วิศวกรรมสาร มก.

สารบัญ บทความและงานวิจัย

การออกแบบหุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ โดย บัณฑิต อินทรีย์มีศักดิ์ วิทิต ฉัตรรัตนกุลชัย

การออกแบบและทดสอบปั๊มก้นหอย โดย จีรวัฒน์ โภคานิตย์ พิชัย กฤชไมตรี

การออกแบบกลไกประตูเลื่อน สำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคล โดย วัชรพล บิลหะยีหมัด วิโรจ ญาณะพันธ์ เกรียงไกร อัศวมาศบันลือ

การศึกษาการอพยพหนีไฟในสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินด้วยระเบียบวิธีเชิงตัวเลข โดย วิวรรณ อัศวสุขี ณัฐศักดิ์ บุญมี

การพัฒนาโปรแกรมในการจำลองและประเมินเวลาในการอพยพหนี ไฟทางบันไดหนี ไฟ โดย สมยศ วงศ์สุข อภิชาต แจ้งบำรุง

1

16

27

34

48

การศึกษาขนาดของยางรองแท่นเครื่องที่มีผลต่อพฤติกรรมเชิงกลภายใต้ภาระแบบพลวัต โดย ยุพา ตาวัน ชนะ รักษ์ศิริ จักรพันธ์ อร่ามพงษ์พันธ์

คุณสมบัติด้านความคงทนและความแข็งแรงของวัสดุชั้นพื้นทางที่ปรับปรุงด้วยซีเมนต์ โดย วสันต์ ปั้นสังข์ บารเมศ วรรธนะภูติ กฤษณะ เพ็ญสมบูรณ์ จิรโรจน์ ศุกลรัตน์

การศึกษาประเมินความแข็งแรงของวัสดุผิวทางเดิม ปรับปรุงคุณสมบัติทางด้านวิศวกรรมด้วยซีเมนต์ปอร์ตแลนด์บดอัดแน่น ในห้องปฏิบัติการด้วยเครื่องมือ Dynamic Cone Penetrometer โดย อาวุธ โพธิ์อุดม ร.อ.พิพัฒน์ สอนวงษ์ จุฑา สุนิตย์สกุล อัคคพัฒน์ สว่างสุรีย์

การศึกษาความแตกต่างของกระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ และกระเบื้องหลังคาที่ ไม่รับรองมาตรฐานคุณภาพ โดย สุวิมล จันทร์แก้ว

การวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรม ที่เกิดจากการรับภาระกรรมทางกลด้วยการตรวจสอบสภาพผิวแตก โดย กฤษ เหลืองโสภาพันธ์ ฉวีวรรณ พูนธนานิวัฒน์กุล

61

75

87

97

109

การออกแบบ

หุ่ น ยนต์ ส องล้ อ อั จ ฉริ ย ะ Design of an Intelligent Two-Wheeled Robot บัณฑิต อินทรีย์มีศักดิ์ 1 วิทิต ฉัตรรัตนกุลชัย 2

บทคัดย่อ

หุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะถูกขับเคลื่อนด้วย มอเตอร์กระแสตรงที่เป็นอิสระต่อกัน และมีเอนโคดเดอร์ติดกับแกนของมอเตอร์ ในแต่ละตัว เพื่อ วั ด มุ ม ของมอเตอร์ ในขณะเคลื่ อ นที่ หุ่ น ยนต์ สองล้ อ อั จ ฉริ ย ะเป็ น ระบบที่ มี เ สถี ย รภาพอย่ า ง มีขอบเขต การควบคุมใช้หุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ เสถียรภาพและสามารถหลบสิ่งกีดขวางได้ เป็น ระบบที่ทำได้ยากเนื่องจากเป็นระบบที่ ไม่เชิงเส้น ระบบไม่ ใช่มุมเฟสน้อยที่สุด และมีสัญญาณป้อน เข้าน้อยกว่าสัญญาณป้อนออก ในงานวิจัยนี้นำ เสนอการออกแบบระบบควบคุมของหุ่นยนต์สอง ล้ออัจฉริยะโดยอาศัยตัวคุมค่ากำลังสองเชิงเส้น และใช้ โปรแกรม Vision Builder ในการควบคุม กล้ อ งรั บ ภาพ และส่ ง ค่ า ต่ า ง ๆ ผ่ า นโปรแกรม 1 2

Lab View เพื่ อ การประมวลผล และผลการ ทดลองตัววัดความเอียงมีประสิทธิภาพที่ดี ในย่าน ความถี่ สู ง ในช่ ว งของความถี่ ที่ ก ำหนดผลการ จำลองและทดลองการควบคุมระบบดังกล่าวแสดง ผลเป็ น ที่ น่ า ยอมรั บ และมี ป ระสิ ท ธิ ภ าพของตั ว ควบคุมที่ ได้ออกแบบไว้ ถึงแม้ว่าการทดลองระบบ จะเกิดการแกว่ง เนื่องมาจากแรงเสียดทานของ มอเตอร์ ระยะห่างของเฟืองมอเตอร์ และน้ำหนัก ของสายไฟที่แกว่งไปมา แต่ก็สามารถทรงตัวได้ดี ในขณะเคลื่อนที่ และกล้องรับภาพสามารถรับภาพ ได้อย่างแม่นยำขณะพบสิ่งกีดขวาง ทำให้หุ่นยนต์ สองล้ออัจฉริยะหลบสิ่งกีดขวางได้ดี

คำสำคั ญ : หุ่ น ยนต์ ส องล้ อ อั จ ฉริ ย ะ โปรแกรม Vision Builder

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

Abstract

An intelligent two wheeled robot is independently driven by two concentric motors. Each motor has an encoder connected to its shaft to measure angle when it moves. The intelligent two wheeled robot is a marginally stable plant that avoids obstacles autonomously. Control of the robot for stabilizing and meeting some desired responses is complicated because the plant is nonlinear and non-minimum phase. Moreover, the number of inputs is lower than the number of outputs. In this research, we use the LQR control and LQR control with augmented integrator, including state observer in order to estimate states.

Vision Builder software is used to capture image and send to Lab View to implement.

Both simulation and experimental results of tilt angle estimation are accurate over a wide frequency range. Simulation and experimental results also demonstrate the reliability and effectiveness of the proposed control scheme even if oscillation occurs in experiment due to friction and oscillated electrical wire. Robot can still turn with high accuracy. Camera can capture highaccuracy image in the presence of obstacles enabling the robot to avoid the obstacles well.

Keywords: an intelligent two wheeled robot, vision builder program

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

1. คำนำ

งานด้ า นวิ ศ วกรรมและวิ ท ยาศาสตร์ เทคโนโลยีสมัยใหม่ ได้นำหุ่นยนต์มาพัฒนาขึ้น หลายสิบปีแล้ว ซึ่งมันถูกใช้เพื่อประโยชน์ ในการ ทำงานในด้านต่าง ๆ เช่น การทดแทนแรงงาน ของมนุษย์ การทำงานด้วยประสิทธิภาพสูง การ ลดความเสี่ยงต่อภัยอันตรายขณะทำงาน หรือ เพื่ออำนวยความสะดวกสบาย ในประเทศไทยได้ มีการตื่นตัวในการศึกษาและพัฒนาหุ่นยนต์ ใน ช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมานี้ งานวิจัยเกี่ยวกับหุ่น ยนต์สองล้อนี้เป็นงานวิจัยที่ประเทศต่าง ๆ ได้ พั ฒ นามาในช่ ว งสิ บ ปี ที่ ผ่ า นมาและยั ง มี ก าร พัฒนาต่อเนื่อง โดยในประเทศไทยนับว่ามีงาน วิจัยด้านนี้น้อยอยู่มาก

การควบคุมการรักษาสมดุลของหุ่นยนต์ สองล้ออัจฉริยะมีลักษณะเดียวกับลูกตุ้มนาฬิกา กลับหัว แต่การเคลื่อนที่ด้วยล้อที่ขนานกันสอง ล้อที่เป็นอิสระต่อกัน โดยในประเทศไทยนับว่ามี งานวิจัยด้านนี้อยู่น้อยมาก และยังคงเป็นปัญหา เปิดเนื่องจากความซับซ้อนจากระบบที่ ไม่มีความ เสถียรภาพ และระบบไม่เป็นเชิงเส้นอันเป็นผล มาจากแรงโน้มถ่วงของโลก แต่มีผู้วิจัยได้พัฒนา ตัวตรวจรู้ที่มีความละเอียดสูงขึ้น มีความเร็วมาก ขึ้น และมีราคาต่ำลง จึงสามารถประยุกต์ระบบ การวั ด ความเอี ย งนั้ น สำหรั บ การผลิ ต เชิ ง พาณิชย์ ได้ เช่น ยานพาหนะ Segway มีหลัก การคล้ายกับหุ่นยนต์สองล้อ และงานวิจัยนี้ ได้ นำกล้องรับภาพและประมวลผลติดไว้ที่ตัวหุ่นยนต์สองล้อ และใช้ Machine Vision ซึ่งเป็น วิ ธี ก ารที่ ท ำให้ อุ ป กรณ์ ป ระมวลผลต่ า ง ๆ เช่ น คอมพิวเตอร์หรืออุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณ ดิจิตอล (Digital Signal Processor, DSP) มี

ความสามารถในการรับรู้ภาพ ซึ่งรวมทั้งการทำให้ อุปกรณ์ประมวลผลสามารถตัดสินใจและสั่งงาน กลไกส่วนต่าง ๆ ได้ จากข้อมูลที่ ได้จากภาพหรือ กลุ่ ม ของภาพนั้ น ๆ จุ ด มุ่ ง หมายสู ง สุ ด ของ Machine Vision คื อ ทำให้ เ ครื่ อ งจั ก รหรื อ อุปกรณ์ประมวลผลต่าง ๆ มีความสามารถให้ ได้ เทียบเท่ากับระบบการมองเห็นของมนุษย์ ซึ่งได้ถูก ออกแบบร่วมกับหุ่นยนต์สองล้อเพื่อเป็นหุ่นยนต์ ใน การสำรวจที่สามารถเคลื่อนที่ ได้อย่างคล่องแคล่ว

งานวิจัยนี้ ได้ ใช้การออกแบบตัวควบคุม ขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพในการทรงตัวของหุ่นยนต์ สองล้ออัจฉริยะตัวหนึ่งมาใช้ คือ ตัวคุมค่ากำลัง สองน้อยที่สุด (Linear Quadratic Regulator, LQR) [1] ซึ่งอยู่ ในหมวดการควบคุมที่เหมาะสม ที่ สุ ด (Optimal Control) เพื่ อ ออกแบบระบบ ควบคุ ม สำหรั บ หุ่ น ยนต์ ส องล้ อ ให้ มี ส มรรถนะที่ เหมาะสมที่สุด

วิธีการ

หุ่ น ยนต์ ส องล้ อ อั จ ฉริ ย ะขั บ เคลื่ อ นด้ ว ย มอเตอร์กระแสตรงสองตัวที่เป็นอิสระต่อกัน และ มีเอน-โคดเดอร์ติดกับแกนของมอเตอร์ ในแต่ละตัว เพื่อวัดมุมของมอเตอร์ ในขณะเคลื่อนที่ และใช้ตัว ตรวจรู้วัดความเอียง (Inclinometer) ของโครง หุ่นยนต์ ลักษณะการทำงานเหมือนเอนโคดเดอร์ เซนเซอร์ แต่ อ าศั ย การแกว่ ง ของลู ก ตุ้ ม ที่ อ ยู่ ภายใน สถานที่ ใ ช้ ในการทดลองตั้ ง อยู่ ที่ ห้ อ ง Control of Robot and Vibration Laboratory (CRV Lab) ตึก RDiPT ชั้น 5

ภาพที่ 1 หุ่ น ยนต์ ส องล้ อ อั จ ฉริ ย ะที่ มี 4 องศา อิสระ

1. การหาสมการการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ สองล้ออัจฉริยะ

วิธีการหาแบบจำลองการเคลื่อนที่ โดยใช้ สมการลากรานจ์ [1], [2], [3] เหมาะสำหรับระบบ ที่มีความยุ่งยากและซับซ้อน โดยจะคำนวณจาก สมการพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ ในรูปของ ตัวแปรพิกัด หุ่นยนต์สองล้ออยู่กำจัดให้อยู่สาม ระบบพิกัด คือ

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ดังแสดงในภาพที่ 2 ดังนั้นสามารถเขียนค่าพารามิเตอร์ ได้ดังนี้ (3) (4) (5) (6) ภาพที่ 2 หุ่นยนต์สองล้อบนแกนพิกัด x,y,z

= มุมหมุนเฉลี่ยของล้อซ้ายและ

ล้อขวา

= มุ ม หมุ น ของหุ่ น ยนต์ ส องล้ อ

(Body yaw angle) = มุมเอียงของหุ่นยนต์สองล้อ (Body pitch

angle) โดย = มุมของล้อซ้ายและล้อขวา และความสัมพันธ์ของ และ จาก และ จะได้ว่า ตารางที่ 1 ค่าพารามิเตอร์ทั่วไปของหุ่นยนต์

(1)

ค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ มีค่าดังนี้

สมการลากรานจ์สำหรับหาแบบจำลอง L = ระยะห่างของจุดศูนย์ถ่วงในแนวแกน zo ทางพลศาสตร์สามารถเขียนได้ดังนี้ = 0.04895 m

(2) Jby = โมเมนต์ความเฉื่อยตัวถังรอบแกน yo

= 0.0173198 kgm2 โดยที่ L = ค่าลากรานจ์ (Lagrangian) = T-V Jwy = โมเมนต์ความเฉื่อยของล้อรอบแกน yo T = พลังงานจลน์รวมของระบบ = 0.0013824 kgm2 V = พลังงานศักย์รวมของระบบ Jbz = โมเมนต์ความเฉื่อยตัวถังรอบแกน zo

qi = ระบบพิกัด = 0.0117333 kgm2 Qi = แรงในระบบพิกัดที่กำลังสนใจ Jwz = โมเมนต์ความเฉื่อยของล้อรอบแกน zo i = อันดับของระบบ = 0.0144355 kgm2

เมื่อขณะเวลาเริ่มต้น กำหนดให้ค่าพารา- Jr = โมเมนต์ ค วามเฉื่ อ ยของเกี ย ร์ ท ดเอน-

มิ เ ตอร์ ของหุ่ น ยนต์ ส องล้ อ ให้ อ ยู่ บ นระบบพิ กั ด โคดเดอร์ = 0.0000578 kgm2

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

Rm =

ค่าความต้านทานมอเตอร์

เมื่อ Kb = ค่าคงที่แรงดันไฟฟ้าย้อนกลับมอเตอร์ Kt = ค่าคงที่แรงบิดมอเตอร์

และ

พารามิเตอร์อื่น ๆ ที่หาได้ยากแต่มีค่าใกล้ เคียงกับระบบอื่น จึงกำหนดค่าได้ดังนี้

Jm = โมเมนต์ความเฉื่อยอาร์เมเจอร์รอบแกน yo = 1x10-5 kgm2 J g = โมเมนต์ ค วามเฉื่ อ ยของเกี ย ร์ ท ดรอบ

มอเตอร์ = 1x10-5 kgm2 fm = สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานระหว่างตัวถัง

และมอเตอร์ = 0.0022 fw = สั ม ประสิ ท ธิ์ แ รงเสี ย ดทานระหว่ า งล้ อ

และพื้น = 0 พลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่เชิงเส้น (T1), พลังงานจลน์จากการเคลื่อนที่แบบหมุน (T2) และ พลังงานศักย์ (U) หาได้จากสมการ 7, 8 และ 9

(7)

(8) โดยเอาท์พุตระบบ คือ y = Cx (9)

และสามารถเขียนให้อยู่ ในรูปปริภูมิสเตตได้คือ (10)

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

จากภาพที่ 3 จะได้

2. การออกแบบระบบควบคุม (12)

2.1 ตัวคุมค่ากำลังสองน้อยที่สุด (Linear Quadratic Regulator, LQR) (13)

จุ ด เด่ น ของการออกแบบด้ ว ยตั ว คุ ม ค่ า กำลังสองน้อยที่สุด (linear quadratic regulator) เมื่อ ที่เหนือกว่าวิธีการวางโพลก็คือ มีแบบแผนที่เป็น ระบบมากกว่าในการคำนวณหาค่าอัตราขยาย โดย การออกแบบสัญญาณควบคุมซึ่งทำให้ค่าดรรชนี สมรรถนะ (performance index, J) มีค่าน้อย เมตริกซ์ A,B คือ พลานต์จากสมการ 10 แทนค่า ที่สุด (minimization)

กำหนดให้ ด รรชนี ส มรรถนะ (perfor- u (13) ลงในสมการ 12 จะได้ mance index) คือ (14) (11)

กำหนดให้เมตริกซ์ A-BK มีเสถียรภาพ

Q เป็นเมตริกซ์สมมาตรที่เป็นบวกแน่นอน หรื อ มี ค่ า เจาะจงเป็ น ค่ า จริ ง เครื่ อ งหมายลบ ซึ่งเป็นเมตริกซ์ถ่วงน้ำหนักให้ความสำคัญในการ ทั้ ง หมด เมื่ อ แทนค่ า u(t) ในสมการดรรชนี ควบคุมของสเตตแต่ละตัว และ R เป็นเมตริกซ์ สมรรถนะ (11) จะได้ สมมาตรที่เป็นกึ่งบวกแน่นอนทำหน้าที่ถ่วงน้ำหนัก สำหรั บ สั ญ ญาณควบคุ ม สั ญ ญาณควบคุ ม นี้ ถู ก กำหนดให้ ไม่มีข้อจำกัด (unconstraint) บล็อกไดอะแกรมแสดงอยู่ ในภาพที่ 3 กำหนดให้

(15)

เมื่อ A-BK เป็นเมตริกซ์ที่มีเสถียรภาพ ภาพที่ 3 บล็อกไดอะแกรมในการควบคุมป้อนกลับ จะมี P เป็นเมตริกซ์สมมาตรที่เป็นบวกแน่นอน แบบรักษาเสถียรภาพ สอดคล้องกับสมการ (15) และในกรณีที่ระบบมี

เสถียรภาพแล้วสามารถหาค่า P ที่เป็นเมตริกซ์

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

สมมาตรที่เป็นบวกแน่นอน ได้เพียงค่าเดียว ดังนั้น ค่า P อื่น ๆ ที่ ได้จากการแก้สมการ (15) จะไม่ เป็นเมตริกซ์สมมาตรที่เป็นบวกแน่นอน

จากดรรชนีสมรรถนะจะได้

สมการ (19) เป็นสมการที่ ให้ค่า K ที่ เหมาะสมที่ สุ ด สำหรั บ ระบบดั ง กล่ า ว ดั ง นั้ น เรา สามารถคำนวณหาสั ญ ญาณควบคุ ม ที่ เ หมาะสม ที่สุด คือ (20)

ซึ่งเมตริกซ์ P ในสมการ (20) ต้องสอด(16) คล้องดังสมการ (15) หรือที่ลดรูปลงดังสมการ

และเนื่องจากค่าเจาะจงของ A-BK ถูก (21) เรี ย กว่ า Reduced-matrix Riccati กำหนดให้เป็นลบทั้งหมด หรือ ดั ง นั้ น Equation คือ จะได้ (21)

แสดงว่ า ดรรชนี ส มรรถนะเป็ น ฟั ง ก์ ชั น ของค่ า เริ่ ม ต้ น x(0) และเมตริ ก ซ์ P เพื่ อ หา แทนค่าเมตริกซ์ P ในสมการ (20) เพื่อ คำตอบกำหนดให้ R=TTT คำนวณหาค่า K ที่เหมาะสมที่สุด ส่วนถัดไปใน

เมื่อ R เป็นเมตริกซ์สมมาตรที่เป็นบวก งานวิ จั ย นี้ เ ป็ น ปั ญ หาการตามรอยสั ญ ญาณ แน่นอน และ T ไม่เป็นเมตริกซ์หนึ่งหน่วย จาก (tracking) ในบางครั้ ง ถู ก เรี ย กว่ า Servo สมการ (15) สามารถเขียนได้เป็น Systems ซึ่ง เป็น การขยายขอบเขตของปั ญหา การรักษาเสถียรภาพออกไปเล็กน้อย รูปแบบการ (17) ควบคุมแสดงดังภาพที่ 4

(18)

โดยพยายามทำให้ ค่ า J ต่ ำ สุ ด โดยการ ปรับค่า K หรือต้องการค่าต่ำสุดของ

ภาพที่ 4 บล็ อ กไดอะแกรมในการควบคุ ม ป้ อ น

ซึ่งเป็นพจน์ที่มีค่าเป็นกึ่งบวกแน่นอนจึงมี กลับแบบตามรอยสัญญาณ ค่าต่ำสุดคือศูนย์ ซึ่งจะเป็นเช่นนั้นเมื่อ

จากภาพที่ 4 (24) ดังนั้น

(19) (25)

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เมื่อ

การออกแบบอั ต ราขยาย K ให้ ส มการดรรชนี สมรรถนะที่มีลักษณะคล้ายกับสมการ (11) ให้มีค่า ต่ำสุด โดยสมการดรรชนีสมรรถนะสำหรับระบบนี้ คือ (30) ทำการออกแบบโดย

จะได้ค่าอัตราขยาย คือ

จากสมการ (24), (25) (26)

ระบบมีเสถียรภาพเมื่อโพลระบบปิดอยู่ ใน บนฝั่งซ้ายของระนาบเชิงซ้อน ดังนั้นค่า y จะ มีค่าลู่เข้าสู่ค่าคงที่ r และ u มีค่าลู่เข้าสู่ค่า ศูนย์ เมื่อ r เป็นฟังก์ชันขั้นบันได พบว่า

(27)

ที่ r เป็นฟังก์ชันขั้นบันได มีค่าคงที่เมื่อ t > 0 และพิจารณาสมการ (27) ลบ ด้วยสมการ (27) จะได้ กำหนดให้

หรือ

(28)

และ

(29)

ผลที่ ไ ด้ คื อ การออกแบบระบบ (28) และ (29) ให้ มี เ สถี ย รภาพหรื อ มี ค่ า ลู่ เ ข้ า โดย

3. วิธีการทำ Vision Builder

วิ ธี ก ารออกแบบการตรวจจั บ วั ต ถุ ใ น โปรแกรม Vision Builder AI [4] โดยมีรายละเอียดดังนี้

1. รั บ ภาพที่ ได้ จ ากกล้ อ ง เข้ า มายั ง โปรแกรม Vision Builder โดยใช้ ฟั ง ก์ ชั น Acquire Image

2. ใช้ฟังก์ชัน Find Edge เพื่อหาขอบ ของวัตถุที่ตรวจจับโดยแบ่งเป็นในแนวซ้ายไปขวา ขวาไปซ้ า ย และล่ า งขึ้ น บน โดยส่ ว นละห้ า เส้ น เพื่อวัดเป็นห้าช่วง ปรับค่าของทุกเส้นดังนี้

ฟั ง ก์ ชั น Edge Polarity ตั้ ง ค่ า เป็ น Bright to Dark ฟังก์ชัน Edge Strength ตั้งค่า เป็น 15-25 ฟังก์ชัน Smoothing ตั้งค่าเป็นยี่สิบ ห้าถึงสามสิบห้า Steepness ตั้งค่าเป็นสิบห้าถึง ยี่สิบห้า ค่าที่ ได้เป็นค่าที่ ได้จากการประมาณและ การทดลอง

เมื่อทำการเขียนฟังก์ชันในการตรวจวัด ขอบแล้ว จะต้องทำการเก็บค่าของระยะต่าง ๆ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ที่ทำการตรวจวัดได้ โดยระยะต่าง ๆ นั้นประกอบ ด้วย เส้นขอบที่วัดจากล่างขึ้นบน (เพื่อวัดระยะ จากพื้นถึงวัตถุเพื่อกะระยะที่ต้องการหยุดตัวรถ) เส้ น ที่ ห นึ่ ง กำหนดให้ ชื่ อ Floor 1 เส้ น ที่ ส อง กำหนดให้ชื่อ Floor 2 เส้นที่สาม กำหนดให้ชื่อ Floor 3 เส้นที่สี่ กำหนดให้ชื่อ Floor 4 เส้นที่ห้า กำหนดให้ชื่อ Floor 5

ขณะที่เส้นขอบที่วัดจากซ้ายไปขวา (เพื่อ วั ด ระยะจากขอบของภาพจากกล้ อ งไปยั ง วั ต ถุ เพื่อตัดสินใจในการเลี้ยวรถ) เส้นที่หนึ่ง กำหนดให้ ชื่อ Right 1 เส้นที่สอง กำหนดให้ชื่อ Right 2 เส้นที่สามกำหนดให้ชื่อ Right 3 เส้นที่สี่ กำหนด ให้ชื่อ Right 4 เส้นที่ห้า กำหนดให้ชื่อ Right 5

เส้ น ขอบที่ วั ด จากขวาไปซ้ า ย (เพื่ อ วั ด ระยะจากขอบของภาพจากกล้องไปยังวัตถุ เพื่อ ตัดสินใจในการเลี้ยวรถ) เส้นที่หนึ่ง กำหนดให้ชื่อ Left 1 เส้นที่สอง กำหนดให้ชื่อ Left 2 เส้นที่สาม กำหนดให้ชื่อ Left 3 เส้นที่สี่ กำหนดให้ชื่อ Left 4 เส้นที่ห้า กำหนดให้ชื่อ Left 5

ใช้ฟังก์ชัน Calculator ในการวัดระยะ วั ต ถุ เ ป็ น หน่ ว ยพิ ก เซล เนื่ อ งจากไม่ ต้ อ งปรั บ ค่ า สามารถใช้ ได้ทันที โดยระยะในแนวแกน x จะเริ่ม จากซ้ายสุดไปยังขวาสุดของกรอบจะมีค่าเท่ากับ หกร้อยหกสิบพิกเซล และจากบนสุดไปยังล่างสุด มีค่าเท่ากับสี่ร้อยสี่พิกเซล ซึ่งเป็นไปตามคุณสมบัติ ของกล้อง คือ มีขนาดหกร้อยหกสิบคูณสี่ร้อยเก้า สิ บ สี่ พิ ก เซล โดยกำหนดให้ วั ด ค่ า ของทุ ก เส้ น โดยกำหนดให้เป็นชื่อ xxx distance เช่น Floor distance 1, Left distance 2 เป็นต้น

เขียนฟังก์ชันควบคุมมอเตอร์ ในโปรแกรม Lab VIEW โดยการรั บ ค่ า มาจากโปรแกรม Vision Builder AI โดยจะแบ่งเป็นสองไฟล์ คือ

ไฟล์ที่ ใช้ ในการรับค่าตัวแปรต่าง ๆ จาก Vision Builder ทั้งสิบห้าตัวแปร โดยรับค่ามาแล้วกำหนด ให้เป็นตัวแปร สำหรับไฟล์นี้จะเป็นไฟล์ที่เรียกโดย Vision Builder เพื่ อ เก็ บ ค่ า มาและส่ ง ให้ เ ป็ น ตัวแปรที่จะใช้งานยังโปรแกรมอื่นต่อไป และไฟล์ที่ ใช้ ในการประมวลผล หรื อ การตั ด สิ น ใจในการ เคลื่ อ นที่ ห รื อ การหมุ น ของมอเตอร์ ดั ง แสดงใน ภาพที่ 4

สำหรั บ ฟั ง ก์ ชั น การควบคุ ม มอเตอร์ นั้ น จะใช้หลักการเลี้ยวซ้ายและขวาเมื่อมีการตรวจวัด ระยะที่ พื้ น พบและเมื่ อ พบแล้ ว จะตรวจวั ด ระยะ ด้านซ้ายและด้านขวาใด ๆ หากส่วนใดมีค่ามาก กว่าให้ทำการหมุนมอเตอร์ ไปด้านนั้น โดยการเปิด โปรแกรมนั้ น จะต้ อ งเริ่ ม จากโปรแกรมควบคุ ม มอเตอร์เป็นลำดับแรก ต่อด้วย Vision Builder ส่วนโปรแกรมที่จะใช้ ในการส่งค่าตัวแปรต่าง ๆ จะ ขึ้นมาอย่างอัตโนมัติ สำหรับการเคลื่อนที่หากไม่ สามารถตรวจจับได้ จะสั่งให้วิ่งไปด้านหน้าตรง ๆ และเลี้ยวซ้ายหรือเลี้ยวขวาก็ขึ้นอยู่กับจะพบวัตถุ ด้านใด

4. ผลการทดลองและวิจารณ์

ผลการทดลองจากการออกแบบตัวควบคุม อาศัยตัวคุมค่ากำลังสองน้อยที่สุด (LQR) จากการ จำลองระบบด้ ว ยโปรแกรม MATLAB จนได้ สมรรถนะที่ ต้ อ งการแล้ ว ตั ว ควบคุ ม ที่ เ หมาะสม ที่สุดนำมาใช้ ในการทดลองคือ

โดยแบ่งการทดลองเป็น 3 แบบ คือ การ รักษาเสถียรภาพ การตามรอยสัญญาณอ้างอิง และ การตามรอยสัญญาณอ้างอิงโดยเพิ่มมวลให้ระบบ

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ในการทดลองที่ 1 เป็นการทดลองการ รั ก ษาเสถี ย รภาพของระบบ โดยค่ า เริ่ ม ต้ น ของ ทุกสเตตเป็นศูนย์ และผลักหุ่นยนต์ ให้ล้มลงที่เวลา ประมาณ 2 ถึง 2.5 วินาที ผลที่ ได้แสดงด้วยภาพ ที่ 5

การทดลองที่ 2 เป็ น การทดลองการ ติดตามค่าเช่นเดียวกับในการออกแบบด้วยการ จำลองระบบสั ญ ญาณที่ ต้ อ งการติ ด ตามหรื อ สัญญาณอ้างอิงมีลักษณะเดียวกัน ผลที่ ได้แสดง ดังภาพที่ 6

ภาพที่ 5 การทดลองการรักษาเสถียรภาพของ หุ่นยนต์สองล้อ

จากภาพที่ 5 ภาพบนแสดงการเคลื่อนที่ ของหุ่ น ยนต์ ตำแหน่ ง มุ ม θ แสดงผลลั ก ษณะ เดียวกับการจำลองคือจะเป็นระบบไม่ ใช่มุมเฟส น้ อ ยที่ สุ ด หุ่ น ยนต์ เ คลื่ อ นที่ ไ ปในทิ ศ ทางตรงกั น ข้ า มก่ อ นที่ จ ะเข้ า สู่ จุ ด สมดุ ล ภาพกลางแสดง ตำแหน่งมุม ψ คือ การเอียงของหุ่นยนต์ โดย หุ่นยนต์สามารถรักษาเสถียรภาพได้ โดย หลังจาก ที่เวลา 2.5 วินาที มุม ψ = 0.2 เรเดียน ระบบ พยายามหน่วงมุมเอียงทำให้ โอเวอร์ชูตที่ ψ = -0.

