Temporal Evolution of Storm

Temporal Evolution of Storm

K.Kurojjanawong

13–Apr-2024

Temporal Evolution of Storm แปลเป็นไทยก็คือ วิวัฒนาการชั่วคราวของพายุ เป็นศัพท์เทคนิคที่หาคนเคยได้ยินน้อยมาก ถึงแม้บางคนจะอยู่ในอุตสาหกรรมพลังงานหรือโครงสร้างในทะเลมาทั้งชีวิตก็อาจจะไม่เคยได้ยินเลย เนื่องจากต้องเป็นงานที่ซับซ้อนมากๆ ถึงจะใช้กัน

Temporal Evolution of Storm เป็นเทคนิคในการที่จะสร้างพายุเสมือนที่กระทำต่อโครงสร้างในทะเล เพื่อจำลองวิวัฒนาการของพายุที่เกิดขึ้นจริง โดยจะเป็นกราฟดังแสดง ซึ่งผมนำมาจาก DIN 18088-1 แต่จะมีกราฟคล้ายๆกันใน DNV-RP-C212 และ NORSOK N-003 ด้วย

โดยจะเป็นกราฟแสดงว่าพายุพัฒนาจากคลื่นลูกเล็กๆ ขึ้นไปถึงคลื่นลูกใหญ่ๆ อย่างไร ซึ่งโดยปกติโครงสร้างทั่วๆ ไปจะออกแบบให้รับคลื่นลูกใหญ่ๆ ตามหลักสถิติ เช่น คลื่นคาบการกลับ 100 ปี และยังใช้ความสูงคลื่นที่เป็น Extreme Value อีกด้วย การทำแบบนั้นในทางเทคนิคเรียก Design Wave Method ก็จะถือว่าโครงสร้างสามารถรับแรง “ชั่วขณะเสี้ยววินาที” ที่อาจจะเกิดขึ้นได้ในระหว่างพายุที่เกิดขึ้น

ซึ่งการทำแบบที่ว่านั้นในทางวิศวกรรมโครงสร้างถือว่าปลอดภัยเพียงพอ แต่ในทางวิศวกรรมฐานรากนั้นในหลายกรณีตอบไม่ได้ โดยเฉพาะถ้าโครงสร้างน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับแรงจากคลื่น จะทำให้เกิด Cyclic Loading ที่เสาเข็ม ถึงแม้เสาเข็มจะไม่ถึงกับรับแรงดึง ยังอยู่ในช่วงแรงอัดอยู่ แต่การที่เสาเข็มรับแรงเป็นวัฏจักรหลายๆรอบในช่วงพายุนั้นจะทำให้กำลังตกลงได้เรียกว่า Cyclic degradation ยิ่งถ้าถึงกับทำให้เกิดแรงดึงผลยิ่งมาก จากการที่เกิด Excess Pore Pressure ขึ้นจนทำให้ Radial Stress ที่เป็นตัวแปรสำคัญของแรงเสียดทานนั้นลดลง สุดท้ายอาจจะทำให้เสาเข็มถูกถอนออกจากพื้นดินได้หรือในกรณีของ ฐานรากแบบถังดูดขนาดใหญ่ (Suction Bucket) มันมักจะมีปัญหากับแรงดึงอยู่เสมอและยังมีงานวิจัยไม่เพียงพอ ผลของ Cyclic Loading จึงสำคัญมาก

การใช้เทคนิค Design Wave Method ด้วยการใช้ Extreme Wave Height ที่ใช้ในการออกแบบโครงสร้างทั่วๆไป นั้นไม่สามารถตอบปัญหาเรื่อง Excess Pore Pressure Build-up สำหรับปัญหาของฐานรากได้ เพราะไม่รู้ว่ากว่ามันจะขึ้นมาถึง Extreme Wave Height ที่สมมตินั้น แรงดันน้ำในมวลดินมันพัฒนาขึ้นมาอย่างไร

ช่วงยุค 80 มีการออกแบบและติดตั้ง Concrete Gravity Base Structure ซึ่งเป็นโครงสร้างคอนกรีตที่วางบนฐานรากตื้นในทะเลเหนือจำนวนมาก วิศวกรของ Norwegian Geotechnical Institute (NGI) ได้พัฒนาเทคนิคที่เรียกกว่า Temporal Evolution of Storm ขึ้นมาจากข้อมูลที่เก็บจริง โดยแนะนำว่าพายุจะพัฒนาจาก 50% ของ Target Significant Wave Height (Hs) ไปถึง 100% Hs ใช้เวลา 15 ชม จากนั้นคงที่อยู่ที่ 100% Hs อยู่ 5 ชม ซึ่งใน 5 ชม นี้ละที่มีโอกาสจะเกิด Maximum Wave Height (Hmax) ที่ใช้กันในเทคนิค Design Wave Method ที่เห็นสีแดงขึ้นไปถึง 1.86 แล้วจะค่อยๆลดกำลังโดยกินเวลาอีก 15 ชม รวมช่วงพัฒนาพายุประมาณ 35 ชม ซึ่งใช้กันใน DIN 18088-1 และ NORSOK N-003 อย่างไรก็ดี ใน DNV-RP-C212 นั้นแนะนำที่ 42 ชม

เมื่อเรารู้ว่าพายุพัฒนาการอย่างไร เราก็สามารถจะสร้างชุดของลูกคลื่นที่จะกระทำต่อโครงสร้างได้ ซึ่งทำได้สองรูปแบบคือ Frequency Domain หรือ Time Domain ซึ่งทั้งสองวิธีนั้นวิศวกรต้องมีความรู้ทางด้านสถิติและความน่าจะเป็น เป็นอย่างดีถึงจะสามารถประยุกต์ใช้กราฟ Temporal Evolution of Storm โดยไม่ขอลงรายละเอียดเนื่องจากซับซ้อนมาก

ผลสุดท้ายที่จะได้ออกมาคือเป็น Cyclic Loading ที่เกิดบนฐานราก โดยสามารถจะคิดออกมาได้ทั้งต่อจำนวนรอบการเกิด หรือ ต่อเวลาการเกิดเป็นนาทีหรือชม ทำให้วิศวกรฐานรากสามารถนำไปประมาณได้ว่าจะเกิด Build-up Excess Pore Water Pressure ขึ้นเท่าไร และฐานรากจะยังคงมีกำลังเหลือพอที่จะรอดพ้นจากพายุลูกที่ว่าหรือไม่