Blockdit Logo (Mobile)
ส
สัพเพเหระไปกับวิศวกร
•
10 พ.ค. 2020 เวลา 08:24 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
สะพานแขวน Humen Bridge ในประเทศจีนเกิดการสั่นขึ้นลงอย่างรุนแรง
Humen Bridge in Guangzhou, Guangdong,China Total length: 3,618m Main span: 888 m The bridge, which opened in 1997,
เมื่อวันที่อังคารที่ 5 พค 2020 ที่ผ่านมา สะพานแขวน Humen Bridge ในประเทศจีนเกิดการสั่นขึ้นลงอย่างรุนแรง
ขณะเกิดเหตุมีรถสัญจรเต็มสะพาน ตอนนี้โดนสั่งปิดห้ามสัญจรเพื่อตรวจสอบแล้ว
สะพาน Humen Bridge นี้ตั้งอยู่ในประเทศจีน เป็นสะพานแขวนความยาว 3.618 กิโลเมตร มีช่วงพาดระหว่างจุดรองรับหลัก 888 เมตร เปิดใช้เมื่อปี 1997 หรือ 23 ปีมาแล้ว
ตำแหน่งของสะพาน Humen
ดังนั้นจึงไม่ใช่สะพานสร้างใหม่ และใช้งานมานานมากแล้ว ไม่เคยมีปัญหา
ผลการตรวจสอบเบื้องต้น วิศวกรของจีนระบุสาเหตุคร่าวๆ ว่าเกิดจากการติดตั้ง Temporary Water Safety Barrier (สีแดงที่ตั้งอยู่ขอบสะพาน)เป็นสาเหตุให้เกิดการสั่นขึ้นลงอย่างรุนแรง
รูปขณะเกิดเหตุ มีรถสัญจรเต็มสะพาน
Temporary Barriers ที่ไปตั้งขวางทางลม
เนื่องจากตัว Barriers ชั่วคราวนี้ ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสะพานมาตั้งแต่ต้น การติดตั้ง Barriers ลงไปทำให้เป็นการเปลี่ยนพฤติกรรม Aerodynamic หรือพฤติกรรมด้านพลศาสตร์ของสะพานจากแรงลม ทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Vortex Induced Vibration
เมื่อลมพัดถึงความเร็วหนึ่งจะไปพ้องเข้ากับความถี่ของโครงสร้างจะเกิดการ Lock-in ที่จังหวะนั้นจนเกิดการสั่นไปมา
ซึ่งจริงๆ แล้วความเร็วลมไม่สูงเลย มันจะมีช่วงหลุมที่เรียกว่า Lock-in Region อยู่ช่วงสั้นๆ ที่ทั้งความเร็วลมและความถี่ของโครงสร้างมันพอดีกันจริงๆ จะลมแรงหรือเบากว่านั้นก็จะไม่เกิด
ช่วง Lock-in ของ Vortex ที่จะมีอยู่แค่เพียงช่วงสั้นๆสองช่วง
ซึ่งถ้ารุนแรงมากในช่วงสั่นก็อันตรายในด้านกำลังของสะพาน หรือถ้าสั่นไม่รุนแรงแต่ยาวนานก็อาจจะอันตรายในด้านความล้าของโครงสร้าง
จากผลการตรวจสอบเบื้องต้นโครงสร้างหลักของสะพานนี้ยังไม่มีอะไรเสียหาย
ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Vortex Induced Vibration คืออะไร?
ผมเรียบเรียงใหม่มาจากบทความเดิมที่เคยเขียนไว้ในบล๊อกเมื่อหลายปีก่อนให้เห็นภาพกัน
การปั่นป่วนของการไหลเมื่อมีอะไรไปขวางมัน
Vortex Induced Vibration หรือเรียกสั้นๆ ว่า VIV นั้นคือปรากฏการณ์ธรรมชาติรูปแบบหนึ่ง จะเกิดเมื่อของไหล ซึ่งอาจจะเป็น ลม หรือ น้ำ เคลื่อนที่ผ่านของที่มาตั้งกั้นขวางทางเดินของมันแล้วเกิดการแยกตัวออกจากของนั้นๆ หรือ ไหลไม่ไปตามผิวของๆ นั้น ที่เรียกว่า Flow Separation
เส้นทางการไหล จะเห็นมันม้วนตัวไปมาข้างหลังท่อ
คือ แทนที่จะไหลไปตามผิว แต่เนื่องจากผลของ Flow turbulent ทำให้เกิดการปั่นป่วนและเปลี่ยนแปลงแรงดันรอบๆท่อ เกิดความไม่สมดุลขึ้น ทำให้แรงดันรอบท่อไม่เท่ากัน นำมาซึ่งการสั่นของโครงสร้าง
Flow Separation คือการแยกตัวของของไหลจากวัตถุที่เคลื่อนผ่าน เนื่องจากเวลาของไหลเคลื่อนผ่านวัตถุ มันจะมีแรงเสียดทานที่ผิว อนุภาคที่ใกล้ผิวจะโดนแรงเสียดทานดึงเอาไว้ จนถึงจุดหนึ่งมันจะความเร็วเป็นศูนย์ จุดนั้นเรียก Flow Separation Point
การเกิดการแยกตัวของการไหล