1 เรเดียน และกลับเข้าสู่จุดสมดุลในระยะเวลา 3 วินาที ภาพล่างแสดงแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ ซึ่ง มอเตอร์ทั้งสองเคลื่อนที่ด้วยแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน ที่เวลา 2.5 วินาที จะมีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดแต่ ไม่ เกินกว่า ± 2.5 โวลต์

ภาพที่ 6 ผลการทดลองการติ ด ตามค่ า ของ หุ่นยนต์สองล้อ

จากภาพที่ 6 แสดงการเคลื่ อ นที่ ข อง หุ่นยนต์ หรือมุม θ ด้วยเส้นสีฟ้า โดยสัญญาณ อ้างเป็นเส้นปะสีแดง การเคลื่อนที่ ไปด้านหน้าและ ด้ า นหลั ง มี ก ารตอบสนองช้ า เล็ ก น้ อ ย เนื่ อ งจาก ต้องย้ายตำแหน่งมุมเอียงให้อยู่ ในทิศทางเดียวกับ ทิศทางการเคลื่อนที่ก่อน ผลที่ ได้แสดงการแกว่ง ไปมาเนื่องมาจากแรงเสียดทานและน้ำหนักของ สายไฟ

ภาพที่สอง เส้นปะสีแดงเป็นศูนย์ หมาย ถึงสัญญาณอ้างอิงตำแหน่งมุมเอียงแสดงด้วยเส้น สีฟ้ามุมเอียงจะมีค่าเป็นบวกสำหรับการเคลื่อนที่ ไปด้านหน้าและเป็นลบสำหรับการเคลื่อนกลับหลัง

10

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

แต่ ผ ลที่ ไ ด้ แ สดงไม่ ชั ด เจน เนื่ อ งมาจากน้ ำ หนั ก ของสายไฟที่มีมากส่งผลให้เกิดการแกว่งของมุม เอียงอยู่ตลอดเวลา

ภาพที่สาม แสดงถึงความแม่นยำในการ ติดตามค่าของตำแหน่งมุมเลี้ยว (φ) เส้นสีฟ้ากับ สัญญาณอ้างอิงเส้นสีแดง เนื่องจากการควบคุม เลี้ยวจะส่งผลต่อมุมเอียงน้อย หรือระบบการเลี้ยว จะแยกออกจากการควบคุมมุมเอียงได้มาก จะเห็น ได้ว่าการควบคุมมุมเลี้ยวมีประสิทธิภาพ

ภาพที่สี่ แสดงแรงดันไฟฟ้า ซึ่งเนื่องจาก สัญญาณควบคุมดังกล่าวไม่ ใช่สัญญาณที่มีรูปร่าง เหมื อ นสั ญ ญาณดิ จิ ต อล แรงดั น ไฟฟ้ า จะไม่ ถู ก กระตุ้นในทันที ทำให้ผลที่ ได้คือใช้พลังงานไฟฟ้า ต่ำ แต่แรงดันไฟฟ้ามีการแกว่งอยู่ตลอดเวลาเพื่อ รักษาการแกว่งของมุมเอียง

ภาพที่ 7 ผลการทดลองการเคลื่อนในสองมิติของ หุ่นยนต์สองล้อ

จากภาพที่ 7 แสดงการเคลื่อนที่ ในสอง มิติ การเคลื่อนเริ่มจากตำแหน่ง ก. ไปยัง ข. และ ค. และ ข. ตามลำดับ โดยที่ตำแหน่งสมดุล หรือ จุด ก. และ ค. มีการแกว่งของระบบให้เห็น และ

การเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ตามเส้นทางการเคลื่อนที่ อ้างอิงมีความผิดพลาด เนื่องจากแรงเสียดทาน และน้ำหนักสายไฟเป็นหลัก

การทดลองอั น ดั บ สุ ด ท้ า ย คื อ การ ติ ด ตามค่ า โดยเพิ่ ม มวลให้ กั บ ระบบการเพิ่ ม มวล 680 กรั ม ทำให้ ม วลตั ว ถั ง เพิ่ ม และตำแหน่ ง จุ ด ศู น ย์ ถ่ ว งเปลี่ ย นไป ในการทดลองนี้ เ ป็ น การ ทดสอบความทนทานของระบบควบคุมเมื่อแบบ จำลองนั้นเปลี่ยนไป แสดงในภาพที่ 8

ภาพที่ 8 ผลการทดลองการติ ด ตามค่ า ของ หุ่นยนต์สองล้อที่มวลเพิ่ม

ภาพที่ 8 แสดงการติ ด รอยสั ญ ญาณที่ มี ลั ก ษณะเดี ย วกั บ การทดลองที่ ผ่ า นมา ผลการ ทดลองนี้เมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองที่ผ่านมา การควบคุ ม มุ ม θ มี ก ารตอบสนองช้ า ลงเนื่ อ ง จากน้ำหนักที่เพิ่มและมีการแกว่งมากขึ้นอันเนื่อง มาจากการควบคุ ม มุ ม เอี ย ง ดั ง ภาพที่ ส อง การ ควบคุมมุมเอียงหรือมุม ψ แสดงผลชัดเจนเมื่อ 11

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

มวลมากขึ้น การควบคุมระบบด้วยตัวควบคุมเดิม ทำให้มีการแกว่งของมุมเอียงมากขึ้นอย่างชัดเจน ในขณะที่ ภ าพที่ ส าม ยั ง คงแสดงความแม่ น ยำ สำหรับการควบคุมมุมเลี้ยวหรือมุม φ ที่ ไ ม่แตก ต่างกับการทดลองก่อนหน้านี้ ภาพที่สี่ แสดงแรง ดันไฟฟ้าของมอเตอร์ซ้ายและขวานั้นเพิ่มมากกว่า การทดลองที่ผ่านมาอย่างชัดเจน เนื่องมาจากมวล ที่เพิ่มขึ้นโดยตรง ซึ่งมอเตอร์ต้องใช้แรงบิดมากขึ้น ในการควบคุมระบบนี้

ภาพที่ 9 ผลการทดลองการเคลื่อนในสองมิติของ หุ่นยนต์สองล้อที่มวลเพิ่ม

จากภาพที่ 9 แสดงการเคลื่อนที่ ในสอง มิติ การเคลื่อนเริ่มจากตำแหน่ง ก. ไปยัง ข. และ ค. และ ข. ตามลำดับ ผลการทดลองนี้เมื่อเปรียบ เทียบกับการทดลองที่ผ่านมา การทดลองนี้แสดง ผลที่ตำแหน่งสมดุล หรือ ก. และ ค. มีการแกว่ง ของระบบมากกว่ า และการเคลื่ อ นที่ ต ามเส้ น ทางการเคลื่อนที่อ้างอิงมีความผิดพลาดมากกว่า

12

ผลการรับภาพจากกล้องวิดี โอ

เมื่อกล้องวิดี โอสามารถจับภาพของพื้น ถนนและมองเห็นสิ่งกีดขวางได้ กล้องวิดี โอจะส่ง ภาพผ่านสายเคเบิ้ลเข้ามายังโปรแกรม Vision Builder และแสดงผลบนหน้ า จอคอมพิ ว เตอร์ เป็นภาพเดียวกันกับกล้องวิดี โอมองเห็น ดังภาพที่ 10 โดยใช้ฟังก์ชัน Acquire Image

ภาพที่ 10 การวัดระยะวัตถุด้วยโปรแกรม Vision Builder

ตรรกะของรถสองล้ออัจฉริยะ

เมื่ อ ปล่ อ ยให้ ร ถสองล้ อ วิ่ ง รถวิ่ ง ไปพบ วั ต ถุ ท างด้ า นขวา ถ้ า วั ต ถุ นั้ น ขวางรถสองล้ อ ไม่ สามารถเดินหน้าต่อไปได้ก็จะเลี้ยวซ้าย แต่ถ้าไม่ ขวางก็จะวิ่งไปต่อ แต่ถ้าพบวัตถุทางด้านขวาอีก รถก็จะทำตามคำสั่งด้านบน แต่ถ้าพบวัตถุทางด้าน ซ้ายขวางอยู่ ไม่สามารถเดินหน้าต่อไปได้ รถก็จะ เลี้ยวขวาและวิ่งไปต่อ แต่ถ้าไม่ขวางรถสองล้อก็ จะวิ่งไปต่อ แต่ถ้าพบวัตถุทางด้านซ้ายหรือด้าน ขวาขวางอีก รถก็จะทำตามคำสั่งด้านบนอีกครั้ง และถ้าเจอวัตถุทั้งสองด้านรถก็จะหยุดและถอย หลั ง เริ่ ม การประมวลผลอี ก ครั้ ง ตามตรรกะที่ กำหนดไว้ ดังภาพที่ 11

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 11 ตรรกะของรถสองล้ออัจฉริยะ

สนามในการทดลองรถสองล้ออัจฉริยะ

สร้างขึ้นโดยใช้แผ่นฟิวเจอร์บอร์ดสีขาว ทำเป็ น พื้ น ถนน และวัตถุที่เป็นสิ่งกีดขวางจะใช้ สี ด ำ เพื่ อ ให้ สี ตั ด กั บ พื้ น ถนนและเป็ น ประโยชน์ ในด้านของโปรแกรมที่จะแยกสีได้ง่ายขึ้นดังภาพ ที่ 12

ภาพที่ 12 สนามทดลองของรถสองล้ออัจฉริยะ

ภาพที่ 13 ผลการทดลองจริงการแสดงมุมล้อของ หุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ

จากภาพที่ 13 แสดงผลการทดลองจริง การแสดงมุมล้อของหุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ คือ การเก็ บ ผลการทดลองในขณะหุ่ น ยนต์ ส องล้ อ วิ่ ง หลบสิ่ ง กี ด ขวางในสนามทดลองที่ ส ร้ า งขึ้ น โดยเก็บข้อมูลจากเอนโคดเดอร์ทั้งสองตัวซึ่งติด อยู่ กั บ ล้ อ ซ้ า ยและล้ อ ขวา ตั ว ตรวจรู้ อี ก หนึ่ ง ตั ว ผลในการเก็ บ ข้ อ มู ล คื อ เมื่ อ ตั ว ตรวจรู้ เ อี ย งไป ด้านหน้า มุมของล้อก็จะเพิ่มขึ้นซึ่งหมายความว่า รถวิ่งไปด้านหน้า แต่เ มื่อตัวตรวจรู้เอียงไปด้าน หลัง มุมของล้อก็จะลดลงซึ่งหมายความว่า รถวิ่ง ไปด้านหลัง

ภาพที่ 14 ผลการทดลองจริงการแสดงแรงดัน ไฟฟ้าของหุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ 13

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

จากภาพที่ 14 แสดงผลการทดลองจริง การแสดงมุมล้อของหุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะ คือ การเก็บผลการทดลองในขณะหุ่นยนต์สองล้อวิ่ง หลบสิ่งกีดขวางในสนามทดลองที่สร้างขึ้น โดย เก็บข้อมูลจากเอนโคดเดอร์ทั้งสองตัวซึ่งติดอยู่กับ ล้อซ้ายและล้อขวา ตัวตรวจรู้อีกหนึ่งตัว ผลใน การเก็บข้อมูล คือ เมื่อตัวตรวจรู้เอียงไปด้านหน้า แรงดันไฟฟ้าก็จะเพิ่มมากขึ้นมุมของล้อก็จะเพิ่มขึ้น ตามไปด้วย รถจะวิ่งไปด้านหน้า แต่เมื่อตัวตรวจรู้ เอียงไปด้านหลังแรงดันไฟฟ้าก็จะลดลง มุมของ ล้อก็จะลดลงตามไปด้วย ซึ่งหมายความว่ารถก็จะ วิ่งไปด้านหลัง

วิจารณ์ผลการทดลอง

การควบคุมหุ่นยนต์สองล้ออัจฉริยะเป็น ปั ญ หาที่ ร ะบบมี 3 เอาท์ พุ ต และมี 2 อิ น พุ ต และการควบคุมเอาท์พุตสองตัวที่มีความเกี่ยวโยง กันมาก คือ การควบคุมการเคลื่อนที่ ไปด้านหน้า และหลังหรือมุม θ กับความเอียงหรือมุม ψ ซึ่ง หุ่นยนต์จะสามารถเคลื่อนที่ ไปด้านหน้าได้ต่อเมื่อ หุ่นยนต์เอียงไปด้านหน้า ในขณะที่การควบคุมมุม เลี้ยวสามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่ง การออกแบบระบบควบคุมนั้นต้องมีความสัมพันธ์ กั บ กล้ อ งรั บ ภาพด้ ว ย ซึ่ ง ทำหน้ า ที่ รั บ ภาพสิ่ ง กีดขวางบนถนน และนำไปประมวลผลให้รถสอง ล้ออัจฉริยะหลบสิ่งกีดขวางได้

การออกแบบระบบควบคุมของหุ่นยนต์ สองล้ อ อั จ ฉริ ย ะ โดยอาศั ย ตั ว คุ ม ค่ า กำลั ง สอง เชิงเส้น และใช้ โปรแกรม Vision Builder ในการ ควบคุ ม กล้ อ งรั บ ภาพ และส่ ง ค่ า ต่ า ง ๆ ผ่ า น โปรแกรม Lab View เพื่อการประมวลผล และ ผลที่ ได้ผลจากการจำลองและการทดลองตัววัด 14

ความเอี ย งมี ป ระสิ ท ธิ ภ าพที่ ดี ใ นย่ า นความถี่ สู ง ในช่ ว งของความถี่ ที่ ก ำหนด ผลการจำลองและ ทดลองการควบคุมระบบดังกล่าวแสดงผลเป็นที่ น่ า ยอมรั บ และมี ป ระสิ ท ธิ ภ าพของตั ว ควบคุ ม ที่ ได้ออกแบบไว้ ถึงแม้ว่าการทดลองระบบจะเกิด การแกว่ง เนื่องมาจากแรงเสียดทานของมอเตอร์ ระยะห่างของเฟืองมอเตอร์ และน้ำหนักของสาย ไฟที่แกว่งไปมา แต่ก็สามารถทรงตัวได้ดี ในขณะ เคลื่อนที่และกล้องรับภาพสามารถรับภาพได้อย่าง แม่นยำขณะพบสิ่งกีดขวางทำให้หุ่นยนต์สองล้อ อัจฉริยะหลบสิ่งกีดขวางได้ดี

5. กิตติกรรมประกาศ

งานนี้ทำที่ห้องปฏิบัติการควบคุมและการ สั่นสะเทือน (CRV Lab) ซึ่งตั้งอยู่ที่และได้รับการ สนับสนุน บางส่วนจากสถาบันค้นคว้าและพัฒนา เทคโนโลยีการผลิตอุตสาหกรรม (RDiPT) แห่ง มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ ผลการวิ จั ย ภายใต้ โครงการนี้ ได้ รั บ การสนั บ สนุ น เงิ น ทุ น อุ ด หนุ น โครงการวิจัยพัฒนาและวิศวกรรมจากส่วนงาน กลาง สำนั ก งานพั ฒ นาวิ ท ยาศาสตร์ แ ละ เ ท ค โ น โ ล ยี แ ห่ ง ช า ติ แ ล ะ ทุ น อุ ด ห นุ น วิ จั ย มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ปี 2551

เอกสารอ้างอิง [1] วโรดม ตู้จินดา, 2550, การวิเคราะห์และ ออกแบบระบบควบคุ ม ทางวิ ศ วกรรม, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ.

[2] วิ บู ล ย์ แสงวี ร ะพั น ธุ์ ศิ ริ , 2548, การ ควบคุมระบบพลศาสตร์, พิมพ์ครั้งที่ 2, จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, กรุงเทพฯ.

[3] กิตติพงศ์ เยาวาจา, 2551, การควบคุม

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ที่ เ หมาะสมที่ สุ ด ของหุ่ น ยนต์ ส องล้ อ ด้ ว ยการความเอี ย งแบนด์ วิ ท ธิ์ สู ง , มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ.

[4] Sasaki, M., N. Yanagihara., O. Matsumoto. and K. Komoriya., 2005, Steering control of the

personal riding-type wheeled mobile platform (PMP), pp. 16971702. Conference on Intelligent Robots and Systems, 2005 IEEE/ RSJ International. (IROS 2005), 2-6 Aug. 2005.

15

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

การออกแบบ

และทดสอบปั๊ ม ก้ น หอย Design and Testing of a Scroll Pump จีรวัฒน์ โภคานิตย์ 1 พิชัย กฤชไมตรี 2

บทคัดย่อ

งานวิ จั ย นี้ แ สดงการออกแบบและการ ทดสอบปั๊มก้นหอย ในการออกแบบและสร้างปั๊ม น้ำแบบก้นหอยได้ ใช้สมการเวียนโค้งภายในและ ภายนอกของปั๊มก้นหอย โดยคำนวณค่าพิกัดของ เส้นโค้งบนใบก้นหอยด้วยโปรแกรม SCILAB-5.1 และสร้ า งแบบจำลองปั๊ ม ก้ น หอยด้ ว ยโปรแกรม Solid Work จากนั้ น จึ ง นำไปใช้ ในการขึ้ น รู ป ด้วยเครื่องจักร CNC สำหรับการออกแบบและ สร้างชุดทดสอบใช้ข้อกำหนดตามวิธีการทดสอบ ของมาตรฐานอุตสาหกรรมญี่ปุ่น (JIS B 8301) ปี ค.ศ. 1990

การทดสอบนี้จัดทำเพื่อหาความสัมพันธ์ ระหว่างอัตราการไหล ความดัน และประสิทธิภาพ ของปั๊มกับความเร็วรอบ ความเร็วรอบที่ ใช้ ในการ 1 2

ทดสอบ ได้ แ ก่ 675 750 825 900 975 และ 1,050 รอบต่อนาที จากผลการทดสอบแสดงให้ เห็นว่าอัตราการไหล ความดัน และประสิทธิภาพ ของปั๊ ม ก้ น หอยจะเพิ่ ม ขึ้ น ตามรอบการหมุ น ของมอเตอร์ ค่าสูงสุดของอัตราการไหล ความดัน และประสิทธิภาพ ที่ ได้จากการทดสอบมีค่าเท่ากับ 195 ลิตรต่อนาที 9 psig และ 22.66 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดั บ ซึ่ ง ค่ า เหล่ า นี้ เ กิ ด ขึ้ น ที่ ค วามเร็ ว รอบ เท่ากับ 1,050 รอบต่อนาที สาเหตุหลักที่ทำให้ สมรรถนะของปั๊ ม ที่ ใ ช้ ใ นการทดสอบในครั้ ง นี้ มี ค่ า ต่ ำ คื อ ความสู ญ เสี ย จากการรั่ ว ของน้ ำ และ ความเสียดทานระหว่างใบหมุนกับตัวเรือน

คำสำคัญ : การทดสอบปั๊ม, ปั๊มก้นหอย

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 16

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

Abstract

This research presents design and testing of a scroll pump. The fixed and orbiting scrolls mathematical models were used in design and construction of the scroll pump. The coordinates of the curves along the fixed and orbiting scroll wraps were calculated by SCILAB-5.1 program. The scroll pump was modeled by Solid Work program and constructed by CNC machine.

The testing facilities were designed and constructed under the Japanese Industrial Standards (JIS B 8301, 1990).

The testing was conducted to find relationships of flow rate, pressure, and efficiency of scroll pump and its speed. The tested speed of the motor was 675, 750, 825, 900, 975, 1050 rpm. The results showed that the flow rate, pressure, and efficiency of scroll pump were increase with the speed of the motor. The maximum values of the flow rate, pressure, and efficiency were 195 l/min, 9 psig, and 22.66 percent, respectively.

These values were occurred at the maximum speed of 1050 rpm. The water leakage and friction loss between orbiting scroll and casing were the major reasons of the low performance of the scroll pump

Key words: testing of scroll pump performance, scroll pump

1. คำอธิบายสัญลักษณ์และคำย่อ r = พิกัดเชิงขั้ว φ = มุมม้วนของเส้นเวียนก้นหอย x = พิกัดแกน x y = พิกัดแกน y β = ค่าความแตกต่างของมุม เริ่มต้นการโค้ง γ = รัศมีของวงกลมพื้นฐาน, α (π − β) θ = มุมข้อเหวี่ยง λ = ตำแหน่งมุม

Whp = แรงม้าทางทฤษฎี ν = น้ำหนักจำเพาะของน้ำ Q = อัตราการไหลของปั๊ม a = สัมประสิทธิ์เส้นเวียนก้นหอย k = มุมม้วนของเส้นเวียนกันหอย α = สัมประสิทธิ์ก้นหอย Ht = เฮดรวมของปั๊ม Bhp = แรงม้าของต้นกำลัง ηρ = ประสิทธิภาพของปั๊ม

2. บทนำ

ในปั จ จุ บั น นี้ มี ก ารผลิ ต ปั๊ ม เพื่ อ นำมาใช้ ในงานวิ ศ วกรรมออกมาใช้ กั น อย่ า งหลากหลาย หนึ่งในนั้นมีปั๊มชนิดที่เรียกว่า ปั๊มแบบส่งของไหลที ละก้อน (positive displacement pump) แต่ปั๊มที่ มีลักษณะดังกล่าวยังมีข้อด้อยอยู่หลายอย่าง เช่น มีอัตราการสึกหรอสูง อัตราการไหลต่ำที่ความเร็ว รอบต่ำ เป็นต้น ผู้วิจัยจึงมีแนวคิดที่จะพัฒนารูป แบบปั๊มชนิดใหม่ขึ้นมา โดยใช้ข้อดีของรูปแบบใบ ก้ น หอยของคอมเพลสเซอร์ ที่ มี ลั ก ษณะของส่ ง ของไหลที ล ะก้ อ น โดยข้ อ ดี ข องคอมเพลสเซอร์ แบบก้นหอยก็คือ สามารถให้อัตราการไหลได้มาก 17

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

กว่ า คอมเพลสเซอร์ แ บบลู ก สู บ ให้ เ ฮดมากกว่ า คอมเพลสเซอร์ แ บบโรตารี มี ชิ้ น ส่ ว นในการ เคลื่ อ นที่ น้ อ ยสามารถลดอั ต ราการสึ ก หรอได้ เป็นต้น จากข้อดีดังกล่าวผู้วิจัยจึงได้ทำการพัฒนา รูปแบบของสมการใบปั๊มก้นหอยใหม่ เพื่อใช้กับ ของเหลวที่ ไม่สามารถอัดตัวได้ (incompressible fluid) ขึ้ น เพื่ อ ใช้ เ ป็ น ทางเลื อ กในการใช้ ง านอี ก ทางเลือกหนึ่งในงานวิศวกรรม

3. การออกแบบ

ในการออกแบบปั๊มก้นหอยได้ ใช้แนวคิด และดัดแปลงมาจากคอมเพรสเซอร์แบบก้นหอยใน ระบบปรั บ อากาศ [1] ซึ่ ง ปั๊ ม ก้ น หอยที่ ท ำการ ออกแบบและสร้างนี้จะประกอบด้วยใบพัดก้นหอย 2 ใบพัด ที่มีลักษณะเส้นเวียนก้นหอยเหมือนกันแต่ หมุ น วนในทิ ศ ทางตรงกั น ข้ า มหั น เข้ า ประกบกั น โดยเรี ย กชื่ อ ใบพั ด ก้ น หอยทั้ ง สองตามลั ก ษณะ การทำงาน ดังต่อไปนี้ fixed scroll เป็นใบพัด ก้นหอยที่ติดแน่นไม่เคลื่อนที่และ orbiting scroll เป็ น ใบพั ด ก้ น หอยที่ มี ก ารเคลื่ อ นที่ ต ามการหมุ น ของเพลาขับ (crank shaft) แต่จะไม่หมุนตาม รอบเพลาขับจะเคลื่อนที่ ในลักษณะโคจร (orbital) ซึ่ ง จะทำให้ เ กิ ด โพรงขึ้ น โดยขนาดของโพรงจะ เปลี่ ย นแปลงไปตามการหมุ น ของใบพั ด ก้ น หอย ที่มีการเคลื่อนที่ (orbiting scroll) ไปตามองศา การหมุนของเพลาขับ [3] การทดสอบสมรรถนะ และประสิทธิภาพของปั๊มก้นหอย (scroll pump) ทำการออกแบบชุ ด เครื่ อ งมื อ ทดสอบสำหรั บ หาความดั น และอั ต ราการไหลที่ ค วามเร็ ว รอบ ต่าง ๆ ของปั๊มก้นหอย โดยจะใช้วิธีการทดสอบ ตามข้ อ กำหนดมาตรฐานวิธีการทดสอบปั๊มของ

18

JIS 8301 และทำการหาลักษณะของกราฟการ ทำงานของปั๊มก้นหอย (performance cure of scroll pump) [2] ในการออกแบบปั๊มก้นหอยจะ ใช้ ส มการพิ กั ด เส้ น เวี ย นก้ น หอยรอบรู ป ใบพั ด ก้ น หอย สำหรั บ fixed scroll และ orbiting scroll ซึ่งทั้ง fixed scroll และ orbiting scroll ยังแบ่งออกเป็นสมการพิกัดเส้นเวียนโค้งภายใน และเส้นเวียนโค้งภายนอกได้ดังนี้ [4] Fixed Scroll เส้นเวียนโค้งภายใน

(1)

(2) โดยที่

เส้นเวียนโค้งภายนอก

(3)

(4) โดยที่ Orbiting Scroll

เส้นเวียนโค้งภายใน

(5)

(6) โดยที่

เส้นเวียนโค้งภายนอก

(7)

(8) โดยที่

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การทดสอบตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ญี่ ปุ่ น (JIS) ซึ่ ง เป็ น วิ ธี ก ารทดสอบที่ ม าตรฐาน อุตสาหกรรมไทยใช้สำหรับทดสอบเครื่องปั๊มน้ำ ขนาดเล็ก [2] โดยการติดตั้งเครื่องมือแสดงในดัง ภาพที่ 4

ภาพที่ 1 เส้ น เวี ย นโค้ ง ก้ น หอยของปั๊ ม ก้ น หอย

= 3 มิ ล ลิ เ มตร, = 0.3 เรเดี ย น และ

= 0 π เรเดียน

ภาพที่ 4 ระยะการติดตั้งเครื่องมือวัด [5]

กำลังของปั๊มทางทฤษฎี (Whp) หมายถึง อัตราการทำงานในหนึ่งหน่วยเวลาหน่วยของกำลัง งานที่ ใช้กันทั่วไปคือ [3] ภาพที่ 2 เส้ น เวี ย นโค้ ง ก้ น หอยของปั๊ ม ก้ น หอย

QH = 3 มิ ล ลิ เ มตร, = 0.5 เรเดี ย น และ

Whp = 273 t (9) = 0 π เรเดียน

แรงม้ า ของต้ น กำลั ง (Brake Horepower, Bhp) เป็ น กำลั ง งานที่ ม อเตอร์ ห รื อ เครื่ อ งยนต์ ต้ น กำลั ง ขั บ เคลื่ อ นปั๊ ม หรื อ ให้ แ ก่ ปั๊ ม หรื อ เป็ น กำลั ง งานที่ ใช้ขับเคลื่อนปั๊มเพื่อให้ปั๊มเพิ่มกำลังงานให้แก่ ของเหลวเท่ า กั บ แรงม้ า ทางทฤษฎี (Water Horsepower) ดังนั้น [3]

Bhp = Whp η

(10) ρ ภาพที่ 3 เส้ น เวี ย นโค้ ง ก้ น หอยของปั๊ ม ก้ น หอย

= 3 มิ ล ลิ เ มตร, = 0.7 เรเดี ย น และ

= 0 π เรเดียน 19

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

4. วิ ธี ก ารสร้ า งปั๊ ม น้ ำ แบบก้ น หอยและ ชุดทดสอบ

วิธีการออกแบบและการทดสอบประสิทธิภาพของปั๊มก้นหอย (scroll pump) ทำการแบ่ง ออกเป็น 2 ส่วน ส่วนที่หนึ่งทำการออกแบบและ สร้ า งปั๊ ม ก้ น หอยโดยใช้ โ ปรแกรม SCILAB-5.1 คำนวณหาพิกัดฉาก (x, y) จากสมการพิกัดเส้น เวียนโค้งภายในและเส้นเวียนโค้งภายนอก จากค่า พิกัดฉากที่คำนวณได้สามารถนำค่าพิกัดดังกล่าว ไปทำการออกแบบปั๊มก้นหอยในโปรแกรม solid work ดั ง แสดงในภาพ ที่ 2 จากแบบปั๊ ม น้ ำ ที่ ไ ด้ จ ากโปรแกรม solid work จะใช้ วั ส ดุ เ ป็ น อะลู มิ เ นี ย ม 7075 โดยขึ้ น รู ป ตั ว ปั๊ ม น้ ำ จาก เครื่องจักร CNC ใช้ค่าความคลาดเคลื่อน 100 ไมโครเมตร ดังแสดงในภาพที่ 7

(ก)

(ข)

ภาพที่ 5 แสดงใบ Orbit Scroll

(ค) ภาพที่ 7 ปั๊มก้นหอยขึ้นรูปจากเครื่อง CNC

(ก) ตัวเรือนของ fix scroll

(ข) ตัวเรือนของ orbit scroll

(ค) ชุดปั๊มก้นหอยที่ประกอบสำเร็จ

ภาพที่ 6 รูปแบบของปั๊มก้นหอย

20

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การสร้างชุดทดทดสอบประสิทธิภาพของ ปั๊มก้นหอยจะถูกสร้างตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ญี่ปุ่น (JIS B 8301) ปี ค.ศ.1990 ดังแสดงราย ละเอียดการติดตั้งอุปรกรณ์เครื่องมือวัดในภาพ ที่ 8

5. ผลการทดลองและการวิเคราะห์

เมื่อทำการเดินเครื่องปั๊มก้นหอยที่ความ เร็วรอบค่าใดค่าหนึ่งจะมีลักษณะการเปลี่ยนแปล ค่าประสิทธิภาพของปั๊มก้นหอยเหมือนกัน โดยที่ ค่ า ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยจะต่ ำ สุ ด เมื่ อ เปิดวาล์วปรับความดันไปที่ตำแหน่งเปิดสุด และ จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อปิดวาล์วลงครึ่งหนึ่ง แต่การเปลี่ยนแปลงจะมีค่าค่อนข้างน้อย ซึ่งอาจ จะเป็ น ผลมาจากการอ่ า นค่ า จากเครื่ อ งวั ด ที่ มี ลักษณะที่เป็นอนาล็อกที่มีความละเอียดค่อนข้าง หยาบ และการอ่านค่าต่าง ๆ จะใช้อ่านจากการ ประมาณด้วยสายตาทำให้ผลที่ ได้มีค่าความเคลื่อน ได้ จากผลการทดสอบหาค่ า ประสิ ท ธิ ภ าพการ ทำงานของปั๊ ม ก้ น หอย ซึ่ ง ได้ ผ ลการทดสอบ ดังแสดงในตารางที่ 1 ถึงตารางที่ 6

จากผลการทดสอบที่ ไ ด้ จ ากตารางที่ 1 ถึงตารางที่ 6 สามารถวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลง ค่ า ของประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยได้ ว่ า เมื่ อ ทำการเพิ่มความเร็วรอบมากขึ้นประสิทธิภาพของ ปั๊มก้นหอยจะมีค่าของประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น ภาพที่ 8 รายละเอียดการติดตั้งอุปกรณ์เครื่องมือ ตามความเร็วรอบที่มากขึ้น เนื่องจากปั๊มก้นหอยนี้ วัดตามมาตรฐานอุตสาหกรรมญี่ปุ่น (JIS B 8301) ตารางที่ 1 ผลการทดสอบของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 675 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

80 95 100

3.6 2.5 2

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.0437 0.0360 0.0303

21

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 0.60 0.52 0.44

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.52 8.46 0.45 8.05 0.38 8.01

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ตารางที่ 2 ผลการคำนวณประสิทธิภาพของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 750 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

95 100 120

4 3.5 2

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.0576 0.0531 0.364

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 0.67 0.61 0.44

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.58 10.00 0.52 10.11 9.61 0.38

ตารางที่ 3 ผลการคำนวณประสิทธิภาพของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 825 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

110 115 125

5.5 4.3 3

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.0917 0.0750 0.0568

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 0.70 0.60 0.46

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.60 15.23 0.52 14.53 0.40 14.37

ตารางที่ 4 ผลการคำนวณประสิทธิภาพของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 900 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

120 135 140

6 4 3

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.1091 0.0818 0.0637

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 0.70 0.54 0.44

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.60 18.13 0.46 17.62 0.38 16.82

ตารางที่ 5 ผลการคำนวณประสิทธิภาพของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 975 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

140 160 170

7.5 5 3.5

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.1592 0.1213 0.0902

22

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 0.90 0.70 0.54

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.77 20.56 0.60 20.14 0.46 19.42

ตารางที่ 6 ผลการคำนวณประสิทธิภาพของปั๊มน้ำที่ความเร็วรอบ 1,050 รอบต่อนาที

% ของการ อัตราการไหล ความดัน l/min psig เปิดวาล์ว 50 75 100

160 185 195

9 5.5 4.5

กำลังของปั๊ม ทางทฤษฎี Whp 0.2183 0.1542 0.1330

ไม่ ได้ทำสมดุลการเคลือ่ นที่ (dynamic balancing) ในการทดสอบได้ ท ำการปรั บ รอบให้ ม ากกว่ า 1,050 rpm ปั๊ ม จะมี ก ารสั่ น ที่ ค่ อ นข้ า งรุ น แรง ดังนั้นเพื่อความปลอดภัยในการทดสอบจึงทำการ ทดสอบอยู่ ที่ ค วามเร็ ว รอบที่ ม ากที่ สุ ด ที่ 1 ,050 rpm จากค่ า ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยรุ่ น นี้ พบว่ า มี ค่ า ค่ อ นข้ า งต่ ำ ซึ่ ง อาจจะเป็ น ผลมาจาก หลายสาเหตุ โดยสาเหตุ ห ลั ก ๆ ที่ พ บจากการ ทดสอบพบว่ามีการรั่วของน้ำที่ทางด้านใบ orbit scroll และรอยรั่วระหว่างหน้าสัมผัส orbit scroll กับ fix scroll ในระหว่างการทำงานของปั๊มเป็น สาเหตุทำให้ปั๊มไม่สามารถสร้างแรงดันได้ดังแสดง ในภาพที่ 9 การเกิดฟองอาการภายในเส้นท่อทำให้ การอ่านค่าความดันที่ทางด้านออกผิดพลาดจาก ความจริงดังแสดงในภาพที่ 10 การเสียดสีกันของ ใบ orbit scroll กับตัวเรือนดังแสดงในภาพที่ 11 เป็ น ผลให้ เ กิ ด แรงเสี ย ดทานระหว่ า งใบ orbit scroll กับตัวเรือน (casing) เป็นผลทำให้ต้องใช้ พลังงานไฟฟ้าปริมาณค่อนข้างสูงในการขับตัวใบ orbit scroll ให้เคลื่อนที่ ไปตามวงโคจรการสัมผัส ระหว่าง orbit scroll กับ fix scroll

พลังงาน ไฟฟ้า Kw 1.12 0.80 0.70

แรงม้าของ ประสิทธิภาพ ต้นกำลัง ของปัม๊ น้ำ Bhp % 0.96 22.66 0.69 22.42 0.60 22.09

รอยรั่ว ที่ตำแหน่งตัวเรือน

ภาพที่ 9 แสดงการรั่วของน้ำที่ตำแหน่งตัวเรือน ของ orbit scroll ในขณะเดินเครื่อง

แสดงการเกิดฟองอากาศ ภายในเส้นท่อ

ภาพที่ 10 แสดงฟองอากาศภายในเส้นท่อที่เกิด ในขณะทำการเดินเครื่อง

23

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ภาพที่ 11 แสดงการเสียดสีระหว่างใบ orbit scroll กับตัวเรือน (casing)

ภาพที่ 12 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราการไหล

จากข้ อ มู ล ตารางที่ 1 ถึ ง ตารางที่ 6 สามารถสร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่าง อัตราการไหลกับความดันดังภาพที่ 12

6. สรุปผลการทดสอบ

จากการศึกษาการออกแบบและทดสอบ ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอย พบว่ า ค่ า ความ สัมพันธ์ระหว่างความดันและอัตราการไหลจะแปร 24

ผกผันกันในรูปแบบสมการเส้นตรง โดยค่าของ อั ต ราการไหลกั บ ความดั น ที่ มี ค่ า มากที่ สุ ด ที่ ความเร็วรอบ 1,050 rpm ค่าอัตราการไหลที่มาก ที่สุดมีค่าเท่ากับ 1,951/min และค่าความดันที่ สามารถทำได้มากที่สุดมีค่าเท่ากับ 9 psig

ค่ า ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยจะมี ค่ า เพิ่มขึ้นเมื่อปั๊มก้นหอยทำงานที่ความเร็วรอบเพิ่ม ขึ้ น โดยค่ า ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยที่ ใ ช้ ใ น

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การทดสอบมีค่ามากที่สุดเท่ากับ 22.66 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นค่าประสิทธิภาพของปั๊มได้ค่อนข้างต่ำ

7. ข้อเสนอแนะ

จากการวิเคราะห์สาเหตุที่ทำประสิทธิภาพ ของปั๊มก้นหอยที่ ใช้ ในการทดสอบมีค่าค่อนข้างต่ำ สามารถสรุปข้อเสนอแนะเพื่อการปรับปรุงให้ปั๊ม ก้นหอยให้มีค่าประสิทธิภาพดีขึ้นได้ดังต่อไปนี้

1. มีการรั่วของน้ำที่ตำแหน่งตัวเรือนของ orbit scroll ในระหว่างทำการเดินเครือ่ งปัม๊ ก้นหอย เพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของปั๊มก้นหอยควรจะ ออกแบบตัวเรือนของ orbit scroll ให้สามารถ ป้องกันการรั่วของน้ำได้ โดยการใช้รูปแบบ seal ใหม่จาก packing seal เป็น mechanical seal สามารถลดปัญหาเรื่องการรั่วได้

2. ระบบส่ ง กำลั ง ของปั๊ ม ก้ น หอยไม่ ไ ด้ ทำการปรั บ สมดุ ล การเคลื่ อ นที่ (dynamic balancing) เพื่อช่วยให้สามารถส่งกำลังให้ ได้อย่าง มีประสิทธิภาพ ควรจะทำสมดุลการเคลื่อนที่ก่อน การติดตั้งชุดส่งกำลังกับตัวปั๊มก้นหอย

3. มีแรงเสียดทานที่เกิดจากการเสียดสี ระหว่างใบ orbit scroll กับตัวเรือน (casing) ควร ทำการออกแบบของ orbit scroll ไม่ ให้สัมผัสกับ ตั ว เรื อ น เพื่ อ ช่ ว ยลดแรงเสี ย ดทานที่ เ กิ ด ขึ้ น ระหว่างตัวเรือนและใบ orbit scroll

จากสาเหตุที่พบในระหว่างทำการทดสอบ ปั๊มก้นหอย เชื่อได้ว่าถ้าสามารถแก้ ไขสาเหตุดัง กล่ า วได้ จ ะสามารถเพิ่ ม ประสิ ท ธิ ภ าพของปั๊ ม ก้ น หอยได้ ม ากขึ้ น โดยอาจจะต้ อ งศึ ก ษาในงาน วิจัยต่อไป

8. เอกสารและสิ่งอ้างอิง [1] ธำรง เปรมปรีดิ์ และ ดำรงศักดิ์ มลิลา, 2534, เครื่องสูบน้ำ : การออกแบบ การ ใช้งาน และการบำรุงรักษา, วิศวกรรม สถานแห่งประเทศไทย, กรุงเทพฯ.

[2] วิบูลย์ บูญยธโรกุล, 2529, ปั๊มและระบบ สู บ น้ ำ , มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ , กรุงเทพฯ [3] ธัญญะ เกียรติวัฒน์, 2544, การออกแบบ เครื่ อ งจั ก รกล เล่ ม 1, มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ.

[4] ธี ร ะยุ ท ธ สุ ว รรณประที ป และ ธั ญ ญะ เกี ย รติ วั ฒ น์ , 2543, การออกแบบ เครื่ อ งจั ก รกล เล่ ม 2, มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ.

[5] ธนา ภู่เผือกรัตน์, 2548, การวิเคราะห์ ความเสียหายของใบพัดก้นหอยของปั๊ม น้ำแบบก้นหอย, วิทยานิพนธ์ปริญญาโท, มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์.

[6] Kritmaitree, P, 2002, Study of Volumetric Scroll Pump for the Cold Moderator System. Ph.D. Thesis, Utsunomiya University.

[7] Jiang Z., D.K. Harrison and K. Cheng, 2003, Computer-aided design and manufacturing of Scroll Compressors. J.Mater. Process.

Technol, pp. 138:145-151.

