การวิเคราะห์โครงสร้าง(Structure Analysis)

มีคำถามที่ถูกโพสต์ใน facebook งานเรื่องของโครงสร้างและเหล็กโครงสร้าง โดยได้แสดงรูปร่างโครงสร้างที่ประกอบด้วยเหล็กโครงสร้างดังภาพที่ 1 คำถามมีอยู่ว่า หากเสาด้านขวารับแรงได้น้อยลงเนื่องจากเกิดความเสียหาย และหากวิศวกรมีเหล็กโครงสร้างสำหรับทำค้ำยัน 1 เส้น ท่านจะเลือกค้ำยันเสาต้นไหนระหว่าง แบบที่ 1 หรือ แบบที่ 2 ซึ่งก็ได้รับคำตอบจากวิศวกรมากมายในการแสดงความคิดเห็นในสำหรับทั้งสองรูปแบบ หากเป็นท่านผู้อ่านท่านจะเลือกค้ำยันแบบไหนและเพราะเหตุใด

ภาพที่ 1 โครงสร้างที่พบปัญหา

เราจะใช้ระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ช่วยในการวิเคราะห์และเลือกใช้เอลิเมนต์ ชนิด Beam Element 

สมมุติให้เหล็กโครงสร้างเป็นเหล็ก Wide Flange และเมื่อพิจารณาจากทิศทางและตำแหน่งที่โหลดกระทำ เราจะพบว่า หากไม่มีค้ำยัน คานจะมีโมเมนต์ดัดสูงสุดบริเวณที่โหลดกระทำ และเสาทั้งสองต้นจะรับแรงและโมเมนต์ดัดเท่าๆกัน ทำให้ความเค้นที่กระจายบนเสามีลักษณะสมมาตร ดังแสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 Von Mises Stress บนโครงสร้าง (สีแดงแสดงบริเวณที่มีความเค้นสูง สีน้ำเงินแสดงบริเวณที่มีความเค้นต่ำ)

เมื่อมีการเพิ่มค้ำยันตามแบบที่ 1 และ 2 ความเค้นบนโครงสร้างแสดงได้ดังภาพที่ 3 และ 4

แบบที่ 1 

แบบที่ 2

จากความเค้นที่เกิดขึ้นกับเสาในแบบที่ 1 และ แบบที่ 2 คงจะเห็นแล้วว่า เราควรจะค้ำยันเสาด้านขวาครับ เนื่องจากจะช่วยลดโมเมนต์ที่กระทำกับเสาได้มากแม้ว่าจะมีแรงในแนวแกนเพิ่มขึ้นบ้าง ดังตารางแรงปฎิกิริยาของเสาทั้ง 3 กรณีครับ  (โหลดที่กระทำเท่ากับ 10,000 N)

แบบไม่มีค้ำยัน

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      5,000 N                              เสาด้านขวา      5,000 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,183.2 N                           เสาด้านขวา      -2,183.2 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -1.92 kN-m                           เสาด้านขวา      1.92 kN-m

ค้ำยันแบบที่ 1

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      5,586.91 N                         เสาด้านขวา      4,413.09 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,879.48 N                           เสาด้านขวา     -2,879.48 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -0.84 kN-m                           เสาด้านขวา      3.78 kN-m 

ค้ำยันแบบที่ 2

แรงในดิ่ง       เสาด้านซ้าย      4,409.54 N                         เสาด้านขวา      5,590.46 N 

แรงในราบ     เสาด้านซ้าย      2,881.34 N                           เสาด้านขวา     -2,881.34 N 

โมเมนต์ดัด   เสาด้านซ้าย      -3.78 kN-m                           เสาด้านขวา      0.83 kN-m 

ใน FB ที่คุยกันในเรื่องนี้ มีท่านหนึ่งให้ความเห็นแบบง่ายๆไว้ว่า หากท่านมีเสาค้ำยันอันหนึ่ง ท่านจะเลือกค้ำยันเสาที่แข็งแรงหรือเสาที่อ่อนแอ 

จากตัวอย่างการวิเคราะห์ปัญหาการออกแบบโครงสร้างท่านจะเห็นว่าระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์สามารถเป็นเครื่องมือช่วยให้ท่านวิเคราะห์ปัญหาได้อย่างรวดเร็ว แต่อย่างไรก็ตาม ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการคำนวณก็ยังเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรครับ 

แนะนำระบบแสดงค่าความดันลมยาง (Tire Pressure Monitoring System : TPMS)

