นักวิจัยจีนใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ศึกษาอาคารต้านแรงแผ่นดินไหว

ที่อุทยานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของสถาบันวิศวกรรมเครื่องกล (Institute of Engineering Mechanics: IEM) ภายใต้สำนักบริหารแผ่นดินไหวแห่งประเทศจีน (China Earthquake Administration) ในเมืองซานเหอ มณฑลเหอเป่ย ทางตอนเหนือของจีน ทีมผู้เชี่ยวชาญชาวจีนด้านการก่อสร้างอัจฉริยะ วิศวกรรมโครงสร้าง และการต้านทานแผ่นดินไหว ได้ทำการทดลอง “การถูกทำลายอย่างหนัก” ต่อแบบจำลองบ้านที่สร้างด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

ทีมของรองศาสตราจารย์ ซุน เสี่ยวเหยี้ยน จากคณะวิศวกรรมโยธาและสถาปัตยกรรม มหาวิทยาลัยเจ้อเจียงได้นำแบบจำลองบ้านคอนกรีตที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิตินี้มาทดสอบ

ซุนบอกว่า คำถามที่พบบ่อยที่สุดคือ “บ้านที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติมีความแข็งแรงหรือไม่?”

ความแข็งแรงของบ้านถูกกำหนดโดยความสามารถในการต้านทานแผ่นดินไหว ซุนได้ร่วมมือกับบริษัทหางโจว Lingtong Technology จำกัด บริษัทที่เชี่ยวชาญด้านการก่อสร้างดิจิทัลและการออกแบบการพิมพ์ 3 มิติ ในเมืองหางโจว มณฑลเจ้อเจีย งทางตะวันออกของจีน เพื่อคำนวณประสิทธิภาพการต้านทานแผ่นดินไหวของโครงสร้างอย่างแม่นยำโดยใช้แบบจำลองดิจิทัล 3 มิติ

การวิเคราะห์ทางทฤษฎีชี้ให้เห็นถึงความสามารถในการต้านทานแผ่นดินไหวที่ยอดเยี่ยม แต่เพื่อยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ ซุนและทีมผู้เชี่ยวชาญจากสาขาต่าง ๆ ได้ตัดสินใจทำการทดสอบบนแท่นเขย่า

แท่นเขย่าเป็นอุปกรณ์ที่ใช้จำลองแผ่นดินไหว แท่นที่ใช้ในการทดสอบนี้เป็นแท่นเขย่าที่ทันสมัยที่สุดที่มีความสามารถในการสร้างการสั่นสะเทือนในแนวราบและแนวดิ่ง รวมถึงการเคลื่อนที่แบบหมุนได้

เพื่อให้ตรงกับขนาดของแท่นเขย่า ซุนได้ว่าจ้างโรงงานผลิตแบบจำลองบ้าน 3 มิติขนาดย่อที่มีความยาว 5 เมตรและกว้างเพียงกว่า 1 เมตร ซึ่งเป็นขนาดสูงสุดที่อนุญาตให้ทดสอบได้

การทดลองนี้ครอบคลุมแผ่นดินไหว 6 แบบ โดยมีการทดสอบ 7 ครั้งสำหรับแต่ละสถานการณ์ ซุนกล่าวอย่างกระตือรือร้นว่า “เป้าหมายคือการเขย่ามันจนกว่ามันจะพัง เพื่อดูว่ามันสามารถทนแผ่นดินไหวได้แรงแค่ไหน”

“เริ่มได้!”

หลังจากได้ยินคำสั่ง เสียงหึ่งๆ ก็ดังขึ้น และกระบอกไฮดรอลิกของแท่นเขย่าก็สั่นสะเทือนอย่างรุนแรง ถือเป็นการเริ่มต้นทำการจำลองแผ่นดินไหว

หลังจากที่การสั่นสะเทือนหยุดลง นักวิจัยก็ก้าวขึ้นไปบนแท่นทดสอบ ตรวจสอบทุกมุมของแบบจำลองบ้านอย่างละเอียด และทำเครื่องหมายรอยร้าวในทุกจุดที่มองเห็นได้

อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบด้วยสายตาเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการประเมิน แบบจำลองนี้ติดตั้งเซ็นเซอร์วัดความเร่ง เซ็นเซอร์วัดการเคลื่อนที่ และระบบติดตามแสงขั้นสูงที่ใช้การจดจำทางวิดีโอ นอกจากนี้ ยังมีกล้องความเร็วสูง 4 ตัวที่ตั้งอยู่ทั้งสองด้านของโครงสร้าง ซึ่งสามารถจับภาพการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดระหว่างการจำลองแผ่นดินไหวได้

จู เหลียงอิง พนักงานของบริษัทเหอเฝย Zhongke Junda Vision Technology จำกัด ผู้ผลิตกล้องกล่าวว่า “กล้องความเร็วสูงเหล่านี้สามารถจับภาพได้ 3,000 เฟรมและสร้างข้อมูลภาพ 6GB ต่อวินาที ไม่มีการเคลื่อนไหวของโครงสร้างใด ๆ ที่จะหลุดรอดไปได้”

