Pile-Soil-Structure Interaction-Convergence Problem

Pile-Soil-Structure Interaction-Convergence Problem

K.Kurojjanawong

15–Apr-2024

การวิเคราะห์แบบ Pile-Soi-Structure Interaction เรียกสั้น PSSI หรือ PSI มันจะมีปัญหาที่เจอประจำเลยคือ Convergence Problem หรือไม่เกิดการลู่เข้าของคำตอบ ซึ่งปัญหาแบบนี้เกิดได้อย่างเดียว คือเกิดจาก Nonlinear Elements ของระบบ ซึ่งการวิเคราะห์แบบ PSI นั้นใช้ Linear Elements สำหรับโครงสร้างส่วนบน แต่ใช้ Nonlinear Elements สำหรับโครงสร้างส่วนล่าง ดังนั้นปัญหาจึงเกิดมาจาก Nonlinear Soil Springs ที่ใส่เข้าไป

ซึ่งปัญหาแบบนี้มันมักจะสร้างความปวดหัวให้กับวิศวกรโครงสร้าง เนื่องจากไม่มีความรู้ที่จะแก้ปัญหาเรื่องดิน เพราะรับข้อมูลมาจากวิศวกรฐานรากแล้วใช้อย่างเดียว พอเกิดปัญหาก็โยนกับไปหาวิศวกรฐานราก ส่วนวิศวกรฐานรากส่วนใหญ่ความรู้เรื่องวิศวกรรมโครงสร้างก็แทบจะตีเป็นศูนย์ พอเกิดปัญหาเกี่ยวกับเทคนิคลึกๆ ทางโครงสร้าง ก็ไม่รู้จะแก้ยังไง ก็มักจะไม่ยอมรับปัญหา

ปัญหาแบบนี้ Convergence Problem หรือ Iteration Exceeds นั้นต้องมีความรู้ทั้งวิศวกรรมโครงสร้างและวิศวกรรมฐานราก พอมันไม่มีคนตรงกลาง สุดท้ายก็โยนกันไปกันมาไม่รู้ใครผิดกันแน่

จริงๆ มันเป็นปัญหาทางเทคนิค ที่ถึงแม้จะเป็นปัญหาที่เจอประจำในการวิเคราะห์เชิงเส้น แต่ก็ไม่ใช่จะเจอได้บ่อยๆ ในงานจริง ถ้าไม่เจอกรณีพิเศษพอดี ส่วนใหญ่จะเกิดกำลังรับแรงแนวดิ่งของเสาเข็มจากการที่ Pile Loading Response Curve หรือ Pile Load VS Deformation นั้นมีพีคเด่นกระโดดขึ้นมาดังแสดงในรูป

ในการวิเคราะห์แบบไม่เชิงเส้น ถ้าไม่ได้ทำ Full Nonlinear Analysis ด้วยการค่อยขยับแรงเป็นระดับขึ้นไปจนถึงระดับที่ต้องการ ก็จะใช้วิธี Trial-Error ด้วยการสุ่ม Pile Axial Stiffness มาใช้ แล้ววิเคราะห์หาแรงลงหัวเข็ม แล้วนำกลับไปหา Pile Axial Stiffness ชุดใหม่ เปรียบเทียบจนกว่าการทรุดตัวที่หัวเข็มของการสุ่มแต่ละรอบจะอยู่ในค่าที่ยอมรับได้

ความยากมันอยูที่การที่จะสร้าง Pile Loading Response Curve หรือ Pile Load VS Deformation ซึ่งมันขึ้นกับจำนวน Friction Elements (t-z) และ End-bearing Element (q-z) ยิ่งมีจำนวนมากยิ่งสร้างยาก ยิ่งเป็น Nonlinear Curves ที่มี Sharp Peak จำนวนมาก เช่นพวกดินเหนียว และถ้ามันคุมพฤติกรรมส่วนใหญ่ของเสาเข็ม มันจะส่งต่อคุณสมบัตินั้นไปให้ Pile Loading Response Curve

ซึ่งการมีพีคเด่นในทางวิศวกรรมแบบไม่เชิงเส้นนั้นเราไม่ค่อยชอบกัน เนื่องจากว่ามันจับจุดพีคนั้นยาก มันคือจุดเปลี่ยนแบบกระทันหันของความชัน ซึ่งความชันในที่นี้คือ Pile Axial Stiffness ซึ่งในทางเทคนิคมีวิธีเสนอมากมายในการที่จะจับจุดบนสุดให้ได้ก่อนที่มันจะลดระดับลง แต่ในหลายโปรแกรมก็ไม่สามารถทำได้ หรือไม่มีออฟชั่นให้แก้ปัญหาพวกนี้ ทำให้ต้องแก้ปัญหาเองโดย user ที่ต้องมีความรู้เพียงพอด้วย

