ด้วยวิธีการที่ก้าวหน้ามากขึ้น เราจึงมีวิธีการตรวจสอบการออกแบบที่เสนอภายใต้สภาวะอื่นนอกเหนือจากปกติมากขึ้น เช่น ในกรณีเกิดเพลิงไหม้ ไม่จำเป็นต้องใช้วิธีแบบง่ายหรือวิธีตารางที่เคยให้ผลลัพธ์ที่ไม่แม่นยำและอนุรักษ์นิยมเกินไปอีกต่อไป ขณะนี้สามารถนำการออกแบบ รวมถึงรายละเอียดต่างๆ ไปวิเคราะห์ขั้นสูงได้แล้ว IDEA StatiCa Connection มอบการคำนวณการทนไฟตามมาตรฐาน รวมถึงการคำนวณไฟ (EN/AISC) 

ยิ่งไปกว่านั้น มันไม่ได้ซับซ้อนขนาดนั้น มาทำความเข้าใจในหัวข้อนี้กัน

วิธีการเข้าถึงการออกแบบด้านอัคคีภัย

เมื่อพูดถึงการออกแบบด้านอัคคีภัย เรามีวิธีการหลายอย่างที่สามารถใช้ได้:

• วิธีตาราง (Table Method)
• การออกแบบแบบง่าย (Simplified Design) (การตรวจสอบชิ้นส่วนเดี่ยวที่อุณหภูมิปกติ)
• การออกแบบขั้นสูง (Advanced Design) (การตรวจสอบรวมถึงการคำนวณเชิงตัวเลขของการทนไฟสำหรับการเชื่อมต่อ)

จนถึงปัจจุบัน มีการใช้วิธีแบบง่าย ไม่ว่าจะเป็น วิธีตาราง (Table Method) หรือ การออกแบบแบบง่าย (Simplified Design) ด้วยแนวทางเชิงวิเคราะห์หรือเชิงตัวเลข แต่ใช้ได้เฉพาะกับชิ้นส่วนแต่ละชิ้นที่สัมผัสกับอุณหภูมิมาตรฐานเท่านั้น การคำนวณการทนไฟสำหรับการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กไม่ได้ถูกนำมาใช้เลย การออกแบบแบบง่าย (Simplified Design) ถูกใช้โดยมีข้อสมมติพื้นฐานว่าการเชื่อมต่อมีวัสดุมากกว่าและร้อนขึ้นช้ากว่าชิ้นส่วนอื่นๆ สิ่งนี้นำไปสู่ช่องว่างด้านความปลอดภัยและความไม่มีประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจด้วย

เราจะรับมือกับสิ่งนั้นอย่างไร? มีวิธีแก้ปัญหาที่ง่าย – คือการตรวจสอบอย่างถูกต้อง การออกแบบขั้นสูง (Advanced Design) ที่อุณหภูมิสูงสามารถครอบคลุมจุดอ่อนเหล่านี้ได้ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะสำหรับอาคารที่มีความสำคัญมากกว่า เช่น สนามบิน สนามกีฬา โรงพยาบาล เป็นต้น และยิ่งไปกว่านั้น เรามีความเป็นไปได้ที่จะทำการคำนวณเชิงตัวเลขสำหรับอุณหภูมิสูง ไม่เพียงแต่สำหรับชิ้นส่วนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเชื่อมต่อด้วย!

มาดูหลักการคำนวณที่ใช้ใน IDEA StatiCa และขั้นตอนการออกแบบการเชื่อมต่อโครงสร้างเหล็กโดยทั่วไป

แก่นของการคำนวณ 

การคำนวณการทนไฟอ้างอิงจาก ระดับชั้นไฟ (fire class) (หรือที่รู้จักในชื่อ fire rating) และ เส้นโค้งไฟ (fire curve)

ข้อมูลนำเข้าแรกเป็นที่ทราบจากข้อกำหนดโครงการ ระดับชั้นไฟ (Fire class) เป็นผลลัพธ์ที่มักเป็นส่วนหนึ่งของเอกสารอัคคีภัยที่ได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานดับเพลิง โดยระบุระยะเวลาที่โครงสร้างต้องทนทานเพื่อให้ทุกคนออกจากอาคารได้อย่างปลอดภัยก่อนที่จะพังทลาย ระยะเวลาอาจแตกต่างกันตั้งแต่ 15 ถึง 240 นาที (R15 ถึง R240) และจะได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์หลายอย่าง เช่น ฟังก์ชันและขนาดของอาคาร จำนวนชั้น ตำแหน่งของทางออก และอื่นๆ อีกมาก ในทางปฏิบัติ หมายความว่าคุณสามารถออกแบบอาคารที่ยากต่อการออกมากกว่าแต่ต้องทนทานได้นานถึงสี่ชั่วโมง หรือโครงสร้างอาจพังทลายหลังจาก 15 นาทีหากสามารถออกได้เร็วพอ แต่จำไว้ว่า ไม่ใช่หน้าที่ของคุณในฐานะวิศวกรโครงสร้าง แต่เป็นหน้าที่ของหน่วยงานอาคารและดับเพลิง

สำหรับพารามิเตอร์ถัดไป คุณต้องเลือก เส้นโค้งไฟ (fire curve) ซึ่งแสดงกระบวนการเผาไหม้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือการให้ความร้อนของอากาศตามเวลา ในความเป็นจริง เส้นโค้งจะเริ่มลดลงทันทีที่ไม่มีสิ่งใดเหลือให้เผาไหม้ แต่เพื่อวัตถุประสงค์ในการออกแบบ ได้มีการสร้างเส้นโค้งเทียมขึ้นจากการทดสอบและขยายให้ได้ผลลัพธ์ที่อนุรักษ์นิยม ใน IDEA StatiCa คุณสามารถเลือกจากเส้นโค้งหลายแบบตาม Eurocode (ISO 834/standard fire) หรือ AISC (ASTM E119) แต่ยังรวมถึงเส้นโค้งพิเศษสำหรับการแพร่กระจายของไฟที่เร็วขึ้น เช่น hydrocarbon ที่ใช้สำหรับแท่นขุดเจาะน้ำมัน เรือ หรือโรงงานอุตสาหกรรม