จากบทความการควบคุมความดันลมยางด้วย RFID และ ข้อดีข้อเสียของการเปลี่ยนลมยางเป็นไนโตรเจน ในปัจจุบัน มีการนำระบบแสดงค่าความดันลมยางแบบ real time (Tire Pressure Monitoring System : TPMS) เข้ามาช่วยเพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้กับผู้ขับขี่  โดยในสหรัฐอเมริกา ได้มีข้อกำหนดให้รถเล็กและรถตู้ที่มีน้ำหนักไม่เกิน 10,000 ปอนด์จะต้องติดตั้ง ระบบ TPMS ตั้งแต่ปี 2008 เหตุที่ต้องกำหนดให้ต้องติดตั้ง ระบบ TPMS นั้นก็เพราะว่า ความดันลมยางมีความสำคัญต่อความปลอดภัยและจำเป็นต่อการขับขี่ โดยผู้เชี่ยวชาญด้านความปลอดภัยได้ประมาณการว่า 25% ของรถยนต์ส่วนบุคคลขับขี่รถภายใต้ล้อยางที่มีความดันลมยางต่ำกว่าที่กำหนด (Under inflated) ซึ่งความดันลมยางที่เหมาะสมจะนำไปสู่การขับขี่ที่นุ่มนวล ระยะการเบรกที่สั้นลง อายุการใช้งานของล้อยางที่ยาวขึ้น รวมถึงช่วยประหยัดน้ำมัน

ส่วนสาเหตุที่ความดันลมยางเปลี่ยนแปลงนั้นได้นำเสนอไปแล้วในบทความการเปลี่ยนลมยางเป็นไนโตรเจนแล้ว  หากจะถามถึงความจำเป็นของการติดตั้ง ระบบ TPMS เราสามารถประมาณความดันลมยางโดยสายตาได้หรือไม่นั้น ต้องบอกว่าเป็นไปได้ยาก ดังนั้นการติดตั้ง ระบบ TPMS จึงมีความสำคัญ โดยการติดตั้ง ระบบ TPMS เพื่อแสดงความดันลมยางแบบ real time จะทำการติดตั้ง Sensor บนล้อยาง โดยข้อมูลที่อ่านได้จาก Sensor จะถูกถ่ายโอนไปยังบอร์ดวงจรเพื่อทำการประมวลผลและแสดงความดันลมยางให้กับคนขับได้ตลอดเวลา และเมื่อความดันลมยางของล้อยางเส้นใดเส้นหนึ่งต่ำกว่าค่ามาตรฐานที่กำหนดไว้ จะมีไฟเตือนแสดงให้คนขับขี่เห็นทันทีเพื่อให้ตรวจสอบสาเหตุที่ทำให้ลมยางมีความดันต่ำ แต่สิ่งที่ต้องระวังในการใช้งานระบบ TPMS คือ ในตอนเช้าซึ่งอากาศเย็นและรถจอดไม่ได้ใช้งานมาทั้งคืน ไฟเตือนจะแสดงซึ่งเมื่อขับขี่ไปซักระยะความดันภายในล้อยางก็จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภุมิภายในล้อยางเพิ่มขึ้นนั่นเอง  ในเมืองไทยเรายังไม่มีข้อกำหนดสำหรับการติดตั้ง ระบบ TPMS ในรถยนต์ส่วนบุคคล แต่หากท่านผู้อ่านมีโอกาส ระบบ TPMS  เป็นอุปกรณ์เสริมในรถยนต์ที่ไม่ควรพลาดในการติดตั้งเสริมครับ

เปลี่ยนลมยางเป็นไนโตรเจนดีหรือไม่ (Nitrogen Versus Compressed Air of tire inflation pressure)

ในช่วงเทศกาลสงกรานต์หรือวันหยุดยาวใดๆ การเดินทางและการใช้รถใช้ถนนจะเพิ่มขึ้นเป็นอย่างมาก หนึ่งในกฏความปลอดภัยในการเดินทางคือ การตรวจสอบความดันลมยาง (Inflation pressure) และควบคุมความดันลมยางให้อยู่ในเกณฑ์มาตรฐานตามข้อกำหนด โดยในปัจจุบันผู้ขับขี่นิยมไนโตรเจนแทนลมยางปกติในล้อยาง ซึ่งว่ากันว่ามีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีความไม่สะดวกหลายประการเช่นกัน ในบทความนี้จะขอกล่าวถึงเรื่องความดันลมยางและรายละเอียดของไนโตรเจนและลมยางปกติกันครับ โดยก่อนอื่นจะขอเกริ่นนำเรื่องการตรวจสอบความดันลมยางกันก่อนครับ โดยปกติแล้วล้อยางมีการรั่วของความดันอยู่แล้วโดยความดันจะลดลงประมาณ 1 psi (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ในระยะเวลา 1 เดือน ดังนั้นท่านผู้ใช้รถควรจะตรวจสอบความดันลมล้อยาง (รวมถึงของล้อยางอะไหล่) เดือนละครั้ง หรือก่อนจะเดินทางระยะไกล เนื่องจากเราทราบกันดีว่า ความดันลมยางที่ต่ำกว่ามาตรฐานส่งผลต่ออายุการใช้งานของล้อยางและการสิ้นเปลืองน้ำมันโดยตรง โดยวิธีการตรวจสอบความดันลมยางสามารถทำได้ดังนี้

