How to dissipate the Collision Energy

How to dissipate the Collision Energy

K.Kurojjanawong

05-Apr-2024

การวิเคราะห์โครงสร้างรับแรงจากการชนหรือ Collision Analsysis นั้น เหมือนกันหมด ไม่ว่าจะเป็นเรือชน (Ship Collision) รถชน (Car Collision) เศษวัตถุชน (Debris Collision) หรือโครงสร้างนั้นจะอยู่บนฝั่งหรืออยู่ในน้ำนั้นอยู่บนพื้นฐานของหลักฟิสิกส์เบื้องต้นเรื่องโมเมนตัมและการชนทั้งหมด ซึ่งเรียนกันมาแล้วตั้งแต่มัธยม

เมื่อมาแยกย่อยเพื่อนำไปใช้งานจริง จะอยู่บนพื้นฐานของการชนแบบไม่ยืดหยุ่น (Inelastic Collision) ซึ่งมีกฏคือ โมเมนตัมคงที่ แต่พลังงานจลน์ไม่คงที่ หรือ มีการสูญเสียพลังงานเกิดขึ้นหลังจากการชน ซึ่งพลังงานเปลี่ยนรูปไปหลายแบบ เช่น กลายเป็นความร้อน กลายเป็นความความเสียหาย โดยในการวิเคราะห์เรื่องการชนเราจะถือว่าพลังงานที่สูญเสียไป (Energy Loss) อยู่ในรูปของความเสียหายเท่านั้น เนื่องจากพลังงานที่เสียไปในรูปแบบอื่นมันวัดได้ยาก ไม่ว่าจะเป็นความเสียของสิ่งของที่วิ่งเข้ามาชน หรือ ความเสียหายของโครงสร้าง

ความเสียหายในที่นี้ก็คือโครงสร้างเกิดการเคลื่อนที่ในภาพรวม (Global Deformation) โครงสร้างเกิดการเคลื่อนที่ในภาพย่อย (Local Deformation) ซึ่งเกิดได้ทั้งเสาคานแอ่นตัวจากการโดนชน หรือ เกิดการวิบัติชิ้นส่วนขาด ของที่วิ่งมาชนยุบตัวเสียหาย เช่น เรือยุบ รถยุบ ทั้งหมดล้วนทำให้เกิดงานขึ้น (Work Done) ซึ่งเข้าไปชดเชยจากพลังงานการชนที่สูญเสียไป ดังแสดงในรูป

โดย Energy Loss ที่เกิดขึ้นหลังจากการชนนั้นสามารถพิสูจน์ได้โดย Momentum Conservation Theorem และ Energy Conservation Theorem และสรุปออกมาเป็นสมการดังรูป ซึ่งจะเห็นว่ามันขึ้นกับ มวลของสิ่งของที่วิ่งมาชน มวลของโครงสร้างที่ถูกชน และยังขึ้นกับความเร็วของสิ่งของที่วิ่งมาชน และความเร็วของโครงสร้างก่อนโดนชนอีกด้วย

ในกรณีที่เป็นการชนโครงสร้างที่อยู่ในน้ำ มวลของการชนจะต้องรวม มวลเสมือน (Added mass) ซึ่งเป็นมวลของน้ำที่จะติดไปกับการชนด้วย ยกเว้นไม่ได้ ซึ่งการในอากาศ ก็มีมวลเสมือนของอากาศที่ติดไปกับการชนด้วย เพียงแค่ค่ามันต่ำจนยกเว้นได้

การชนแบบไม่ยืดหยุ่น (Inelastic Collision) นั้นพลังงานที่สูญเสียไป (Energy Loss) ยังแบ่งย่อยออกไปได้อีกสามรูปแบบ โดยมองในมุมของโครงสร้างที่ถูกสิ่งของวิ่งเข้ามาชน คือ

Ductile Design คือ พลังงานที่สูญเสียไปถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นความเสียหายในโครงสร้างเป็นส่วนใหญ่

Share-Energy Design คือ พลังงานที่สูญเสียไปถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นความเสียหายในสิ่งของที่วิ่งเข้ามาชนโครงสร้างและตัวโครงสร้างเองเท่าๆกัน

Strength Design คือ พลังงานที่สูญเสียไปถูกเปลี่ยนรูปไปเป็นความเสียหายในสิ่งของที่วิ่งเข้ามาชนโครงสร้างเป็นส่วนใหญ่

การออกแบบด้วยการใช้พลังงานที่ต้องการสลายเป็นตัวตั้ง

หลักการออกแบบโครงสร้างกับการชน จึงมีหลักง่ายๆ คือ ทำให้โครงสร้างหรือของที่วิ่งมาชนเคลื่อนที่เมื่อโดนชนจนเกิดงานเท่ากับพลังงานที่สูญเสียไป ซึ่งหลักง่ายๆ แบบนี้ แต่ทำจริงๆ นั้นยาก เนื่องจากขึ้นกับความแข็งแกร่งของทั้งสองที่วิ่งชนและตำแหน่งที่โครงสร้างถูกชน

