Regimes of Ice Induced Vibration (IIV)

Regimes of Ice Induced Vibration (IIV) K.Kurojjanawong 21-Jan-2023 ในศาสตร์ด้าน Arctic Offshore Engineering นั้นมีศาสตร์ย่อยลงไปที่สำคัญมากคือ Dynamic Ice Analysis หรือบางครั้งเรียกว่า Ice Induced Vibration ชื่อย่อคือ IIV ซึ่งเป็นการศึกษาถึงผลทางพลศาสตร์จากแรงกระทำของธารน้ำแข็ง (Ice Floe) ที่มีต่อโครงสร้าง ถือเป็นศาสตร์ที่ใหม่มากๆ ยังมีการศึกษากันน้อยมาก ถึงแม้จะมีการเริ่มศึกษากันมาหลายสิบปีแล้ว แต่เนื่องจาก เรายังไม่มีการลงทุนบุกไปตั้งโครงสร้างอยู่ในเขตที่เป็นโซนน้ำแข็งกันมากนัก จึงทำให้ศาสตร์ด้านนี้พัฒนาค่อนข้างช้าในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา แต่เริ่มมีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดดในช่วงสิบปีหลังนี้เนื่องจากราคาพลังงานที่เพิ่มสูงขึ้น จึงเริ่มมีการบุกเบิกโซนน้ำแข็งกันมากขึ้นไม่ว่าจะเป็นการตั้งโครงสร้างเพื่อขุดเจาะน้ำมันและก๊าซ หรือการตั้งกังหังลมกลางทะเล ในศาสตร์ด้าน IIV นั้นพารามิเตอร์ที่มีความสำคัญมากๆ ต่อแรงกระทำจากน้ำแข็งคือ ความเร็วในการเคลื่อนที่ของมัน (Ice Drift Velocity) น้ำแข็งนั้นเป็นวัสดุที่ค่อนข้างแปลก คือมีความเหนียว (Ductile) ถ้ามันเคลื่อนที่มาชนโครงสร้างอย่างช้าๆ แต่จะเปราะ (Brittle) ถ้ามันเคลื่อนที่มาชนโครงสร้างด้วยความเร็วสูงๆ ดังนั้นแรงกระทำต่อโครงสร้างนั้นจะสูงหรือต่ำขึ้นอยู่กับความเร็วของธารน้ำแข็งที่วิ่งเข้ามา ถ้าวิ่งมาช้าแรงกระทำก็จะสูงแต่ผลทางพลศาสตร์ต่ำ ถ้าวิ่งมาเร็วมากแรงกระทำจะต่ำผลทางพลศาสตร์ก็จะต่ำ แต่ถ้าวิ่งมาความเร็วปานกลางพอดีๆ กับความเร็วการเคลื่อนที่ของโครงสร้าง…

Sea Spray Ice

Sea Spray Ice K. Kurojjanawong 8-Jan-2023 Sea Spray ice บางครั้งก็เรียก Ice Accretion​ คือเป็นน้ำแข็งที่เกิดจากละอองน้ำทะเลที่มากับลม​ หรือ​ มากับคลื่นทะเล​ ลอยมากระทบโครงสร้าง​แล้วจับตัวแข็งติดพื้นผิว​ พบได้บ่อยในพื้นที่อุณหภูมิ​ต่ำมากๆ​ โดยอาจจะหนาได้ตั้งแต่ไม่กี่​ ซม​ ไปจนถึง 20-30 ซม​ ได้​ ถ้าไปเกาะร่วมกับ​ marine growth อาจจะหนารวมกัยได้เกินครึ่งเมตร​ และอาจจะเกิดได้ตั้งแต่บริเวณ​ต่ำกว่าผิวน้ำลงไปหน่อยไปจนถึงสูงกว่าผิวน้ำ​ 10-20 เมตร ความสำคัญของมันก็ไม่มีอะไรมาก นอกจากเพิ่มน้ำหนักให้กับโครงสร้างเนื่องจากเกาะติดและก็ไม่ใช่เบาๆ โดยปกติหนักประมาณ 900 kg/m3 และที่สำคัญมากๆ คือมันเพิ่มพื้นที่รับแรง เนื่องจากทำให้โครงสร้างหนาขึ้น จึงรับทั้งแรงลม คลื่นและกระแสน้ำ และยิ่งกว่านั้นคืออาจจะเปลี่ยนพฤติกรรมพลศาสตร์ของโครงสร้างได้จากการที่มวลเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ดีในพื้นที่ คลื่นสูงมาก เช่น ทะเลเหนือ ผลของ Spray ice ต่อโครงสร้างนั้นค่อนข้างต่ำ เนื่องจากโอกาสที่จะเกิด Spray Ice เต็มความหนา กับโอกาสที่จะเกิดคลื่นใหญ่หรือลมที่คาบการกลับสูงนั้นมีไม่มี หรือ…