[8] kohsokabe, H.,M. Takebayashi and Y. Kunugi., 1959, ASHRAE Transactions, American Society of Heating, Refrigerating and Air25

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

Conditioning Engineering, Inc., [10] Japanese Standards Association, 1 9 9 0 , Te s t i n g M e t h o d s f o r Georgia, USA. Centrifugal Pump, Mixed Flow [9] Krutzsch, W.C., 1985, Introduction: Pumps and Axial Flow Pumps. classification and selection of JIS B 8301 Japanese Standards pump. pp. 1.1-1.5 In I.J> Karassil, Association., Tokyo.

W.C. Krutzch, W.H. Fraser and J.P. Messina, eds. Pump Handbook [11] Jamed B.Rishel, 2006, HVAC Pump Handbook. McGraw-Hill, Inc., International Edition. McGraw-Hill Singapore.

Inc., New York.

26

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การออกแบบกลไกประตู เ ลื่ อ น สำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคล Mechanism Design for Slide-Passenger Door for Compact-Size Vehicles วัชรพล บิลหะยีหมัด 1 วิโรจ ญาณะพันธ์ 1 เกรียงไกร อัศวมาศบันลือ 2

บทคัดย่อ

รถยนต์ ข นาดเล็ ก และขนาดกลางเป็ น รถยนต์ ส่ ว นบุ ค คลที่ มี ผู้ ใช้ เ ป็ น จำนวนมาก ข้ อ จำกั ด ข้ อ หนึ่ ง ของรถประเภทนี้ คื อ มี ข นาดเล็ ก การเข้าออกจากรถทำได้ยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ครอบครัวที่มีคนป่วย คนพิการหรือ คนชรา ซึ่งจะ ต้องมีผู้คอยดูแลช่วยเหลือ การวิจัยนี้มีความคิดที่ จะพัฒนากลไกสำหรับเปิดปิดประตูเป็นลักษณะ บานเลื่อนสำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลขนาดเล็ก และขนาดกลาง เพื่ อ ทดแทนกลไกแบบบานพั บ เดิมที่มีอยู่ ซึ่งจะสามารถอำนวยความสะดวกแก่ คนป่วย คนพิการ หรือคนชรา การวิจัยได้แบ่งขั้น ตอนการทำงานออกเป็น 3 ขั้นตอน คือ 1. การทำ 1 2

วิ ศ วกรรมย้ อ นรอยเพื่ อ จำลองประตู แ ละโครง ของรถยนต์ ส ำหรั บ ใช้ ห าขนาดและทดสอบการ เคลื่อนที่ 2. การออกแบบชิ้นส่วนกลไกให้มีขนาด เหมาะสมกั บ รถยนต์ ต้ น แบบที่ ได้ เ ลื อ กมา และ 3. การวิเคราะห์ความแข็งแรงของชิ้นส่วน ที่ ได้ อ อกแบบ โดยใช้ ร ถยนต์ TOYOTA รุ่ น Soluna เป็นต้นแบบในการดำเนินงาน อุปกรณ์ ประตู เ ลื่ อ นที่ ได้ พั ฒ นาขึ้ น มี 2 รู ป แบบ คื อ 1. แบบสองแนวแกน และ 2. แบบเลื่อนและหมุน ทั้งสองแบบได้ถูกวิเคราะห์แนวทางการเคลื่อนที่ บนคอมพิวเตอร์ ซึ่งพบว่าทั้งสองแบบสามารถใช้ งานได้ดี ไม่เกิดการชนหรือเสียดสีกันของชิ้นส่วน

นิสิตปริญญาตรี สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 27

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

และตัวถังรถยนต์ จากการวิเคราะห์ความแข็งแรง พบว่าทั้งสองแบบมีค่าความปลอดภัย 4.41 สำหรับ แบบสองแนวแกนและ 2.48 สำหรับแบบเลื่อนและ หมุน ซึ่งเพียงพอสำหรับการออกแบบชิ้นส่วนทาง วิศวกรรม

Abstract

Compact cars are one of the most popular types of cars in Thailand. A limitation of such cars is that passenger doors are quite small and difficult to access, especially for disabled people who need help from others. The objective of this research is to convert the swinging door of compact cars to a sliding door by developing a slide mechanism to replace the hinge mechanism. Thus, the disabled can easily access the cars. The Research approach can be divided into three steps: 1. implement reversed-engineering techniques to model a door of compact cars and its frame into a computer model; 2. design a slide mechanism that can easily replace the hinge mechanism, with minimum modifications on the body of cars; 3. analysis of the stress and strength of the designed mechanism. The Toyota Soluna is used as a prototype in this research. Two concepts of slide mechanisms have been developed. One is based on translating motion and the other is based on rotating motion. Motion analysis is then applied to 28

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

inspect the trajectory of the design mechanism to make sure that the door does not collide with the body of the car.

For strength analysis, both designed mechanisms have a safety factor of 4.41 and 2.48, respectively.

Keywords: passenger door, sliding mechanism, hinge mechanism, compact cars, disables

1. บทนำ

ประเทศไทยเป็นประเทศหนึ่งที่ประชาชน นิ ย มใช้ ร ถยนต์ ใ นการเดิ น ทาง ไม่ ว่ า จะเป็ น รถยนต์ นั่ ง ส่ ว นบุ ค คล รถตู้ รถกระบะหรื อ รถ บรรทุ ก แล้ ว แต่ จุ ด ประสงค์ ใ นการใช้ ขี ด ความ สามารถด้านการเงินและความนิยมชมชอบส่วน บุคคล ในการซื้อเพื่อเป็นเจ้าของเองนั้น จะเห็น ได้ว่ารถยนต์ขนาดเล็กและขนาดกลางกำลังเป็น ที่นิยม เพราะมีราคาที่ ไม่สูงมากนัก และสามารถ ซื้อได้ โดยคนที่มีฐานะปานกลางซึ่งเป็นประชากร ส่วนใหญ่ของประเทศ ทำให้มีรถยนต์ประเภทนี้ อยู่มากมายบนท้องถนน อย่างไรก็ดี ข้อจำกัดข้อ หนึ่ ง ของรถประเภทนี้ คื อ มี ข นาดเล็ ก การเข้ า ออกจากรถทำได้ยาก ถ้าเป็นครอบครัวที่มีคน ป่วย คนพิการ หรือคนชรา ซึ่งจะต้องอาศัยคน คอยพยุงช่วยเหลือ ยิ่งทำให้การเข้าออกจากรถ ยากขึ้นไปอีกและอาจจะก่อให้เกิดอุบัติเหตุขึ้นได้ ทั้ ง นี้ เ นื่ อ งจากประตู ที่ อ อกแบบมาเป็ น ลั ก ษณะ บานพั บ ทำให้ ไม่ ส ามารถเข้ า ช่ ว ยเหลื อ ใน ลั ก ษณะที่ ถู ก ต้ อ งได้ อย่ า งไรก็ ดี ประชาชนใน กลุ่มนี้ ไม่สามารถซื้อรถอำนวยความสะดวกได้ เช่น รถตู้ เนื่องจากมีราคาสูง ทำให้การดำเนิน

ชี วิ ต เป็ น ไปได้ ด้ ว ยความยากลำบาก การนำ คนป่ ว ย คนพิ ก าร หรื อ คนชราเดิ น ทางไปด้ ว ย ดู เ หมื อ นเรื่ อ งที่ จ ะต้ อ งใช้ เ วลาในการพิ จ ารณา อย่างมาก

จากเหตุผลข้างต้น ผู้วิจัยมีความคิดที่จะ พัฒนากลไกสำหรับเปิดปิดประตูเป็นลักษณะบาน เลื่อนสำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลขนาดเล็กและ ขนาดกลาง เพื่ อ ทดแทนกลไกแบบบานพั บ เดิ ม ที่ มี อ ยู่ โดยการปรั บ แต่ ง ประตู เ ดิ ม และเพิ่ ม เติ ม ชิ้ น ส่ ว นกลไกเข้ า ไป ทั้ ง นี้ จ ะต้ อ งคำนึ ง ถึ ง ความ ปลอดภั ย ซึ่ ง จะต้ อ งเหมื อ นเดิ ม หรื อ ดี ก ว่ า เดิ ม และไม่ ท ำให้ รู ป ทรงภายนอกของรถเปลี่ ย นไป การวิจัยจะมุ่งเน้นไปที่รถยนต์แบบ 4 ประตู โดย จะทำการพั ฒ นากลไกเพื่ อ ปรั บ เปลี่ ย นประตู ผู้ โดยสารด้านหลังซ้ายขวาแบบบานพับให้กลาย เป็ น แบบบานเลื่ อ นแทน ซึ่ ง จะสามารถอำนวย ความสะดวกแก่ ค นป่ ว ย คนพิ ก าร หรื อ คนชรา และลดอุบัติเหตุที่อาจจะเกิดขึ้นในขณะขึ้นและลง จากรถได้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ ได้ ในกรณีที่มี พื้นที่ข้างรถสำหรับการเปิดปิดน้อย ไม่สามารถ เปิดประตูลักษณะบานพับได้ ในการออกแบบกลไก จะอาศัยเทคนิคทางด้านวิศวกรรมย้อนรอยโดยใช้ เครื่องเก็บพิกัดสามมิติระบบเลเซอร์ (3D Laser Scanner) ในการเก็ บ พิ กั ด สามมิ ติ (Cloud of Point) รูปทรงประตูและโครงประตูรถออกมาก่อน จากนั้ น ทำการแก้ ไขและปรั บ แต่ ง พื้ น ผิ ว ของรู ป ทรงประตูและโครงประตูรถให้ถูกต้อง (Surface Reconstruction)

จากนั้ น ใช้ โ ปรแกรมคอมพิ ว เตอร์ ช่ ว ยใน การออกแบบ (Computer Aided Design, CAD) ในการสร้างส่วนประกอบจนสมบูรณ์แล้ว จึงออกแบบกลไกและทำการจำลองการเคลื่อนที่

ของระบบประตู (Motion Simulation) ด้ ว ย โปรแกรม CAD เนื่องจากการออกแบบโดยอาศัย การลองผิดลองถูกจากการสร้างชิ้นกลไกตัวอย่าง จริงเลยจะทำให้เสียค่าใช้จ่ายเป็นจำนวนมาก อีก ทั้งอาจจะต้องดัดแปลงรถยนต์ตัวอย่างหลายครั้ง ซึ่งจะทำให้รถยนต์เสียรูปร่างไปจากเดิม เนื่องจาก ไม่รู้ว่ากลไกที่ออกแบบจะทำให้ประตูเลื่อนไปชน หรือเสียดสีกับพื้นผิวอื่นของรถหรือไม่

2. อุปกรณ์

1. คอมพิ ว เตอร์ พร้ อ มโปรแกรม Unigraphics NX2 และ Geomagic Studio 6 ในการออกแบบและทำวิศวกรรมย้อนรอย

2. อุปกรณ์เก็บพิกัดสามมิติระบบเลเซอร์ (3D Laser Scanner)

3. ต้นแบบประตูและกรอบประตูรถยนต์ รุ่นที่ ใช้ ในการออกแบบ

3. วิธีการวิจัย

1. การค้นคว้าและศึกษากลไกการทำงาน ของประตู เ ลื่ อ นของรถประเภทอื่ น เช่ น รถตู้ เป็นต้น รถตู้เป็นรถขนาดใหญ่มีพื้นที่ ในการติดตั้ง มาก ความสลั บ ซั บ ซ้ อ นของกลไกจะน้ อ ยกว่ า ประตู จ ะเลื่ อ นไปตามรางที่ ไ ด้ ว างไว้ ซึ่ ง โดยปกติ จะมีอยู่ 3 รางด้วยกันเพื่อความแข็งแรงและกัน โคลง คือบนขอบด้านบน ด้านล่าง และด้านข้าง หลังประตู ซึ่งไม่สามารถนำมาใช้ ได้ ในรถยนต์นั่ง ส่ ว นบุ ค คลเพราะพื้ น ที่ มี จ ำกั ด ไม่ ส ามารถติ ด ตั้ ง รางได้มากถึง 3 ราง การศึกษารูปแบบประตูแบบ ต่าง ๆ ที่มี ใช้ ในปัจจุบันเพื่อนำมาเป็นแนวคิดใน การออกแบบกลไก

2. การทำวิ ศ วกรรมย้ อ นรอยของประตู 29

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

และกรอบประตูของรถที่ ใช้เป็นต้นแบบ ชิ้นส่วน ประตูและกรอบประตูจะถูกถอดออกมาจากรถต้น แบบเพื่อนำมาจำลองบนคอมพิวเตอร์ โดยอาศัย เทคนิ ค ทางวิ ศ วกรรมย้ อ นรอย ในเบื้ อ งต้ น จะ ออกแบบสำหรั บ รถยนต์ ต้ น แบบเพี ย งหนึ่ ง คั น เท่านั้น ชิ้นส่วนประตูและกรอบจะถูกสแกนด้วย เลเซอร์ เ พื่ อ สร้ า งจุ ด สำหรั บ ทำเป็ น พื้ น ผิ ว และ ของแข็ง พื้นที่บนประตูและกรอบจะถูกแบ่งออก เป็นจุดจำนวนมากเพื่อให้สามารถจำลองสภาพพื้น ผิ ว ได้ เ สมื อ นจริ ง มากที่ สุ ด หลั ง จากได้ จุ ด เป็ น ที่ เรียบร้อยแล้ว จะอาศัยโปรแกรมในการสร้างพื้น ผิวและของแข็งจากจุดเหล่านี้

3. การออกแบบกลไกบนโปรแกรม CAD จากแบบจำลองประตู ที่ ได้ จ ากขั้ น ตอนที่ ส อง จะนำมาใช้ เ ป็ น แบบในการทดสอบกลไกบนจอ คอมพิวเตอร์ กลไกที่ออกแบบขึ้นจะถูกเขียนขึ้น ด้ ว ยขนาดและสั ด ส่ ว นจริ ง ลงบนชิ้ น ส่ ว นประตู ชิ้นส่วนจะถูกวางไว้บนตำแหน่งที่ต้องการเสมือน กับที่ทำบนชิ้นงานจริง รวมทั้งส่วนของประตูและ โครงที่จะต้องทำการดัดแปลงและกลไกในการล็อก ประตู หลังงานนั้นจะทำการทดสอบกลไกโดยจะดู ว่าขณะที่มีการเปิดปิดประตู ประตูเลื่อนไปชนส่วน อื่นของรถ ไปเสียดสีหรือขัดกับกลไกอื่นหรือไม่ จนกระทั่ ง แน่ ใ จว่ า กลไกการเลื่ อ นของประตู ไ ม่ ทำให้ประตูไปชนหรือเสียดสีพื้นผิวของรถ ทั้งนี้ ใน การออกแบบจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัยที่ ได้ มาตรฐาน ต้องไม่เปลี่ยนแปลงรูปแบบภายนอก ของรถและสะดวกในการติดตั้ง

4. การทำรายงานสรุปการดำเนินงาน ตั้ง แต่การศึกษาค้นคว้า การทำวิศวกรรมย้อนรอย การออกแบบ ขั้นตอนการจัดสร้าง ทดสอบและ

ติดตั้ง พร้อมทั้งรายงานปัญหาและอุปสรรคที่เกิด ขึ้น และแนวทางการแก้ ไข

4. ผลการวิจัย

การจำลองแบบประตูและชิ้นส่วนใกล้เคียง ของรถยนต์มีความสำคัญต่อการออกแบบอย่าง มาก จะทำให้ทราบระยะและตำแหน่งจุดต่าง ๆ ที่สามารถจะยึดชิ้นส่วนเข้ากับตัวรถ เนื่องจากไม่ สามารถแบ่งรายละเอียดของประตูรถที่ ใช้เป็นต้น แบบได้ จึงต้องทำวิศวกรรมย้อนรอยเพื่อจำลอง แบบประตู บ นคอมพิ ว เตอร์ ส ำหรั บ ใช้ ในการ ออกแบบ ในการวิ จั ย นี้ ใช้ ร ถยนต์ โ ตโยต้ า รุ่ น Soluna เป็นต้นแบบในการออกแบบชิ้นส่วน ผลที่ ได้จากการทำวิศวกรรมย้อนรอยแสดงดังภาพที่ 1 และภาพที่ 2 จะเห็นได้ว่าการทำวิศวกรรมย้อน รอยสามารถจำลองรายละเอียดของประตูต้นแบบ ได้เป็นอย่างดี ทั้งในส่วนที่เป็นพื้นผิวโค้งและพื้นผิว เว้า หรือแม้กระทั่งส่วนพื้นผิวที่ถูกตัดหรือรูเจาะ ต่าง ๆ ทำให้สามารถทราบขนาดของช่องว่างและ ระยะที่ แ น่ น อน ส่ ง ผลให้ มี ก ารออกแบบชิ้ น ส่ ว น และตรวจสอบการเคลื่อนที่ของกลไกที่ง่ายขึ้น

ภาพที่ 1 พื้นผิวด้านในของประตูต้นแบบ 30

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

(ในแนวตั้งฉากตัวรถ) ก่อน เมื่อมีพื้นที่มากพอที่จะ ดันไปด้านหลังก็สามารถทำได้เท่ากับความกว้างที่ ต้องการ อุปกรณ์สำหรับกลไกแบบนี้จะมีชุดราง เลื่ อ นซึ่ ง จะแบ่ ง เป็ น ตั ว รางที่ ติ ด กั บ ตั ว รถและชุ ด เลื่อน ซึ่งมีอุปกรณ์การเลื่อนแบบล้อและแบบไถล อย่างละแกนดังภาพที่ 3 ถึงภาพที่ 5 รางคู่ หัวเลื่อน

ภาพที่ 2 ภาพขยายพื้นผิวประตู

จากแบบจำลองที่ ได้ กลไกที่ ได้พัฒนาขึ้น มามีสองรูปแบบ คือ 1. กลไกประตูเลื่อนแบบสอง แนวแกน และ 2. กลไกประตูเลื่อนแบบเลื่อนและ หมุน ทั้งสองแบบถูกออกแบบเพื่อดัดแปลงการ เปิดปิดประตูแบบสวิง เป็นแบบเลื่อนไปด้านข้าง ขนานกับโครงสร้างของรถยนต์ โดยประตูเดิมจะ ต้องคงรูป ในลักษณะเดิมมากที่สุด และชิ้นส่วนที่ ใส่เพิ่มเติมจะต้องไม่เห็นจากภายนอก

แบบกลไกประตูเลื่อนแบบสองแนวแกน

ลักษณะกลไกประตูเลื่อนแบบสองแนวแกน ใช้ วิ ธี ก ารออกแบบให้ ง่ า ยต่ อ การติ ด ตั้ ง และการ ประกอบอุปกรณ์มากที่สุด จะใช้เทคนิคการเลื่อน แบบทั่วไปแต่จะมีการเลื่อนในแนวขนานกับตัวรถ และในแนวตั้งฉากกับตัวรถ รวมสองแนวซึ่งทั้ง สองแนวนั้นเป็นอิสระต่อกันจะเลื่อนแนวไหนก่อน ก็ ได้ หรื อ จะเลื่ อ นพร้ อ มกั น ก็ ส ามารถทำได้ ลั ก ษณะการเปิ ด ปิ ด ประตู ทำได้ โดยง่ า ยดั ง นี้ ทำการยกสลักประตูและดันประตูออกไปจากตัวรถ

ภาพที่ 3 ชุดรางคู่และหัวเลื่อน

ภาพที่ 4 การประกอบชุดรางเลื่อน

ภาพที่ 5 ขั้นตอนการเปิดประตูเลื่อน

31

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

แบบกลไกประตูเลื่อนแบบเลื่อนและหมุน ความปลอดภั ย 2.48 ซึ่ ง อยู่ ใ นเกณฑ์ ที่ ส ามารถ

ลั ก ษณะกลไกประตู เ ลื่ อ นแบบเลื่ อ นและ ยอมรับได้ ในทางวิศวกรรม หมุน จะออกแบบเลียนแบบลักษณะการเปิดประตู และนิสัยของคนที่ต้องการความต่อเนื่องในการเปิด ประตู คื อ การหมุ น และเลื่ อ นไปพร้ อ ม ๆ กั น ประกอบด้วยอุปกรณ์หลักสำหรับเป็นแกนหมุนและ ล้อเลื่อนไถลอย่างละหนึ่งชุด ตัวรางเลื่อนจะติดตั้ง ในแนวขนานกับตัวรถคล้ายกับแบบแรก การเปิด และปิดประตูรถทำได้ โดยการยกสลักแล้วดันประตู ในลักษณะเหวี่ยงไปด้านหลังและ/หรือดันไปด้าน ภาพที่ 7 การติดตั้งอุปกรณ์กับตัวรถ หลังพร้อมกันได้เลยแสดงภาพที่ 6 ถึงภาพที่ 8

ภาพที่ 8 ขั้นตอนการเปิดประตูเลื่อน ภาพที่ 6 อุปกรณ์แบบรางเลื่อนและหมุน

เมื่ อ ได้ แ บบกลไกการเคลื่ อ นที่ แ ละขนาด ของชิ้นส่วนแล้ว จะต้องทำการวิเคราะห์ความแข็ง แรงของชิ้นส่วนสำคัญ ซึ่งใช้วิธีการวิเคราะห์แบบ Boundaries of the Maximum Stress Theory วัสดุที่ ใช้ ในการสร้างชิ้นส่วนคือเหล็กกล้าคาร์บอน AISI 1020 HR ซึ่ ง มี ค่ า Yield Stress ( σ y ) เท่ากับ 207 MPa และค่า Ultimate Stress (σu) เท่ากับ 380 MPa ผลจากการวิเคราะห์พบว่ากลไก ประตูเลื่อนแบบสองแนวแกนมีค่าความปลอดภัย 4.41 กลไกประตู เ ลื่ อ นแบบเลื่ อ นและหมุ น มี ค่ า 32

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

5. วิจารณ์และสรุปผล

กลไกการเลื่อนทั้งสองมีข้อดีและข้อเสีย แตกต่างกันไป ดังต่อไปนี้

แบบกลไกประตูเลื่อนแบบสองแนวแกน

- สะดวกในการจัดสร้างและติดตั้ง

- สามารถปรั บ แต่ ง และประยุ ก ต์ ใ ช้ กั บ รถยนต์อื่นได้ง่าย เนื่องจากเป็นการเลื่อนในแนว ระดั บ สามารถเพิ่ ม ความยาวของตั ว รางเลื่ อ น และรางคู่ ได้ง่าย

- ต้องการพื้นที่ ในการติดตั้งและดัดแปลง

ตัวถังรถยนต์น้อย ในส่วนของตัวคานประตูจะเจาะ รูสำหรับรางคู่เพียงแค่สองรูเท่านั้น

- มีลักษณะการเคลื่อนที่ ไม่สวยงามและไม่ เป็นไปตามธรรมชาติ เพราะมีการเลื่อนในลักษณะ เป็นเส้นตรง

- ความสะดวกในการใช้ ง านน้ อ ยกว่ า เนื่องจากผู้ ใช้จะต้องเลื่อนประตูออกให้สุดก่อนที่ จะเลื่อนไปทางด้านหลัง มิฉะนั้นประตูจะชนกับตัว ถังรถยนต์

แบบกลไกประตูเลื่อนแบบเลื่อนและหมุน

- สะดวกในการจัดสร้าง แต่การติดตั้งจะ ยากกว่าเนื่องจากจะต้องวางแนวในการหมุนให้ ได้ ระดับ

- ปรับแต่งและประยุกต์ ได้ยาก เนื่องจาก แนวและระยะในการหมุนถูกบังคับด้วยขนาดของ ประตู ซึ่งจะต้องมีการวัดและกำหนดให้ถูกต้อง ไม่ เช่นนั้นประตูจะไม่ปิดลงพอดี

- ต้องการพื้นที่ ในการติดตั้งและดัดแปลง ตัวถังมาก เพราะจะต้องตัดเจาะช่องเป็นแนวยาว สำหรับให้แกนหมุนพับเก็บเมื่อปิดประตู

- มีลักษณะการเคลื่อนที่ที่สวยงามเป็นเส้น โค้งและเป็นธรรมชาติมากกว่า

- สะดวกในการใช้ ง านระยะต่ า ง ๆ ถู ก ออกแบบมาพอดี เมื่อใช้งานประตูจะไม่ชนส่วนอื่น ของรถยนต์เมื่อหมุนและเลื่อน

ประตูเลื่อนทั้งสองแบบถูกออกแบบมาเพื่อ อำนวยความสะดวกให้ แ ก่ ผู้ ใช้ ร ถขนาดเล็ ก ที่ ต้องการพื้นที่ ในการเปิดประตูมาก ทั้งสองรูปแบบ มี แ บบและหลั ก การในการเคลื่ อ นที่ ข องประตู ที่ แตกต่างกัน กล่าวคือ แบบที่หนึ่งอาศัยหลักการ

เคลื่ อ นที่ เ ป็ น แนวเส้ น ตรง ในขณะที่ แ บบที่ ส อง อาศั ย หลั ก การเคลื่ อ นที่ เ ป็ น เส้ น โค้ ง จากการ ทดสอบบนคอมพิ ว เตอร์ ทั้ ง สองแบบสามารถ เคลื่อนที่ ได้ดี ไม่เกิดการชนหรือเสียดสีกันของชิ้น ส่วนและบานประตู ผลการวิเคราะห์ความแข็งแรง พบว่ า ทั้ ง สองแบบมี ค่ า ความปลอดภั ย 4.41 สำหรับแบบสองแนวแกนและ 2.48 สำหรับแบบ เลื่อนและหมุน ซึ่งเพียงพอสำหรับการออกแบบ ชิ้นส่วนทางวิศวกรรม

6. กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุณอู่รถยนต์ เอส.พี ออโต้ ในการ จัดหาประตูและโครงประตูรถยนต์เพื่อใช้ ในการทำ วิศวกรรมย้อนรอย

7. เอกสารอ้างอิง [1] ธัญญะ เกียรติวัฒน์, 2544, การออกแบบเครื่ อ งจั ก รกล 1, คณะวิ ศ วกรรม เครื่ อ งกล คณะวิ ศ วกรรมศาสตร์ , มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ.

[2] Andrew Pytel. and Ferdinand L.Singer., 1 987, Strength of Materials, Harper Collins Publishers, Singpore.

[3] Ferdinand P.Beer. and E.Russell Johnstion, Jr., 1987, Mechanics for Engineers, McGraw-Hill Book Company, Singapore.

[4] Ham, C.W., 1987, Mechanics of Machinery, McGraw-Hill Book Company, New York.

33

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

การศึกษาการอพยพหนีไฟ ในสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินด้วยระเบียบ วิธีเชิงตัวเลข

A Numerical Study of Fire Evacuation in an Underground Train Station วิวรรณ อัศวสุขี 1 ณัฐศักดิ์ บุญมี 2

บทคัดย่อ

บทความวิ จั ย นี้ แ สดงผลการศึ ก ษาการ อพยพหนี ไ ฟของคนภายในสถานี ร ถไฟฟ้ า ใต้ ดิ น ด้ ว ยระเบี ย บวิ ธี เ ชิ ง ตั ว เลขโดยอาศั ย โปรแกรม FDS + Evac (Fire Dynamics Simulator with Evacuation) การศึกษาได้จำลองการอพยพหนีไฟ ของคนภายในสถานีรถไฟฟ้าใต้ดิน สถานีรัชดาภิเษกโดยใช้ข้อมูลจำนวนคนที่เข้าใช้ระบบในช่วง เวลาเร่งด่วนเช้า (เวลา 7.00–8.00 น.) ซึ่งเป็น ช่ ว งเวลาที่ มี ค นใช้ ร ะบบหนาแน่ น ที่ สุ ด ผลการ ศึกษาพบว่าเมื่อเวลารอคอย 4 นาที เวลาที่ ใช้ ใน การอพยพหนีไฟเท่ากับ 6 นาที (มีระบบระบาย ควัน) และ 8.9 นาที (ไม่มีระบบระบายควัน) เมื่อ เวลารอคอย 16 นาที เวลาที่ ใช้ ในการอพยพหนี ไฟ เท่ากับ 9.4 นาที (มีระบบระบายควัน) และ 1 2

8.8 นาที (ไม่มีระบบระบายควัน) และเมื่อเวลารอ คอย 30 นาที เวลาที่ ใช้ ในการอพยพหนีไฟเท่ากับ 12.5 นาที (มีระบบระบายควัน) และ 11.3 นาที (ไม่มีระบบระบายควัน) ตามลำดับ การจำลองทั้ง ในกรณี ที่ มี แ ละไม่ มี ร ะบบระบายควั น ในทุ ก เวลา รอคอยแสดงให้ เ ห็ น ว่ า อุ ณ หภู มิ ข องควั น ภายใน อาคารอยู่ ใ นระดั บ ที่ ต่ ำ กว่ า ที่ ม าตรฐานกำหนด ตลอดช่วงเวลาที่ ใช้ ในการอพยพทำให้คนสามารถ อพยพออกจากอาคารได้อย่างปลอดภัย อย่างไร ก็ ต ามในการจำลองเมื่ อ เวลารอคอยเท่ า กั บ 16 และ 30 นาที ทั้งในกรณีที่มีและไม่มีระบบระบาย ควัน พบว่าเวลาที่ทัศนวิสัยภายในอาคารลดต่ำจน ไม่สามารถมองเห็นได้หลังจาก 6 นาที ซึ่งเร็วกว่า เวลาที่คนทั้งหมดจะอพยพออกจากอาคาร ผลการ

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมป้องกันอัคคีภัย คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 34

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

จำลองในกรณีนี้แสดงให้เห็นว่า คนบางส่วนอาจไม่ สามารถหนีไฟออกจากอาคารได้เนื่องจากมองไม่ เห็นทางหนีไฟ ถ้าเกิดเหตุการณ์เพลิงไหม้จริง

คำสำคั ญ : โปรแกรม FDS+Evac การ อพยพ สถานีรถไฟฟ้าใต้ดิน แบบจำลองเพลิงไหม้

Abstract

This paper presents a numerical simulation of a fire evacuation in an underground train station by using a computer program called FDS + EVAC (Fire Dynamics Simulator with Evacuation).

The study examines a fire evacuation of Ratchadapisek underground train station.

The simulated occupant densities are depicted during the morning rush hour interval (7.00–8.00 am). The study shows that when the waiting time is 4 minutes, the evacuation times are 6 minutes (with smoke ventilation) and 8.9 minutes (without smoke ventilation), when the waiting time is 16 minutes the evacuation times are 9.4 minutes (with smoke ventilation) and 8.8 minutes (without smoke ventilation), and when the waiting time is 30 minutes the evacuation times are 12.5 minutes (with smoke ventilation) and 11.3 minutes (without smoke ventilation), respectively. In all cases, with and without smoke ventilation system, the simulations show that the smoke temperature is well

below the hazardous level recommended by the standard. This means the people would be able to safely exit from the building. However, in the case of 16 and 30 minutes waiting time, with and without smoke ventilation systems, the visibilities inside the building are nearly zero at approximately 6 minutes. Near zero visibility is reached before all the occupants would have a chance to exit from the building.

This result implies that, in real fire situations, some of the occupants may not be able to exit the building due to an inability to find the exits.

