Basic Stability of Lift Operation

K. Kurojjanawong, 27-Jul-2019

ปัญหาเสถียรภาพในการยกเป็นปัญหาโลกแตก เหมือนจะง่าย แต่ก็ไม่ง่าย และคนส่วนใหญ่ไม่เข้าใจ คิดเอาเองว่ามันง่าย โดยไม่พิจารณาให้รอบด้าน พอยกจริงจึงมักจะมีปัญหา

โดยเฉพาะการยกแบบซับซ้อน เช่น การทำ Multi-tier lift หรือการยกด้วยการใช้ Spreader Frame\Bar ซ้อนกันหลายๆ ชั้น การยกที่ความยาวของ Spreader Frame\Bar แต่ละชั้นไม่เท่ากัน การยกที่จุดยกแต่ละชั้นอยู่คนละระดับ หรือ การยกแบบ Multi-Crane, Multi-hook

การยกจำพวกนี้ ไม่ใช่ง่ายๆ และต้องอาศัยความเชี่ยวชาญเป็นพิเศษ โดยเฉพาะปัญหาด้านเสถียรภาพ ที่ถ้าคำนวณไม่ดี สามารถจะคว่ำได้เลย ต่อให้จุดยกหรือของที่โดนยกจะออกแบบมาดีขนาดไหนก็ตาม

ในบทความนี้จะมาแนะนำให้เข้าใจพื้นฐานของเสถียรภาพในการยกแบบง่ายๆ กันก่อน ที่จะพาไปสู่การยกแบบซับซ้อนในโอกาสถัดไป

ความเข้าใจหลักที่วิศวกรทุกคนต้องระลึกไว้เสมอ คือ เราไม่สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำว่าจุดศูนย์ถ่วง (Centre of Gravity, CoG) ของ วัตถุทุกชนิดว่ามันอยู่ตรงไหน ต่อให้เอาไปชั่ง หรือ วัดด้วยเครื่องมือวัดที่แม่นยำขนาดไหนก็ตาม มันก็ยังมีความคลาดเคลื่อนอยู่

ดังนั้นในการวิเคราะห์ทุกครั้ง จึงต้องมีการเผื่อความคลาดเคลื่อนของน้ำหนักของที่จะยก (ประมาณ 3-5%) และความคลาดเคลื่อนของ COG (ประมาณ +/- 5% ของขนาดแต่ละด้าน แต่ไม่เกิน +/-1 ม) ซึ่งจะอธิบายละเอียดในภายหลัง

ถ้าใครทำงานเกี่ยวกับโครงสร้างในทะเล จะรู้ว่าโครงสร้างที่ออกไปทุกตัว โดนชั่งเสมอ เรียกว่าแทบจะรู้แม่นยำว่ามันหนักเท่าไรและ COG อยู่ตรงไหน แต่ก็ยังมีการเผื่อความคลาดเคลื่อนในการคำนวณไว้ทุกครั้ง

ในขณะที่โครงสร้างตึกและอาคาร หรือของที่ถูกยก ไม่มีการชั่ง ไม่รู้ว่ามันหนักเท่าไรกันแน่ COG มันอยู่ตำแหน่งที่เราคิดจริงหรือไม่ก็ไม่รู้ แต่กลับไม่มีการเผื่อความคลาดเคลื่อนที่เพียงพอ (อันนี้ผมสังเกต จากที่เห็นวิศวกรหลายๆ ท่านนำรายการคำนวณมาแชร์ ผมไม่เคยเห็นการเผื่อความคลาดเคลื่อนในรายการคำนวณเลย แล้วมั่นใจอย่างไรว่ามันหนักเท่านั้นจริงๆ) นำมาซึ่งความเสี่ยงโดยไม่จำเป็น

ในรูปแรก จะเห็นว่า ในการยกทุกครั้ง มันจะเสถียรได้ เมื่อเส้นที่ลากผ่าน Hook Point และ COG มันอยู่แนวดิ่งพอดี คานสีแดงที่เป็นคานที่วางของ ก็จะอยู่ในแนวราบ กรณีแบบนี้คือกรณี Ideal เพราะคิดว่ารู้ตำแหน่ง COG จริงๆ สามารถยกโดยที่มันอยู่ในแนวราบได้จริงๆ แต่ในความเป็นจริงมันมีความคลาดเคลื่อน พอมันเคลื่อนไปจากตำแหน่งที่เราคิด มันก็สามารถจะคว่ำเอาได้ง่ายๆ

ถ้าสมมติว่า COG จริง มันเคลื่อนไปทางขวา ให้เราลากเส้นผ่าน Hook Point และ COG โดยมีหัวลูกศร วิ่งไปหา COG ของที่จะยก จะเห็นว่ามันเอียงกับแนวดิ่งอยู่ เนื่องจากตำแหน่ง Crane Hook อยู่นิ่ง ดังนั้นมันจะหมุนตามเข็มนาฬิกา เพื่อทำให้ลูกศรสีเขียวกลับลงมาแนวดิ่งให้ได้ โดยมันจะต้องหมุนไปด้วยมุม (กรณีที่หมุนช้ามาก ของจริง จะหมุนเกินจากแรงเหวี่ยง แล้วสวิงไปเรื่อยๆ จากปัญหาพลศาสตร์จนกว่าจะสมดุล) จนคานสีแดงเอียงทำมุม gamma กับแกนแนวราบ