Limit Condition of Ice Loading

Limit Condition of Ice Loading K.Kurojjanawong 8-Jan-2023 โครงสร้างที่ตั้งอยู่ในพื้นที่ที่มี ธารน้ำแข็ง นั้น ที่ควรพึงระวังคือจุดศูนย์ถ่วงของแรงจากน้ำแข็งนั้นมันอยู่บริเวณแถวผิวน้ำ มันจึงมีผลมากต่อโครงสร้างส่วนล่างรวมไปถึงฐานราก แรงกระทำจากน้ำแข็งจะสูงหรือไม่นั้นอยู่ที่หลายปัจจัยมาก ทั้งความแข็งแกร่งของตัวน้ำแข็งเอง ความหนาของแผ่นน้ำแข็ง สัดส่วนความหนาแผ่นน้ำแข็งต่อความกว้างโครงสร้าง พฤติกรรมพลศาสตร์ของโครงสร้าง และส่วนสุดท้ายที่สำคัญมากๆ คือ พื้นที่รับแรงจากน้ำแข็ง ซึ่งก็คือ ชิ้นส่วนโครงสร้างที่อยู่ใกล้บริเวณผิวน้ำที่น้ำแข็งจะวิ่งเข้ามาชน พื้นที่ที่น้ำแข็งไม่แข็งมากและไม่หนามาก เช่นใน Baltic Sea หรือ Bohai Sea จึงอาจจะใช้โครงสร้างแบบ Jacket ที่เป็น Space Frame Structure พอได้ โดยใช้การ เปิดรูโครงสร้างบริเวณผิวน้ำเพื่อให้พื้นที่รับแรงจากน้ำแข็งน้อยที่สุด แต่ในพื้นที่ที่น้ำแข็งนั้นแข็งมากและหนามาก เช่น Beaufort Sea นั้นโครงสร้างแบบ Space Frame Structure ถึงแม้จะเปิดรูช่วยก็ไม่สามารถต้านทานแรงจากธารน้ำแข็งได้ จึงจะเป็น Gravity Base Structure กันในบริเวณนี้ ซึ่งจะเป็นโครงสร้างแบบกล่องปิดขนาดใหญ่ แล้วทำคอขวดและลาดเอียงบริเวณใกล้ผิวน้ำเพื่อทำลายความแข็งแกร่งของน้ำแข็ง เนื่องจากน้ำแข็งนั้นรับแรงกดได้ดี…