Keywords: FDS+Evac, evacuation, underground train station, fire modeling

1. บทนำ

เหตุการณ์เพลิงไหม้ภายในสถานีรถไฟฟ้า ใต้ดินไม่ ได้เป็นเหตุการณ์ ใหม่ที่เกิดขึ้น ในอดีตได้ เกิดขึ้นแล้วในหลาย ๆ ประเทศทั้งเจตนาและไม่ ได้ เจตนา [1] เหตุเพลิงไหม้สถานีรถไฟฟ้าใต้ดินได้ สร้ า งความเสี ย หายต่ อ ชี วิ ต คนเป็ น จำนวนมาก รวมทั้งทรัพย์สินที่สูญเสียไปกับเหตุการณ์ มาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย NFPA 130 Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems [2] เป็นมาตรฐานหลักที่ ใช้สำหรับ การออกแบบโครงสร้ า งสถานี สถาปั ต ยกรรม ระบบอำนวยความสะดวกภายในอาคาร (building services) รวมถึงการอพยพคนในระบบรถไฟฟ้า ใต้ ดิ น NFPA 130 ได้ ก ำหนดระยะเวลาในการ 35

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

อพยพจากชั้นชานชาลาไปยังชั้นถัดไปต้องไม่เกิน 4 นาทีระยะทางที่ ไกลที่สุด ณ จุดใด ๆ บนชานชาลาไปยังจุดปลอดภัยต้องไม่เกิน 300 ฟุต (91.4 เมตร) และในการอพยพจากจุดที่ ไกลสุดบนชานชาลาไปยังจุดปลอดภัยต้องทำได้ภายในเวลาไม่ เกิน 6 นาที

การวิ เ คราะห์ ก ารอพยพหนี ไ ฟภายใน สถานีรถไฟฟ้าใต้ดินเนื่องจากเพลิงไหม้เป็นเรื่องที่ สลั บ ซั บ ซ้ อ น และมี ปั จ จั ย หลายประการที่ ต้ อ ง คำนึ ง ถึ ง ไม่ ว่ า จะเป็ น ขนาดความใหญ่ โ ตของ อาคารสถานี ความสลับซับซ้อนของการจัดวาง เส้ น ทางหนี ไ ฟ จำนวนผู้ โดยสารที่ ร อคอยอยู่ ภายในสถานี ความหลากหลายทั้งเพศและอายุ ของผู้ โดยสาร เป็นต้น ปัจจัยเหล่านี้มีผลกระทบ อย่ า งมากต่ อ การวิ เ คราะห์ เ วลาในการหนี ไ ฟ ปัจจุบันการนำโปรแกรมคอมพิวเตอร์มาใช้ ในการ จำลองการอพยพหนีไฟได้ ใช้กันอย่างกว้างขวาง และเป็นที่ยอมรับมากขึ้น เนื่องจากผลจากการ จำลองสามารถใช้ ในการประเมิ น สถานการณ์ ภายในอาคารพร้อมทั้งสามารถคาดการณ์ภาพรวม ของเหตุ ก ารณ์ ที่ อ าจจะเกิ ด ขึ้ น ทำให้ เ กิ ด ความ เข้ า ใจและมองเห็ น แนวทางในการรั บ มื อ กั บ เหตุการณ์ดังกล่าวได้ดียิ่งขึ้น

นักวิจัยหลายกลุ่มได้ทำการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่ อ นที่ ข องคน โดยใช้ แ บบจำลอง คอมพิวเตอร์ Jocelyn [3] ได้ศึกษาลักษณะเกี่ยว กับการเดินและสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับคน เดินเท้าในกรุงเทพมหานคร โดยใช้กล้องวิดี โอเก็บ ข้อมูลลักษณะการเดินของคนในเขตชุมชนเมืองที่ ใช้บริการ ทางเท้า บันได สัญญาณไฟจราจร และ บันไดเลื่อน ในการเก็บข้อมูลนั้นได้ทำการจำแนก อายุและเพศ ผลปรากฏว่าคนไทยมีความเร็วใน 36

การเดินเท่ากับ 72.94 เมตร/นาที ผู้ชายเดินเร็ว กว่าผู้หญิง ที่บริเวณบันไดพบว่าความเร็วการเดิน ในทิ ศ ทางขึ้ น เท่ า กั บ 31.16 เมตร/นาที และ ทิศทางลงเท่ากับ 36.22 เมตร/นาที ผลที่ ได้นำมา ใช้ ในการออกแบบสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับ คนที่ ใช้บริการทางเท้าให้เพียงพอและปลอดภัย Peter และ Eric [4] ทำการศึกษาการอพยพคนใน พื้นที่ขนาดใหญ่ โดยใช้ โปรแกรม Simulex ซึ่งเป็น โปรแกรมแรกที่ ใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็ว ในการเดินและระยะห่างระหว่างบุคคล โดยบุคคล ที่กีดขวางจะถูกนำไปพิจารณาเพื่อใช้ ในการเลือก เส้นทางหนีไฟ ตัวแทนของคนในแบบจำลองถูก แทนด้วยวงกลม 3 วงซ้อนกัน จากแบบจำลองพบ ว่ า ตั ว แทนจะอพยพออกทางออกที่ ใ กล้ สุ ด โดย ป้ายสัญลักษณ์ทางหนีไฟและความคุ้นเคยกับเส้น ทางหนีไฟในอาคารไม่มีผลต่อการเลือกเส้นทางหนี ไฟ ซึ่ ง ปั จ จั ย ดั ง กล่ า วจะถู ก นำไปพั ฒ นาสำหรั บ โปรแกรมรุ่นต่อไป Gwynne และคณะ [5] ทำ การศึ ก ษาพฤติ ก รรมการอพยพในขณะเกิ ด เหตุ เพลิงไหม้ โดยใช้ โปรแกรม Exodus รุ่น 3.0 ซึ่ง โปรแกรมประกอบด้วยส่วนสำคัญ 5 ส่วน ที่ ใช้ ประกอบการจำลองการอพยพ คือ ผู้ ใช้อาคาร ลักษณะอาคาร การเคลื่อนที่ ก๊าซพิษและพฤติกรรม งานวิจัยนี้เพื่อศึกษาการเลือกทางออกที่ดี ที่สุดบนพื้นฐานการพิจารณาลักษณะรูปร่างอาคาร ความหนาแน่นของควันและเพศ โดยผลกระทบ เนื่องมาจากควัน ความร้อน และก๊าซพิษ ความ หนาแน่นของควันจะมีผลกระทบต่อความเร็วใน การอพยพ ซึ่งข้อมูลดังกล่าวได้จากการทดลอง ของ Jin และค่าสภาวะที่สามารถทนได้มาจากการ คำนวณสัดส่วนของก๊าซในอากาศ

Zhong และคณะ [6] ใช้ โปรแกรม Fire

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

Dynamics Simulator Version 4 (FDS 4.0) ศึ ก ษาตำแหน่ ง ที่ เ หมาะสมของช่ อ งลมระบาย อากาศในสถานี ร ถไฟฟ้ า ใต้ ดิ น สถานี เ ชนเซน (Shenzhen Subway) ประเทศจี น งานของ Zhong ได้แสดงการจำลองการเคลื่อนที่ของควัน ในสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินแบบชานชาลาข้างขณะเกิด เพลิงไหม้ โดยกำหนดตำแหน่งของช่องลมและ ความลึกในการกักเก็บควันที่ระดับแตกต่างกัน แต่ ใช้พัดลมขนาดเดียวกัน การจำลองใช้กองเพลิง ขนาด 1.5 MW ผลการศึกษาพบว่าเมื่อเพิ่มความ สูงของช่องลมจะทำให้การระบายควันทำได้ดีขึ้น โดย Zhong และคณะ ใช้ปริมาณคาร์บอนมอนนอกไซด์และอุณหภูมิเป็นเกณฑ์ ในการพิจารณา ประสิทธิภาพของการระบายอากาศที่เวลาต่าง ๆ แล้วสรุปว่า ความสูงของช่องลมระบายอากาศ เป็นตัวแปรที่สำคัญในการพิจารณาประสิทธิภาพ ของระบบระบายอากาศ นอกจากนี้ถ้ามีการติดตั้ง อุปกรณ์กั้นควัน (smoke barrier) ร่วมด้วยก็จะ ทำให้ประสิทธิภาพของระบบระบายควันภายใน สถานีดียิ่งขึ้น

บทความนี้ ใช้ โปรแกรม FDS+Evac (Fire Dynamics Simulator with Evacuation) [7] ในการศึ ก ษาระยะเวลาการอพยพ ลักษณะการ เคลื่อนที่ของคน พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของควัน ไฟ และปัจจัยที่มีผลต่อการอพยพ โดยใช้ข้อมูล ของสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินสถานีรัชดาภิเษก [8] ใน ช่วงเวลาเร่งด่วนเช้าระหว่าง 7.00-8.00 น. ของ วันธรรมดา งานวิจัยทำการจำลองเหตุการณ์ที่การ ให้บริการรถไฟฟ้าเกิดการขัดข้อง ทำให้เกิดการรอ คอยในสถานีที่ระยะเวลาต่าง ๆ และเกิดเหตุเพลิง ไหม้ภายในสถานีที่ชั้นชานชาลา โดยตำแหน่งกอง เพลิ ง อยู่ ใ ต้ บั น ไดและบั น ไดเลื่ อ น 1 ชุ ด และ

กำหนดให้ระบบป้องกันอัคคีภัยบริเวณบันไดเลื่อน ไม่ทำงาน

2. ทฤษฎี

โปรแกรม Fire Dynamics Simulator with Evacuation (FDS + Evac) [7,9,10] เป็น โปรแกรมใช้ ในการจำลองการอพยพหนีไฟของคน เนื่ อ งจากเหตุ ก ารณ์ เ พลิ ง ไหม้ โดยตั ว โปรแกรม สามารถแยกได้เป็น 2 ส่วนคือ FDS [9,10] ใช้ ใน การจำลองพฤติกรรมการเผาไหม้ของกองเพลิง และการเคลื่อนที่ของควันไฟภายในอาคาร โดย การแก้ ส มการเชิ ง อนุ พั น ธ์ ย่ อ ยประกอบด้ ว ย สมการอนุ รั ก ษ์ ม วล สมการอนุ รั ก ษ์ ม วลย่ อ ย สมการอนุ รั ก ษ์ โ มเมนตั ม และสมการอนุ รั ก ษ์ พลั ง งาน ผลที่ ได้ จ ากการคำนวณของ FDS ตัวอย่างเช่น ความเร็วในการไหลและอุณหภูมิของ ควันไฟ ระดับความเข้มข้นของก๊าซพิษต่าง ๆ ของ ควั น ไฟ จะเป็ น ข้ อ มู ล ป้ อ นเข้ า ให้ กั บ โปรแกรม Evac เพื่อใช้ ในการคำนวณพฤติกรรมการหนีไฟ ของคนภายในอาคาร

ในส่วนของโปรแกรม Evac [7] ได้จำลอง พฤติกรรมการเคลื่อนที่ของคนโดยเป็นไปตามแบบ จำลองของ Helbing และคณะ [11] โดยแบบ จำลองของ Helbing ได้พิจารณาลักษณะของคน โดยประมาณเป็นวงกลม 3 วงดังแสดงในภาพที่ 1 คนแต่ละคนเมื่อเคลื่อนที่จะมีแรงกระทำซึ่งกันและ กันเรียกว่า แรงกระทำรอบข้าง (social force) ซึ่งมีพื้นฐานมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ที่ เปรี ย บตั ว แทนเสมื อ นวั ต ถุ มี แ รงกริ ย าและแรง ปฏิกิริยากระทำต่อกัน แรงกระทำรอบข้างนี้จะ เป็ น แรงหลั ก ในการผลั ก ดั น ให้ ค นเคลื่ อ นที่ ไ ปที่ ทิศทางอพยพหนีไฟ 37

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เมื่อคนอยู่ ในสภาพแวดล้อมที่เต็มไปด้วย ควัน ทัศนวิสัยในการมองเห็น (visibility) และ ระดั บ ความสามารถในการทนได้ (tenability limit) จะลดลง โปรแกรม Evac ได้ ค ำนวณ ทั ศ นวิ สั ย ในการมองเห็ น เป็ น ไปตามสมการของ Frantzich และ Nilsson [7] และระดับความ สามารถในการทนได้เป็นไปตามสมการของ Purser [12] รายละเอียดในการจำลองการเคลื่อนที่ของ ควั น ไฟและการเคลื่ อ นที่ ข องคนด้ ว ยโปรแกรม FDS+Evac สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากเอกสาร อ้างอิง [7,9,10]

และชั้นร้านค้า (retail level)) พื้นที่แต่ละชั้นได้ แสดงไว้ ในภาพที่ 2 จากลักษณะทางกายภาพของ อาคาร โดเมนการคำนวณได้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ โปรแกรม Pyrosim 2007 [13] โดเมนการ คำนวณมีขนาด กว้าง 25 เมตร ยาว 228 เมตร และสูง 15.6 เมตร จากการศึกษาผลกระทบของ

กริดต่อผลการคำนวณ (grid refinement study) พบว่า กริดขนาด 0.5 เมตร x 0.5 เมตร x 0.5 เมตร (จำนวนปริ ม าตรจำกั ด เท่ า กั บ 711,360 ปริ ม าตร) เป็ น ขนาดกริ ด ที่ เ หมาะสมที่ สุ ด ที่ โปรแกรมสามารถทำงานได้ ในระยะเวลาที่เหมาะ สม (CPU time โดยเฉลี่ ย เท่ า กั บ 45 ชั่ ว โมง สำหรับเวลาการจำลอง (simulation time) ใน แต่ละกรณีที่ 1,200 วินาที) ภาพที่ 3 ภาพที่ 4 และภาพที่ 5 แสดงโดเมนการคำนวณ ตำแหน่ง บันไดและทางออก (exit) แต่ละจุดที่กำหนดใน

ชั้ น ชานชาลาและชั้ น ร้ า นค้ า ซึ่ ง สร้ า งโดยอาศั ย โปรแกรม Pyrosim 2007 ตามลำดับ

ภาพที่ 1 การใช้ ว งกลม 3 วงเพื่ อ แทนรู ป ร่ า ง

ของคนและแนวแรงกระทำรอบข้างที่กำหนดใน โปรแกรม FDS + Evac (ที่มา [4])

ภาพที่ 2 การแบ่งพื้นที่ภายในสถานีรถไฟฟ้าใต้ดิน

3. การคำนวณเชิงตัวเลข

อาคารสถานีรถไฟฟ้าใต้ดิน สถานีรัชดา- สถานีรชั ดาภิเษก [8] ภิเษก ประกอบด้วยชั้นใต้ดิน 3 ชั้น (ชั้นชานชาลา (platform level), ชั้นขายบัตร (concord level) 38

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

สำหรับงานวิจัยนี้ ได้กำหนดให้กองเพลิงมีขนาด 7 MW เผาไหม้บริเวณใต้บันไดเลื่อน ST-4 ชั้นชานชาลา (ดูภาพที่ 4 และภาพที่ 6 ประกอบ) เพื่อ จำลองเหตุการณ์เพลิงไหม้เลวร้ายที่สุดที่อาจเกิด ขึ้นภายในสถานีรัชดาภิเษก สภาวะภายในสถานี ขณะเกิดเพลิงไหม้ประกอบด้วยอุณหภูมิควันไฟที่ ภาพที่ 3 โดเมนการคำนวณซึ่งสร้างโดยโปรแกรม ความสูงจากพื้น 1.8 เมตร ถูกบันทึกที่ตำแหน่ง 1 Pyrosim 2007 (ผนังของอาคารได้ถูกซ่อนไว้เพื่อ ถึง 8 ดังแสดงในภาพที่ 6 ที่ระนาบ X เท่ากับ 40 120 และ 187 ได้ทำการบันทึกค่าทัศนวิสัยในการ ให้สามารถมองเห็นลักษณะภายในอาคาร) มองเห็น โดยที่ตำแหน่ง X = 40 เป็นตำแหน่ง ระนาบที่อยู่บริเวณบันไดและบันไดเลื่อนที่นำไปสู่ ทางออกที่ 1 และ 3 ตำแหน่ง X = 120 เป็น ตำแหน่งที่อยู่บริเวณกลางสถานี และตำแหน่ง X = 187 เป็นตำแหน่งระนาบที่อยู่บริเวณบันไดและ บันไดเลื่อนที่นำไปสู่ทางออกที่ 2 และ 4 ภาพที่ 4 ตำแหน่งบันไดและบันไดเลื่อนที่ชั้นชานชาลา (platform level)

ภาพที่ 5 แสดงตำแหน่งทางออกบริเวณชั้นร้าน ค้า (retail level)

NFPA 92B [14] กำหนดกองเพลิ ง สำหรับการคำนวณระบบระบายควันต้องมีขนาด ไม่ต่ำกว่า 2.1 MW สำหรับอาคารที่มีเพดานสูง เกิน 7 เมตร Walter และคณะ [15] ได้ศึกษา ขนาดของกองเพลิงที่เหมาะสมสำหรับการจำลอง การระบายควันสำหรับโครงการขนาดใหญ่ที่ก่อสร้างในทวีปเอเชีย ซึ่งได้แสดงไว้ ในตารางที่ 1

ภาพที่ 6 ตำแหน่ ง ของการวั ด อุ ณ หภู มิ ทั้ ง 8 ตำแหน่งที่กำหนดในโดเมนการคำนวณ (กองเพลิง อยู่ที่ตำแหน่งดังแสดงในภาพ)

การจำลองได้อาศัยข้อมูลของผู้ โดยสารที่ ใช้สถานีรัชดาภิเษกในช่วงเวลาเร่งด่วนเช้า (7.008.00 น.) ของวันธรรมดา [8] จำนวนผู้ โดยสารที่ อยู่ภายในสถานีขึ้นอยู่กับเวลารอคอย จากข้อมูล ในอดี ต พบว่ า เวลาในการรอคอยภายในสถานี สูงสุดจะไม่เกิน 16 นาที ดังนั้นเพื่อให้การศึกษา ครอบคลุมการจำลองเหตุการณ์เลวร้ายที่สุด ผู้ วิจัยได้กำหนดเวลาในการรอคอยสูงสุดที่ ใช้ ในงาน 39

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

วิจัยโดยประมาณเป็น 2 เท่าของค่าสูงสุด (เวลา การจำลองทั้ง 6 กรณี จำนวนคนภายในสถานีจะ รอคอยเท่ากับ 30 นาที) โดยจำนวนผู้ โดยสารใน ลดลงเมื่อคนออกจากสถานีอย่างปลอดภัย โดย การจำลองแต่ละกรณีได้สรุปไว้ ในตารางที่ 2 ผู้ การจำลองได้ ก ำหนดให้ ค นออกจากสถานี อ ย่ า ง โดยสารถูกกำหนดให้มีกระจายอย่างสม่ำเสมอใน ปลอดภั ย เมื่ อ คนออกจากโดเมนการคำนวณที่ ชั้นชานชาลาและชั้นขายบัตร ยกเว้นกรณี A ซึ่งมี ตำแหน่งทางออก (exit) 1 2 3 หรือ 4 ของชั้น ผู้ โ ดยสารกระจายอยู่ เ ฉพาะชั้ น ชานชาลา การ ร้านค้า (ดูภาพที่ 5 ประกอบ) เวลาในการอพยพ จำลองในทุ ก เวลารอคอย ได้ ด ำเนิ น การเป็ น 2 หนี (evacuation time) สามารถหาได้จากเวลาที่ กรณีคือ ระบบระบายควันของทางสถานีทำงาน คนสุดท้ายออกจากโดเมนการคำนวณ เวลาในการ เป็นปกติ และระบบระบายควันไม่ทำงาน (กรณี อพยพหนีไฟของการจำลองแต่ละกรณีได้แสดงไว้ ในตารางที่ 3 เหตุการณ์เพลิงไหม้เลวร้ายที่สุด)

ทั น ที ที่ เ ริ่ ม การคำนวณ (เกิ ด เพลิ ง ไหม้ )

4. ผลการจำลองและวิเคราะห์ผลการจำลอง คนภายในสถานีจะเริ่มเคลื่อนที่ผ่านบันไดต่าง ๆ ที่

4.1 เวลาในการอพยพ (Evacuation กำหนดไว้ ใ นโดเมนออกจากสถานี เนื่ อ งจากผู้ โดยสารได้มีการกระจายอยู่เฉพาะในชั้นชานชาลา Time)

ภาพที่ 7 แสดงจำนวนคนที่ อ ยู่ ภ ายใน และชั้นขายบัตร ดังนั้นจำนวนคนภายในสถานี ใน สถานี (โดเมนการคำนวณ) ที่เวลาต่าง ๆ สำหรับ ช่วงต้นของการคำนวณจึงคงที่ระยะเวลาหนึ่งจน

ตารางที่ 1 ขนาดกองเพลิงที่ ใช้ ในโครงการในเอเชีย (ที่มา: เอกสารอ้างอิง [15] ) ลักษณะของโครงการ สนามบิน และสถานีรถไฟ บริเวณส่วนที่เป็นโถงเปิดโล่ง ห้างสรรพสินค้า โถงโล่ง (atrium) ห้องโดยสารของรถไฟ

ขนาดของกองเพลิง (MW) มีขนาดจนถึง 7 MW 5 MW มีขนาดจนถึง 7 MW 1 MW

ตารางที่ 2 แสดงจำนวนคนที่กำหนดในการจำลองแต่ละกรณี ประเภทของผู้ ใช้งาน กรณี A กรณี B กรณี C

เวลารอคอย 4 นาที เวลารอคอย 16 นาที เวลารอคอย 30 นาที 106 333 625 ผู้ ใหญ่ (คน) 1 1 2 เด็ก (คน) 2 8 14 คนชรา (คน) รวม (คน) 110 342 641 40

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

กระทั่ ง เมื่ อ ผู้ โ ดยสารได้ เ คลื่ อ นที่ ขึ้ น บั น ไดถึ ง ชั้ น ร้านค้าและออกจากสถานี จำนวนคนภายในสถานี จึงเริ่มลดลง (ดูภาพที่ 7) จากการจำลองพบว่า คนจำนวนมากได้พยายามออกจากสถานี โดยใช้ ทางออกที่ 2 และ 4 เนื่องจากเป็นทางออกที่อยู่ ตำแหน่ ง ตรงกั น ข้ า มกั บ ตำแหน่ ง กองเพลิ ง จน ทำให้เกิดการรอคอยเป็นแถวยาวที่ทางออก โดย เฉพาะกรณี B และ C

ตารางที่ 3 แสดงผลการจำลองของเวลา การอพยพหนีไฟ เป็นไปตามที่คาดไว้ เมื่อเวลารอ คอยนานขึ้ น (จำนวนคนมากขึ้ น ) เวลาในการ

อพยพจะเพิ่ ม ขึ้ น ในกรณี A ซึ่ ง มี ผู้ โดยสาร กระจายเฉพาะในชั้นชานชาลา การอพยพในกรณี ที่มีระบบระบายควันจะใช้เวลาน้อยกว่ากรณีไม่มี ระบบระบายควัน อย่างไรก็ตามในกรณี B และ C ซึ่งมีคนกระจายอยู่ทั้งชานชาลาและชั้นขายบัตร เวลาในการอพยพในกรณีที่มีระบบระบายควันกลับ ใช้มากกว่ากรณีที่ ไม่มีระบบระบายควัน ซึ่งเป็นผล ที่ผิดไปจากการคาดการณ์ ไว้ ในเบื้องต้น อย่างไร ก็ตามเมื่อวิเคราะห์ผลการจำลองอย่างละเอียด ประกอบกับพิจารณาการเข้าแถวรอของคนเพื่อ ออกจากสถานีที่ทางออก 2 และ 4 ทำให้สามารถ อธิบายสาเหตุที่เวลาการอพยพเมื่อมีระบบระบาย ควั น มากกว่ า เมื่ อ ไม่ มี ร ะบบระบายควั น ได้ ดั ง นี้ เนื่ อ งจากในกรณี B และ C มี ค นจำนวนมาก กระจายอยู่ ในสถานีทั้งชั้นชานชาลาและชั้นขาย บัตรซึ่งมีจำนวนคนเกินกว่าสมรรถนะของทางออก 2 และ 4 จำนวนคนที่มากเกินไปนี้ ทำให้เกิดการ รอคอยเป็นเวลานานที่ทางออก 2 และ 4 ของชั้น ร้านค้า ดังนั้นไม่ว่าจะมีระบบระบายควันหรือไม่ ก็ตาม คนภายในสถานีจะยังใช้เวลาในการรอเพื่อ ออกจากสถานี ในเวลาที่นานไม่แตกต่างกัน

จากตารางที่ 3 พบว่าการจำลองเฉพาะ กรณี A (มีระบบระบายควัน) เท่านั้นที่ ใช้เวลาใน ภาพที่ 7 จำนวนผู้ โดยสารที่ อ ยู่ ภ ายในสถานี การอพยพน้ อ ยกว่ า 6 นาที ซึ่ ง เป็ น ตามมาตร-

ฐาน NFPA 130 [2] ที่กำหนดให้ ไม่เกิน 6 นาที ตลอดช่วงเวลาการจำลอง ตารางที่ 3 ผลการจำลองเวลาการอพยพหนีไฟ มีระบบระบายควัน กรณีท ี่ วินาที, (นาที) 362, (6) A (เวลารอคอย 4 นาที) 561, (9.4) B (เวลารอคอย 16 นาที) 749, (12.5) C (เวลารอคอย 30 นาที) 41

ไม่มีระบบระบายควัน วินาที, (นาที) 534, (8.9) 527, (8.8) 678, (11.3)

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

อย่างไรก็ตาม การจะพิจารณาเฉพาะเวลาในการ อพยพ สำหรั บ อาคารสถานี ร ถไฟฟ้ า ใต้ ดิ น ซึ่ ง มี ความสลับซับซ้อนอาจไม่เพียงพอที่จะบอกได้ว่าถ้า อยู่ ภ ายในสถานี เ กิ น กว่ า 6 นาที แ ล้ ว จะเป็ น อันตราย เนื่องจากถ้าตัวแปรอื่น ๆ เช่น อุณหภูมิ ของควัน หรือทัศนวิสัยในการมองเห็น ยังไม่เกิน กว่าค่ามาตรฐานที่กำหนด ก็ยังสามารถถือได้ว่า คนที่อยู่ภายในสถานียังปลอดภัย

4.2 อุณหภูมิภายในสถานี

NFPA 101 Life Safety Code [16] กำหนดให้ ที่ ร ะดั บ ความสู ง จากพื้ น 1.8 เมตร

(6 ฟุต) ของเส้นทางหนีไฟภายในอาคารจะต้อง

ปราศจากควั น ไฟตลอดช่ ว งเวลาที่ ใ ช้ ใ นการหนี

ไฟ Hadjiso-phocleous และ Benichou [17] แนะนำว่าระดับความร้อนซึ่งคนสามารถทนอยู่ ได้ โดยยังไม่เป็นอันตรายภายในเวลาไม่เกิน 30 นาที จะต้องไม่เกิน 65 ํC ดังนั้นเกณฑ์ความปลอดภัย ทั้ ง 2 ค่ า นี้ จ ะใช้ เ ป็ น ดั ช นี ชี้ วั ด เพื่ อ พิ จ ารณาช่ ว ง เวลาในการอพยพที่ยอมรับได้

ภาพที่ 8 9 และ 10 แสดงอุ ณ หภู มิ ภายในสถานีที่ระดับความสูง 1.8 เมตรจากพื้น ของชั้น ชานชาลา ขายบัตร และร้านค้า สำหรับ การจำลองในกรณีที่มีและไม่มีระบบระบายควัน ตามลำดั บ จากกราฟแสดงให้ เ ห็ น ว่ า อุ ณ หภู มิ ภายในสถานี ที่ ค วามสู ง 1.8 เมตรจากพื้ น ของ แต่ ล ะชั้ น ที่ ต ำแหน่ ง ที่ 2 ถึ ง 8 ตลอดช่ ว งเวลา ของการอพยพอยู่ต่ำกว่า 65 ํC ดังนั้นจึงสามารถ กล่ า วได้ ว่ า ถ้ า พิ จ ารณาจากระดั บ อุ ณ หภู มิ ผู้ โดยสารจะสามารถอพยพหนีไฟออกจากสถานี ได้ อ ย่ า งปลอดภั ย สำหรั บ ในการจำลองทุ ก กรณี

42

สำหรับอุณหภูมิที่ตำแหน่งที่ 1 (TCP1) ซึ่งเป็น ตำแหน่งใกล้กับกองเพลิงที่มีค่าสูงกว่า 65 ํC เป็น ค่าที่ยอมรับได้เนื่องจากผู้วิจัยมีสมมติฐานว่าทันที ที่ เ กิ ด เพลิ ง ไหม้ ผู้ โดยสารจะรี บ อพยพออกจาก สถานี ดั ง นั้ น จึ ง สามารถประเมิ น ได้ ว่ า จะไม่ มี ผู้ โดยสารติดอยู่ที่ตำแหน่ง 1 เมื่อเวลาผ่านไป

ตารางที่ 6 แสดงผลการจำลองของ อุณหภูมิเฉลี่ยที่สภาวะคงตัว (เวลามากกว่า 300 วิ น าที ) ภายในสถานี ค่ า เฉลี่ ย แสดงให้ เ ห็ น ว่ า อุณหภูมิเฉลี่ยภายในสถานีเมื่อมีระบบระบายควัน จะต่ำกว่าในกรณีที่ ไม่มีระบบระบายควัน เนื่องจาก ระบบระบายควันได้ออกแบบมาให้ทำการดูดควัน (ความร้อน) ในชั้นที่เกิดเพลิงไหม้ (ชั้นชานชาลา) และอัดอากาศบริสุทธิ์เข้าเป็นในชั้นที่ ไม่เกิดเพลิง ไหม้ (ชั้นขายบัตรและชั้นร้านค้า)

ภาพที่ 8 อุณหภูมิที่ความสูง 1.8 เมตรจากพื้นชั้น ชานชาลาที่ตำแหน่ง 1 2 และ 3

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 9 อุณหภูมิที่ความสูง 1.8 เมตร จากพื้น ภาพที่ 10 อุณหภูมิที่ความสูง 1.8 เมตร จากพื้น ชั้นขายบัตรที่ตำแหน่ง 4 5 และ 6 ชั้นร้านค้าที่ตำแหน่ง 7 และ 8 ตารางที่ 6 แสดงอุณหภูมิเฉลี่ยภายในสถานีที่สภาวะคงตัว กรณีท ี่ มีระบบระบายควัน ไม่มีระบบระบายควัน

อุณหภูมิที่สภาวะคงตัวตำแหน่งที่ 1-8 ( ํC) ชั้นชานชาลา ชั้นขายบัตรโดยสาร ชั้นร้านค้า ตำแหน่งที่ (TCP) 1 2 3 4 5 6 7 8 70 35 40 45 50 28 24 40 125 38 40 55 55 40 34 45

4.3 ทัศนวิสัยในการมองเห็น (Visibility)

ภาพที่ 11 และ 12 แสดงทัศนวิสัยในการ มองเห็นที่ระนาบ X เท่ากับ 40 120 และ 187 ณ เวลา 360 นาที (6 นาที ) สำหรั บ การจำลอง

ในกรณี ที่ มี แ ละไม่ มี ร ะบบระบายควั น ตามลำดั บ Hadjisophocleous และ Benichou [17] แนะนำ ค่าทัศนวิสัยในการมองเห็นควรมีค่าไม่ต่ำกว่า 2 เมตร จากภาพแสดงให้เห็นว่าที่ตำแหน่งระนาบ X = 40 ซึ่งเป็นตำแหน่งของระนาบที่นำไปสู่ทางออก

ที่ 1 และ 3 ทัศนวิสัยในการมองเห็น ณ เวลา 360 วินาที มีอยู่ ในช่วง 0-6 เมตร บนชั้นขาย

บัตรและชั้นร้านค้า ทั้งในกรณีที่มีและไม่มีระบบ

ระบายควัน สาเหตุที่เนื่องมาจากที่ตำแหน่งนี้เป็น ระนาบวางตัวใกล้กองเพลิง ประกอบกับลักษณะ อาคารเป็นโถงโล่งเปิดทะลุจากชั้นชาน-ชาลาถึง ชั้นร้านค้า จึงทำให้ควันไฟสามารถกระจายไปได้ อย่ า งรวดเร็ ว ผลจากการจำลองพบว่ า ควั น ไฟ สามารถกระจายในกรณีที่มีระบบระบายควันไฟ 43

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ภาพที่ 11 ทัศนวิสัยในการมองเห็นภายในสถานีที่ ภาพที่ 12 ทัศนวิสัยในการมองเห็นภายในสถานี เวลา 360 วินาที (มีระบบระบายควัน) ที่เวลา 360 วินาที (ไม่มีระบบระบายควัน) ได้เร็วกว่าในกรณีที่ ไ ม่มี เนื่องจากระบบระบาย ควันไฟทำการอัดอากาศและดูดควันควันไฟมีการ ไหลแบบปั่นป่วนอย่างมากภายในอาคาร

ที่ระนาบ X = 120 ผลการจำลองพบว่า รู ป แบบการไหลของควั น สำหรั บ กรณี ที่ มี ร ะบบ ระบายควั น มี ก ารไหลแบบปั่ น ป่ ว นอย่ า งมาก บริเวณชั้นที่ 2 (ชั้นขายบัตร) เนื่องจากระบบอัด อากาศเข้ามาในสถานีทำให้เขม่าควันสามารถฟุ้ง กระจายมากขึ้น ส่งผลให้ทัศนวิสัยในการมองเห็น บริเวณกลางสถานี ในกรณีที่มีระบบระบายควัน ลดลงเร็วกว่ากรณีไม่มีระบบระบายควัน ทัศนวิสัย 44

ในการมองเห็น ที่ระนาบ X = 120 ที่เวลา 360 วินาทีมีค่าประมาณอยู่ ในช่วง 0–12 เมตรสำหรับ ชั้นชานชาลา และประมาณอยู่ ในช่วง 0-3 เมตร สำหรับชั้นขายบัตร

ทั ศ นวิ สั ย ในการมองเห็ น ที่ ร ะนาบ X = 187 (บริเวณบันไดและบันไดเลื่อนฝั่งทางออกที่ 2 และ 4) กรณีมีระบบระบายควัน ณ 360 วินาที มี ค่าประมาณ 25 เมตร สำหรับชั้นร้านค้าและชั้น ขายบัตร ทั้งในกรณีที่มีและไม่มีระบบระบายควัน บริเวณนี้เป็นที่ตั้งของทางออก 2 และ 4 ดังนั้น

ณ เวลา 360 นาทีผู้ โดยสารสามารถมองเห็นทาง

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ออกที่ปีกนี้ของอาคารได้อย่างชัดเจน

เมื่อพิจารณาเวลาในการอพยพหนีไฟโดย เอาเกณฑ์เวลา 6 นาทีเป็นหลัก จะพบว่าทัศนวิสัย ในการมองเห็นภายในอาคารที่ระนาบ X = 40 จะ ลดลงต่ำกว่า 2 เมตรภายในเวลาน้อยกว่า 6 นาที ซึ่งการจำลองแสดงให้เห็นว่า ในกรณี B และ C ยังมีผู้ โดยสารจำนวนหนึ่งยังอยู่ภายในสถานี ดัง นั้นถ้าผู้ โดยสารยังติดอยู่ ในอาคารและไม่สามารถ เคลื่ อ นที่ ไ ปอี ก ปี ก ของอาคารได้ (ระนาบ X = 187) ผู้ โดยสารที่ติดอยู่อาจมองไม่เห็นทางหนีไฟ และหลงทางได้จนเป็นเหตุให้สูดดมก๊าซพิษเข้าไป จนเสียชีวิตได้ ดังนั้นการอพยพหนีไฟจากอาคาร จึงควรดำเนินการให้เสร็จสิ้นภายในเวลา 6 นาที

5. สรุป

งานวิ จั ย นี้ ได้ เ สนอผลการจำลองการ อพยพหนีไฟของอาคารสถานีรถไฟฟ้าใต้ดินสถานี รั ช ดาภิ เ ษก ผลการจำลองแสดงให้ เ ห็ น ว่ า การ อพยพควรจะกระทำให้ ได้ภายในระยะเวลา 6 นาที เนื่องจากระยะเวลาดังกล่าวเป็นระยะเวลาที่ทัศนวิสัยในการมองเห็นยังมากกว่า 2 เมตร ซึ่งทำให้ผู้ โดยสารที่ ติ ด อยู่ ใ นอาคารยั ง สามารถมองเห็ น ทางออกได้อย่างชัดเจน หากติดอยู่ ในอาคารเกิน กว่า 6 นาที ทัศนวิสัยในการมองเห็นจะต่ำกว่า 2 เมตร ผู้ โดยสารที่ติดอยู่อาจมองไม่เห็นทางหนีไฟ และหลงทางได้จนเป็นเหตุให้สูดดมก๊าซพิษเข้าไป จนเสียชีวิตได้

6. ข้อเสนอแนะ

1. งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า ถ้าเกิดเพลิง ไหม้ ในช่วงเวลาเร่งด่วนเช้า การอพยพหนีไฟของ ผู้ โดยสารภายในสถานีจะเป็นไปอย่างปลอดภัยถ้า

เวลาในการรอคอยไม่ เ กิ น 4 นาที และระบบ ระบายควันไฟของสถานีทำงาน ดังนั้นการดูแล รักษาให้ระบบระบายควันไฟทำงานตามที่ออกแบบ เมื่อเกิดเพลิงไหม้ จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งที่เจ้า หน้าที่ของสถานีต้องให้ความสำคัญ

2. ถ้ามีระยะเวลาในการรอคอยเกินกว่า 4 นาที จะทำให้มีผู้ โดยสารสะสมภายในสถานีมาก จนเกินกว่าสมรรถนะทางหนีไฟของสถานีจะรอง รับให้สามารถหนีไฟได้ภายในเวลา 6 นาที ดังนั้น เจ้ า หน้ า ที่ ต้ อ งให้ ค วามสำคั ญ ในการดู แ ลตาราง การเดิ น รถไม่ ใ ห้ ผู้ โดยสารภายในสถานี มี ร ะยะ เวลาในการรอคอยเกินกว่า 4 นาที ในช่วงเวลา เร่งด่วนเช้า

3. ระยะเวลาที่ ไ ด้ จ ากการประมวลผล แบบจำลองนี้เป็นเพียงเวลาขั้นต่ำเท่านั้นเนื่องจาก ระยะเวลาในการเริ่มอพยพของตัวแทนแต่ละตัว แทนถู ก กำหนดด้ ว ยค่ า ที่ ต่ ำ เพื่ อ ให้ ส อดคล้ อ งกั บ แบบจำลองเพลิงไหม้ (Fire Model) และยังไม่ ได้ รวมเวลาที่ต้องอพยพขึ้นไปยังชั้นถนนเนื่องจากข้อ จำกัดของโปรแกรมจึงต้องทำการปรับปรุงแบบ จำลองเพื่อความเหมาะสม

4. จากแบบจำลองสถานการณ์เพลิงไหม้ มีขนาดกองเพลิง 7 MW ที่อัตราการเผาไหม้แบบ รวดเร็วนี้จากแบบจำลองไม่ปรากฏว่ามีผู้เสียชีวิต เนื่องจากมีระบบระบายควันที่ดีและสถานีมีขนาด ใหญ่ทำให้อุณหภูมิไ ม่มีผลต่อตัวแทนแต่ ในความ เป็ น จริ ง คนที่ อ ยู่ ใ นสถานี เ ป็ น เวลานานขณะเกิ ด เหตุ มี โ อกาสหมดสติ แ ละเป็ น อั น ตรายต่ อ ชี วิ ต อย่างมาก

5. การประมวลผลแบบจำลองขนาดใหญ่ ทำให้พบข้อจำกัดของโปรแกรม เช่น ไม่สามารถ กำหนดขนาดกริดได้ละเอียด หน่วยความจำของ 45

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

คอมพิวเตอร์ต้องใช้พื้นที่มาก ระยะเวลาในการ ประมวลผลนาน ดั งนั้นหากต้องการศึกษากรณี ของแบบจำลองขนาดใหญ่ควรแบ่งเป็นส่วนย่อย ๆ เป็นกรณีไป

6. ชุดคำสั่ง สำหรับแบบจำลองนี้สามารถ นำไปใช้ปรับปรุงเปลี่ยนรูปแบบสถานี ให้เป็นแบบ ชานชาลาข้ า งและชานชาลาแบบซ้ อ นได้ และ สามารถนำไปปรับเปลี่ยนตำแหน่งกองเพลิงเพื่อใช้ ศึ ก ษาพิ จ ารณาการไหลของควั น ที่ ต ำแหน่ ง กอง เพลิงต่าง ๆ ได้

7. กิตติกรรมประกาศ

ผู้ วิ จั ย ขอขอบคุ ณ การรถไฟฟ้ า ขนส่ ง มวลชนแห่งประเทศไทย ที่ ให้การสนับสนุนข้อมูล จำนวนผู้ โ ดยสารเฉลี่ยรายวันแยกตามประเภท ของผู้ ใช้งานประจำ ปี 2550

8. เอกสารอ้างอิง [1] RWDI_Consulting_Engineers& Scientist, History of Subway / Tunnel Fires., 2003.