1. จัดเตรียมเกจวัดความดันแบบกด (Trusted pressure gauge)
2. ตรวจสอบว่าล้อยางของท่านอยู่ในภาวะ "เย็น" คือ ก่อนที่ท่านจะขับขี่รถ เช่น ตอนเช้าก่อนใช้งาน หรือหลังจากขับรถมาจอดเป็นเวลาไม่น้อยกว่า 3 ชม
3. สอดเกจวัดความดันลมไปที่วาล์ว(จุกลม)ของล้อยาง  เกจจะดันตัวออกและแสดงตัวเลขความดันที่วัดได้ เมื่อท่านได้ยินเสียงลมออกจากจุกลม แสดงว่า ลมกำลังรั่วออกจากล้อยาง การรั่วของลมผ่านจุกลมขณะวัดความดันลมยางจะไม่มีผลต่อความดันลมยาง เว้นแต่ท่านจะกดแช่เกจวัดความดันเป็นเวลานานเกินไป
4. ให้ท่านเปรียบเทียบความดันลมยางที่ท่านอ่านได้จากเกจวัดความดันลมยางกับขนาดความดันลมยางที่ติดไว้ที่ด้านข้างประตูคนขับหรือในคู่มือการใช้รถยนต์ ห้ามไปเปรียบเทียบกับความดันลมยางที่แสดงที่แก้มยาง เนื่องจากตัวเลขดังกล่าวแสดงถึงความดันลมยางสูงสุดที่ล้อยางจะรับได้
5. หากค่าความดันลมยางที่อ่านได้สูงกว่าที่กำหนดก็ให้เอาลมยางออกจนได้เท่ากับที่กำหนด หรือ หากค่าความดันลมยางที่อ่านได้ต่ำกว่าที่กำหนดก็ให้เติมลมยางจนความดันเท่ากับที่กำหนด แต่สำหรับผมเองจะเติมสูงกว่าที่กำหนดไว้ 2 psi เพราะผมเน้นประหยัดน้ำมันครับ

มาถึงการเลือกใช้ลมยางระหว่างเติมไนโตรเจนและเติมลมปกติ (Nitrogen Versus Compressed Air)  ล้อยางส่วนใหญ่จะถูกเติมด้วยลมยางปกติ แต่ในปัจจุบันเริ่มมีผู้ค้าหรือศูนย์บริการต่างๆที่ให้บริการเติมไนโตรเจนแทนลมยางปกติให้กับลูกค้า โดยจริงๆแล้ว ไนโตรเจนที่ใช้ในปัจจุบัน เกิดจากการกำจัดออกซิเจนออกไปจากลมยางปกติทำให้ไม่มีความชื้นในลมยางที่เติม (ในลมยางปกติมีไนโตรเจนประมาณ 79% ออกซิเจนประมาณ 21%) ดังนั้นจึงทำให้มีการรั่วไหลของอากาศออกจากล้อยางได้น้อยมากทำให้สามารถคงรักษาความดันลมยางได้เป็นเวลานานกว่าลมยางปกติ แต่อย่างไรก็ตามยังมีสาเหตุของการรั่วไหลของความดันล้อยางได้อีกเช่น ผิวสัมผัวระหว่างล้อยางกับกระทะ รอยต่อของวาวล์หรือจุกลม เป็นต้น ซึ่งเป็นเหตุให้ความดันลมยางในล้อยางลดลงได้อีกไม่ว่าจะเติมด้วยลมยางปกติหรือเติมด้วยไนโตรเจน 

สิ่งที่เป็นประเด็นคำถามอีกประการหนึ่งคือ เติมไนโตรเจนแล้วเกิดเผลอไปเติมลมปกติ จะเป็นอย่างไร คำตอบคือ ไนโตรเจนและลมยางปกติมันสามารถผสมกันได้ ไม่มีปัญหาประการใด ผู้ผลิตล้อยางต่างๆก็ได้ออกแบบล้อยางมาให้ใช้ได้ทั้งลมปกติหรือเติมไนโตรเจน โดยสิ่งสำคัญที่สุดคือ ผู้ใช้รถต้องเติมลมยางให้ได้ความดันลมยางตามที่กำหนดไว้ในคู่มือหรือข้างประตูคนขับมากกว่าครับ