How important of sea ice loading

How important of sea ice loading K.Kurojjanawong 6-Jan-2023 ทุกคนคงทราบแล้วว่าผมปิดเพจและบล๊อกไปประมาณ 3 เดือน และเพิ่งเปิดกลับมาได้ประมาณ 1 อาทิตย์ ซึ่งก็ที่ได้เล่าไปว่างานยุ่งมาก และนอกจากจะงานเยอะแล้วยังเป็นงานที่ไม่เคยทำและมีเวลาสั้นมากประมาณแค่ 2-3 เดือนก่อนจะสั่งของ เรียกได้ว่าเปิดงานมายังทันได้ทำอะไรก็ต้องสั่งของทันทีซึ่งมันพลาดไม่ได้เพราะสั่งของไปแล้วมันแก้ไม่ได้ ชีวิตจึงวุ่นวายมากในช่วงไม่กี่เดือนที่ผ่านมา โดยงานนี้เป็นแท่นผลิตไฟฟ้าที่อยู่ในทะเล Baltic ตอนใต้ ซึ่งเป็นโซนน้ำแข็ง จะมีเดือนที่อุณหภูมิลดลงต่ำมากจนน้ำทะเลแข็งตัว และ บางครั้งก็ไหลมาตามกระแสน้ำกลายเป็นก้อนยักษ์ๆ พุ่งเข้าชนโครงสร้าง ซึ่งถือเป็นประสบการณ์งานแรกของผมสำหรับโครงสร้างที่ตั้งอยู่ในโซนที่มีธารน้ำแข็งแบบนี้ แถมทำคนเดียวไม่รู้จะถามใครอีก ก็ต้องเรียกว่า กะบวกกับเดากันเลยเพราะเวลาสั้นมาก และต้องสั่งของแล้ว ตอนนี้ก็เริ่มได้มีการให้ผู้เชี่ยวชาญด้านน้ำแข็งจาก TU Delft มาเป็นที่ปรึกษาให้ แต่ก็ต้องบอกว่ามาช้าไปหน่อยเพราะมันติดวันหยุดปลายปี ผมก็เดาจากประสบการณ์ให้เค้าสั่งของไปหมดแล้ว ทีเหลือค่อยมาตามแก้กันทีหลัง ทำไมแรงกระทำจากน้ำแข็งถึงสำคัญ? ตอนแรกผมก็ไม่เข้าใจ ผมก็ไม่คิดว่ามันจะสำคัญมาก เพราะก็เจอมาเหมือนกัน แต่เป็นพวก Spray Ice ที่จะเจออยู่ทุกที่ในทะเลเหนือที่อุณหภูมิต่ำมาก จะเป็นน้ำแข็งแบบบางๆ สาดมากับน้ำทะเลพอโดนโครงสร้างแล้วก็จับตัวแข็งติดผิวโครงสร้าง ซึ่งมันไม่ได้สำคัญอะไร แค่เพิ่มน้ำหนักและพื้นที่รับแรงจากคลื่นและลมเท่านั้น แต่กรณีนี้มันไปตั้งอยู่ในบริเวณที่มี Sea Ice…

Special Consideration for Arctic Structural Materials

Special Consideration for Arctic Structural Materials K.Kurojjanawong 19-Aug-2022 โครงสร้างเหล็กที่ตั้งอยู่ในโซนน้ำแข็งหรือ Arctic ที่มีแรงกระทำจากน้ำแข็ง และอุณหภูมิที่ต่ำมากนั้น ข้อกำหนดทุกอย่างเหมือนโครงสร้างที่ตั้งอยู่ในโซนปกติทั้งหมด ซึ่งโดยปกติโครงสร้างในทะเลไม่ว่าจะตั้งอยู่ที่ไหน ก็จะมีข้อกำหนดที่แตกต่างจากโครงสร้างบนบกทั่วไป คือ เรื่อง Toughness เหล็กที่จะนำมาใช้สำหรับโครงสร้างในทะเลได้จะต้องมีความเหนียว ไม่เปราะ เนื่องจากโครงสร้างจะต้องรับ Cyclic Loading ตลอดเวลา ซึ่งจะเป็นข้อกำหนดเดียวกันกับโครงสร้างเหล็กที่รับแรงแผ่นดินไหวด้วย เรื่อง Toughness สำหรับเหล็ก จะวัดด้วยการทดสอบ Charpy Impact Test โดยข้อกำหนดจะเป็นพลังงานที่เหล็กสามารถรับได้ แต่อีกเรื่องหนึ่งที่สำคัญมากคือ อุณหภูมิ เหล็กที่อยู่ในพื้นที่เย็นมากๆ จะเปราะกว่าเหล็กที่อยู่ในพื้นที่ร้อน ดังแสดงในรู จะเห็นว่า Charpy Toughness นั้นจะแปลผันกับอุณหภูมิ ดังนั้นในข้อกำหนดการเลือกวัสดุมาใช้สำหรับก่อสร้างโครงสร้างในทะเล จึงจะมีเรื่องอุณหภูมิเข้ามาเกี่ยวข้องด้วย ซึ่งจะกำหนดด้วย LAST LAST ย่อมาจาก Lowest Anticipated Service Temperature ซึ่งคืออุณหภูมิต่ำสุดที่โครงสร้างเหล็กจะต้องเผชิญ โดยปกติมักจะไม่มีข้อกำหนดแน่นอนว่าจะกำหนดอย่างไร แต่ในบางมาตรฐาน…