[2] NFPA, NFPA 130 Standard for Fixed Guideway Transit and Panssenger Rail Systems, 2007.

[3] Jocelyn, A.G., A Study on Pedestrian Characteristic in Bangkok.

Asian Institute of Technology, Bangkok, Thailand, 1988.

[4] Peter, A.T. and Eric, W.M., A computer Model for the Evacuation of Large Building Population, Fire

46

[5]

[6] [7]

[8]

[9]

[10]

[11] [12]

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

Safety Journal, 24 (1995) 139-148.

Shields, T.J. and K.E., B., A study of evacuation from large retail stores, Fire Safety Journal, 35 (2000) pp. 25-49.

Zhong, W., Wang, H.B. and W, P., A Study of Optimal Arrange of Vent in a Subway Station., 2007.

Korhonen, T. and Hostikka, S., FDS+Evac Technical reference + User’s Guide. VTT Technical Research Centre of Finland, 2007. การรถไฟฟ้ า ขนส่ ง มวลชนแห่ ง ประเทศ ไทย, จำนวนผู้ โดยสารเฉลี่ยรายวันแยก ตามประเภทของผู้ ใช้ ง านประจำ ปี 2550. กรุงเทพฯ, 2550.

McGrattan, K., Fire Dynamics Simulator (Version 4) Technical Reference Guide. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2004.

McGrattan, K. and Forney, G., Fire Dynamics Simulator (Version 4) User’s Guide. National Institute

of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 2004.

Helbing, D., llles, F. and V.Tamas, Simulating dynamical features of escape panic, NATURE, 407 (2000).

Purser, D.A., Toxicity Assessment of Combustion Products. SFPE

Handbook of Fire Protection [15] Walter, W.Y. and Wan, K.C., A New Method for Selecting the Design Engineering 2nd, National Fire Protection Association, Quincy, Fire for Safety Provision, Fire MA., 1995, pp. 2/28-2/146.

Science and Technology, 24 (2005) [13] Thunderhead_Engineering, P., pp. 133-149.

PyroSim User Manual 2007.2, [16] NFPA, NFPA 101 Life Safety Code, 2006.

(2007).

[14] NFPA, NFPA 92B Guide for Smoke [17] Hadjisophocleous, G.V. and BeManagement System in Mall, Atria, nichou, N., Fire Safety Design and Large Areas, 2000.

Guidelines for Federal Building.

NRC-CNRC Institute for Research in Construction, 1997.

47

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

การพัฒนาโปรแกรมในการจำลอง

และประเมิ น เวลาในการอพยพหนี ไ ฟ ทางบันไดหนี ไฟ Development of a Program for the Simulation and Evaluation of Evacuation Time Using Escape Stairs สมยศ วงศ์สุข 1 อภิชาต แจ้งบำรุง 2

บทคัดย่อ

งานวิ จั ย นี้ เ ป็ น การพั ฒ นาโปรแกรมใน

การจำลองและประเมินเวลาในการอพยพหนีไฟ

ทางบันไดหนีไฟ ตาม NFPA ready reference human behavior in fire emergencies และ มาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย ของวิศวกรรมสถาน แห่งประเทศไทย เนื่องจากการคำนวณเพื่อประเมิ น เวลาในการอพยพหนี ไ ฟโดยเครื่ อ งคำนวณ ธรรมดา ที่ มี ร ะบบสมการที่ ใช้ ค ำนวณหลาย สมการและความซั บ ซ้ อ นของการจั ด ลำดั บ การ อพยพ ทำให้ต้องใช้เวลาในการคำนวณมากและ อาจเกิ ด ข้ อ ผิ ด พลาดในการคำนวณได้ ง่ า ย โดย เฉพาะอย่ า งยิ่ ง ถ้ า มี ก ารเปลี่ ย นค่ า ตั ว แปรทาง กายภาพต่าง ๆ ของทางหนีไฟ เพื่อประเมินค่า 1 2

เวลาที่ ใช้ ในการอพยพหนีไฟที่เหมาะสมในขั้นตอน ของการออกแบบอาคารสูงโปรแกรมที่พัฒนานี้ แบ่งการทำงานเป็น 3 ขั้นตอนประกอบไปด้วย ขั้น ตอนการรับค่า ขั้นตอนการคำนวณเวลา และขั้น ตอนการกำหนดลำดับการอพยพ โดยใช้ โปรแกรม Netbeans IDE 6.8 ในการพัฒนาและทำงานโดย ระบบโปรแกรม Java

ผลการศึ ก ษาพบว่ า โปรแกรมสามารถ คำนวณเวลาที่ ใ ช้ ในการอพยพได้ อ ย่ า งถู ก ต้ อ ง เมื่ อ เที ย บกั บ การคำนวณด้ ว ยมื อ จากนั้ น นำ โปรแกรมไปศึกษาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลง ตั ว แปรทางกายภาพอั น ได้ แ ก่ ความกว้ า งของ ประตูหนีไฟ ความสูงลูกตั้งของบันไดหนีไฟ ความ

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมป้องกันอัคคีภัย คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 48

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ยาวของชานพัก และความสูงระหว่างชั้น ต่อเวลา ในการอพยพหนีไฟ พบว่า การเพิ่มความกว้างของ ประตู ห นี ไ ฟมี ผ ลช่ ว ยลดเวลาที่ ใ ช้ ใ นการอพยพ

มากกว่าตัวแปรทางกายภาพอื่น ๆ นอกจากนั้น

ยังนำโปรแกรมไปทดสอบหาเวลาอพยพกับการ ออกแบบอาคารใหม่ ซึ่ ง จะจั ด สร้ า งในกรุ ง เทพมหานคร โดยมีการกำหนดตัวแปรทางกายภาพ ตามแบบซึ่ ง ชั้ น 10-25 มี บั น ไดหนี ไ ฟ 3 บั น ได และชั้ น 1-9 มี บั น ไดหนี ไ ฟ 4 บั น ได พบว่ า เวลาในการอพยพหนีไฟค่า เท่ากับ 1,997 วินาที 33.17 นาที ซึ่ ง มี ค่ า น้ อ ยกว่ า ค่ า ตามกฎหมาย กำหนดคือ 60 นาที นั่นหมาย ความว่า อาคาร ใหม่นี้มีเส้นทางหนีไฟที่เหมาะสมและเพียงพอใน การอพยพ

คำสำคั ญ : อพยพหนี ไ ฟ แบบจำลอง บันไดหนีไฟ

Abstract

The objective of this study is to develop a program for the simulation and evaluation of the evacuation time using escape stairs conforming to the NFPA Ready Reference Human Behavior in Fire Emergencies guidelines and the fire protection standards of the Engineering Institute of Thailand. When using manual calculations for evaluation of the evacuation time, there are many equations that will take a long time, causing calculation errors, especially when designing high rise

buildings. The mathematician has to change several physical variables for the exits to estimate the proper evacuation time. The program, written based on Netbeans IDE 6.8 and which uses the Java Application, consists of 3 steps; parameter input, evacuation time calculation, and evacuation procedures.

This study, determined that the calculated evacuation time using the program is accurate compared to that of the manual calculation. The program was then designed to study the evacuation time affected by the physical variables of the exits such as door width, riser height, landing length, and floor-to-floor height. It was found that the door width has a more significant effect on evacuation time than other variable. After testing the program for a newly designed building in Bangkok with 3 stairways from the 10th to the 25th floors, and 4 stairways from the 1st to the 9th floor, it was found that the evacuation time is 1,997 seconds (or 33 minutes and 17 seconds), which is less than the 60 minutes required by law. This mean the building has proper, and enough, exits for evacuation.

Keywords : evacuation, simulation, stairway.

49

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

1. บทนำ

ปัจจุบันกรุงเทพมหานครมีอาคารสูงและ อาคารขนาดใหญ่เพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะใน ช่วง 10 ปีที่ผ่านมา มี โครงการก่อสร้างอาคาร สำนั ก งาน คอนโดมิ เ นี ย ม ที่ เ ป็ น อาคารสู ง เพื่ อ รองรั บ ความเจริ ญ ของประเทศ แต่ เ นื่ อ งจาก โครงการก่ อ สร้ า งบางโครงการก่ อ สร้ า งไม่ ได้ มาตรฐาน ซึ่งส่งผลให้อาคารมีความเสี่ยงต่อการ เกิดอัคคีภัย ดังนั้น วิศวกรรมสถานแห่งประเทศ ไทย จึงได้กำหนดมาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย

ขึ้นมาเป็นมาตรฐาน เพื่อให้มีการออกแบบและ ก่อสร้างอาคารให้มีความปลอดภัยต่อผู้ ใช้อาคาร ทั้งนี้ ในเรื่องการอพยพหนีไฟยังได้มีกฎกระทรวง ฉบับที่ 33 (พ.ศ. 2535) ออกตามพระราชบัญญัติ ควบคุมอาคาร พ.ศ. 2522 ระบุไว้ว่า อาคารสูง ต้องมีบันไดหนีไฟจากชั้นสูงหรือดาดฟ้าสู่พื้นดิน อย่างน้อย 2 บันได ตั้งอยู่ ในที่ที่บุคคลไม่ว่าจะอยู่ ณ จุดใดของอาคารสามารถมาถึงบันไดหนีไฟได้ สะดวก และต้ อ งแสดงการคำนวณให้ เ ห็ น ว่ า สามารถใช้ ล ำเลี ย งบุ ค คลทั้ ง หมดในอาคารออก นอกอาคารได้ภายใน 1 ชั่วโมง

ดังนั้น ในการออกแบบอาคารสถาปนิกผู้ ออกแบบต้องคำนวณและแสดงการคำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ เพื่อใช้ประกอบการออกแบบตาม ที่ ก ฎหมายระบุ ไ ว้ ซึ่ ง ในการคำนวณโดยเครื่ อ ง คำนวณธรรมดา ที่ มี ร ะบบสมการที่ ใ ช้ ค ำนวณ หลายสมการ ทำให้ ใช้เวลาในการคำนวณมากและ อาจเกิ ด ข้ อ ผิ ด พลาดในการคำนวณได้ ง่ า ย โดย เฉพาะอย่ า งยิ่ ง ถ้ า มี ก ารเปลี่ ย นค่ า ตั ว แปรทาง กายภาพต่าง ๆ เพื่อประเมินค่าเวลาในการอพยพ หนี ไ ฟที่ เ หมาะสมในขั้ น ตอนของการออกแบบ อาคารสูง ดังนั้น โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นนี้จะสามารถ 50

ช่ ว ยให้ ส ถาปนิ ก แสดงการคำนวณเวลาในการ อพยพของอาคารที่ออกแบบเพื่อใช้ประกอบแบบ และใช้ออกแบบจำนวนและขนาดเส้นทางหนีไฟ เพื่อให้มีจำนวนและขนาดที่เหมาะสม ส่วนอาคาร ที่ มี ก ารใช้ ง านแล้ ว ผู้ ดู แ ลอาคารก็ จ ะสามารถ ประเมิ น เวลาที่ ใ ช้ ใ นการอพยพออกจากอาคาร เพื่อนำข้อมูลที่ ได้ ไปวิเคราะห์เพื่อปรับปรุงระบบ บันไดหนีไฟของอาคาร เพื่อให้สามารถอพยพหนี ไฟได้ภายในเวลาที่กฎหมายกำหนด

2. ข้อมูลและทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

2.1 องค์ประกอบของเวลาในการอพยพ

Fahy (2003) [1] กล่าวไว้ว่า เวลาในการ อพยพสำหรั บ แต่ ล ะบุ ค คลเป็ น ช่ ว งของเวลา ทั้ ง หมด เริ่ ม ตั้ ง แต่ เ กิ ด การลุ ก ไหม้ จ นกระทั่ ง คน

เริ่มอพยพออกจากอาคารไปสู่จุดที่ปลอดภัย จะ ประกอบด้วย ช่วงหน่วงเวลา (delay time) และ เวลาที่คนเริ่มอพยพจนกระทั่งไปอยู่ ในจุดที่ปลอดภัย (travel or movement time) ซึ่งช่วงหน่วง เวลา ค่ า ที่ ไ ด้ ม าจากการเก็ บ ข้ อ มู ล ไม่ ส ามารถ คำนวณได้ ส่วนเวลาที่คนเริ่มอพยพจนกระทั่งไป อยู่ ในจุดที่ปลอดภัยนั้น ค่าที่ ได้มาจากการคำนวณ และสามารถเขียนเป็นความสัมพันธ์ ได้ดังนี้

เวลาการอพยพทั้งหมด = ช่วงหน่วงเวลา + ช่วงเวลาที่คนเริ่มอพยพจนกระทั่งไปอยู่ ในจุดที่ ปลอดภัย

2.2 หน่วงเวลาการอพยพ

Fahy (2003) [1] กล่าวไว้ว่า ช่วงหน่วง เวลา (delay time) จะประกอบด้วย 3 ช่วงเวลา คือ เวลาที่เกิดเพลิงไหม้จนมีการแจ้งเตือน (time to notification) เวลาที่เซนเซอร์จับได้และมีการ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

แจ้งเตือนจนกระทั่งคนรู้สึกตัว (reaction time) เวลาที่ ค นรู้ สึ ก ตั ว และเริ่ ม จะทำการหนี (preevacuation time) ซึ่ง Fahy and Proulx (2001) [2] ศึกษาและเก็บข้อมูลไว้ เช่นในกรณีอพาร์ตเม้นท์สูงปานกลางที่มีระบบสัณญาณเตือนที่ดี มี ช่วงหน่วงเวลาเท่ากับ 2.5 นาที เป็นต้น

2.3 การคำนวณเวลาในการอพยพ

Fahy (2003) [1] กล่าวไว้ว่า องค์ประกอบของการเคลื่อนไหวของกลุ่มคนจะประกอบไป ด้วยปัจจัย 3 ด้าน คือ ความหนาแน่นของกลุ่มคน ความเร็ ว ในการเคลื่ อ นที่ แ ละการไหล ถ้ า ความ หนาแน่ น ของประชากรน้ อ ยกว่ า 0.05 คนต่ อ ตารางฟุต (0.54 คนต่อตารางเมตร) ของแต่ละ เส้ น ทางหนี ไ ฟ โดยแต่ ล ะคนจะเคลื่ อ นที่ ด้ ว ย ความเร็วที่เป็นอิสระจากคนอื่น ๆ ถ้าความหนา แน่นของประชากรมากกว่า 0.35 คนต่อตารางฟุต (3.8 คนต่อตารางเมตร) ก็จะไม่มีการเคลื่อนที่เกิด ขึ้ น จนกระทั่ ง ความหนาแน่ น ของฝู ง ชนลดลง

มากพอฝู ง ชนก็ จ ะเคลื่ อ นผ่ า นจุ ด นี้ ไปได้ ความ สั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งความเร็ ว และความหนาแน่ น สามารถแสดงได้ ในรูปของสมการเชิงเส้นดังนี้

S = k – akD

(1)

โดยที่ S คื อ ความเร็ ว ตลอดการเดิ น ทาง มี

หน่ ว ยเป็ น ฟุ ต ต่ อ นาที (เมตรต่ อ

วินาที)

D คือ ค วามหนาแน่ น มี ห น่ ว ยเป็ น คน

ต่อตารางฟุต (คนต่อตารางเมตร)

k คือ ค่าคงที่ ดังในตารางที่ 1 ซึ่ง

k = k 1 และ a = 2.86 เมื่ อ ความเร็วมีหน่วยฟุตต่อนาที และความหนาแน่นมี หน่วยเป็นคนต่อตารางฟุต

k = k 2 และ a = 0.266 เมื่ อ ความเร็ ว มี ห น่ ว ยเมตรต่ อ วิ น าที และความหนา แน่นมีหน่วยเป็นคนต่อตารางเมตร

ตารางที่ 1 ค่าคงที่ที่ ใช้ ในการคำนวณหาเวลาในการอพยพ ประเภททางออก ทางเดินระหว่างอาคาร, ทางเดิน ระหว่างที่นั่ง, ทางลาดและทาง ระหว่างประตูบันได ลูกตั้ง ลูกนอน นิ้ว (ม.ม.) นิ้ว (ม.ม.)

7.5 (190) 10 (254) 11 (279) 7.0 (178) 12 (305) 6.5 (165) 13 (330) 6.5 (165)

Fsm คนต่อนาทีต่อ คนต่อวินาทีต่อ ฟุตของความ เมตรของความ กว้างสุทธิ กว้างสุทธิ

k1(k2)

ตัวแปลงค่า

275 (1.4)

24.0

1.32

196 (1.00) 212 (1.08) 229 (1.16) 242 (1.23)

1.66 1.85 2.08 2.22

17.1 18.5 20.0 21.1

0.95 1.01 1.09 1.16

51

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

การไหลจำเพาะ (F s) เป็ น การไหลของ การอพยพคนผ่านจุดหนึ่ง ๆ ในเส้นทางหนีไฟต่อ หน่วยของเวลาต่อหน่วยของความกว้างสุทธิ, We ของเส้ น ทางการไหลจำเพาะมี ห น่ ว ยเป็ น คนต่ อ นาทีต่อตารางฟุต (คนต่อวินาทีต่อตารางเมตร) จะ ได้สมการการไหลจำเพาะดังนี้

Fs = SD

(2)

เมื่อแทนสมการที่ (1) ในสมการที่ (2) จะ ได้

Fs = (1 – aD)kD (3)

การไหลจำเพาะจะมีค่าสูงสุด (Fsm) เมื่อ ความหนาแน่นของช่องทางออกเท่ากับ 0.175 คน ต่อตารางฟุต (1.9 คนต่อตารางเมตร) และการ ไหลจำเพาะสูงสุดจะสัมพันธ์กับชนิดของทางออก ดังแสดงในตารางที่ 1

การคำนวณการไหล Fc เป็นการทำนาย อัตราการไหลของคนที่กำลังผ่านจุด ๆ หนึ่งในเส้น ทางออกกับสมการสำหรับการไหล คือ

Fc = FsWe

(4)

เมื่อแทนสมการ (3) ในสมการ (4) จะได้

Fc = (1 – aD)kDWe (5)

เวลาที่ ใช้ ในการผ่านทาง, Tp คือ เวลา สำหรับกลุ่มของคนที่จะผ่านเส้นทางออก สามารถ หาได้จาก 52

Tp = P/Fc

(6)

โดยที่ Tp มีหน่วยเป็นนาที (วินาที)

2.3 การเคลื่ อ นผ่ า นจุ ด เปลี่ ย นหรื อ เส้ น ทางมารวมกัน

อั ต ราการไหลของการเคลื่ อ นผ่ า นจุ ด เปลี่ ย นเป็ น ฟั ง ก์ ชั น ของการไหลของการเข้ า จุ ด เปลี่ ย นและการไหลที่ ไ ด้ จ ากการคำนวณ F c ณ จุดเปลี่ยนการไหลที่ ได้จากการคำนวณจะต้องไม่ มากเกินกว่าการไหลจำเพาะสูงสุด Fsm โดยที่การ ไหลจำเพาะ Fs ของเส้นทางการไหลที่ออกจากจุด เปลี่ยนสามารถแสดงได้ด้วยสมการดังต่อไปนี้

ก. กรณี ก ารไหลเข้ า สู่ จุ ด เปลี่ ย นหนึ่ ง

เส้นทางและไหลออกจากจุดเปลี่ยนหนึ่งเส้นทาง สามารถอธิบายได้ด้วยสมการดังนี้

Fs(out) = Fs(in)We(in)/We(out) (7ก)

โดยที่ สัญลักษณ์ห้อยท้าย (in) คือ การ ไหลเข้าทางร่วม และ (out) คือ การไหลออกทาง ร่วม

ข. กรณีการไหลเข้าสู่จุดเปลี่ยนสองเส้น ทางและไหลออกจากจุดเปลี่ยนหนึ่งเส้นทาง เช่น การอพยพลงบั น ไดของชั้ น ต่ า ง ๆ ที่ เ ข้ า สู่ บั น ได พร้อม ๆ กันและไหลออกที่พื้นชั้นล่าง ซึ่งสามารถ อธิบายได้ด้วยสมการดังนี้

Fs(out) = {[Fs(in-1)We(in-1)]+[Fs(in-2)We(in-2)]}/We(out)

(7ข)

โดยที่ สั ญ ลั ก ษณ์ ห้ อ ยท้ า ย (in-1) และ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

(in-2) แสดงเส้ น ทางการไหลเข้ า เส้ น ทางที่ 1

และ 2

โดยที่ ก ารหาค่ า การไหลจำเพาะ F s สำหรับเส้นทางที่ออกจากจุดเปลี่ยน จะพบว่า ถ้า คำนวณได้มากกว่าการไหลจำเพาะสูงสุด Fsm ก็ จะเกิดการรอขึ้น ซึ่งจำนวนคนที่รอจะเพิ่มมากขึ้น ในอัตราที่เท่ากับการไหลที่ ได้จากการคำนวณ Fc ก่อนเข้าจุดเปลี่ยนแปลงลบด้วยการไหลที่ ได้จาก การคำนวณ Fc ส่วนที่ผ่านจุดเปลี่ยนแปลง

3. วิธีดำเนินการ

การวิจัยนี้เป็นการพัฒนาโปรแกรมเพื่อใช้ ในการคำนวณเวลาที่ ใ ช้ อ พยพทางบั น ไดหนี ไ ฟ

โดยมีข้อจำกัด คือ บันไดหนีไฟต้องเป็นบันไดหนีไฟ ที่ ได้มาตรฐานการป้องกันอัคคีภัยเท่านั้น และไม่มี การคำนวณเวลาการอพยพจากจุดที่อยู่ ไปยังประตู หนีไฟ

3.1 ขั้นตอนการคำนวณเวลาที่ ใช้ ในการ อพยพ ดังแผนผังการคำนวณเวลาในการอพยพ ภาพที่ 1

3.1.1 เริ่มจากการรับค่าพารามิเตอร์ ต่าง ๆ ของอาคาร ชื่ออาคาร (Bld_Name) ที่อยู่ (Address) ชื่อผู้ ใช้งาน (UserName) วันที่ ใช้งาน (Date) หน่ ว ยวั ด ที่ ใ ช้ (Unit) และ จำนวนชั้ น (Nooffloor)

ภาพที่ 1 แผนผังการคำนวณเวลาในการอพยพ 53

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

3.1.2 กำหนดวั ต ถุ ป ระสงค์ ก ารใช้ งาน หากเป็ น อาคารที่ มี ก ารใช้ ง านแล้ ว ให้ ล ง จำนวนประชากร (Pi) และ จำนวนทางออก (NoofExit) ตามจริ ง หากไม่ ท ราบให้ ใ ส่ พ ารามิเตอร์เพื่อคำนวณหาจำนวนประชากรซึ่งประกอบ ไปด้วย ประเภทการอยู่อาศัย (Occtype) ประเภทการใช้งาน (Usetype) มาตรฐานที่ ใช้ (Standard) และพื้นที่ของส่วนกันแยก (AreaComp) ซึ่ ง จะนำมาคำนวณหาจำนวนประชากรได้ จ าก พื้นที่ของส่วนกันแยกคูณด้วยตัวคูณน้ำหนักการ

อยู่อาศัย (OccLoadFactor) ที่ ได้มาจากความ สัมพันธ์ของประเภทการอยู่อาศัยและการใช้งาน

3.1.3 เมื่ อ ได้ จ ำนวนประชากรจะ เป็นตัวกำหนดจำนวนทางออก โดยมีความสัมพันธ์ ดังนี้ หากจำนวนประชากรน้อยกว่า 500 คนให้มี ทางออกอย่างน้อย 2 ทาง หากจำนวนประชากร มากกว่ า 500 คนแต่ น้ อ ยกว่ า 1,000 คนให้ มี ทางออก 3 ทาง และหากจำนวนประชากรมาก กว่า 1,000 คนให้มีทางออก 4 ทาง

3.1.4 หลั ง จากนั้ น ให้ รั บ ค่ า พารามิเตอร์ ระยะความสูงจากชั้นถึงชั้น (fltofl) ความ กว้างโถงทางเดิน (CorrW) และความยาวของโถง ทางเดิน (CorrL) เพื่อคำนวณหาพื้นที่ โถงทางเดิน (AreaCorr)

3.1.5 รั บ ข้ อ มู ล เกี่ ย วกั บ ทางออก และบันไดหนีไฟ ซึ่งประกอบไปด้วย ความกว้าง สุทธิของประตูทางออก (doorW) ความสูงลูกตั้ง ของบันได (strRiser) ความลึกลูกนอนของบันได (strTread) ความกว้างของบันได (strW) จำนวน ชานพักของบันได (NoLand) ความยาวของชาน พักบันได (LndLong) และ ความกว้างของราวจับ (handR) 54

3.1.6 คำนวณหาความกว้ า งสุ ท ธิ ของโถงทางเดิน ประตูหนีไฟ และบันไดหนีไฟ ซึ่ง หาได้จากความสัมพันธ์ดังนี้

ความกว้างสุทธิ =

ความกว้าง – (2 x ความกว้างขอบเขต) (8)

3.1.7 หาความหนาแน่นของประ-ชากรที่ โถงทางเดิน (dCorr) จากจำนวนประชากร คูณ ด้วยพื้นที่ โถงทางเดิน แล้วตรวจสอบความหนา แน่นต้องอยู่ระหว่าง 0.05-0.35 คนต่อตารางฟุต (0.54-3.8 คนต่อตารางเมตร) ซึ่งหากความหนา แน่นเกินข้อกำหนด โปรแกรมจะแสดงผลทางหน้า จอว่า “no movement” หากความหนาแน่นน้อย กว่าค่าต่ำสุดให้ ใช้ค่าต่ำสุดเป็นเกณฑ์

3.1.8 คำนวณหาความเร็วของการ เคลื่อนที่ที่ โถงทางเดิน (sCorr) ด้วยสมการที่ (1)

3.1.9 คำนวณหาอั ต ราการไหล จำเพาะของโถงทางเดิน (fsCorr) ด้วยสมการที่ (2) เมื่อได้อัตราการไหลจำเพาะของโถงทางเดิน แล้ว หากค่าที่ ได้มากกว่าอัตราการไหลจำเพาะ สูงสุดของโถงทางเดิน (fsmCorr) ให้ ใช้ค่าอัตรา การไหลจำเพาะสูงสุดเป็นค่าอัตราการไหลจำเพาะ ของโถงทางเดินนั้น

3.1.10 คำนวณหาอั ต ราการไหล จากการคำนวณของประตูหนีไฟ (fcDoor) ก่อนจะ หาอัตราการไหลที่ ได้จากการคำนวณต้องหาอัตรา การไหลจำเพาะของประตูหนีไฟ (fsDoor) ซึ่งหาได้ จากสมการ (7ก) หากค่าที่ ได้มีค่ามากกว่าอัตรา การไหลจำเพาะสูงสุดของประตูหนีไฟ (fsmDoor) ให้ ใช้ค่าอัตราการไหลจำเพาะสูงสุด เป็นค่าอัตรา การไหลจำเพาะของประตูหนีไฟนั้น ๆ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

3.1.11 หาเวลาที่ ใช้เดินทางในบันได LandingLong = ความยาวของชานพักของบันได หนีไฟ (tv) ก่อนอื่นต้องคำนวณหาอัตราการไหล NoofLanding = จำนวนชานพักของบันไดหนีไฟ จำเพาะของแต่ละบันไดหนีไฟ (fsStr) ซึ่งหาได้จาก สมการที่ (7ข) หากค่าอัตราการไหลจำเพาะที่ ได้มี เมื่อได้ค่าความเร็วของการเคลื่อนที่บน มากกว่าอัตราการไหลจำเพาะสูงสุดของบันไดหนี บันไดหนีไฟและระยะทางที่ ใช้เดินทางบนบันไดหนี ไฟ (fsmStr) ให้ ใช้ค่าอัตราการไหลจำเพาะสูงสุด ไฟแล้ว นำมาหาเวลาที่ ใช้ ในการเดินทางบนบันได เป็นค่าอัตราการไหลจำเพาะของบันไดหนีไฟนั้น หนีไฟ (tv) จากระยะทางที่ ใช้เดินทางบนบันไดหนี นำค่าที่ ได้ ไปหาค่าความหนาแน่นในการอพยพใน ไฟ (Verttv) หารด้วยความเร็วของการเคลื่อนที่ บันไดหนีไฟ (dStr) จากสมการที่ (3) ซึ่งสามารถ บนบันไดหนีไฟ (sStr)

เมื่อได้เวลาในการเดินทางบนบันไดหนีไฟ หาค่าความหนาแน่นของบันได ได้จากสูตร หนึ่งแล้ว โปรแกรมจะทำการคำนวณขั ้นตอนต่าง ๆ

(9) นี้อีกครั้งกับทางออกหนีไฟต่อไปของชั้นนั้น เมื่อ คำนวณชั้นนี้เสร็จแล้วโปรแกรมจะทำการคำนวณ

โดยที่ kSTr คือ k ค่าคงที่ของบันไดใน ของชั้นต่อ ๆ ไป ตามลำดับ ตารางที่ 1 ในการคำนวณต้องการหาเวลาที่ ใช้ ใน 3.2 ขั้นตอนการกำหนดลำดับการอพยพ การอพยพน้อยที่สุด จึงต้องใช้ค่าความหนาแน่น ต่ำสุด เมื่อได้ค่าความหนาแน่นที่บันไดหนีไฟแล้ว และจำลองการอพยพ โปรแกรมจะจั ด ลำดั บ การอพยพของ นำค่าที่ ได้ ไปหาค่าความเร็วของการเคลื่อนที่บน แต่ ล ะชั้ น ดั ง แผนผั ง ในการกำหนดลำดั บ การ บันไดหนีไฟ (sStr) ซึ่งหาได้จากสมการที่ (1)

เนื่ อ งจากการเคลื่ อ นที่ บ นบั น ไดหนี ไ ฟมี อพยพ ภาพที่ 2 โดยใช้เวลาที่ ใช้ ในการอพยพแทน การเคลื่อนที่ทั้งในแนวดิ่งและแนวนอน ดังนั้นจึง จำนวนผู้ที่อยู่อาศัย กล่าวคือ จำนวนผู้ที่อพยพ ต้องหาระยะทางที่ ใช้ ในการเดินทางในบันไดหนีไฟ ผ่านประตูหนีไฟแทนด้วย เวลาที่ ใช้ ในการอพยพ ผ่ า นประตู ห นี ไ ฟ (tpDoor) และให้ จ ำนวนผู้ ที่ ซึ่งหาได้จากความสัมพันธ์ดังนี้ อพยพสะสมอยู่ ใ นบั น ไดหนี ไ ฟแทนด้ ว ยเวลาที่

Verttv = (fltofl x C.F.) + (Noof- สะสมในการอพยพผ่านบันไดหนีไฟ (tvAcc) ซึ่ง Landing x LandingLong)

(10) ต้ อ งไม่ ม ากกว่ า เวลาสู ง สุ ด ที่ ใ ช้ อ พยพผ่ า นบั น ได (tvMax) ซึ่งในการอพยพแต่ละครั้งใช้เวลาเท่า

กับ 1 ช่วงเวลา (tStep) โดยที่ ในการอพยพนี้ ให้ความสำคัญกับชั้นที่เกิด Verttv = ระยะทางที่ ใช้เดินทางบนบันไดหนีไฟ เพลิ ง ไหม้ เ ป็ น อั น ดั บ แรกที่ จ ะต้ อ งอพยพออกให้ fltofl = ระยะห่างระหว่างชั้น C.F. = เป็นค่าคงที่ ในการแปลงค่าความสูงใน หมดก่อน และให้ความสำคัญในการอพยพกับชั้นที่ มีผู้อาศัยชั้นที่อยู่สูงสุดเป็นอันดับสอง โดยชั้นอื่น

แนวดิ่ง 55

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

สามารถอพยพได้ โดยต้องไม่กีดขวางทางสัญจร ดังนั้นรูปแบบของโปรแกรมซึ่งมีลักษณะดังนี้

3.2.1 ตรวจสอบแต่ละชั้น หากเป็น ชั้นที่เกิดเพลิงไหม้ ให้อพยพออกจากโถงทางเดิน ผ่านประตู ห นี ไ ฟเข้ าสู่บันไดหนีไฟทันที และเมื่อ

ผู้อพยพสะสมเข้าบันไดหนีไฟของชั้นเต็มแล้ว ให้ อพยพต่ อ ไปยั ง บั น ไดหนี ไ ฟชั้ น ถั ด มา โดยผู้ ที่ อ ยู ่

ชั้ น ต่ ำ กว่ า ต้ อ งหยุ ด ให้ ผู้ อ พยพชั้ น ที่ อ ยู่ สู ง กว่ า อพยพก่อน เมื่อผู้อพยพทำการอพยพผ่านประตู หนี ไ ฟออกจากชั้ น ที่ เ กิ ด เพลิ ง ไหม้ ห มดแล้ ว ให้ ถือว่าชั้นนั้น ๆ อพยพออกจากชั้นเรียบร้อยแล้ว

3.2.2 ชั้นที่ ไม่ ใช่ชั้นเกิดเหตุแต่อยู่สูง กว่าชั้นเกิดเหตุเพลิงไหม้ ผู้อาศัยสามารถอพยพ ออกจากโถงทางเดินผ่านประตูเข้าสู่บันไดได้ หาก ไม่เป็นการกีดขวางการอพยพของชั้นที่อยู่สูงกว่า โดยสามารถอพยพเข้าสู่บันไดได้จนเต็มพื้นที่บันได หนีไฟของชั้น เมื่อผู้อพยพเต็มบันไดให้ตรวจสอบ ชั้นที่อยู่ถัดมาว่าเป็นชั้นเกิดเพลิงไหม้หรือไม่ หาก ไม่ ใช่ ให้ผู้อพยพที่อยู่ชั้นที่สูงกว่า อพยพผ่านชั้นต่ำ กว่าไปได้ หากชั้นที่อยู่ต่ำกว่าเป็นชั้นเกิดเพลิงไหม้ ให้ผู้อพยพรออยู่ที่บันไดหนีไฟของชั้น จนกระทั่งผู้ อพยพจากชั้นเกิดเพลิงไหม้อพยพผ่านประตูหนีไฟ หมดแล้ว จึงทำการอพยพต่อได้

3.2.3 ชั้ น ที่ ไ ม่ ใ ช่ ชั้ น เกิ ด เหตุ แ ละอยู่ ต่ำกว่า ผู้อพยพสามารถอพยพผ่านออกจากโถง ทางเดินผ่านประตูหนีไฟเข้าสู่บันไดหนีไฟได้ หาก การอพยพนั้นไม่กีดขวางการอพยพของผู้อพยพ จากชั้นที่อยู่สูงกว่า

4. ผลการศึกษา

4.1 การทดสอบการใช้งานโปรแกรมกับ การคำนวณด้วยมือ 56

จากการทดสอบการใช้ โปรแกรมที่พัฒนา ขึ้นเทียบกับผลที่ ได้จากการคำนวณด้วยมือ ในการ คำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพของอาคารสำนักงาน 10 ชั้น มีผู้อาศัยอยู่ชั้นละ 150 คน พบว่า ใน ขั้นตอนการคำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ โดย การใช้ โปรแกรมและการคำนวณด้วยมือ ผลของ การคำนวณอั ต ราการไหลจากการคำนวณของ โถงทางเดินและประตูหนีไฟ เท่ากับ 22.09 และ 73.67 คนต่อฟุตต่อนาที ตามลำดับ และผลของ การคำนวณเวลาที่ ใช้ ในการเดินทางในบันไดหนีไฟ เท่ากับ 31.02 นาที ซึ่งทั้งสองวิธีค่าที่ ได้จากการ คำนวณมี ค่ า ตรงกั น ดั ง นั้ น แสดงว่ า การใช้ โปรแกรมในการคำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพมี ความถูกต้องและสามารถใช้งานได้จริง