การแก้ปัญหาแบบง่ายที่สุดคือ

1) ตัดพีคมันออกไปเลย ซึ่งก็ต้องใช้วิจารณญาณกันเองว่าตัดแบบไหนจะปลอดภัย

2) เหลาจุดพีคให้มันมีความโค้งมน ด้วยการเพิ่มจุดเข้าไปจำนวนหนึ่งบริเวณรอบๆ พีค ซึ่งการทำแบบนี้คือทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความชันในแบบที่ค่อยเป็นค่อยไป ไม่ใช่เปลี่ยนจากความชันบวกเป็นความชันลบเลยในจุดเดียว ซึ่งจะทำให้โปรแกรมหาจุดสมดุลไม่เจอและทำ Iteration จำนวนมากจนเกินกำหนดก็หาคำตอบไม่ได้

3) กำหนดจุดให้โปรแกรมเลย รันก่อนรอบแรกด้วย Fixed/Pinned Boundary ก็จะพอรู้ว่าระดับแรงที่หัวเข็มอยู่ที่เท่าไร ดังนั้นก็ไม่ต้องให้โปรแกรมหาเอง แต่เราหาให้ ก็ใส่ Pile Axial Stiffness เข้าไปเองเลย มันก็คือ แมนวลโดย user นั่นเอง

ทั้งนี้ทั้งนั้น ข้อ 1 และ 2 นี่จะมีปัญหากับวิศวกรฐานรากมาก เนื่องจากหลายคนความรู้ทางวิศวกรรมโครงสร้างแทบเป็นศูนย์และทำงานเหมือนเป็นทนายที่ตีความตามมาตรฐานเท่านั้น ถ้ามาตรฐานเขียนไว้ว่าต้องมีพีคก็ต้องมี บอกว่า Soil Response Curve มี 7 จุด มันก็ต้อง 7 จุดเท่านั้น ซึ่งเรื่องพวกนี้มันน่าปวดหัวมาก เพราะมาตรฐานแค่แนะนำ แต่เราจะใช้อย่างไรมันก็เรื่องของเราถ้าเราสามารถอธิบายเหตุผลได้

เช่นการเพิ่มจุดจำนวนหนึ่งใกล้จุดพีค เพื่อสร้างความโค้งมนให้ Nonlinear Soil Springs ไม่ให้มันยากเกิดไปสำหรับโปรแกรม มันก็จะมีคำถามกลับมาจากวิศวกรฐานรากประจำว่ามันผิดจากที่มาตรฐานกำหนด และไม่ยอมทำ ทั้งที่มันคือพื้นฐานทางวิศวกรรมที่ควรจะเข้าใจตรงกัน สุดท้ายวิศวกรโครงสร้างก็จะต้องเป็นคนแก้ปัญหาเหล่านี้เองทั้งที่มันคือปัญหาร่วมกัน แต่อีกฝั่งไม่ยอมรับและถือว่างานตัวเองจบแล้ว

ใครที่ทำงานมาแล้วสักพัก ถ้าคิดอยากจะไปเรียนต่อ ไม่ควรเรียนสาขาที่ตัวเองทำงานอยู่ เพราะไม่มีใครสอนได้ดีกว่าการทำงานอีกแล้ว เรียนในสาขาที่ตัวเองไม่ได้ทำงานดีที่สุด ผมแนะนำว่าถ้าใครทำงานโครงสร้างอยู่แล้ว ควรจะไปเรียนต่อฐานราก ถ้าใครทำงานฐานรากอยู่ ควรจะไปเรียนต่อโครงสร้าง เรียนจบแล้วไม่จำเป็นต้องทำงานในสิ่งที่ตัวเองเรียนมาก็ได้ แต่การรู้ว่าอีกฝั่งทำอะไรอยู่จะทำให้มองเห็นภาพกว้างขึ้นมาก และสามารถคุยและตรวจสอบงานของอีกฝั่งได้ ดีกว่าจะปล่อยให้เค้าทำอะไรออกมาแล้วเราก็เชื่ออย่างเดียว