Molikpaq Platform in Moving Ice, Beaufort Sea

Molikpaq Platform in Moving Ice, Beaufort Sea K. Kurojjanawong, 14-Aug-2022 Molikpaq Platform กลางธารน้ำแข็งใน Beaufort Sea แผ่นน้ำแข็งบริเวณนี้หนาประมาณ 2 เมตร มี Crushing Strength ประมาณ 5 MPa (ถึงไม่แข็งเหมือนวัสดุอื่น แต่ก่อนจะถึงจุดแตกหักสามารถทำให้เกิดแรงกระทำได้สูงมาก) เคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างสมมติกว้าง 90 เมตร เท่ากับมีพื้นที่รับแรง 180 ตร ม ( = 2*90) การที่น้ำแข็งเปิดรูดังที่เห็นในภาพโดยที่โครงสร้างยังอยู่ที่เดิมได้ มันจะต้องโดนกดจนแตก ดังนั้นคำนวณแบบง่ายๆ โดยใช้ Ice Crushing Strength ให้เห็นภาพ คือ จะต้องเกิดแรงด้านข้างบริเวณผิวน้ำกระทำต่อโครงสร้างประมาณ 5 MPa * 180 m2 = 900 MN หรือ…

Typical Jacket Structure in Ice Loading Zone

Typical Jacket Structure in Ice Loading Zone K.Kurojjanawong 12-Aug-2022 ในรูปเป็นแท่น MUQ JZ20-2 ใน Bohai Sea ในน่านน้ำของประเทศจีน จะเห็นว่าบริเวณใกล้ผิวน้ำ ที่วงไว้นั้นมีการใส่ Ice Breaker Cone ไว้ พร้อมกับเปิดโครงสร้างโล่ง ไม่มี Bracing เลย แรงกระทำจากน้ำแข็งนั้นขึ้นกับหลายปัจจัย เช่น คุณสมบัติของน้ำแข็ง ความหนาของน้ำแข็ง ขนาดของสิ่งกีดขวาง โดย Local Pressure มีค่าสูงมาก ตั้งแต่ หลัก 100 ถึง เกิน 500 ตัน ต่อ ตร ม (สูงกว่าแรงระเบิดเกิน 10 เท่า แต่คาบแรงกระทำยาวมากเข้าใกล้คาบธรรมชาติของโครงสร้าง) โดยภาพรวมแรงกระทำด้านข้างจากน้ำแข็งมีได้ตั้งแต่หลักหลายร้อยตันไปจนถึงหลายพันตัน ขึ้นกับ พื้นที่กีดขวางทางไหลของน้ำแข็ง ดังนั้น จึงต้องเปิด โครงสร้างให้โล่งที่สุดบริเวณใกล้ผิวน้ำ…