4.2 การศึกษาผลกระทบเนื่องจากตัวแปร ทางกายภาพของเส้ น ทางหนี ไ ฟต่ อ เวลาในการ หนีไฟ

จากการใช้ โ ปรแกรมที่ พั ฒ นาขึ้ น ในการ คำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพของอาคารสำนักงาน 10 ชั้น โดยการศึกษาผลกระทบเนื่องจาก ตัวแปรทางกายภาพของเส้นทางหนีไฟต่อเวลาใน การหนีไฟ 4 ตัวแปร ได้แก่ ความกว้างของประตู หนี ไ ฟ ความสู ง ของลู ก ตั้ ง บั น ไดหนี ไ ฟ ความสู ง ระยะระหว่างชั้น และความยาวของชานพัก โดย ให้ชั้น 1 เป็นชั้นต้นเพลิง พบว่า

4.2.1 การเพิ่มความกว้างของประตู หนีไฟ จะมีผลต่อเวลาที่ ใช้ ในการอพยพทำให้เวลา ที่ ใ ช้ ใ นการอพยพลดลงอย่ า งชั ด เจน เนื่ อ งจาก ความกว้างของประตูหนีไฟแปรผกผันกับเวลาที่ ใช้ เดินผ่านประตู ดังจะเห็นได้จากภาพที่ 3 กราฟ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างประตูหนีไฟ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 2 แผนผังในการกำหนดลำดับการอพยพ 57

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

กับเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ พบว่า ประตูหนีไฟกว้าง 42 นิ้ว ใช้เวลาในการอพยพน้อยที่สุด

4.2.2 การลดความสู ง ของลู ก ตั้ ง บันไดหนีไฟ มีผลกระทบต่อเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ น้อยมาก ดังจะเห็นได้จากภาพที่ 3 กราฟแสดง ความสัมพันธ์ระหว่างความสูงของลูกตั้งกับเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ พบว่า ลูกตั้งสูง 7.5 และ 6.5 นิ้ว ใช้เวลาในการอพยพใกล้เคียงกันมาก แต่จะมีผล กระทบก็ต่อเมื่ออัตราการไหลของบันไดมีค่าน้อย กว่าค่าการไหลจำเพาะสูงสุด เช่น เวลาที่ ใช้ ใน การเดินทางในบันไดของชั้น 10 ที่ ใช้เวลาน้อยกว่า ชั้นอื่น ๆ

4.2.3 การลดความสู ง ชั้ น ต่ อ ชั้ น มี ผลกระทบต่อเวลาที่ ใช้ ในการอพยพน้อยเช่นกัน

แม้ว่าความสูงระหว่างชั้นจะแปรผันตรงกับเวลาที่ ใช้ เ ดิ น ทางในบั น ได ดั ง จะเห็ น ได้ จ ากภาพที่ 3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความสูงชั้นต่อ ชั้นกับเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ พบว่าระยะชั้นต่อชั้น สูง 12 และ 10 ฟุต ใช้เวลาในการอพยพใกล้เคียง กันมาก

4.2.4 การเพิ่มหรือลดความยาวของ ชานพั ก มี ผ ลกระทบต่ อ เวลาที่ ใ ช้ ใ นการอพยพ น้อยเช่นกัน แม้ว่า ความยาวของชานจะแปรผัน ตรงกับเวลาที่ ใช้เดินทางในบันไดดังจะเห็นได้จาก ภาพที่ 3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความ กว้างของชานพักกับเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ พบว่า ชานพักกว้าง 8 และ 7 ฟุต ใช้เวลาในการอพยพ ใกล้เคียงกันมาก

ภาพที่ 3 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างทางออกและบันไดหนีไฟกับเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ 58

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

4.3 การศึกษาการใช้ โปรแกรมคำนวณ เวลาในการอพยพเพื่อใช้ ในการออกแบบอาคาร ใหม่

จากการใช้ โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นในการ คำนวณเวลาที่ ใช้ ในการอพยพของอาคารสำนักงานสูง 25 ชั้นแห่งหนึ่ง ตั้งอยู่บนถนนรามคำแหง หัวหมาก โดยศึกษาถึงการใช้จำนวนเส้นทางหนีไฟ อย่างน้อยตามมาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย และ การปรับเพิ่มจำนวนเส้นทางหนีไฟ เพื่อให้ ได้เวลา ในการอพยพหนีไฟที่เหมาะสมและความปลอดภัย ในการใช้งาน โดยให้ชั้น 1 เป็นชั้นต้นเพลิง ผล การศึกษาพบว่า

4.3.1 การใช้ จ ำนวนเส้ น ทางหนี ไ ฟ อย่างน้อยตามมาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย โดย ชั้น ที่ 1 -25 มี เ ส้ นทางหนีไฟจำนวน 2 เส้นทาง และชั้นที่ 1-3 มีเส้นทางหนีไฟจำนวน 3 เส้นทาง จากผลศึ ก ษาพบว่ า ใช้ เ วลาในการอพยพถึ ง 56 .41 นาที ซึ่งใช้เวลาเกือบถึง 1 ชั่วโมง ซึ่งเป็น

เวลามากสุดที่กฎหมายกำหนดให้อพยพออกจาก อาคาร

4.3.2 การเพิ่มจำนวนเส้นทางหนีไฟ ผู้ออกแบบอาคารดังกล่าวได้ออกแบบโดยการเพิ่ม เส้นทางหนีไฟมากขึ้น โดยชั้นที่ 1-25 มีเส้นทาง หนีไฟจำนวน 3 เส้นทาง และชั้นที่ 1-9 มีเส้นทาง หนีไฟจำนวน 4 เส้นทาง ซึ่งผลที่ ได้คือ เวลาที่ ใช้ ในการอพยพ เท่ า กั บ 33.17 นาที ซึ่ ง น้ อ ยกว่ า การใช้เส้นทางหนีไฟเท่าจำนวนเส้นทางอย่างน้อย ที่มาตรฐานกำหนดถึง 23.24 นาที ซึ่งเมื่อนำมา เปรียบเทียบดังกราฟภาพที่ 4 จะเห็นความแตก ต่างของเวลาที่ ใช้ ในการอพยพอย่างชัดเจน

5. สรุป

การวิจัยนี้เป็นการพัฒนาโปรแกรมในการ จำลองและประเมิ น เวลาในการอพยพหนี ไ ฟ ทางบั น ไดหนี ไ ฟ โดยมี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ศึ ก ษา ข้ อ กำหนดและมาตรฐานการป้ อ งกั น อั ค คี ภั ย ที่

ภาพที่ 4 กราฟแสดงเวลาการอพยพระหว่างการออกแบบจำนวนทางออกตามมาตรฐานและมากกว่า มาตรฐาน 59

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เกี่ยวกับการอพยพหนีไฟทั้งของประเทศไทยและ ต่างประเทศ และพัฒนาโปรแกรมสำหรับใช้เป็น เครื่องมือในการจำลองและประเมินเวลาในการ อพยพหนีไฟทางบันไดหนีไฟ ซึ่งสามารถสรุปผล การวิจัยได้ดังนี้

1. จากการพั ฒ นาโปรแกรมในการจำลองและประเมินเวลาในการอพยพหนีไฟทางบันได หนีไฟ และทดสอบการใช้งานโดยเปรียบเทียบผล การคำนวณเวลาที่ ใ ช้ ในการอพยพหนี ไ ฟของ โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นกับการคำนวณด้วยมือ พบ ว่า เวลาที่ ใช้ ในแต่ละลำดับการอพยพมีค่าเท่ากัน และเวลาที่ ใช้ ในการอพยพโดยรวมที่ ได้ก็เท่ากัน แสดงว่า โปรแกรมที่พัฒนาขึ้นมานี้มีความถูกต้อง ของผลการคำนวณและสามารถใช้งานได้จริง

2. การศึกษาผลกระทบเนื่องจากตัวแปร ทางกายภาพของเส้นทางหนีไฟต่อเวลาที่ ใช้ ในการ หนีไฟ 4 ตัวแปร ได้แก่ ความกว้างของประตูหนี ไฟ ความสูงของลูกตั้งบันไดหนีไฟ ความสูงระยะ ระหว่างชั้น และความยาวของชานพัก พบว่า ความ กว้างของประตูหนีไฟที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้เวลาใน การอพยพลดลงอย่างชัดเจน โดยที่ตัวแปรอื่น ๆ มีผลต่อเวลาในการอพยพน้อยมาก

3. การศึ ก ษาการใช้ โปรแกรมกั บ การ ออกแบบอาคารใหม่ โดยเปรียบเทียบเวลาที่ ใช้ ใน การอพยพจากการออกแบบโดยใช้จำนวนเส้นทาง หนีไฟอย่างน้อยตามมาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย และการออกแบบโดยเพิ่มจำนวนเส้นทางหนีไฟให้ มากกว่าที่มาตรฐานกำหนด พบว่าการเพิ่มจำนวน เส้ น ทางหนี ไ ฟที่ เ หมาะสม เป็ น วิ ธี ห นึ่ ง ในการ ออกแบบเพื่อช่วยลดเวลาที่ ใช้ ในการอพยพ

งานวิจัยทำการพัฒนาโปรแกรมช่วยลด

60

เวลาและข้อผิดพลาดในการคำนวณการอพยพหนี ไฟทางบันไดหนีไฟ เมื่อมีการเปลี่ยนค่าตัวแปรทาง กายภาพต่าง ๆ จะสามารถคำนวณเพื่อใช้ประกอบ การออกแบบจำนวน ลักษณะและขนาดเส้นทาง หนีไฟ เพื่อให้มีจำนวน ลักษณะ และขนาดที่เหมาะ สม ส่วนอาคารที่มีการใช้งานแล้ว ผู้ดูแลอาคารนำ ไปใช้ปรับปรุงระบบบันไดหนีไฟของอาคาร เพื่อให้ สามารถอพยพหนีไฟได้อย่างปลอดภัย

6. กิตติกรรมประกาศ

ขอขอบคุ ณ คุ ณ สุ ท ธิ ถมยา และคุ ณ กฤษกร นาโสก สำหรับคำแนะนำและแก้ปัญหา ต่าง ๆ ของโปรแกรม

7. เอกสารอ้างอิง [1] Fahy, R. F. 2003. Calculation

Methods for Egress Prediction,

pp. 37-59. In K. Thorne, Developmental Editor. NFPA Ready Reference Human Behavior in Fire Emergencies. National Fire Protection Association, Quincy, MA. [2] Fahy, R. F. and G. Proulx. 2001.

Toward Creating a Database on Delay Times to Start Evacuation and Walking Speeds for Use in Evacuation Modeling, pp. 175-

183. Proceedings of the 2nd Inter-

national Symposium on Human Behavior in Fire 2001. Interscience Communations Ltd., London, UK.

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การศึกษาขนาดของยางรองแท่นเครื่อง ที่ มี ผ ลต่ อ พฤติ ก รรมเชิ ง กล ภายใต้ภาระแบบพลวัต A Study of the Dimensional Effect on Dynamic Mechanical Behavior of Engine Mounts ยุพา ตาวัน 1 ชนะ รักษ์ศิริ 2 จักรพันธ์ อร่ามพงษ์พันธ์ 2

บทคัดย่อ

การวิ จั ย ครั้ ง นี้ มี วั ต ถุ ป ระสงค์ เ พื่ อ ศึ ก ษา ปัจจัยเกี่ยวกับรูปร่างขนาดของยางรองแท่นเครื่อง และคุ ณ สมบั ติ เ ชิ ง กลขององค์ ป ระกอบของยาง สำหรับยางรองแท่นเครื่องที่มีอิทธิพลต่อลักษณะ การเสียรูปของยางรองแท่นเครื่องภายใต้สภาวะที่ รับโหลดแบบพลวัต โดยวิเคราะห์จากการจำลอง การสั่ น สะเทื อ นของยางรองแท่ น เครื่ อ งด้ ว ยวิ ธ ี

ไฟไนต์เอลิเ มนต์ เพื่อพิจารณาการดูดซับการสั่น สะเทือนจากระยะช่วงการเคลื่อนที่ของยางรอง แท่นเครื่อง และเปรียบเทียบค่าความแข็งแกร่ง ของแบบจำลองยางรองแท่นเครื่องขนาดต่าง ๆ การกำหนดค่าแบบจำลองพฤติกรรมของวัสดุยาง 1 2

สามารถอธิบายด้วยแบบจำลองไฮเปอร์อิลาสติก ด้วยแบบจำลองฟังก์ชันพลังงานความเครียด ของ อ็อกเดน และฟังก์ชันการคลายความเค้น แทน ด้วยอนุกรมโพรนี่ อันดับ 3 ซึ่งแบบจำลองยาง รองแท่นเครื่อง ทำการจำลองการสั่นสะเทือนที่ ความถี่ 3 ระดั บ คื อ ความถี่ 2 0 35 และ 50 เฮิ ร์ ต ซ์ โดยมี แ รงกระทำ 1,200 นิ ว ตั น โดย กำหนดให้แรงกระทำเป็นแบบไซนูซอยดัล ผู้วิจัย จึงได้ออกแบบการทดลองเพื่อหาจุดที่เหมาะสม ที่สุดของขนาดรูปร่างยางรองแท่นเครื่องเพื่อทำให้ ค่ า การดู ด ซั บ การสั่ น สะเทื อ นและค่ า ความแข็ ง แกร่งมีค่าสูงที่สุดที่เป็นไปได้ โดยใช้การทดลอง

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 61

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เชิงแฟคทอเรี ย ลแบบ 23 เพื่อหาระดับปัจจัยที่ เหมาะสม ดังนั้นผลจากการวิเคราะห์ปัจจัยที่มีผล ต่ อ การสั่ น สะเทื อ นของยางรองแท่ น คื อ การ กำหนดค่าที่ความกว้างเท่ากับ 58 มิลลิเมตร และ องศามุมเอียง เท่ากับ 90 องศา จะทำให้ค่าการ ดูดซับการสั่นสะเทือนและค่าความแข็งแกร่งมีค่า สูงที่สุด

คำสำคัญ: ยาง ยางรองแท่นเครื่อง วิธ ี

ไฟไนต์เอลิเมนต์ ไฮเปอร์อิลาสติก วิสโคอิลาสติก

Abstract

The objective of this research is to study the engine mount mechanical dynamic behavior, such as the deformations, shapes and mechanical properties of composite rubber and their effects on engine mount deformation, using the finite element analysis. Consider the vibration absorption and measurement stiffness of the engine mount model. The rubber hyperelastic material model using the strain energy function which is expressed by the Ogden model and the relaxation function is represented by a proxy series N=2. The finite element models of the engine mount to simulate the vibration frequencies of 3 levels are 20, 35 and 50 hertz and the dynamic load is 1,200 N. In this research, the design of the experiment was conducted to find the most appropriate parameters of the engine 62

mount setting to the higher value of vibration absorption and stiffness of the engine mount by using 2 3 Factorial Design to find the optimal valves of the factors. Finally, the significant factors and optimal parameters of the engine mount dimensions such as width is 58 millimeters and angle is 90 degrees.

Keywords: rubber, engine mount, finite element, hyperelastic, viscoelastic

1. บทนำ

ในอุ ต สาหกรรมยานยนต์ มี ชิ้ น ส่ ว นยาง เป็นส่วนประกอบที่จำเป็นหลายอย่าง เช่น ยาง รถยนต์ ยางรองแท่นเครื่อง ยางขอบประตู ฯลฯ ซึ่งงานวิจัยนี้จะพิจารณาในชิ้นส่วนยางรองแท่น เครื่ อ งของรถยนต์ ซึ่ ง มี ป ระสิ ท ธิ ภ าพเพื่ อ ดู ด ซั บ พลังงานในการช่วยลดความเสียหายที่จะส่งผลต่อ ฐานรองแท่นเครื่องจากแรงสั่นสะเทือน และลด เสียงรบกวนที่จะเกิดขึ้นกับห้องโดยสาร ซึ่งยาง รองแท่นเครื่องมีคุณสมบัติดูดซับแรงสั่นสะเทือน ที่มาจากการทำงานของเครื่องยนต์

งานวิจัยนี้ ได้ทำการศึกษาการจำลองการ สั่ น สะเทื อ นของยางรองแท่ น เครื่ อ งและศึ ก ษา คุณสมบัติเชิงกลของยางรองแท่นเครื่องภายใต้ สภาวะที่รับโหลดแบบพลวัต การเสียรูปของยาง รองแท่นเครื่อง ความสามารถในการดูดซับแรง สั่นสะเทือน และเปรียบเทียบค่าความแข็งแกร่ง ของแบบจำลองยางรองแท่นเครื่องขนาดต่าง ๆ โดยใช้ วิ ธี ไ ฟไนต์ เ อลิ เ มนต์ วิ เ คราะห์ โดยใช้ โปรแกรม MSC. Software Marc Mentat

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

2005r1 งานวิจัยนี้จะศึกษายางรองแท่นเครื่องที่ ใช้สำหรับเครื่องยนต์ดีเซลขนาดไม่เกิน 3,000 ซีซี และพิจารณายางรองแท่นเครื่องเพียงสูตรเดียว เนื่องจากเป็นสูตรยางมาตรฐานที่ผู้ผลิตกำหนดให้

2. หลักการพื้นฐาน

2.1 การรับแรงสั่นสะเทือนของยางรอง แท่นเครื่อง

แรงสั่นสะเทือนที่เกิดจากการระเบิดของ การสันดาปภายในเครื่องยนต์ ในลักษณะการสั่น สะเทือนแบบ 6 องศาความอิสระ (6 degree of freedom vibration mode) ดังแสดงในภาพที่ 1 จะถูกถ่ายทอดผ่านมายังโครงเครื่องยนต์แล้วผ่าน ไปยังแท่นเครื่องส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนกับ ตัวถังรถยนต์ทำให้อายุการใช้งานของแท่นเครื่อง ลดลง

ภาพที่ 1 แรงที่ ก ระทำต่ อ เพลาข้ อ เหวี่ ย งของ เครื่องยนต์

เพื่อลดการสั่นสะเทือนนี้ จึงได้มีการใส่ อุ ป กรณ์ เ พื่ อ ช่ ว ยดู ด ซั บ แรงสั่ น สะเทื อ นของ เครื่องยนต์ก่อนที่จะติดตั้งเครื่องยนต์เข้ากับแท่น เครื่อง ดังแสดงในภาพที่ 2

ภาพที่ 2 การติ ด ตั้ ง ยางรองแท่ น เครื่ อ งกั บ เครื่องยนต์

ยางรองแท่ น เครื่ อ งมี คุ ณ สมบั ติ เ ป็ น ทั้ ง สปริ ง และตั ว หน่ ว ง ทำให้ ส ามารถสร้ า งแบบ จำลองการสั่ น สะเทื อ นของยางรองแท่ น เครื่ อ ง เบื้องต้น ได้ดังแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 แบบจำลองอย่างง่ายของยางรองแท่น เครื่อง

สมการการเคลื่ อ นที่ ข องยางรองแท่ น เครื่องสามารถอธิบายได้ ในฟังก์ชันถ่ายโอนในรูป แบบของโดเมนเวลาดังนี้

(1)

63

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

W=W (I1, I2, I3)

(3) (4)

โดยที่ λ1, λ2, λ3 เป็นค่าระยะการยืดใน

แนวแกนหลัก x, y, z สำหรับวัสดุไอโซโทรปิก ภาพที่ 4 ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ยางรองแท่นเครื่อง

แบบจำลองทางคณิ ต ศาสตร์ ข องฟั ง ก์ ชั น

2.2 แบบจำลองวัสดุ พลังงานความเครียด ที่สามารถใช้อธิบายพฤติกรรม

การศึกษาในงานวิจัยนี้กำหนดให้วัสดุยาง เชิงกลของวัสดุยาง ได้คือ แบบจำลองอ็อกเดน เป็นวัสดุไอโซโทรปิกไม่สามารถอัดตัวได้ และมีคุณ- (ogden model) สมบัติวิสโคไฮเปอร์อิลาสติก ซึ่งมีพฤติกรรมเป็น 2 แบบ คือ สมบัติไฮเปอร์อิลาสติก (hyperelasti(5) city) และสมบัติวิสโคอิลาสติก (viscoelasticity)

2.2.1 สมบัติไฮเปอร์อิลาสติก

ในการวิ เ คราะห์ วั ส ดุ ป ระเภทยาง โดยที่ และ

แบบจำลองของวัสดุจะแตกต่างจากฟังก์ชันพลัง งานความเครียดทั่วไปเพราะยางมีสมบัติที่ ไ ม่ขึ้น (6) อยู่กับเวลา [2] ซึ่งต้องการหาความสัมพันธ์ของ

ความเค้นและความเครียด เพื่อใช้อธิบายพฤติ-

กรรมการยืดหยุ่นแบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear โดยที่ µ และ α เป็ น ค่ า สั ม ประสิ ท ธิ ์ elastic deformation) ของยาง ซึ่งเขียนอยู่ ใน

รูปฟังก์ชันพลังงานความเครียด (stain energy ของแบบจำลองที่ ได้จากการ curve fitting จาก function, W) เป็นฟังก์ชันของสเตรนอินวาเรียนท์ โปรแกรม marc mentat 2005r1

2.2.2 สมบัติวิสโคอิลาสติก (Visco(strain invariants) elasticity)

พฤติกรรมวิสโคอิลาสติก เมื่อมีแรง

W=W (λ1, λ2, λ3)

(2) กระทำต่อโซ่ โ มเลกุลจะยืดตัวอย่างช้า ๆ จนถึง

พลั ง งานความเครี ย ด W เป็ น ฟั ง ก์ ชั น สภาวะที่ โซ่ โมเลกุลทุกโซ่ตอบสนองต่อแรงกระทำ อย่างสมบูรณ์ และเมื่อกำจัดแรงกระทำออก โซ่ ของสเตรนอินวาเรียนท์ (strain invariants) 64

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

โมเลกุ ล จะค่ อ ย ๆ เรี ย งตั ว สู่ ช่ อ งว่ า งและความ เครียดจะลดลงสู่สภาวะใกล้เคียงเดิมเท่านั้น แต่จะ ไม่สามารถกลับคืนอย่างสมบูรณ์เหมือนก่อนที่จะมี แรงมากระทำ ลักษณะนี้เรียกว่า คุณสมบัติวิสโคอิลาสติก (Viscoelasticity) [3]

- การคลายความเค้น (Stress Relaxation)

การทำนายพฤติกรรมของวิสโคอิลาสติก ซึ่งสามารถกำหนดฟังก์ชันโมดูลัสการคลายความ เค้นให้อยู่ ในรูปสมการอนุกรมโพรนี่ (Prony Series Function) ซึ่งมีความสัมพันธ์ดังนี้ [4]

(7)

โดยที่ g(t) คือ โมดูลัสการผ่อนคลายความเค้นที่

ขึ้นอยู่กับเวลาในเทอมของอนุกรม

โพรนี่ τi คือ เวลาการคลายตัว (Relaxation

Time) gi คือ Nondimensional Multiplier

โดยอั ต ราส่ ว นการคลายความเค้ น ของ โมดูลัสที่ขึ้นอยู่กับเวลา

(8)

โมดู ลั ส การคลายความเค้ น ที่ ขึ้ น อยู่ กั บ เวลา (9)

โดยที่

τi คือ โมดูลัสผ่อนคลายความเค้นที่ขึ้น

อยู่กับเวลา

E0 คือ โมดูลัสการผ่อนคลายความเค้น

ที่มีค่าสูงสุด (t = 0)

σ(t) คือ ความเค้นที่ขึ้นอยู่กับเวลา

ε คือ ความเครียด

3. วิธีการ

3.1 การทดสอบหาคุณสมบัติของวัสดุยาง และการหาค่าคงที่ของวัสดุ

การทดสอบเพื่ อ หาคุ ณ สมบั ติ ข องยาง แบ่งออกเป็นการทดลองทั้งหมด 3 แบบ คือ การ ทดลองที่หนึ่งเป็นการทดลองการดึงในแนวแกน เดียว การทดลองที่สอง คือการทดสอบการคลาย ความเค้น (Stress Relaxation) การทดลองที่สาม คือ การทดสอบสมบัติเชิงกลพลวัต (Dynamics Mechanical Analysis) [5]

3.2 คุณสมบัติวัสดุไฮเปอร์อิลาสติก

ได้จากการทดสอบการดึงในแนวแกนเดียว (Uniaxial Tensile Test) ทดลองด้ ว ยเครื่ อ ง ทดสอบแรงดึง Universal Testing Machine ชิ้น ทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D 412 โดยดึ ง

ด้วยความเครียดเท่ากับ 100% ทำการดึงทั้งหมด 7 ครั้ง เพื่อกำจัดผลกระทบของมูลลิน (Mullins Effect) ซึ่งผลการทดลองที่นำไปใช้ คือการดึง ครั้งที่ 6 ผลการทดลองแสดงดังภาพที่ 5-6

ค่ า ที่ ต้ อ งการนำไปใช้ ในการหาค่ า คงที่ ของวัสดุไฮเปอร์อิลาสติกนั้นต้องใช้ค่าที่ ได้จากการ ทดสอบ 3 แบบ คือ การทดสอบยางแบบการดึง ในแนวแกนเดียว (Uniaxial Testing) การดึงแบบ เท่ากันในสองแนวแกน (Biaxial Testing) และ 65

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

คำนวณหาค่ า โมดู ลั ส ความยื ด หยุ่ น นั้ น เพื่อต้องการนำไปใช้คำนวณหาค่าความเค้นจริง ของการดึงในแนวแกนเดียวได้จากสมการที่ 10 คำนวณหาค่ า โมดู ลั ส ความยื ด หยุ่ น มี ค่ า เท่ า กั บ 3.0629 MPa

(10)

ภาพที่ 5 ผลกระทบของมูนลินต่อการทดสอบการ

ดึง โดยที่

ภาพที่ 6 ผลการทดสอบการดึงครั้งที่ 1 และครั้ง ที่ 6 การดึงแบบความกว้างคงที่ (Planar Shear Testing) แต่เนื่องจากข้อจำกัดเครื่องมือในการทดสอบวัสดุ ยางนั้น สามารถทำการทดสอบยางการดึงในแนว แกนเดียว (Uniaxial Testing) ได้เพียงอย่างเดียว จึงนำวิธีการอัตราส่วนปัวส์ซองมาประยุกต์ ใช้

โดยนำข้อมูลการทดสอบยางแบบการดึง ในแนวแกนเดียว เพื่อไปทำนายพฤติกรรมเชิงกล ของยางในการดึงแบบเท่ากันในสองแนวแกน และ การดึ ง แบบความกว้ า งคงที่ แต่ มี เ งื่ อ นไขว่ า จะ สามารถประยุกต์ ใช้วิธีการอัตราส่วนปัวส์ซอง ใน การทำนายข้อมูลของการทดสอบ ทั้ง 3 ลักษณะ ได้ต้องมีอัตราส่วนการยืดตัวน้อย ๆ (λ≤1.8) [6]

เมื่อ

(12)

N คือ จำนวนจุ ด ข้ อ มู ล ที่ ได้ จ ากการ

ทดสอบวัสดุ σUi คื อ ความเค้ น จริ ง ที่ ไ ด้ จ ากการทด-

สอบการดึ ง ในแนวแกนเดี ย ว

ค่าที่ i λUi คื อ อั ต ราส่ ว นการยื ด ที่ ไ ด้ จ ากการ

ทดสอบการดึงในแนวแกนเดียว

ค่าที่ i พิจารณาการดึงในแนวแกนเดียว

(13)

66

(11)

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

(14)

เมื่อ

สามารถนำไปใช้แปลงเป็นค่าความเค้นจริงและ λU คือ อั ต ราส่ ว นการยื ด ในแนวการ อัตราส่วนการยืดตามลำดับได้

ดึง σU คือ ความเค้ น จริ ง ในแนวการดึ ง

σU = σEng(εEng+1) (19) ของการดึงในแนวแกนเดียว λU = εEng+1

(20)

พิจารณาการดึงเท่ากันในสองแนวแกน เมื่อ

σEng คือ ความเค้ น วิ ศ วกรรมในแนว

(15) การดึง

εEng คือ ความเครียดวิศวกรรมในแนว

การดึง

(16)

เมื่อ

λB คือ อั ต ราส่ ว นการยื ด ในแนวการ

ดึง

σU คือ ความเค้ น จริ ง ในแนวการ

ดึ ง ของการดึ ง เท่ า กั น ในสอง

แนวแกน

พิจารณาการดึงแบบความกว้างคงที่

(17)

(18)

เมื่อ

λs คือ อัตราส่วนการยืดในแนวการดึง

σU คือ ความเค้ น จริ ง ในแนวการดึ ง

ของการดึ ง แบบความกว้ า ง

คงที่

ข้อมูลที่ ได้จากการทดสอบและนำไปใช้คือ ค่าความเค้นวิศวกรรม (Engineering Stress) และ ค่าความเครียดวิศวกรรม (Engineering Strain)

ภาพที่ 7 เปรียบเทียบค่าความเค้นจริงจากการ ทดสอบการดึงในแนวแกนเดียว กับค่าความเค้น จริงที่ ได้จากวิธีอัตราส่วนปัวส์ซอง

จากภาพที่ 7 การเปรียบเทียบค่าความ เค้นจริงจากการทดสอบการดึงในแนวแกนเดียว กับค่าความเค้นจริงที่ ได้จากวิธีอัตราส่วนปัวส์ซอง ซึ่งคำนวณจากสมการที่ 14 จากภาพสามารถสรุป ได้ ว่ า วิ ธี ก ารอั ต ราส่ ว นปั ว ส์ ซ องสามารถทำนาย การทดสอบการดึงในแนวแกนเดียวได้ดี ดังนั้นเรา จึงสามารถทำนายผลการทดสอบวัสดุยางอีก 2 แบบ ได้ต่อไป แสดงดังภาพที่ 8 67

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์ฟังก์ชันพลังงานความ เครียดของแบบจำลองอ็อกเดน ซึ่งคำนวณได้จาก โปรแกรม Marc Mentat 2005r1

แบบจำลองอ็อกเดน (Ogden Model) เมื่อ N=2 EXPONENTS, α MODULI, μ 0.293486 2.61084 7.46412 0.154376

ภาพที่ 8 เปรียบเทียบข้อมูลการทดสอบดึงยางทั้ง สามลักษณะ โดยใช้วิธีการอัตราส่วนปัวส์ซอง

จากภาพที่ 8 ค่าจากการดึงเท่ากันในสอง แนวแกน คำนวณจากสมการที่ 16 และค่าจาก การดึงแบบความกว้างคงที่ คำนวณจากสมการ

ที่ 18 จากนั้นนำค่าที่ ได้จากภาพที่ 8 เข้าไปใน โปรแกรมเพื่อทำการ Fit curve เพื่อให้ค่าคงที่ วั ส ดุ ไ ฮเปอร์ อิ ล าสติ ก ของยาง และเพื่ อ หาแบบ จำลองฟั ง ก์ ชั น พลั ง งานความเครี ย ดที่ ส ามารถ อธิบายพฤติกรรมของวัสดุยางได้แม่นยำที่สุด

3.2 คุณสมบัติวัสดุวิสโคอิลาสติก

การทดสอบการคลายความเค้น (Stress Relaxation) ทดลองด้วยเครื่องทดสอบแรงดึง ชิ้นทดสอบตามมาตรฐาน ASTM D 412 โดยดึง ความเครียดเท่ากับ 25% คงที่ความเครียดไว้เป็น เวลา 600 วินาที โดยดึงชิ้นทดสอบแล้วให้ระยะ ยืดคงที่ เพื่อต้องการหาค่าสัมประสิทธิ์อนุกรม-

โพรนี่ของวัสดุยาง

ภาพที่10 ผลการทดสอบการคลายความเค้นกับ เวลา ภาพที่ 9 ผลการทำนายการทดสอบการดึงทั้ง 3 แบบ โดยใช้แบบจำลองอ็อกเดน

การหาค่าสัมประสิทธิ์อนุกรมโพรนี่ สามารถ

หาค่าพารามิเตอร์ จากโปรแกรม Marc Mentat

68

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

2005r1 ช่วยในการหาค่าสัมประสิทธิ์ โดยการนำ ข้อมูลค่าความเค้นกับเวลา จากการทดสอบการ คลายความเค้น โดยการป้อนค่าเข้าไปในโปรแกรม Marc Mentat 2005r1 เพื่อหาค่าสัมประสิทธิ์การ คลายความเค้นที่ ใกล้เคียงกับพฤติกรรมการคลาย ความเค้ น มากที่ สุ ด ผลที่ ไ ด้ จ ากการหาค่ า สั ม ประสิ ท ธิ์ อ นุ ก รมโพรนี่ แสดงดังภาพที่ 11 สัม ประสิ ท ธิ์ อ นุ ก รมโพรนี่ แสดงในตารางที่ 2 ซึ่ ง จะแสดงค่ า สเป็ ค ตรั ม การผ่ อ นคลายความเค้ น อันดับ 3

4. แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์

แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของยางรอง แท่นเครื่องที่ทำการวิเคราะห์จะมีขนาดรูปร่างที่ ได้จากการออกแบบการทดลอง โดยเริ่มต้นทำการ ระบุปัจจัยที่เกี่ยวกับขนาดรูปร่างของผลิตภัณฑ์ ยางรองแท่ น เครื่ อ ง ปั จ จั ย ที่ มี ผ ลต่ อ ระยะช่ ว ง

การเคลื่อนที่ของแบบจำลองยางรองแท่นเครื่อง (ความสามารถในการดูดซับการสั่นสะเทือน) ซึ่งจะ พิ จ ารณาการเสี ย รู ป ของยางรองแท่ น เครื่ อ งใน ส่วนที่เป็นวัสดุยางเท่านั้น

ความกว้าง (A) คือ ความกว้างของก้อน เนื้อยางของยางรองแท่นเครื่อง หน่วย มิลลิเมตร

ความยาว (B) คือ ความยาวของก้อน เนื้อยางของยางรองแท่นเครื่อง หน่วย มิลลิเมตร

มุมเอียง (C) คือ มุมองศาเอียงของก้อน เนื้ อ ยางกั บ ฐานของยางรองแท่ น เครื่ อ ง หน่ ว ย องศา

ภาพที่ 11 เปรียบเทียบผลจากการทดสอบการ คลายความเค้นและผลที่ ได้จากการ fit curve

ตารางที่ 2 ค่าสเป็คตรัมการผ่อนคลายความเค้น

สเป็คตรัมของการผ่อนคลายความเค้น (Relaxation Spectrum) gi τi(sec) 0.0112521 10.4591 0.0127905 42.9802 0.0373549 316.604

ภาพที่ 12 ลั ก ษณะรู ป ร่ า งของยางรองแท่ น เครื่อง

69

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ยางรองแท่นเครื่องที่เราทำการศึกษา มี ขนาดเป็นทรงสี่เหลี่ยมที่มีความกว้าง 43 มิลลิเมตร ความยาว 60 มิลลิเมตร องศามุมเอียง 85 องศา และความสูง 45 มิลลิเมตร