กรณีแบบนี้จะยังคงเสถียรภาพได้อยู่ ถ้ามันไม่เอียงเยอะเกินไปจนกลิ้งลงมาก่อนนะ เนื่องจากว่า COG ของ ของที่ยกยังอยู่ในรูปสามเหลี่ยมที่ลากจากจุดยกทั้งสองฝั่ง ไปยัง Hook Point อยู่ หรือ มุม alpha ยัง น้อยกว่า beta

ถ้าเรายกของที่มีความสูงขึ้นแบบรูปที่สอง โดย COG ของ ของที่ยกสูงมาก จนมุม alpha มากกว่ามุม beta ผลมันจะเป็นอย่างไร

มันก็ยังสมดุล ถ้าเราวางของได้ตำแหน่งพอดีจน COG อยู่ใต้ตำแหน่ง Crane Hook หรือเส้นสีเขียวอยู่ในแนวดิ่ง แบบนี้เรียกว่า Neutral Equilibrium คือ สมดุลแบบพร้อมที่จะล้ม

ถ้าคำนวณ COG พลาดไปหน่อย จนมันขยับไปทางขวา หรือ มีลมพัด หรือ อะไรก็ตาม ไปชนมันให้มันเหวี่ยงออกจากสภาพสมดุล มันจะกลับมายังที่เดิมไม่ได้ จะเห็นว่าพอมันเคลื่อนไป ลูกศรสีเขียว หัวพุ่งขึ้นข้างบน มันจะพยายามเหวี่ยงกลับลงมาอยู่แนวดิ่งข้างล่าง ทำให้มัน พลิกคว่ำทันที

ดังนั้นในการยกที่จุดยกอยู่ต่ำกว่า COG เค้าจึงบอกว่าให้ทำให้ COG อยู่ในสามเหลี่ยม สีน้ำเงินให้มากที่สุด หรือ ทำให้มุม alpha น้อยกว่า มุม beta มากๆ เช่น 20 องศา ตราบใดที่มันยังอยู่ในสามเหลี่ยม มันจะยังกลับมาสู่สมดุลเองได้ (ถ้าของไม่ไถลตกลงมาก่อน)

Reserved Stability ก็คือผลต่างของมุม alpha และ beta มากๆ ตราบใดที่ สามเหลี่ยมข้างในสีชมพูไม่ขยับจนออกมาทับสามเหลี่ยมสีน้ำเงิน มันจะยังสมดุล ระยะห่างก็คือเสถียรภาพส่วนที่เหลือ ยิ่ง ห่างกันมาก ยิ่ง มีเสถียรภาพมาก

การยกแบบใช้ Spreader Bar ช่วย ก็จะเหมือนกัน สมมติให้สีแดงข้างบนคือ Spreader Bar สีเหลืองเป็นพื้นสำหรับวางของ และมันมีความยาวเท่ากัน ทุกอย่างจะใช้หลักการเดียวกัน เนื่องจากปลาย Spreader จะเป็นจุดคล้องสลิง ซึ่งมันไม่อยู่นิ่ง สลิงสามารถหมุนตัวเองได้เพื่อกลับมาแนวดิ่งหาสภาพสมดุล

จะเห็นว่าเมื่อระบบไม่มีเสถียรภาพ เกิดการหมุนไปทางขวา เส้นสีฟ้า ที่สมมติเป็น สลิง ต่อระหว่าง Spreader Bar กับจุดยกข้างล่าง จะวิ่งกลับมาแนวดิ่งได้เอง โดยคานสีแดง และ สี เหลือง จะหมุนไปทำมุม gamma และมันจะวางตัวขนานกัน

ดังนั้นการทำความเข้าใจระบบแบบนี้ ให้ตัดคานสีเหลืองข้างล่างออกไปเลย เพราะสลิงชั้นล่างมันเหวี่ยงกับมาแนวดิ่งเอง จึงเหมือนมันไม่ได้ทำหน้าที่อะไรเกี่ยวกับสมดุลของระบบ

ให้เราเสมือนว่าของมันขึ้นมานั่งอยู่บนคานสีแดงข้างบน (หรือจะยก Crane Hook และมุมสลิงมันลงไปครอบของที่ชั้นล่าง ก็เหมือนกัน) เหมือนปัญหาที่ผ่านมา ดังนั้นเสถียรภาพของระบบจึงยังขึ้นอยู่ที่ผลต่างของ มุม alpha และ มุม beta เหมือนเดิม

ในรูปสุดท้าย เค้าถามว่าในการยกของตามรูป มีเสถียรภาพ หรือ ไม่

จะเห็นว่าทาง Transverse มุม alpha มากกว่า มุม beta ส่วนทาง Longitudinal มุม alpha น้อยกว่า มุม beta

ดังนั้นก็ตอบได้เลยว่า การยกครั้งนี้ จะไม่มีเสถียรภาพในทาง Transverse คือแค่ลมพัด ก็อาจจะคว่ำได้เลย แต่จะมีเสถียรภาพในทาง Longitudinal แต่ก็ค่อนข้างน้อยมาก เนื่องจากมุมต่างกันเพียง 3 องศา