากและอพยพได้ยาก เช่น โรงพยาบาล โรงเรียน หรืออาคารอพาร์ตเมนต์ เมื่ออาคารใช้แผงแซนวิชที่ได้รับการรับรองระดับคลาส A จริง ๆ โครงสร้างจะสามารถยึดทนไว้ได้ประมาณหนึ่งถึงสองชั่วโมงในระหว่างเกิดเพลิงไหม้ ความสามารถในการยึดโครงสร้างไว้ได้นานขนาดนี้ มีความสำคัญอย่างมากต่อความปลอดภัย และยังช่วยให้เป็นไปตามข้อกำหนดในมาตรา 703 ของ International Building Code ซึ่งเจ้าหน้าที่ตรวจสอบอาคารมักใช้ตรวจสอบการปฏิบัติตามมาตรฐาน

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: แผงแซนวิชคลาส A กับคลาส B/C ในเหตุการณ์เพลิงไหม้จริง

การพิจารณาเหตุการณ์ไฟไหม้คลังสินค้าในปี 2023 แสดงให้เห็นถึงสมรรถนะของวัสดุที่แตกต่างกันภายใต้ความร้อนสุดขั้ว แผ่นพาร์ติชันที่มีแกนใยหิน (rock wool) ซึ่งจัดอยู่ในระดับ Class A สามารถรักษาอุณหภูมิของคานเหล็กให้อยู่ต่ำกว่าระดับอันตรายที่ 550 องศาเซลเซียส เป็นเวลานานเกือบสองชั่วโมงติดต่อกัน ในขณะที่แผ่นพาร์ติชันที่มีแกนโพลียูรีเทน (polyurethane) ที่จัดอยู่ในระดับ Class C ไม่สามารถทนทานได้นานไปกว่า 23 นาที ก่อนที่จะพังทลายลงอย่างสิ้นเชิง ความแตกต่างในการป้องกันที่มหาศาลนี้สามารถอธิบายได้เมื่อเราพิจารณาคะแนน FSI วัสดุที่อยู่ในระดับชั้นนำ (Class A) สามารถลดการถ่ายเทความร้อนผ่านตัวมันได้มากกว่าประมาณร้อยละเจ็ดสิบเอ็ด เมื่อเทียบกับทางเลือกที่มีคุณภาพต่ำกว่า เช่น Class C ซึ่งเป็นสิ่งที่มีความแตกต่างอย่างมากเมื่อพยายามปกป้องทรัพย์สินที่มีค่าในช่วงเกิดเหตุฉุกเฉิน

การสร้างสมดุลระหว่างต้นทุนและความปลอดภัย: การหลีกเลี่ยงการลดทอนคุณภาพของวัสดุแกน

แผงแซนวิชใยหินคลาส A มีราคาสูงกว่าตัวเลือกโฟมโพลีสไตรีน ประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ของราคาเริ่มต้น แต่สิ่งที่เจ้าของอาคารหลายรายยังไม่ทราบคือ แผงดังกล่าวสามารถช่วยลดค่าประกันภัยในระยะยาวได้ ในพื้นที่ที่เสี่ยงต่อเพลิงไหม้หรือความเสี่ยงอื่น ๆ เจ้าของทรัพย์สินสามารถประหยัดค่าประกันภัยรายปีได้ประมาณ 9 ถึง 12 ดอลลาร์ต่อตารางฟุต ผู้ผลิตคุณภาพชั้นนำส่วนใหญ่ให้ความสำคัญกับการผลิตแกนใยแร่ให้ถูกต้อง โดยมุ่งเน้นความหนาแน่นระหว่าง 92 ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งจะสามารถผ่านมาตรฐาน ASTM E119 สำหรับการทนไฟได้ด้วยตัวแกนเอง โดยไม่ต้องใช้การเคลือบหรือการบำบัดเพิ่มเติม และแม้ว่าการลงทุนครั้งแรกอาจดูเหมือนสูง แต่การผสมผสานระหว่างความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นและความต้องการในการบำรุงรักษาที่ลดลง ทำให้แผงเหล่านี้เป็นทางเลือกที่ชาญฉลาดสำหรับสถานที่ที่คำนึงถึงมูลค่าระยะยาวและการป้องกันความเสียหายที่ไม่คาดคิด

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดเหล็กจึงเปราะบางต่อไฟไหม้?

เหล็กมีการนำความร้อนสูง ซึ่งช่วยให้ความร้อนผ่านได้รวดเร็ว ส่งผลให้วัสดุสูญเสียความแข็งแรงเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 550 องศาเซลเซียส

แผงแซนวิชคืออะไร และแผงแซนวิชช่วยปกป้องโครงสร้างเหล็กได้อย่างไร

แผงแซนวิชมีโครงสร้างหลายชั้น ซึ่งให้ฉนวนความร้อนและชะลอการถ่ายเทความร้อน ช่วยรักษาอุณหภูมิของเหล็กให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัยในช่วงเกิดเพลิงไหม้

ทำไมแกนหินภูเขาไฟจึงเป็นที่นิยมใช้ในแผงแซนวิช

แกนหินภูเขาไฟไม่ติดไฟ และรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้แม้อยู่ในอุณหภูมิสูง ประสิทธิภาพในการทนไฟสูงกว่าวัสดุแกนอื่นๆ เช่น EPS และ PU

การจัดอันดับไฟระดับ A คืออะไร

การจัดอันดับระดับ A เป็นการจัดประเภทการทนไฟสูงสุด ซึ่งบ่งชี้ว่าวัสดุมีค่าดัชนีการลุกลามของไฟ (Flame Spread Index) อยู่ระหว่าง 0-25 ตามมาตรฐาน ASTM E84