4.1 การออกแบบการทดลองโดยใช้แผน การทดลองแบบ 23 แฟคทอเรียล

ในขั้นตอนนี้เป็นการคัดเลือกปัจจัยที่มีผล ต่อการสั่นสะเทือนของยางรองแท่นเครื่อง

ตารางที่ 3 แสดงระดับของปัจจัยต่าง ๆ สำหรับ แผนการทดลอง 23 แฟคทอเรียล

4.2 การสร้ า งแบบจำลองไฟไนต์ เ อลิ เมนต์ของยางรองแท่นเครื่อง

4.2.1 กำหนดการเคลื่อนที่ของยางรอง แท่นเครื่อง

ยางรองแท่ น เครื่ อ งที่ พิ จ าณาจะรั บ ภาระกระทำเต็มหน้าตัดกับยางรองแท่นเครื่องใน แนวตั้ ง ฉากกั บ ยางรองแท่ น เครื่ อ ง การกำหนด การเคลื่ อ นที่ ข องยางรองแท่ น เครื่ อ ง กำหนดให้ เคลื่ อ นที่ ต ามภาระการกดที่ แ รงมากระทำ [7]

ด้ ว ยแรง 1,200 นิ ว ตั น โดยเคลื่ อ นที่ เ ป็ น แบบ Sinusoidal ซึ่งเป็นแรงที่อ้างอิงจากการทำงาน จริ ง ของเครื่ อ งยนต์ โดยจะทำการวิ เ คราะห์ ที่ ระดับของปัจจัย ความถี่ 3 ระดับ คือ 20 35 และ 50 เฮิร์ตซ์ ซึ่ง ปัจจัยควบคุม หน่วย ระดับต่ำ (-1) ระดับสูง (+1) จะพิ จ ารณาจากการสั่ น สะเทื อ นที่ เ กิ ด จากการ 58 43 ความกว้าง (A) มิลลิเมตร ทำงานของเครื่องยนต์ คือรอบของเครื่องยนต์ 60 73 มิลลิเมตร ความยาว (B)

- ระดับสูง 3,000 รอบ/นาที หรือ 50

70 90 องศามุมเอียง (C) องศา

เฮิร์ตซ์ หมายเหตุ ความสูงกำหนดให้คงที่ 45 มิลลิเมตร เนื่องจากเป็น - ระดับปกติ 2,100 รอบ/นาที หรือ 35

ข้อจำกัดด้านการติดตั้ง และระดับสูงของแต่ละปัจจัยพิจารณาจาก ขนาดที่สามารถผลิตได้ โดยมีเนื้อยางมากที่สุดที่สามารถติดประกบ เฮิร์ตซ์ กับแผ่นเหล็กได้

- ระดับเบา 1,200 รอบ/นาที หรือ 20

เฮิร์ตซ์

F(t) = Fosin(ωt)

(21)

F(t) = Fosin(ωt)

4.2.2 การกำหนดแบบจำลองวัสดุ

จากการหาแบบจำลองของวัสดุยางที่ เหมาะสม โดยจำลองให้ยางเป็นวัสดุแบบอัดตัวไม่ ได้และมีคุณสมบัติไอโซโทรปิค และแบบจำลอง วัสดุประเภทวิสโคไฮเปอร์อิลาสติก ดังนั้นต้อง ภาพที่ 13 รูปร่างของแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ กำหนดค่ า สั ม ประสิ ท ธิ์ ข องวั ส ดุ ย างดั ง แสดงใน ของยางรองแท่นเครื่อง ตารางที่ 1 และ 2 ส่วนแผ่นเหล็กนั้นกำหนดให้ 70

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

เป็นวัสดุที่มีความแข็งมาก ๆ (Rigid Body) จึง กำหนดให้เป็น Surface มีการสัมผัสกับเนื้อยาง เป็นการสัมผัสแบบยึดติดกัน (Glued Contact)

ภาพที่ 16 กราฟแสดงค่ า ระยะการเคลื่ อ นที่ ของแบบจำลองยางรองแท่ น เครื่ อ งที่ ร ะดั บ การ ภาพที่ 14 ตัวอย่างขนาดรูปร่างของแบบจำลอง สั่นสะเทือน 35 เฮิร์ตซ์ ยางรองแท่นเครื่อง

เมื่อทำการวิเคราะห์ผลจากไฟไนต์เอลิเมนต์ แ ล้ ว จะนำผลที่ ไ ด้ จ ากโปรแกรม MSC. Marc Mentat 2005r1 มาทำการวิเคราะห์ต่อไป โดยใช้ ห ลั ก การออกแบบการทดลอง และค่ า ที่

เรานำมาพิจารณา คือ ค่าระยะการเคลื่อนที่ของ

แบบจำลองยางรองแท่ น ในส่ ว นที่ เ ป็ น Bottom Surface จะเป็นระยะการเคลื่อนที่ที่ส่งผ่านไปยัง ภาพที่ 17 กราฟแสดงค่ า ระยะการเคลื่ อ นที่ โครงสร้างของรถยนต์ ซึ่งมีค่าน้อย ๆ จะเป็นผลดี ของแบบจำลองยางรองแท่ น เครื่ อ งที่ ร ะดั บ การ สั่นสะเทือน 50 เฮิร์ตซ์

วิ เ คราะห์ โ ดยใช้ วิ ธี ก ารตรวจสอบด้ ว ย กราฟ การพล็อตความน่าจะเป็นแบบปกติของค่า ประมาณของผล (Normal Probability Plot of The Effect) แทนการวิเคราะห์ความแปรปรวน (ANOVA) แสดงดังภาพที่ 18 วิเคราะห์ โดยกราฟ ผลกระทบอันตรกิริยา (Interaction Plot) ที่เกิด ภาพที่ 15 กราฟแสดงค่าระยะการเคลื่อนที่ของ ขึ้น เพื่อเป็นการยืนยันว่าปัจจัยใดมีผลต่อการดูด แบบจำลองยางรองแท่ น เครื่ อ ง ที่ ร ะดั บ การ ซับการสั่นสะเทือน โดยเราจะทำการวิเคราะห์ที่ สั่นสะเทือน 20 เฮิร์ตซ์ ความถี่ 3 ระดับ 71

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ตารางที่ 4 แสดงผลการวิเคราะห์ขนาดของยางรองแท่นเครื่องที่ ได้จากแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ A B C -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1

-1 -1 +1 +1 -1 -1 +1 +1

-1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1

ความกว้าง ความยาว องศามุมเอียง ช่วงการเคลื่อนที่ ช่วงการเคลื่อนที่ ช่วงการเคลื่อนที่ (A) (B) (C) ความถี่ 20 เฮิร์ตซ์ ความถี่ 35 เฮิร์ตซ์ ความถี่ 50 เฮิร์ตซ์ 43 60 70 1.202564 1.219655 1.207688 58 60 70 2.196127 2.199694 2.200469 43 73 70 1.029405 1.030964 1.031405 58 73 70 1.76139 1.764839 1.764842 43 60 90 0.749171 0.751336 0.751604 58 60 90 0.398816 0.399555 0.399556 43 73 90 0.492558 0.493443 0.493445 58 73 90 0.379704 0.380425 0.380426

หมายเหตุ ความสูงกำหนดให้คงที่ 45 มิลลิเมตร

จากกราฟความน่าจะเป็นแบบปกติของ ผลกระทบภาพที่ 18 พบว่าผลกระทบของปัจจัย หลั ก C และผลกระทบของอั น ตรกิ ริ ย า AC มี

ผลต่ อ ผลตอบสนองของช่ ว งการเคลื่ อ นที่ ข อง

แบบจำลอง ซึ่งผลจะเป็นไปในทิศทางเดียวกันทั้ง ความถี่ 3 ระดับ

ตรวจสอบอันตรกิริยาที่เกิดขึ้น เนื่องจาก อันตรกิริยา AC มีผลอย่างมีนัยสำคัญ และจาก ภาพที่ 18 การพล็อตกราฟความน่าจะเป็นแบบ การพิจารณาภาพที่ 19 กราฟผลกระทบของอันตรปกติของผลกระทบ กิริยาระหว่างความกว้างและองศามุมเอียง สามารถ สรุปได้ว่าการกำหนดค่าที่ความกว้างอยู่ที่ระดับสูง A เท่ากับ 58 มิลลิเมตร และองศามุมเอียงอยู่ที่ ระดับสูง C เท่ากับ 90 องศา จะทำให้ช่วงการ เคลื่อนที่ของแบบจำลองน้อยที่สุด

4.3 ค่าความแข็งแกร่งของแบบจำลอง ยางรองแท่นเครื่อง

โดยจะทำการวิเคราะห์ค่าความแข็งแกร่ง (Stiffness) ของแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ของ ยางรองแท่นเครื่อง โดยกำหนดให้แรงมากระทำ ภาพที่ 19 กราฟผลกระทบของอั น ตรกิ ริ ย า ต่ อ แบบจำลองยางรองแท่ น เครื่ อ งมี ค่ า 100– ระหว่างความกว้างและองศามุมเอียง 1,200 นิวตัน โดยแรงกระทำแบบคงที่ (Static Load) จากสมการการเคลื่อนที่ สมการ (1) 72

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ความยาวที่ B ระดับสูง เท่ากับ 73 มิลลิเ มตร และองศามุ ม เอี ย งอยู่ ที่ ร ะดั บ สู ง C เท่ า กั บ 90 องศา มีค่าความแข็งแกร่งเท่ากับ 421.87 นิวตัน/ มิลลิเมตร

5. สรุปผล

จากการจำลองการสั่นสะเทือนของยาง รองแท่ น เครื่ อ งด้ ว ยวิ ธี ไ ฟไนต์ เ อลิ เ มนต์ เพื่ อ พิจารณาการดูดซับการสั่นสะเทือนจากระยะช่วง การเคลื่อนที่ของยางรองแท่นเครื่อง เมื่อวิเคราะห์ จากการออกแบบการทดลองแบบ 23 แฟคทอ-

เรียล จะสามารถสรุปได้ว่าขนาดของยางรองแท่น เครื่องที่การกำหนดค่าที่ความกว้างอยู่ที่ระดับสูง A เท่ากับ 58 มิลลิเมตร ความยาวที่ B ระดับสูง เท่ า กั บ 73 มิ ล ลิ เ มตร และองศามุ ม เอี ย งอยู่ ที่

(23) ระดับสูง C เท่ากับ 90 องศา จะทำให้ช่วงการ

เคลื่อนที่ของแบบจำลองน้อยที่สุด 0.38 มิลลิเมตร

จากตารางค่าความแข็งแกร่งที่มีค่ามาก ซึ่ ง มี ค วามสามารถในการดู ด ซั บ การสั่ น สะเทื อ น ที่สุดนั้นคือ แบบจำลองยางรองแท่นเครื่องขนาด มากที่สุด และมีค่าความแข็งแกร่ง เท่ากับ 421.87 ความกว้างอยู่ที่ระดับสูง A เท่ากับ 58 มิลลิเมตร นิวตัน/มิลลิเมตร

ทำการวั ด ระยะการเคลื่ อ นที่ ที่ ส ภาวะ Steady State คื อ วั ด ที่ ร ะยะสุ ด ท้ า ยของการ เคลื่อนที่ขณะหยุดนิ่งแล้ว คือ สภาวะที่ และ

มีค่าเท่ากับ 0

(22)

ซึ่ ง ค่ า ที่ ได้ จ ะสามารถคำนวณได้ จ าก สมการ F = KX โดยค่าความแข็งแกร่งของแต่

ละแบบจำลองนั้ น [2] สามารถหาได้ โดยการ พิจารณาจากสมการการถดถอยที่ ได้จากกราฟ ซึ่ง ค่าความแข็งแกร่ง คือค่าความชันของกราฟ

ตารางที่ 5 แสดงค่าการวิเคราะห์ความแข็งแกร่งของแบบจำลองยางรองแท่นเครื่อง ความกว้าง (A) 43 58 43 58 43 58 43 58

ความยาว (B) 60 60 73 73 60 60 73 73

องศามุมเอียง (C) 70 70 70 70 90 90 90 90

ค่าความแข็งแกร่ง (Stiffness) (นิวตัน/มิลลิเมตร) 213.17 287.15 270.94 375.63 246.04 339.12 303.83 421.87

73

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

6. กิตติกรรมประกาศ

งานวิจัยนี้ ได้รับทุนสนับสนุนงานวิจัยจาก ทุ น อุ ด หนุ น วิ จั ย มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ ประจำปี 2552

เอกสารอ้างอิง [1] Y. Yu, N. G. Naganathan and R. V. Dukkipati., 2001, A literature review of automotive vehicle engine mounting systems, Mechanism and Machine Theory 36 :123 – 142.

[2] Japanese Standards Association.

2001. Testing methods for rubber vibration isolators. มอก. JIS K 6385.

[3] Ferry, J. D. Viscoelastic Properties of Polymers. 3rd ed. UK : John Wiley & Sons,1980.

74

[4] M a r c 2 0 0 7 r 1 U s e r ’ s G u i d e .

MSC.Software Corporation; 2007 [5] พงษ์ ธ ร แซ่ อุ ย และ ชาคริ ต สิ ริ สิ ง ห 2550, ยาง: กระบวนการผลิตและการ ทดสอบ, ศู น ย์ เ ทคโนโลยี แ ละวั ส ดุ แ ห่ ง ชาติ (เอ็ ม เทค). บริ ษั ท ซี เ อ็ ด ยู เ คชั่ น จำกัด.

[6] Turner, D. M. and M. Brennan., 1990, “The Multiaxial Behaviour of Rubber.” Plastics and Rubber Processing and Applications.

No.14: pp. 183 -188.

[7] Kim, W.D., H.J. Lee, J.Y. Kim and S.K. Koh., 2004, Fatigue life estimation of an engine rubber mount. International Journal of Fatigue 26 : 553-560.

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

คุ ณ สมบั ติ ด้ า นความคงทน และความแข็งแรงของวัสดุชั้นพื้นทาง ที่ปรับปรุงด้วยซีเมนต์ Durability and Strength of Cement-Treated Base Highway Materials วสันต์ ปั้นสังข์ 1 บารเมศ วรรธนะภูติ 2 กฤษณะ เพ็ญสมบูรณ์ 3 จิรโรจน์ ศุกลรัตน์ 4

บทคัดย่อ

วัสดุพื้นทางที่ปรับปรุงด้วยซีเ มนต์ ได้ถูก นำมาใช้มากขึ้น เพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนวัสดุ แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นของการใช้วัสดุประเภทนี้คือการ แตกร้ า วที่ ผิ ว ทาง สาเหตุ ห นึ่ ง เนื่ อ งมาจากการ ละเลยสมบั ติ ด้ า นกายภาพของวั ส ดุ และ ประสิทธิภาพในการควบคุมคุณภาพงานระหว่าง การก่ อ สร้ า ง ดั ง นั้ น การวิ จั ย นี้ ได้ ท ำการศึ ก ษา ปริมาณซีเมนต์ที่เหมาะสมในการใช้ปรับปรุงวัสดุ ชั้นพื้นทาง สำหรับหินคลุกและดิน จาก 6 แหล่ง

วัสดุในประเทศไทย วัสดุตัวอย่างถูกนำมาทดสอบ ในด้านกำลังรับน้ำหนักบรรทุกรวมทั้งความคงทน ของวั ส ดุ ใ นห้ อ งปฏิ บั ติ ก าร ซึ่ ง อั ต ราส่ ว นของ ซีเมนต์อยู่ ในช่วง 1-8% โดยน้ำหนัก ผลการวิจัย ทำให้สามารถสร้างความสัมพันธ์ระหว่างค่าความ คงทนกับค่ากำลังรับแรงอัดของวัสดุขึ้นมาใช้เป็น เกณฑ์ ในการเลือกปริมาณซีเ มนต์ที่เหมาะสมใน การออกแบบส่วนผสมของดินซีเมนต์ ให้กำลังรับ น้ำหนักที่เพียงพอและทนทานต่อสภาวะการใช้งาน

1

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน อาจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 3 วิศวกรโยธาปฏิบัติการ กองทางหลวงพิเศษระหว่างเมือง กรมทางหลวง 4 วิศวกรโยธาปฏิบัติการ สำนักวิจัยและพัฒนางานทาง กรมทางหลวง 2

75

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

อี ก ทั้ ง ยั ง สามารถใช้ เ ป็ น เกณฑ์ ใ นการเลื อ กวั ส ดุ ที่ เหมาะสมได้อีกด้วย

คำสำคัญ : ดินซีเมนต์ ปรับปรุงคุณภาพดิน ความคงทน วัสดุงานทาง

Abstract

Cement-treated base and sub-base materials are being utilized increasingly due to a lack of good quality materials.

However, in some cases, alligator cracks are found on the highway pavement underneath the cement-treated base and sub-base layers after the highway has been in use for a few years. The damage could be due to the low physical properties of the construction materials or poor quality control during construction. This research investigates the influence of cement contents on compressive strength and durability of cement-treated base and subbase materials.

The tested materials, including crushed rock and soil aggregates, were obtained from 6 major extraction and storage areas in Thailand. The cement content used in the research ranges from 1 to 8 percent by weight. The compressibility and durability properties were determined in laboratory tests. An Empirical relationship between compressive strength and durability properties is developed. A cement content determination chart is established 76

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

for different traffic load designs in which unconfined compressive strength and percentage of weight loss are controlled.

Keywords : soil cement, cementtreated base, urability, highway material

1. บทนำ

ในการก่อสร้างงานทางนั้นจำเป็นต้องใช้ วั ส ดุ ที่ มี ม าตรฐานและคุ ณ สมบั ติ ต รงตามข้ อ กำหนดงานทาง ซึ่งในปัจจุบันวัสดุโครงสร้างทาง ที่มีคุณภาพตามข้อกำหนดในแต่ละภูมิภาคนั้นเริ่ม ขาดแคลน และต้องมีการขนส่งวัสดุจากภูมิภาค อื่นมาใช้ ในการก่อสร้างและซ่อมแซมทางในพื้นที่ ดังกล่าว ทำให้เป็นการเพิ่มต้นทุนในการก่อสร้าง และการขนส่งยังมีผลกระทบต่อการเสื่อมสภาพ ของชั้นทางโดยตรง และก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่ง แวดล้อมอีกด้วย ดังนั้นการนำวัสดุท้องถิ่นมาใช้ โดยการปรับปรุงคุณสมบัติทางวิศวกรรมให้ดีขึ้น สามารถช่ ว ยลดต้ น ทุ น การก่ อ สร้ า ง ลดปั ญ หา ความเสียหายของโครงสร้างทางและผลกระทบ ต่ อ สิ่ ง แวดล้ อ มได้ สำหรั บ ประเทศนั้ น กรม ทางหลวงได้นำเทคนิคการปรับปรุงคุณภาพวัสดุ งานทางด้วยซีเมนต์มาใช้เป็นระยะเวลานานกว่า 30 ปี สำหรับงานชั้นพื้นทาง (base) และรองพื้น ทาง (subbase) และในปัจจุบันได้เริ่มนำวัสดุชั้น พื้นทางเดิมกลับมาใช้ โดยการกัดพื้นทางเดิมแล้ว ผสมด้ ว ยซี เ มนต์ หรื อ ที่ เ รี ย กว่ า pavement recycling เพื่อแก้ปัญหาการขาดแคลนวัสดุดัง กล่าว อย่างไรก็ตามการก่อสร้างทางโดยใช้วัสดุ ปรับปรุงคุณภาพโดยผสมซีเมนต์ ในบางสายทาง เกิดการแตกร้าวบนผิวทางเมื่อเปิดการจราจรได้ ไม่นานดังแสดงในภาพที่ 1 ซึ่งสาเหตุอาจเกิด

จากการใช้ปริมาณซีเมนต์ที่ ไม่เหมาะสม ประสิทธิภาพของการควบคุ ม งานและคุ ณ ภาพของวั ส ดุ ในขณะก่อสร้าง ความแข็งแรง และความคงทน รวมทั้งวิธีการออกแบบโครงสร้างทางสำหรับดิน ซีเมนต์

2. การปรั บ ปรุ ง โครงสร้ า งพื้ น ทางโดย ซีเมนต์

เทคนิ ค การปรั บ ปรุ ง วั ส ดุ พื้ น ทาง ด้ ว ย ซีเมนต์ถูกพัฒนาขึ้นในประเทศสหรัฐอเมริกาเมื่อปี พ.ศ. 2463 ซึ่งโครงสร้างพื้นทางที่ผสมซีเมนต์นั้น สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการรับน้ำหนักจราจร ลดปัญหาการแตกร้าวแบบหนังจระเข้บนผิวทาง เนื่องจากความล้าของชั้นทาง ลดการแอ่นตัวและ การกะเทาะล่อนหลุดของผิวแอสฟัลต์ และเพิ่ม ประสิ ท ธิ ภ าพของชั้ น ทางในสภาวะเปี ย กชื้ น ได้ สำหรั บ ในประเทศไทยนั้ น ได้ น ำเทคนิ ค การ ปรับปรุงวัสดุพื้นทางด้วยซีเมนต์มาใช้ครั้งแรกใน การก่ อ สร้ า งทางสาย วาริ ณ ชำราบ-เดชอุ ด ม จังหวัดอุบลราชธานี มีระยะทางรวม 15 กิโลเมตร เมื่ อ ปี พ.ศ. 2508 และได้ น ำมาใช้ ใ นพื้ น ที่ ภ าค

ตะวันออกเฉียงเหนือ อีกหลายเส้นทาง รวมระยะ ทางมากกว่า 1,400 กิโลเมตร [1]

ปั จ จั ย ที่ มี ผ ลต่ อ คุ ณ สมบั ติ ก ำลั ง ต้ า น แรงอั ด ของดิ น ผสมซี เ มนต์ ได้ แ ก่ ชนิ ด ของดิ น ปริ ม าณซี เ มนต์ ปริ ม าณความชื้ น กระบวนการ ผสมและการบดอัด สภาวะสิ่งแวดล้อม ระยะเวลา การบ่ ม และการใช้ ส ารเคมี เ พิ่ ม เติ ม [2] โดย คุ ณ สมบั ติ ด้ า นกำลั ง รั บ แรงอั ด ของดิ น ซี เ มนต์ จะมี แ นวโน้ ม เพิ่ ม ขึ้ น เป็ น ลั ก ษณะเส้ น ตรง ตาม สั ด ส่ ว นการเพิ่ ม ขึ้ น ของปริ ม าณซี เ มนต์ ที่ ใ ช้ ใน การผสม ซึ่ ง อั ต ราการเพิ่ ม ขึ้ น ของกำลั ง จะขึ้ น อยู่กับชนิดดินที่ ใช้ผสม ทั้งนี้กำลังรับแรงอัดของ ดิ น ซี เ มนต์ จ ะเพิ่ ม ขึ้ น ตามระยะเวลาที่ ใ ช้ ใ นการ บ่ ม และอุ ณ หภู มิ ที่ ใ ช้ ใ นการบ่ ม ที่ เ พิ่ ม ขึ้ น จะทำ ให้กำลังต้านแรงอัดของดินซีเมนต์เพิ่มขึ้นเช่นกัน [3-6]

หน่วยงาน Department of Highway และ Portland Cement Association (PCA) ประเทศสหรัฐอเมริกาได้กำหนดมาตรฐานในการ ทดสอบเพื่อหาปริมาณซีเมนต์ที่เหมาะสม โดยวิธี moisture density test (ASTM D558/

ภาพที่ 1 ตัวอย่างการแตกร้าวของผิวทางที่ ใช้วัสดุผสมซีเมนต์เป็นชั้นพื้นทาง 77

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

AASHTO T134) wetting and drying test (ASTM D559/AASHTO T135) และ freeze and thaw test (ASTM D560/AASHTO T136) ร่ ว มกั บ การทดสอบการบดอั ด แบบ มาตรฐาน (standard proctor test) และการ ท ด ส อ บ ก ำ ลั ง รั บ แ ร ง อั ด ( u n c o n f i n e d compression test) ตามมาตรฐาน ASTM D1632 และ ASTM D1633 [7] อย่างไรก็ตาม มาตรฐานการทดสอบเพื่ อ หาปริ ม าณซี เ มนต์ ที่ เหมาะสมสำหรั บ วั ส ดุ พื้ น ทางในประเทศไทย กำหนดให้ทดสอบ unconfined compression test เนื่องจากการทดลองวิธีการดังกล่าว เป็นการ ทดสอบที่ง่ายและประหยัดเวลา ตามมาตรฐาน ทล.-ม. 203/2533 และมาตรฐาน ทล.-ม. 204/ 2533 สำหรับวัสดุพื้นทางหินคลุกผสมซีเมนต์และ วัสดุ​ุพื้นทางดินซีเมนต์ตามลำดับ

พื้ น ทางดิ น ซี เ มนต์ มั ก เกิ ด รอยแตกร้ า ว ขนาดเล็ก (micro cracks) ซึ่งรอยแตกในชั้นพื้น ทางจะสะท้อนขึ้นบนผิวทาง (reflective cracks) โดยหากปริมาณซีเมนต์ถูกใช้อย่างเหมาะสม ระยะ ห่างระหว่างรอยแตกร้าวมักเกิดขึ้นทุก ๆ 2.4-6 เมตร และรอยแตกมี ค วามกว้ า งน้ อ ยกว่ า 3 มิ ล ลิ เ มตร รอยแตกร้ า วขนาดเล็ ก นี้ จ ะไม่ มี ผ ล กระทบต่อการรับน้ำหนักของโครงสร้างพื้นทาง และน้ำมี โอกาสซึมลงในโครงสร้างพื้นทางได้น้อย การใช้ ป ริ ม าณซี เ มนต์ ม ากเกิ น ไปไม่ เ ป็ น ผลดี ต่ อ โครงสร้างทาง นอกจากจะเป็นการสิ้นเปลืองแล้ว ยั ง มี ผ ลโดยตรงต่ อ การแตกร้ า ว โดยปริ ม าณ ซีเมนต์ที่มากเกินไปในส่วนผสมทำให้ปริมาณของ น้ำที่ ใช้มากขึ้นในกระบวนการ Hydration ทำให้ เกิดโอกาสที่จะแตกร้าวมากขึ้นตามไปด้วย [7]

78

3. วัสดุอุปกรณ์และวิธีการดำเนินการศึกษา วิจัย

วัสดุที่ ใช้ ในการวิจัยนี้ประกอบด้วยวัสดุ หิ น คลุ ก (crushed rock) และวั ส ดุ ม วลรวม (soil aggregate) ซึ่ ง นำมาจากแหล่ ง วั ส ดุ ก่อสร้างพื้นทาง 6 แหล่ง ดังตารางที่ 1 ซีเมนต์ ที่ ใ ช้ ผ สมเป็ น ซี เ มนต์ ป อร์ ต แลนด์ ป ระเภทที่ 1 โดยปริมาณซีเมนต์ ใช้ที่ร้อยละ 1 2 3 และ 4 ต่อ น้ำหนักดินแห้ง สำหรับวัสดุหินคลุก จากจังหวัด กาญจนบุ รี นครราชสี ม า และอุ ต รดิ ต ถ์ และที่ ร้อยละ 2 4 6 และ 8 ต่อน้ำหนักดินแห้ง สำหรับ วัสดุมวลรวม จากจังหวัดเพชรบุรี ปราจีนบุรี และ เพชรบูรณ์

ตารางที่ 1 แหล่งวัสดุที่ ใช้ ในการวิจัย แหล่งวัสดุที่ วัสดุ แหล่งวัสดุ CR1 หินคลุก จังหวัดกาญจนบุรี CR2 หินคลุก จังหวัดนครราชสีมา CR3 หินคลุก จังหวัดอุตรดิตถ์ AG1 วัสดุมวลรวม จังหวัดเพชรบุรี AG2 วัสดุมวลรวม จังหวัดปราจีนบุรี AG3 วัสดุมวลรวม จังหวัดเพชรบูรณ์

การทดสอบในห้ อ งปฏิ บั ติ ก ารประกอบ ด้วย (1) การทดสอบหาดัชนีพื้นฐานทางวิศวกรรม ได้แก่ atterberg’s limit test, specific gravity test, sieve test, modified compaction test และ wave length dispersive X-ray fluorescence spectrometry test (2) การ ทดสอบสมบัติกำลังรับแรงอัดได้แก่ California

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

bearing ratio test, unconfined compression (Limestone) นครราชสีมา (CR2) มีส่วนประกอบ Test และ (3) การทดสอบสมบัติความคงทนได้แก่ หลักเป็นหินบะซอลต์ (Basalt) มีรูพรุนในเนื้อหิน slake durability test และ wetting and เห็ น ได้ อ ย่ า งชั ด เจน เพชรบู ร ณ์ (CR3) มี วั ส ดุ drying test ขั้นตอนและวิธีการทดสอบดำเนิน ประกอบด้ ว ยหิ น ปู น หิ น อั ค นี หิ น ไรโอไลต์ ตามมาตรฐาน กรมทางหลวง และ ASTM (Rhyolite) เพชรบุรี (AG1) มีส่วนประกอบหลักที่ standard เป็ น หิ น ตะกอนแล้ ว มี ต ะกอนดิ น เหนี ย วห่ อ หุ้ ม

ในการทดสอบ unconfined compres- ด้านนอก ปราจีนบุรี (AG2) มีหินทราย เป็นส่วน sion test, slake durability test และ wetting ประกอบ และยังมีหินศิลาแลง (Laterite) จับตัว and drying test ดินตัวอย่างถูกนำมาผสมกับ เป็นก้อนปะปน และเพชรบูรณ์ (AG3) มีหินโคลน ซีเมนต์และบดอัดโดยวิธี modified compaction (Mudstone) เป็ น ส่ ว นประกอบการกระจายตั ว test และบ่มเป็นเวลา 7 วัน ก่อนนำไปทดสอบหา ของเม็ดวัสดุทั้ง 6 แหล่ง แสดงในภาพที่ 2 คุณสมบัติกำลังรับแรงอัดและความคงทนนั้น ผล ของ slake durability test นั้นถูกนำมาหาค่า slake durability index (Id2) ดังสมการที่ (1) ผลของ wetting and drying test ถูกนำมาหา ค่าความหลุดร่อนของดินซีเมนต์ (weight loss, %) ดังสมการที่ (2)

Id2 = (W3/W1) x 100 (1) W1 = น้ำหนักของตัวอย่างเริ่มแรก W3 = น้ำหนักของตัวอย่างที่เหลือครั้งสุดท้าย ภาพที่ 2 ขนาดคละของวัสดุที่นำมาใช้ ในการ

วิจัย Weight Loss, % = (W1/W2) x 100 (2)

องค์ประกอบทางเคมีได้แสดงในตารางที่ W1 = น้ำหนักของดินซีเมนต์ที่สูญเสียไป (น้ำหนักตัวอย่างก่อนทำการทดลอง- 2 ซึ่งพบว่า แหล่งกาญจนบุรี (CR1) มีค่า CaO สู ง ที่ สุ ด เพราะเป็ น หิ น ปู น นครราชสี ม า (CR2) น้ำหนักหลังการทดลอง) เป็นหินที่มี Al2O3 สูงเนื่องจากเป็นหินบะซอลต์มี W2 = น้ำหนักเดิมก่อนทดลอง แร่แพลจิโอเคลส เฟลด์สปาร์เป็นส่วนประกอบ ซึ่ง

แร่ประกอบเหล่านี้ จะมีการเปลี่ยนแปลงกลาย

4. ผลการศึกษา เป็ น แร่ ดิ น เหนี ย ว ซึ่ ง อาจทำให้ เ กิ ด ปั ญ หาด้ า น

4.1 สมบัติพื้นฐานของวัสดุตัวอย่าง

ลั ก ษณะทางกายภาพของวั ส ดุ จ าก ความคงทนหากนำวั ส ดุ ม าใช้ ในระยะยาว กาญจนบุรี (CR1) มีส่วนประกอบหลักเป็นหินปูน อุตรดิตถ์ (CR3) มีค่า CaO น้อยกว่า กาญจนบุรี 79

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เพราะเป็นวัสดุที่มีหินหลายชนิดที่ต่างไป เพชรบุรี (AG1) ปราจีนบุรี (AG2) และเพชรบูรณ์ (AG3) มี ค่ า S i O 2 ม า ก ก ว่ า วั ส ดุ จ า ก ก า ญ จ น บุ รี นครราชสีมา และอุตรดิตถ์ ซึ่ง SiO2 แสดงถึงการ มีวัสดุที่เกิดมาจากทรายหรือผลึก quartz เล็ก ๆ ปะปนอยู่มาก นอกจากนี้วัสดุจากแหล่ง เพชรบุรี ปราจีนบุรี และเพชรบูรณ์ ยังมี Al2O3 ที่เป็นธาตุ ที่เป็นส่วนประกอบของดินเหนียวที่ ใกล้เคียงกับ วั ส ดุ ข อง นครราชสี ม า ซึ่ ง แสดงให้ เ ห็ น ถึ ง องค์ ประกอบแร่ดินเหนียวที่ปะปนอยู่ ในวัสดุ และมีผล ต่อค่าคุณสมบัติทางพลาสติกของวัสดุอีกด้วย

4.2 สมบั ติ ด้ า นวิ ศ วกรรมของวั ส ดุ ตัวอย่าง

คุ ณ สมบั ติ ท างวิ ศ วกรรมก่ อ นได้ รั บ การ ปรับปรุงด้วยซีเ มนต์ ได้แสดงดังตารางที่ 3 เมื่อ ทำการจำแนกวัสดุจากผลการทดสอบหาค่าดัชนี ทางวิศวกรรม โดยระบบ AASHTO พบว่า วัสดุ จากจั ง หวั ด กาญจนบุ รี เป็ น ชนิ ด A-2-4(0) นครราชสี ม าเป็ น ชนิด A-1-a(0) และอุตรดิตถ์ เป็ น ชนิ ด A-1-a(0) วั ส ดุ ม วลรวมจากจั ง หวั ด เพชรบุรีเป็นชนิด A-2-6(0) ปราจีนบุรีเป็นชนิด

A-1-b(0) และเพชรบูรณ์เป็นชนิด A-2-4(0) เมื่อ พิจารณาค่า CBR ที่ ได้จากการทดสอบพบว่าค่า CBR ของวัสดุหินคลุกมีค่ามากกว่า 80% ส่วนค่า CBR ของวัสดุมวลรวมมีค่าประมาณ 20-30% ซึ่ง ตามมาตรฐานกรมทางหลวงแล้ ว วั ส ดุ หิ น คลุ ก สามารถใช้เป็นพื้นทางได้ แต่วัสดุมวลรวมต้องใช้ เป็นชั้นรองพื้นทาง และเมื่อต้องการนำวัสดุมวล รวมเหล่ า นี้ ม าใช้ เ ป็ น ชั้ น พื้ น ทาง จำเป็ น ต้ อ ง ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์เพื่อให้ ได้กำลังรับแรง อัดตามต้องการ

4.3 สมบัติกำลังรับแรงอัด

การทดสอบกำลั ง รั บ แรงอั ด (unconfined compressive strength, qu) เพื่อหาค่า ปริมาณซีเ มนต์ที่เหมาะสมโดยค่ากำหนดสำหรับ วัสดุพื้นทางหินคลุกผสมซีเ มนต์มีค่า qu เท่ากับ 24.5 ksc ตามมาตรฐาน ทล.-ม. 203/2533 และ ค่าปริมาณซีเมนต์ที่เหมาะสมสำหรับวัสดุพื้นทาง ดินซีเ มนต์ต้องมีค่า qu เท่ากับ 17.5 ksc ตาม มาตรฐาน ทล.-ม. 204/2533 ซึ่งความสัมพันธ์ ระหว่างค่า qu และปริมาณซีเ มนต์ที่ ได้จากการ ทดสอบ unconfined compression test แสดง

ตารางที่ 2 แสดงปริมาณธาตุของวัสดุที่ผ่านการทดสอบด้วยวิธี X-ray

*โดยปริมาณธาตุหาโดยวิธี Theoretical Formulas, “Fundamental Parameter Calculations” ปริมาณธาตุที่วิเคราะห์ ได้คำนวณค่าให้ อยู่ ในรูป Oxide ของธาตุนั้นๆ 80

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ตารางที่ 3 ผลการทดสอบสมบัติของวัสดุ