ดังนั้นบางครั้งจึงคิดง่ายๆ คือ ต้องการสลายพลังงานเท่าไร ก็ให้โครงสร้างที่เราพิจารณารับทั้งหมด โดยไม่สนใจว่าของที่วิ่งมาชนจะคืออะไร หรือ ก็คือสมมติว่ามันแข็งเป็นอนันต์ เราก็เอาแรงกดโครงสร้างในตำแหน่งที่คิดว่าจะโดนชนจนกว่าจะเกิด Work Done เท่ากับ Energy Loss ที่ตั้งเป้าหมายไว้ โดยที่โครงสร้างยังอยู่ในสถานะที่ยังยอมรับได้ ไม่ใช่ว่าเอียงจนจะล้มแล้วถึงจะได้ Work Done เท่าที่ต้องการ แบบนี้ก็ถือว่ายอมรับไม่ได้

ซึ่งการทำแบบข้างบนที่ให้โครงสร้างรับทั้งหมด ก็จะทำให้ได้โครงสร้างที่สิ้นเปลืองมาก บางครั้งจึงต้องมีการพิจารณาด้วยว่าจะเกิด Work Done บนของที่วิ่งชนเท่าไร หรือก็คือถ้ามีการชน จะไม่ใช่แต่โครงสร้างที่จะยุบและรับพลังงานไปทั้งหมด แต่ของที่วิ่งเข้ามาชนก็ยุบและเกิด Work Done ด้วยเช่นกัน และผลรวมของงานที่เกิดขึ้นคือพลังงานที่ถูกสลายไป

ซึ่งจะรู้ว่าเกิดงานในของที่วิ่งชนเท่าไร เราจะต้องรู้ความแข็งแกร่งของมันด้วย คือต้องรู้กราฟ Indentation Curve ที่แสดงด้วยแรงกับการเคลื่อนตัวของของที่วิ่งชน ซึ่งต้องมีการทำการศึกษา ดังนั้นจึงมักจะตัดปัญหาด้วยการไม่พิจารณามันเลยแบบที่อธิบายไป แต่หลายกรณีตัดออกไปเลยไม่ได้ ไม่เช่นนั้นโครงสร้างจะออกมาใหญ่โตมากจนไม่สมเหตุสมผล ก็ต้องมีการตั้งสมมติฐานและดูความเป็นไปได้ว่าจะมีอะไรวิ่งเข้ามาชนบ้างแล้วต้องทำการศึกษาหา Indentation Curve ของมัน

การออกแบบด้วยการใช้แรงกระทำเป็นตัวตั้ง

บ่อยครั้งวิศวกรโครงสร้างไม่เข้าใจเรื่องพลังงาน ก็จะถามหาแรงไว้ก่อน ต้องการรู้ว่าแรงกระทำคือเท่าไร ซึ่งมันยากที่จะบอกว่าแรงกระทำคือเท่าไร เนื่องจากมันขึ้นกับทั้งระยะเวลาการชน มวล ความเร็ว และที่สำคัญคือความแข็งแกร่ง (Stiffness) ของทั้งของที่วิ่งมาชนและโครงสร้างที่ถูกชนเอง

โดยถ้าโครงสร้างเราแข็งแกร่งมาก หรือ Stiffness สูงมาก แรงกระทำมันก็จะสูงตาม เพราะมันเคลื่อนที่น้อย มันจึงเกิดแรงสูงเพื่อให้ได้งานเท่าเดิม แต่ถ้าโครงสร้างเราอ่อน แรงกระทำก็ต่ำ เพราะมันเคลื่อนที่มาก แรงจะต่ำ เพราะคูณกันแล้วได้งานเท่าเดิม

ดังนั้นในมาตรฐานอย่างเช่น AASHTO ที่มีการแนะนำ Impact Load จากเรือชนเสาสะพาน เค้าจึงทดสอบมากจากเรือที่วิ่งชนโครงสร้างเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ที่แข็งมากๆ ดังนั้นก็จะได้แรงกระทำที่สูงๆ เพราะมันปลอดภัยเมื่อนำไปใช้กับโครงสร้างรูปแบบอื่นที่อ่อนกว่าโครงสร้างเป้าหมาย เนื่องจากแรงกระทำจริงก็จะต่ำกว่าที่แนะนำไว้ ซึ่งมันก็จะสลับกับที่อธิบายไปข้างบน ที่เราสมมติให้เรือหรือรถแข็งเป็นอนันต์ เพื่อให้เกิดการสลายพลังงานจากโครงสร้างทั้งหมด แต่เป้าหมายเดียวกัน คือเพื่อความปลอดภัย ในส่วนที่เราคาดเดาไม่ได้