เพราะ Flow line จะไม่ไหลตามผิวอีกต่อไป แต่จะโดนผลักออกไปให้ห่างจากผิว พอเลยไปกว่านั้นโดนดึงจนหันไปอีกทิศทางที่สวนกับการไหลด้วย ทำให้เกิดการหมุนของของไหล เค้าเรียกว่า Vortice
พอสองฝั่งของโครงสร้าง มันเกิด Vortice หมุนไม่เท่ากัน มันก็เกิดความไม่สมดุลของแรงดัน มันเลยทำให้โครงสร้างต้องปรับสมดุลตัวเองด้วยการเคลื่อนที่ไปมา หรือ สั่นนั่นเอง
ซึ่งอาจจะไม่สมดุลทั้งแนวการไหล (Inline Vibration) หรือแนวขวางการไหล (Crossflow Vibration) ซึ่งมันจะมีช่วง Lock-in หรือ ช่วงที่มันสั่นมากๆ ซึ่งขึ้นกับความเร็วของไหล คาบโครงสร้าง และขนาด Diameter
Wake Zone
Zone ข้างหลังทั้งหมด เค้าก็เรียก Wake Zone ซึ่งมันจะสั่นมากน้อยขนาดไหนขึ้นกับหลายปัจจัย เช่นความเร็วของของไหล สัมประสิทธิ์ความหนืดของของไหล ขนาดโครงสร้าง บลาๆๆๆๆ
พอไม่สมดุลมันก็เลยมีแรงเกิดขึ้น ทำให้ผลักโครงสร้างให้ขยับไปมาเป็นลูบหรือสั่นนั่นเอง
Vortex Phenomena
ปรากฏการณ์แบบนี้นั้นแก้ไขได้ ถ้ามีการคำนึงถึงตั้งแต่ต้น เช่นการทำให้โครงสร้างมีความถี่หลุดจากช่วงที่มีโอกาสเกิดการสั่น การปรับพฤติกรรมการไหลของลม เช่นการติดตั้ง VIV Suppression เข้าไปกวนการไหลของลมไม่ให้มันเกิดแรงดันที่ไม่สมดุล หรืออื่นๆ
VIV Suppression
แต่อย่างไรก็ดี เนื่องจากสะพานนี้ ไม่ได้ออกแบบมาให้มี Barriers มาตั้งขวางทางลมตั้งแต่ต้น เค้าจึงไม่คิดว่ามันจะเกิดเหตุการณ์แบบนี้ได้ และคนเอา Barriers มาตั้งก็คงจะไม่มีความรู้ในรายละเอียด จึงอาจจะคาดไม่ถึง
ข้อสันนิษฐานเรื่อง Barriers นั้นได้รับการสนับสนุนจาก Allan Larsen วิศวกรอาวุโสของบริษัท COWI ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านอุโมงค์ลมในเดนมาร์ก
โดยเค้าให้ความเห็นกรณีสะพาน Humen ในจีนสั่นขึ้นลงอย่างน่ากลัวว่า น่าจะเป็นเพราะการติดตั้ง Temporary Barriers ตามที่ทางการจีนให้ข่าวเบื้องต้นออกมา
มันน่าจะเข้าไปเปลี่ยนพฤติกรรมการไหลของลม ซึ่งพบได้บ่อยในกรณีของ Snow Accumulated หรือ กรณีที่หิมะกองกันจนสูงเหมือนกำแพง เมื่อเค้าเอารถมาเกลี่ยหิมะออกไปกองกันไว้ข้างถนน เพื่อเปิดเลนให้รถวิ่ง
โดยเค้าเอาคลิปการทดสอบอุโมงค์ลมมาให้ดูด้วย เป็นการจำลองสะพาน Russky Bridge ในเมือง Vladivostok ของรัสเซีย ซึ่งเป็น Long span cable stay bridge
รูปตัดของสะพาน Russky Bridge
ในโมเดลเค้าจำลองหิมะกองกันข้างถนน เป็น Snow Barriers (ที่เห็นเป็นสันอยู่ตรงขอบๆ ในคลิป) พบว่าการมี Barriers ทำให้เกิดการสั่นขึ้นลงของสะพานตามแสดงในคลิป
ซึ่งกรณีแบบนี้เป็นกรณีที่ต้องพิจารณาในการออกแบบสะพานที่อยู่ในเขตหนาว แต่สะพานในเขตร้อนของจีนตัวนี้อาจจะไม่ได้คิดไว้ เพราะคงไม่คิดว่าใครจะเอา Barriers ไปวางกองกันข้างถนนยาวขนาดทำให้มันเปลี่ยนพฤติกรรมของสะพานได้มากขนาดนี้
ตัวอย่างกรณีแบบนี้ที่เคยเกิดขึ้น ก็เช่น สะพาน Tacoma Bridge ในประเทศสหรัฐอเมริกาที่สั่นจนพังถล่มลงมาในปี 1940 หลังจากใช้งานได้เพียง 4 เดือน
ซึ่งทำให้เกิดการศึกษาเกี่ยวกับวิศวกรรมด้านลมอย่างกว้างในเวลาต่อมา
อีกกรณีศึกษาคลาสสิคคือเหตุการณ์ของสะพาน Alconétar Arch ใน Spain เกิด Vortex Induced Vibration ในช่วงก่อสร้าง เมื่อปี 2006 หลังจากติดตั้งส่วน Arch และยังไม่ติดตั้ง Column และ Deck เกิดการสั่นด้วย Amplitude สูงมาก (ประมาณ 80 ซม) จนมองเห็นด้วยตาเปล่า
แต่สะพานนี้ไม่พังและแก้ไขได้ทัน หลังจากติดตั้งส่วนที่เหลือเสร็จ
โฆษณา