แหล่งข่าวระบุว่า IEM ได้ก้าวหน้าไปอย่างมากในด้านต่าง ๆ เช่น การสังเกตการณ์และการประยุกต์ใช้การเคลื่อนที่ที่รุนแรง วิศวกรรมอาคารต้านแผ่นดินไหว การประเมินและลดความเสี่ยงจากแผ่นดินไหว เทคโนโลยีการทดสอบวิศวกรรมแผ่นดินไหวและเทคโนโลยี การวัดการสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวและวิศวกรรม

ในปี 2567 สถาบันนี้ได้เป็นผู้นำในการพัฒนาระบบเตือนภัยและตรวจสอบแผ่นดินไหวสำหรับรถไฟความเร็วสูงรุ่นใหม่ ซึ่งได้ถูกติดตั้งไปแล้วตามทางรถไฟกว่า 1,500 กิโลเมตรในจีน และส่งออกไปใช้ในรถไฟความเร็วสูงจาการ์ตา-บันดุงในอินโดนีเซีย

เมื่อการทดลองดำเนินไป แผ่นดินไหวจำลองก็ทวีความรุนแรงขึ้น เสียงหึ่ง ๆ ดังขึ้น และรอยร้าวเริ่มปรากฏบนแบบจำลองบ้าน

เมื่อการทดสอบถึงสภาวะที่หก แม้แต่พื้นใต้เท้าของผู้สังเกตการณ์ก็สั่นสะเทือนอย่างเห็นได้ชัด

ในสถานการณ์แผ่นดินไหวจริง ผู้เสียชีวิตส่วนใหญ่เกิดจากการพังทลายของอาคาร ตามที่เหอ หัวหนาน รองศาสตราจารย์จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีต้าเหลียน ประเทศจีนได้กำหนดหลักการสามประการสำหรับการก่อสร้างต้านแรงแผ่นดินไหวเพื่อความปลอดภัยของอาคาร กล่าวคือ ไม่ควรเกิดความเสียหายต่อโครงสร้างในแผ่นดินไหวขนาดเล็ก, การซ่อมแซมโครงสร้างเป็นเรื่องที่ทำได้ในแผ่นดินไหวขนาดกลาง และโครงสร้างจะไม่พังทลายในแผ่นดินไหวขนาดใหญ่

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แผ่นดินไหวขนาดเล็กหมายถึงเหตุการณ์แผ่นดินไหวทั่วไปที่มีความน่าจะเป็น ร้อยละ 63 ที่จะเกิดขึ้นภายในอายุการออกแบบ 50 ปี ซึ่งอาคารควรไม่ได้รับความเสียหาย แผ่นดินไหวขนาดกลางสอดคล้องกับความรุนแรงของแผ่นดินไหวที่คาดไว้ โดยมีความน่าจะเป็น ร้อยละ 10 ที่จะเกิดขึ้นในอายุการออกแบบเกินกว่า 50 ปี ความเสียหายบางส่วนเป็นที่ยอมรับได้ แต่อาคารควรยังคงใช้งานได้หลังการซ่อมแซม แผ่นดินไหวขนาดใหญ่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นไม่บ่อย โดยมีโอกาสเพียง 2-3% ที่จะเกิดขึ้นภายในอายุการใช้งานของอาคาร ซึ่งเป้าหมายหลักคือการป้องกันการพังทลายและความปลอดภัยของชีวิตผู้คน

หลังจากการทดสอบตลอดทั้งวัน แบบจำลองบ้านที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติสามารถทนต่อแผ่นดินไหวขนาด 6 ได้โดยไม่มีความเสียหายใด ๆ ต่อโครงสร้าง เมื่อความรุนแรงของแผ่นดินไหวจำลองถึงระดับ 7 และ 8 รอยร้าวปรากฏขึ้นแต่ไม่ลามไปถึงโครงสร้างหลัก ทำให้ยังคงความมั่นคงโดยรวม แม้หลังจากการเกิดแผ่นดินไหวขนาด 9 ที่ทำให้เกิดรอยร้าวทั้งหมด โครงสร้างหลักไม่ได้รับความเสียหายรุนแรง แบบจำลองนี้ผ่านการทดสอบได้สำเร็จ

ซุนอธิบายว่า อาคารคอนกรีตที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิตินั้นมีข้อดีหลายประการ ประการแรก พวกเขาสามารถสร้างได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำผ่านการออกแบบดิจิทัล การผลิตเพิ่มเติม และการผลิตสำเร็จรูป และสามารถรองรับรูปแบบสถาปัตยกรรมที่หลากหลาย ประการที่สอง การออกแบบผนังแบบกลวงสามารถรวมโครงเหล็กเสริมเข้าไปได้ สร้างโครงสร้างคอนกรีตที่แข็งแรงด้วยประสิทธิภาพการต้านทานแผ่นดินไหวที่ยอดเยี่ยมและความทนทานในระยะยาว

อย่างไรก็ตาม ในฐานะวิธีการก่อสร้างใหม่ บ้านคอนกรีตที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติยังต้องการการรับรองจากผู้เชี่ยวชาญและการทดสอบในทางปฏิบัติเพิ่มเติม ความสามารถในการต้านทานแผ่นดินไหวที่ยอดเยี่ยมของแบบจำลองบ้านขนาดย่อนี้ได้สร้างความมั่นใจในการวิจัยในอนาคตและการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้อย่างกว้างขวาง