สุดท้ายหากท่านจะเติมไนโตรเจน แน่นอนท่านมีค่าใช้จ่ายในการเติมไนโตรเจนอยู่แล้ว ดังนั้นสิ่งที่ต้องพิจารณาคือ คุณภาพของไนโตรเจนที่เติม จะต้องเป็นไนโตรเจนที่บริสุทธิ์ปราศจากออกซิเจนหรือมีออกซิเจนน้อยที่สุด เพื่อให้คุ้มค่ากับค่าใช้จ่ายที่เสียไป เพราะบางครั้งท่านอาจจะเจอตู้เติมไนโตรเจนที่ประสิทธิภาพต่ำ จนเหมือนท่านผู้ใช้กำลังเติมลมยางปกติครับ

สรุปอีกครั้งนะครับ สำหรับล้อยางรถยนต์ทั่วไปหรือรถบรรทุก สิง่สำคัญไม่ใช่อยู่ที่จะเติมไนโตรเจนหรือลมยางปกติ แต่อยู่ที่ความดันลมยางจะต้องอยู่เกณฑ์มาตรฐาน ไนโตรเจนอาจจะมีข้อดีตรงที่สามารถรักษาความดันลมยางได้เป็นเวลายาวนานกว่า  ทำให้ไม่ต้องเสียเวลาตรวจสอบความดันล้อยาง โดยเฉพาะคุณสภาพสตรีทั้งหลายครับ แต่อย่างไรเสีย หากท่านไปเลือกใช้บริการตู้เติมไนโตรเจนที่ไม่มีประสิทธิภาพท่านก็จะได้ไนโตรเจนที่มีสมบัติคล้ายๆลมยางปกติอยู่ภายในล้อยางของท่านเท่านั้นเองครับ

บทความที่เกี่ยวข้อง
ระบบแสดงค่าความดันลมยาง (TPMS)

การควบคุมแรงดันลมยาง (inflation pressure) ด้วยระบบ RFID

มีโอกาสดูโทรทัศน์ช่องหนึ่งในวันอาทิตย์ เห็นเป็นเรื่องน่าสนใจทางวิศวกรรม จึงขอนำมาเล่าให้ฟังครับ เรื่องมีอยู่ว่า เจ้าของกิจการรถบรรทุกสิบล้อ ได้นำระบบ RFID เข้ามาใช้ในการควบคุมการเติมลมยางให้ได้แรงดันลม(inflation pressure) ที่เหมาะสม โดยปัญหาที่พบในปัจจุบัน คือคนขับรถนิยมเติมลมยางให้มีแรงดันภายในล้อยางสูง เพื่อช่วยให้ประหยัดน้ำมันได้มากในขณะขับขี่ แต่ผลที่ตามมาคือความเสียหายของหน้ายางจะเกิดขึ้นเร็วทำให้มีค่าใช้จ่ายในการปรับเปลี่ยนล้อยางเป็นจำนวนมาก รวมถึงความสามารถในการยึดเกาะถนนของล้อยางที่แย่ลง การดูดซับพลังงานทำได้แย่ลงทำให้การขับขี่ไม่นุ่มนวล  เจ้าของกิจการรถบรรทุกคนนี้จึงได้นำ Tag RFID ติดกับรถบรรทุกในแต่ละคัน โดยมีข้อมูลแรงดันลมยางของล้อยางแต่ละตำแหน่งในรถแต่ละคันไว้ใน RFID เมื่อพนักงานขับรถนำรถเข้าเติมลมยาง ก่อนอื่นจะต้องให้เครื่องเติมลมยางซึ่งได้นำเอาระบบ RFIDเข้ามาติดตั้งเพิ่มด้วย อ่านข้อมูลจาก Tag RFID จากรถที่ต้องการเติมลมยางก่อน จากนั้นระบบจะทำการแจ้งขนาดของแรงดันลมยางที่ต้องเติมให้แก่ผู้เติมลม และจะหยุดการจ่ายลมยางเมื่อแรงดันภายในล้อยางมีค่าเท่ากับที่กำหนด วิธีการดังกล่าวช่วยยืดอายุการใช้งานของล้อยาง รวมถึงระบบช่วงล่างของรถบรรทุก ก็เป็นตัวอย่างการประยุกต์ความรู้ทางด้าน IT และวิศวกรรมเพื่อให้เกิดประโยชน์กับกิจการของตน หากจำไม่ผิด ผู้คิดค้นระบบนี้ได้รับรางวัลนวัตรกรรมดีเด่นนะครับ

ปล ระบบ RFID เป็นที่นิยมอย่างมากในปัจจุบันครับ

บทความที่เกี่ยวข้อง
ระบบแสดงค่าความดันลมยางแบบ real time (TPMS)