จากประเภทของเส้นโค้งไฟและพารามิเตอร์วัสดุและขนาดอื่นๆ ซอฟต์แวร์ คำนวณอุณหภูมิ ของชิ้นส่วนแต่ละชิ้น (แผ่น) ณ เวลาที่กำหนด ตามระดับชั้นไฟ โดยใช้วิธีเพิ่มทีละขั้น อุณหภูมิของสลักเกลียวและรอยเชื่อมถูกนำมาตามแผ่นที่เชื่อมต่อที่ร้อนกว่า การคำนวณอัตโนมัติของแผ่นดำเนินการตามมาตรฐานที่ใช้บังคับ และสามารถระบุได้ว่ามีการใช้ การป้องกันไฟ (fire protection) หรือไม่ ในขณะเดียวกัน ยังคงรักษาความเป็นไปได้ในการป้อนอุณหภูมิของชิ้นส่วนแต่ละชิ้นด้วยตนเองไว้ด้วย

ตามอุณหภูมิของส่วนประกอบ จะมีการกำหนด การเสื่อมสภาพของวัสดุ และด้วยเหตุนี้ สัมประสิทธิ์ที่ลดคุณสมบัติของวัสดุ การตรวจสอบตามมาตรฐานของแผ่น สลักเกลียว และรอยเชื่อมจะเหมือนกับการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียดแบบคลาสสิก แต่ใช้ค่าที่ลดลง

ดูสิ่งที่คุณได้รับ

ลองดูการสาธิตสั้นๆ ต่อไปนี้เกี่ยวกับผลลัพธ์ของการวิเคราะห์การทนไฟใน IDEA StatiCa Connection เพื่อให้เข้าใจว่าการเชื่อมต่อมีพฤติกรรมอย่างไรภายใต้สภาวะต่างๆ และทฤษฎีถูกนำไปใช้อย่างไร

ขั้นแรก ฉันจะตรวจสอบด้วยการวิเคราะห์ความเค้น-ความเครียดเพื่อดูว่าจุดต่อผ่านหรือไม่ 

จากนั้น ฉันสร้างสำเนาและตั้งค่าการวิเคราะห์การทนไฟ ในการตั้งค่า ฉันเลือกระดับชั้นไฟต่ำสุด R15 และเส้นโค้งไฟมาตรฐานตาม Eurocode ฉันจะตั้งค่าจุดต่อโดยไม่มีการป้องกันไฟโดยตั้งใจ

ในผลลัพธ์ที่แสดง เราสามารถเห็นได้ว่าส่วนประกอบแต่ละชิ้นจะร้อนขึ้นอย่างไรโดยไม่มีการป้องกันไฟภายใน 15 นาที และสิ่งนี้จะส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุและด้วยเหตุนี้ความสามารถในการรับน้ำหนักของจุดต่อที่ทดสอบอย่างไร สามารถเห็นได้ว่าในเพียง 15 นาที อุณหภูมิถึงกว่า 700 °C ที่บางส่วนประกอบ 

ด้วยการเพิ่มการป้องกันไฟ เราจะได้ค่าที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงทันที โดยเฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ เช่นนี้ แผ่นไม่มีเวลาร้อนขึ้น และการเสื่อมสภาพของวัสดุไม่ใช่ปัญหา

เมื่อระดับชั้นเพิ่มขึ้นเป็น R90 และด้วยเหตุนี้ด้วยการขยายเวลาที่โครงสร้างต้องทนทานต่อไฟ เราจะถึงอุณหภูมิประมาณ 700 °C อีกครั้ง อย่างไรก็ตาม ด้วยการป้องกันไฟ มีเวลาเพียงพอสำหรับการอพยพในกรณีแรก

ด้วยความช่วยเหลือของแบบจำลองเชิงตัวเลข เราสามารถทำการเปรียบเทียบง่ายๆ ของกรณีต่างๆ ได้ในไม่กี่นาที นอกจากนี้ยังง่ายต่อการอ่านจากผลลัพธ์ว่าส่วนประกอบใดมีแนวโน้มที่จะเป็นจุดอ่อนที่สุดของการออกแบบ

สรุป

ดังที่เห็นข้างต้น การออกแบบสำหรับผลกระทบของไฟไม่จำเป็นต้องเป็นเรื่องยากลำบากขนาดนั้น IDEA StatiCa จะช่วยคุณออกแบบโครงสร้างที่ ปลอดภัย สำหรับการใช้งาน และในขณะเดียวกันก็ ประหยัด ไม่จำเป็นต้องใช้วิธีอนุรักษ์นิยมที่ล้าสมัยหรือหลีกเลี่ยงการคำนวณโดยสิ้นเชิง

นอกจากการทนไฟใน IDEA StatiCa Connection แล้ว เรายังเสนอวิธีแก้ปัญหาสำหรับการตรวจสอบชิ้นส่วนทั้งหมดใน IDEA StatiCa Member

สำหรับทฤษฎีเพิ่มเติม อ่านบทความฐานความรู้ Fire Design หรือตรวจสอบ กรณีการตรวจสอบ ที่ดำเนินการโดยศาสตราจารย์ Wald จาก CTU.