ดังในภาพที่ 3 เมื่อพิจารณาตามมาตรฐานกรม ทางหลวง ปริ ม าณซี เ มนต์ ข องวั ส ดุ จ ากจั ง หวั ด กาญจนบุรี (CR1) นครราชสีมา (CR2) อุตรดิตถ์ (CR3) ต้องการปริมาณซีเ มนต์ที่ 2 .0 1.8 และ 2.3% ตามลำดั บ และวั ส ดุ จ ากจั ง หวั ด เพชรบุ รี (AG1) ปราจี น บุ รี (AG2) เพชรบู ร ณ์ (AG3) ต้ อ งการปริ ม าณซี เ มนต์ ที่ 3 .3 1.1 และ 3.0% ตามลำดับ

4.4 สมบัติด้านความคงทน

ผลการทดสอบความคงทนของวั ส ดุ ที่ ปรับปรุงด้วยซีเมนต์ โดย slake durability test แสดงในภาพที่ 4 ซึ่งพบว่าปริมาณซีเ มนต์ที่มาก ขึ้นมีผลในการเพิ่มค่าความคงทนของวัสดุ ทั้งนี้ วัสดุแต่ละประเภทมีความคงทนแตกต่างกันไปขึ้น อยู่กับความสามารถในการยึดจับตัวกันระหว่าง เม็ดดินกับซีเมนต์ที่ผสมเพิ่ม

ภาพที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างค่ากำลังรับแรงอัด ภาพที่ 4 ความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งค่ า slake durability index กับปริมาณซีเมนต์ กับปริมาณซีเมนต์

81

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

การทดสอบความคงทนโดยวิธี Wetting and Drying Test แสดงให้เห็นว่าค่าความหลุด ร่อนของวัสดุผสมซีเมนต์มีค่าน้อยลงตามปริมาณ ซีเมนต์ที่เพิ่มขึ้นแสดงได้ดังภาพที่ 5 โดยมีค่าอยู่ที่ ระดับประมาณ 20% เมื่อมีปริมาณซีเ มนต์ 1% และมี ค่ า น้ อ ยลงจนระดั บ ความหลุ ด ร่ อ นต่ ำ กว่ า 5% เมื่อปริมาณซีเมนต์สูงขึ้น

จากผลการทดสอบ wetting and drying test และ slake durability test วัสดุหิน คลุกและวั ส ดุ ม วลรวมทั้ง 6 แหล่ง สามารถนำ มาสร้างความสัมพันธ์ระหว่างค่า slake durability index (Id2) และ loss of weight ดังแสดง ในภาพที่ 6 ซึ่งมีแนวโน้มความสัมพันธ์เป็นเส้นตรง เมื่ อ % cement content มี ค่ า มากกว่ า 3% ยกเว้นหินคลุกจากนครราชสีมาซึ่งมีค่า loss of weight สูงและค่า Id2 ต่ำกว่าวัสดุจากแหล่งอื่น

4.5 ความสัมพันธ์ระหว่างความคงทนกับ กำลังรับแรงอัด

ในการพิ จ าณาเลื อ กปริ ม าณซี เ มนต์ ที่ เหมาะสม หากพิจารณาในด้านความคงทนเพิ่ม

เติ ม จะทำให้ ก ารเลื อ กใช้ ป ริ ม าณซี เ มนต์ มี ค วาม เหมาะสมกับตัววัสดุมากยิ่งขึ้น ภาพที่ 7 แสดง ความสัมพันธ์ระหว่างความคงทนและกำลังรับแรง อัด โดยตัวเลขที่กำกับบนสัญลักษณ์ของแต่ละจุด ในภาพแสดงถึงปริมาณซีเมนต์ที่ ใช้ ในการทดสอบ ของแหล่งวัสดุทั้ง 6 แหล่ง เมื่อมีการปรับปรุงด้วย ปริมาณซีเ มนต์ที่ต่างกับเส้นประในแนวดิ่งแสดง ค่า qu สำหรับดินผสมซีเ มนต์ และหินคลุกผสม ซี เ มนต์ ต้ อ งมี ค่ า มากกว่ า 17.5 และ 24.5 ksc ตามมาตรฐานกรมทางหลวง เส้นประในแนวนอน แสดงค่าความสึกหรอสำหรับการใช้ปรับปรุงวัสดุ ด้วยซีเ มนต์ ซึ่งแสดงรายละเอียดดังตารางที่ 4 ผลการศึกษาพบว่า วัสดุกาญจนบุรี (CR1) ต้องใช้ ปริมาณซีเมนต์ที่ 2% นครราชสีมา (CR2) ต้องใช้ ปริมาณซีเ มนต์ที่มากกว่า 3% อุตรดิตถ์ (CR3) ต้องใช้ปริมาณซีเ มนต์ที่ 2.3% เพชรบุรี (AG1) ต้องใช้ปริมาณซีเมนต์ที่ 3.3% ปราจีนบุรี (AG2) ต้องใช้ปริมาณซีเ มนต์ที่ 1 .1% และ เพชรบูรณ์ (AG3) ต้องใช้ปริมาณซีเ มนต์ที่ 3.0% เพื่อผ่าน เกณฑ์ดังกล่าว

ภาพที่ 5 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความหลุดร่อน ภาพที่ 6 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความสึกหรอกับ จากการทดสอบ wetting and drying test กับ slake durability index ของวัสดุที่ปรับปรุงด้วย ซีเมนต์ ปริมาณซีเมนต์ 82

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 7 ความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งความคงทนกั บ กำลังรับน้ำหนัก

ภาพที่ 8 แสดงการประยุ ก ต์ ใ ช้ ค วาม สั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งค่ า กำลั ง รั บ แรงอั ด และความ คงทนของวั ส ดุ ที่ ป รั บ ปรุ ง ด้ ว ยซี เ มนต์ ในการ ออกแบบพื้นทางตามลักษณะการใช้งานซึ่งแสดง ดังตารางที่ 5 พื้นที่แรเงา 1 และ 2 ซึ่งแสดงค่า กำลั ง รั บ แรงอั ด และ loss of weight ที่ ผ่ า น เกณฑ์มาตรฐานสำหรับ light traffic และ heavy traffic ตามลำดับ และจากผลการศึกษาพบว่า วัสดุแหล่งนครราชสีมา (CR2) ควรมีความสึกหรอ ไม่เกิน 14% ถึงจะมีความเหมาะสมกับการนำมา

ภาพที่ 8 การประยุกต์ ใช้ความสึกหรอกับกำลังรับ แรงอัดของวัสดุปรับปรุงด้วยซีเมนต์ ใช้ ง าน และถ้ า หากต้ อ งการให้ วั ส ดุ แ หล่ ง นครราชสีมา (CR2) มีความคงทนเหมาะสมกับ การนำมาใช้ ง านควรเพิ่ ม ปริ ม าณซี เ มนต์ ใ ห้ ม าก กว่า 3% แต่ ในด้านกำลังก็จะเพิ่มขึ้นมากขึ้นกว่า เกณฑ์ตามจากมาตรฐานกรมทางหลวง นอกจากนี้ ความสัมพันธ์ของผลการทดสอบค่ากำลังรับแรง อั ด และค่ า ความสึ ก หรอในภาพที่ 8 ยั ง ทำให้ สามารถกำหนดขอบเขตของการออกแบบเลือก ปริมาณซีเมนต์เบื้องต้นได้อีกด้วย

ตารางที่ 4 ค่าความสึกหรอมาตรฐานสำหรับการใช้การปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์ [8]

83

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ตารางที่ 5 เกณฑ์มาตรฐานต่าง ๆ ของดินซีเมนต์ [9]

6. บทสรุป (1) ค่า UCS ได้จากก้อนตัวอย่างที่ทำการบ่ม

1. ปัญหาที่เกิดขึ้นจากการก่อสร้างทาง เป็ น เวลา 7 วั น และค่ า กำลั ง ของก้ อ น

ตั ว อย่ า งแช่ น้ ำ ไม่ น้ อ ยกว่ า 20% ของ โดยใช้ วั ส ดุ ที่ ป รั บ ปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ด้ ว ยซี เ มนต์ คื อ การแตกร้าวที่ผิวทางเมื่อเปิดการจราจรได้ ไม่นาน ตัวอย่างไม่แช่น้ำ (2) ค่า CBR ที่ ได้จากตัวอย่างแช่น้ำเป็นเวลา ทั้งนี้สาเหตุหนึ่งเนื่องมาจากการละเลยคุณสมบัติ ด้านกายภาพของวัสดุและประสิทธิภาพในการ 4 วัน (3) การทดสอบความคงทนได้จากตัวอย่างที่ม ี ควบคุมคุณภาพงานระหว่างการก่อสร้าง ทำให้ แนวโน้ ม ว่ า น้ ำ จะสามารถซึ ม ผ่ า นได้ โดย เกิ ด การแตกร้ า วของชั้ น พื้ น ทาง (shrinkage เฉพาะอย่างยิ่งตัวอย่างที่มีปริมาณซีเ มนต์ crack) และเกิดการแตกสะท้อนขึ้นไปยังชั้นผิว ทาง (reflective cracks) สูง ต้องผ่านการทดสอบนี้ 2. การทดสอบความคงทนด้ ว ยวิ ธี (4) สำหรับตัวอย่างดินที่ ได้จากพื้นที่ที่มีการซึม

น้ำสูงในประเทศเขตร้อน ค่ากำลังที่สามารถ wetting and drying test เมื่อนำมาสร้างความ สั ม พั น ธ์ กั บ ค่ า กำลั ง รั บ แรงอั ด สามารถใช้ เ ป็ น ใช้ ได้ตามค่าน้อยที่กำหนด 84

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

เกณฑ์ ในการเลือกกำหนดปริมาณซีเมนต์ที่เหมาะ สมในการออกแบบส่วนผสมของดินซีเมนต์ โดยให้ กำลังรับน้ำหนักที่เพียงพอและทนทานต่อสภาวะ การใช้งาน อีกทั้งยังสามารถใช้เป็นเกณฑ์ ในการ เลือกวัสดุที่เหมาะสมได้

3. ตัวอย่างวัสดุจากจังหวัดนครราชสีมามี กำลั ง ในการรั บ แรงอั ด สู ง แต่ ค วามคงทนต่ อ การ สึกหรอต่ำ ดังนั้นวัสดุนี้อาจไม่เหมาะกับการใช้เป็น วัสดุพื้นทางดินซีเมนต์ โดยการปรับปรุงคุณสมบัติ ของวัสดุอาจใช้เทคนิคการปรับปรุงวิธีอื่น

4. การใช้งานถนนในแต่สายทางนั้นไม่เท่า กั น บางสายทางการจราจรไม่ ห นาแน่ น และรถ บรรทุกหนักใช้งานไม่มาก การออกแบบโครงสร้าง ถนนควรลดกำลั ง แบกทานของโครงสร้ า งลงให้ เหมาะสมกับการใช้งาน เมื่อปริมาณซีเมนต์ลดลง ปัญหาของการแตกร้าวก็จะลดลงไปได้

5. ผลของการทดสอบความคงทนด้วยวิธี การ slake durability test เป็นการทดสอบความ คงทนของวั ส ดุ ที่ มี ค วามรวดเร็ ว มากกว่ า การ ทดสอบ wetting and drying test โดยผลการ ทดสอบของวัสดุตัวอย่างทั้ง 6 แหล่งทำให้เห็นถึง แนวโน้มของความสัมพันธ์ที่อาจสร้างขึ้นมาได้แต่ ยั ง ไม่ ส ามารถนำมาใช้ ท ดแทนกั น ได้ ในตอนนี้ เนื่องจากยังต้องอาศัยปริมาณข้อมูลการทดสอบที่ เพียงพอจึงจะสามารถสร้างความสัมพันธ์ที่มีความ น่าเชื่อถือขึ้นมาได้

8. กิตติกรรมประกาศ

ในการศึกษาครั้งนี้ต้องขอขอบคุณสำนัก วิจัยและพัฒนางานทาง กรมทางหลวง ที่ ให้ความ อนุ เ คราะห์ ใช้ วั ส ดุ แ ละเครื่ อ งมื อ อุ ป กรณ์ ก าร ทดสอบ

9. เอกสารอ้างอิง [1] ธี ร ะชาติ รื่ น ไกรฤกษ์ และ สถิ ต ย์ พ งษ์ อภิ เ มธี ธ ำรง, 2543, “การวิ เ คราะห์ โครงสร้ า งถนนลาดยางที่ มี พื้ น ทางเป็ น Soil-Cement และรองพื้นทางเป็นวัสดุ มวลรวมภายใต้น้ำหนักรถบรรทุกปกติถึง หนั ก มาก” รายงาน ฉบั บ ที่ ว.พ. 176 ศู น ย์ วิ จั ย และพั ฒ นางานทาง กรม ทางหลวง กระทรวงคมนาคม, กรุงเทพฯ.

[2] ดิเรก ลาวัณย์ศิริ, 2540, “การนำวัสดุ ท้ อ งถิ่ น มาใช้ ในการก่ อ สร้ า งถนน.” เอกสารวิจัยส่วนบุคคล วิทยาลัยป้องกัน ราชอาณาจั ก ร, โรงพิ ม พ์ จุ ฬ าลงกรณ์ มหาวิทยาลัย, กรุงเทพฯ.

[3] Bell, F.G., 1993, “Engineering Treatment of Soils.” E&FN Spon, an imprint of Chapman&Hall, London, pp. 240-267.

[4] Felt, E.J., 1955, “Factor Influencing Physical Properties of Soil-Cement Mixture” Highway Research Board Bull.108, National Research Council, Washington, D.C.,U.S.A., pp. 138-163.

[5] M a r s h a l l , T . J . , 1 9 5 4 , “ S o m e Properties of Soil Treated with Portland Cement”, Symposium on Soil Stabilization, Australia, pp. 28-34.

[6] Ruenkrairergsa, Y., 1982, “A Research on Type of Soil for Stabilization Suitable for Cement 85

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

or lime”, Bangkok, Thailand, Manual, Vol. 2:Mixture Design pp. 20-25.

Considerations, FHWA Report [7] P C A , 2 0 0 3 , “ S o i l - C e m e n t IP 80-2, Washington D.C. Information”, www.cement.com. [9] Ingles, O.G. and Metcalf, J.B., [8] Terrel, R. L., Barenberg, E.J., 1972), “Soil Stabilization Principle Mitchell, J.M. and Thomson, and Practice”, Butterwor ths M.R., 1979, “Soil Stabilization in Pty. Limited, Sydny-MelbournePavement Structures”: A User’s Brisbane, Australia, p. 374.

86

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การศึกษาประเมินความแข็งแรงของวัสดุผิวทางเดิม ปรับปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ท างด้ า นวิ ศ วกรรม ด้ ว ยซี เ มนต์ ป อร์ ต แลนด์ บ ดอั ด แน่ น ในห้องปฏิบัติการด้วยเครื่องมือ Dynamic Cone Penetrometer Strength Assessment of Laboratory Compacted and Reclaimed Asphalt Pavement Stabilized with Portland Cement using a Dynamic Cone Penetrometer อาวุธ โพธิ์อุดม 1 ร.อ.พิพัฒน์ สอนวงษ์ 2 จุฑา สุนิตย์สกุล 3 อัคคพัฒน์ สว่างสุรีย์ 4

บทคัดย่อ

การศึกษานี้เพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่าง ผลทดสอบ unsoaked CBR, Dynamic Cone Penetrometer Penetration Index (DPI) และ Unconfined Compressive Strength (UCS) และหาคุณสมบัติด้านกายภาพของวัสดุโครงสร้าง ทางเดิม โดยทำการเก็บตัวอย่างผิวทางเดิมจาก ถนนสาย 2034 ตอนหน้ า พระลาน-บ้ า นครั ว จั ง หวั ด สระบุ รี โดยแบ่ ง ตั ว อย่ า งผิ ว ทางเดิ ม ออกเป็ น 2 ส่ ว นคื อ วั ส ดุ โ ครงสร้ า งทางเดิ ม 1

ประกอบด้วยตัวอย่างผิวทางเดิมผสมกับหินเกล็ด อัตราส่วน 1:1 โดยปริมาตร วัสดุโครงสร้างทาง เดิม 2 ประกอบด้วยตัวอย่างผิวทางเดิมผสมกับ หินคลุกอัตราส่วน 1:1 โดยปริมาตร โดยปรับปรุง คุณภาพด้วยซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ร้อยละ 2 4 6 8 และ 10 ของมวลรวมแห้ง ใช้ปริมาณน้ำที่ทำให้ วัสดุตัวอย่างมีความหนาแน่นสูงสุด (1.0*OMC) และปริ ม าณน้ ำ ที่ สู ง กว่ า ปริ ม าณน้ ำ ที่ ท ำให้ วั ส ดุ ตั ว อย่ า งมี ค วามหนาแน่ น สู ง สุ ด (1.25*OMC)

1

นิสิตปริญญาโท สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน รองศาสตราจารย์ ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ วิทยาเขตบางเขน 3 วิศวกรโยธาชำนาญการพิเศษ สำนักวิจัยและพัฒนางานทาง กรมทางหลวง 4 วิศวกรโยธาชำนาญการ สำนักวิจัยและพัฒนางานทาง กรมทางหลวง 2

87

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

พลั ง งานบดอั ด 277.50 ตั น /ลู ก บาศก์ เ มตร ท่ อ นเหล็ ก กลมตั น กด Unsoaked CBR ขนาด พื้นที่หน้าตัด 1 ตารางนิ้ว อายุ 2 และ 3 วัน จาก ผลงานวิ จั ย นี้ จ ะเป็ นการพัฒนาค่าความสัมพันธ์ ระหว่ า ง Unsoaked CBR, Dynamic Cone Penetrometer Penetration Index (DPI) และ Unconfined Compressive Strength (UCS) สามารถใช้เป็นแนวทางกำหนดค่า field CBR ใน สภาพจริงของชั้นทางงานถนน เพื่อใช้ ในงานตรวจ สอบวิเคราะห์และนำมาใช้สำหรับการควบคุมงาน และการออกแบบงานถนน

คำสำคัญ : ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์ ค่ า ความต้ า นทานการจม ค่ า การแบกทาน ค่ า กำลังรับแรงอัดแบบไม่ถูกจำกัด

Abstract

The purpose of this research was to determine the relationships between unsoaked CBR, Dynamic Cone Penetrometer Penetration Index (DPI), and Unconfined Compressive Strength (UCS), and to determine the physical properties of the old pavement. The reclaimed asphalt pavement materials come from highway number 2034 (Naphralan–Bankua Saraburi).

Two batches of specimens were prepared for laboratory testing. The first batch contained the mixture of the reclaimed asphalt pavement and granular rock at a 1:1 ratio by volume. The second batch is comprised of a mixture of the reclaimed asphalt 88

pavement and crushed rock at a 1:1 ratio by volume. 2, 4, 6, 8, and 10 percent by weight of portland cement were added as stabilizing material for both batches. The experiments used optimum moisture content at (1.0*OMC) and higher than optimum moisture content at (1.25*OMC), with compacting energy of 277.50 ton/m3.

A 1.00 square inch piston was used in the unsoaked CBR test. The specimens were cured for 2 and 3 days. Results of this research will develop the relationships between unsoaked CBR, Dynamic Cone Penetrometer Penetration Index (DPI), and Unconfined Compressive Strength (UCS), and will be used as a guideline to develop the specification, or standard, for road work supervision and design.

Keywords : cement stabilization, penetration index, California Bearing Ratio, unconfined compressive strength

1. บทนำ

ผิวทางแอสฟัลต์คอนกรีตเก่าที่รองรับการ จราจรมาระยะหนึ่งย่อมเกิดความเสียหายเกิดขึ้น ตามอายุ ก ารใช้ ง านอาทิ การเกิ ด รอยร่ อ งล้ อ รอยแตกลายจระเข้ เกิ ด การเยิ้ ม ตั ว หลุ ด ร่ อ น รอยแตกตามขวาง รอยแตกตามยาว เป็นต้น จึงมี ความจำเป็นต้องซ่อมแซมหรือรื้อผิวทางเดิมออก เพื่อทำผิวจราจรใหม่ ให้มีสภาพการใช้งานได้ปกติ วั ส ดุ ที่ ใ ช้ ก่ อ สร้ า งทางที่ มี คุ ณ ภาพสู ง นั บ วั น จะมี

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ปริมาณลดลงหาได้ยาก การศึกษานี้เป็นการนํา เสนอแนวทางการนำวัสดุงานทางเดิมนำกลับมา

ใช้ ใ หม่ โ ดยการปรั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพคุ ณ สมบั ติ ท าง วิศวกรรมให้เป็นไปตามมาตรฐานวัสดุงานทางของ กรมทางหลวง เพื่ อ เป็ น การประหยั ด ทรั พ ยากร ทางธรรมชาติที่เหลืออยู่น้อย ลดการใช้พลัง และ ลดผลกระทบทางสิ่ ง แวดล้ อ ม ซึ่ ง จะส่ ง ผลดี ต่ อ ระบบเศรษฐกิจของประเทศและคุณภาพชีวิตของ ประชากร

จากมาตรฐานวัสดุงานทางของกรมทาง หลวง [1] การหมุนเวียนวัสดุชั้นทางเดิมมาใช้งาน ใหม่ คื อ การนำวั ส ดุ จ ากชั้ น ทางเดิ ม มาปรั บ ปรุ ง คุณภาพแล้วนำกลับมาใช้งานใหม่ ภาพที่ 1 แสดง ภาพถ่ายของวัสดุผิวทางเดิมที่ ใช้ ในการศึกษา ใน การนี้ อ าจจะเพิ่ ม เติ ม วั ส ดุ ผ สมเพิ่ ม เพื่ อ ปรั บ ปรุ ง ขนาดคละและเพิ่มปริมาณ เช่น หิน ทราย soil aggregate ฯลฯ และวัสดุผสมเพิ่มเพื่อปรับปรุง คุณภาพ (stabilising agents) เช่น ปูนซีเมนต์ ปูนขาว แอสฟัลต์ และสารผสมเพิ่ม (admixture) ฯลฯ ทั้งนี้ ในการปรับปรุงอาจจะกระทำได้ ในที่ (in -Placed) หรือที่ โรงงาน (in-Plant) โดยจะต้อง

ก่ อ สร้ า งตามขั้ น ตอนและปิ ด ทั บ ด้ ว ยผิ ว ทางใหม่ การปรับปรุงชั้นทางอาจจะทำการปรับปรุงเพียง ชั้นเดียวหรือหลายชั้นก็ ได้ โดยให้เป็นไปตามรูป แบบและข้อกำหนด

2. คุณสมบัติทางวิศวกรรมสำหรับวัสดุงาน ทางที่ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์

คุณสมบัติทางด้านกายภาพที่มีผลต่อการ ปรับปรุงคุณสมบัติด้วยซีเมนต์ คือ ส่วนคละของ ดิน, พื้นที่ผิวของวัสดุ และปริมาณของจุดสัมผัส วัสดุประเภทที่มีการกระจายตัวของขนาดเม็ดดินดี (well-grade) โดยทั่วไปแล้วจะมีความต้องการ ปริมาณซีเมนต์ที่น้อยกว่าวัสดุดินประเภทที่มีการ กระจายตัวขนาดเดียว (uniform–grade) ความ ต้องการซีเมนต์ของวัสดุจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับ พื้นผิวของวัสดุและปริมาณของจุดสัมผัส หมาย ความว่า ปริมาณความต้องการซีเมนต์ ในดินเม็ด ละเอียดจะมีปริมาณสูงกว่าดินเม็ดหยาบ [2]

ในการศึ ก ษานี้ จ ะทำการรวบรวมข้ อ มู ล ทางวิศวกรรมด้านกำลังต้านทานแรงอัดของวัสดุที่ ได้ รั บ การปรั บ ปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ท างวิ ศ วกรรมด้ ว ย ซีเมนต์ จากการศึกษาบทความทางวิชาการต่างๆ พบว่า คุณสมบัติของวัสดุงานทางก่อนที่จะทำการ ปรั บ ปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ท างวิ ศ วกรรม มี อิ ท ธิ พ ลต่ อ คุ ณ สมบั ติ ท างวิ ศ วกรรมด้ า นกำลั ง ต้ า นทานแรง

อั ด ของวั ส ดุ ที่ ไ ด้ รั บ การปรั บ ปรุ ง คุ ณ สมบั ติ ท าง วิ ศ วกรรมอาทิ เ ช่ น ปริ ม าณมวลรวมละเอี ย ด ปริมาณมวลรวมหยาบ, ค่าความแข็งแกร่งของ วัสดุ ค่าขีดจำกัด (Atterberg’s Limit) ค่าการ แบกทาน (California Bearing Ratio, CBR) ภาพที่ 1 วัสดุผิวทางเดิมที่ ใช้ศึกษาจากถนนสาย และความหนาแน่น (density) โดยคุณสมบัติทาง 2034 ตอนหน้าพระลาน-บ้านครัว จังหวัดสระบุรี วิศวกรรมที่กล่าวมาข้างต้นมีความสัมพันธ์เกี่ยว 89

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เนื่องกัน ในการศึกษาทางสถิติศาสตร์นั้น ค่า CBR เป็นตัวแทนค่าคุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้นทั้งหมด [3]

3. ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง

Dynamic cone penetrometer (DCP) ดั ง แสดงในภาพที่ 2 เป็ น เครื่ อ งมื อ ที่ ใ ช้ ส ำหรั บ ประเมินค่า CBR ในสนามแบบ non-destructive test ที่สามารถใช้ทดสอบเพื่อหาค่า CBR ของ

ดินในสนามได้อย่างรวดเร็ว ค่า CBR ที่ ได้จาก การทดสอบจะช่ ว ยให้ วิ ศ วกรสามารถประเมิ น ความแข็ ง แรงของวั ส ดุ ที่ มี ใ นชั้ น ทางเดิ ม ได้ แ ละ สามารถประเมินได้ว่าจะออกแบบวัสดุชั้นทางเดิม เป็นโครงสร้างชั้นทางประเภทใด ทำให้สามารถ ออกแบบถนนได้อย่างประหยัดและมีประสิทธิภาพ ในส่วนของงานก่อสร้างการทดสอบ DCP ทำให้ผู้ ควบคุมงานสามารถตรวจสอบค่า CBR ของชั้น ทางในระหว่างก่อสร้างได้ทันทีและสามารถเปรียบ เที ย บกั บ ค่ า CBR ที่ ไ ด้ จ ากการทดสอบในห้ อ ง ทดลองว่าสอดคล้องกันมากน้อยเพียงใดทำให้ผู้ ควบคุมงานสามารถสั่งการแก้ ไขได้ทันที ทำให้ ได้ งานที่มีคุณภาพสูง นอกจากนี้ DCP ยังใช้ทดสอบ soft spot ตามแนวก่อสร้างถนนเพื่อหาค่า CBR ของชั้ น ทางที่ ไ ม่ ไ ด้ ม าตรฐานเพื่ อ ทำการแก้ ไข ระหว่างก่อสร้าง

การทดสอบ DCP จะวั ด ค่ า ความต้ า น ทานต่อการจมของหัวตุ้มเหล็ก (piston) เรียกว่า ค่า DCP penetration index (DPI) มีหน่วยเป็น mm/blow ค่า DPI ตลอดความลึกของการจม สามารถหาได้จากวิธี arithmetic average ค่า DPI สามารถคำนวณได้จากสมการที่ 1 [4]

90

ภาพที่ 2 Dynamic Cone Penetrometer (DCP) [4]

(1) DPIavg =

เมื่อ N = จำนวน DPI ทั้ ง หมดที่ บั น ทึ ก

ตลอดความลึกที่ทดสอบ

z = ความลึกที่จมต่อจำนวน Blow

ที่บันทึก 1 ครั้ง

H = ความลึกที่ทดสอบทั้งหมด

ความสัมพันธ์ระหว่าง DCP Penetration Index (DPI) กับ unsoaked CBR ซึ่ง sawangsuriya and edil (2005) ได้รายงานว่ามีนักวิจัย

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

หลายท่านได้ทำการศึกษาวิจัยพัฒนาความสัมพันธ์ การทดสอบหาค่ากำลังรับแรงอัดค่ากำลัง ระหว่างค่า DCP Penetration Index (DPI) กับ รับแรงอัดแบบไม่ถูกจำกัด (Unconfined Comunsoaked CBR ของวัสดุชั้นทางทั้ง granular pressive Strength, UCS) [5] คือ ค่าแรงอัด และ cohesive materials ดังแสดงในสมการที่ 2 (compressive load) สูงสุดต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งก้อน ตัวอย่างรูปทรงกระบอกหรือรูป (prismatic) ที่จะ

รับได้การทดสอบจะให้แรงกดในแนวดิ่งเพียงอย่าง unsoaked CBR (%) = 292DPI-1.12 (2)

R2 = 1 เดี ย ว และกระทำจนกระทั่ ง ก้ อ นตั ว อย่ า งวิ บั ติ

เมื่อ DPI = ค่าการจมมีหน่วยเป็ น โดยที่ ไม่ ให้แรงกระทำด้านข้างตลอดช่วงที่ทำการ

mm/blow ทดสอบ ผลการทดสอบจะทำให้ทราบค่ากำลังแรง อัดแบบไม่ถูกจำกัด (Unconfined Compressive

ความสัมพันธ์นี้มีระดับความเชื่อมั่นที่สูง Strength, UCS) ของก้อนตัวอย่าง มากเป็นค่าที่ ได้รับการยอมรับจากหลายองค์กร และนักวิจัยสามารถใช้เป็นแนวทางในการกำหนด 4. วิธีการศึกษา 4.1 เตรียมตัวอย่าง ค่า field CBR ในสภาพที่แท้จริงของถนนและชั้น ทางท่าอากาศยาน

วั ส ดุ ผิ ว ทางเดิ ม ได้ เ ก็ บ ตั ว อย่ า งมาจาก

การทดสอบหาค่าแบกทาน (California ถนนสาย 2034 ตอนหน้ า พระลาน-บ้ า นครั ว Bearing Ratio, CBR) [5] เป็นวิธีการทดสอบวัด จังหวัดสระบุรี โดยแบ่งตัวอย่างผิวทางเดิมออก แรงเฉือนของดินที่บดอัดจนแน่นดีแล้ว ส่วนมาก เป็น 2 ส่วน วัสดุโครงสร้างทางเดิม 1 ประกอบ จะทดสอบที่ ป ริ ม าณความชื้ น สู ง สุ ด ที่ ท ำให้ วั ส ดุ ด้ ว ยตั ว อย่ า งผิ ว ทางเดิ ม ผสมกั บ หิ น เกล็ ด อั ต รา

ตัวอย่างมีความแน่นสูงสุดโดยใช้ท่อนเหล็กกลมตัน ส่วน 1:1 โดยปริมาตรวัสดุโครงสร้างทางเดิม 2 (piston) ขนาดพื้นที่หน้าตัด 3 ตารางนิ้ว กดลง ประกอบด้วยตัวอย่างผิวทางเดิมผสมกับหินคลุก บนดินตัวอย่างที่เตรียมไว้ด้วยอัตรา 0.05 นิ้วต่อ อัตราส่วน 1:1 โดยปริมาตร นาที แล้วนำไปหาอัตราส่วนเปรียบเทียบกับหน่วย

แรงกด (unit Load) มาตรฐานที่ ได้จากการกด 4.2 ทดสอบคุณสมบัติทางด้านกายภาพ (penetration) ค่าที่ ได้เรียกว่า เปอร์เซ็นต์การแบก [5] ทาน นํ า ค่ า ที่ ไ ด้ เ ขี ย นกราฟแสดงความสั ม พั น ธ์ - Sieve Analysis ตามมาตรฐาน ทล.-

ระหว่ า งความหนาแน่ น แห้ ง กั บ ค่ า การแบกทาน ท.204/2516 จากค่าการแบกทานของดินแต่ละชนิดยังสามารถ - Atterberg’s Limit ตามมาตรฐาน

กําหนดคุณสมบัติของดินอย่างคร่าว ๆ ว่าเหมาะ- ทล.-ท.103/2515 สมที่จะใช้กับงานก่อสร้างถนนในชั้นดินถม (soil - Specific Gravity ตามมาตรฐาน ทล.-

embankment) ชั้นรองพื้นทาง (sub base) หรือ ท.101/2515 ชั้นพื้นทาง (base) 91

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

4.3 ทดสอบคุ ณ สมบั ติ ท างด้ า นวิ ศ วกรรม

- ทดสอบความหนาแน่น (compaction test) ตามมาตรฐาน ทล.-ท.108/2517 [5] เพื่อหา ค่าปริมาณน้ำที่ทำให้วัสดุตัวอย่างมีความหนาแน่น สูงสุด (Optimum Moisture Content, OMC) และค่าความหนาแน่นแห้งสูงสุด (Maximum Dry Density, MDD)

- ทดสอบ (Unsoaked California Bearing Ratio, CBR) ตามมาตรฐาน ทล.ท.109/2517 [5] ผสมซีเ มนต์ร้อยละ 2 4 6 8 และ 10 ของมวลรวมแห้ง ใช้ปริมาณน้ำ (1.0* OMC) และ (1.25*OMC) ใช้ พ ลั ง งานบดอั ด 227.50 ตัน/ลูกบาศก์เมตร เมื่อบดอัดเสร็จนำถุง พลาสติกหรือกระสอบมาปกคลุมตัวอย่างทันทีบ่ม ที่อุณหภูมิห้องอายุ 2 และ 3 วัน เมื่อครบอายุการ บ่มก็นำตัวอย่างมาทดสอบ unsoaked CBR โดย ใช้ ท่ อ นเหล็ ก กลมตั น (piston) ขนาดพื้ น ที่ ห น้ า

ตัด 1 ตารางนิ้ว ในการทดสอบ unsoaked CBR หลั ง จากทดสอบ unsoaked CBR เสร็ จ ได้ ท ำ

การกลับด้านตัวอย่างแล้วทำการทดสอบ (DCP Penetration Index, DPI) ทันที ดังแสดงในภาพ ที่ 3

- ทดสอบ Unconfined Compressive Strength (UCS) ตามมาตรฐาน ทล.-ท.105/ 2515 [5] ผสมซีเมนต์ร้อยละ 2, 4, 6, 8 และ 10 ของมวลรวมแห้ง ใช้ปริมาณน้ำ (1.0*OMC) และ (1.25*OMC) ใช้พลังงานบดอัด 227.50 ตัน/ลูกบาศก์ เ มตร เมื่ อ บดอั ด เสร็ จ ทำการดั น ตั ว อย่ า ง ออกจากแบบหล่อด้วยเครื่องดันตัวอย่าง แล้วนำ ตัวอย่างใส่ ในถุงพลาสติกรัดปากถุงให้แน่นบ่มที่ อุณหภูมิห้องอายุ 2 และ 3 วัน เมื่อครบอายุการ 92

บ่มนำตัวอย่างออกจากถุงพลาสติกแล้วทดสอบ UCS ทันที

ภาพที่ 3 การทดสอบ DCP Penetration Index (DPI)

5. ผลการศึกษา

5.1 ผลทดสอบหาขนาดคละเม็ดวัสดุโดย ผ่านตะแกรงแบบไม่ล้าง (sieve analysis) ดัง แสดงในภาพที่ 4

ภาพที่ 4 ขนาดคละของเม็ดวัสดุโครงสร้างทาง เดิม 1 และ 2 [6] นำมาเปรียบเที่ยบกับผลที่ ได้ จากการทดสอบ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

5.2 ผลทดสอบคุ ณ สมบั ติ ท างด้ า นกาย ภาพและคุณสมบัติทางด้านวิศวกรรม ดังแสดงใน ตารางที่ 1

5.3 ผลทดสอบ Unconfined Compressive Strength (UCS) วัสดุโครงสร้างทาง เดิม 1 และ 2 ที่ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์ตาม ปริมาณต่างๆ ดังแสดงในภาพที่ 5 และ 6 ตาม ลำดับ

จากผลทดสอบค่ า กำลั ง รั บ แรงอั ด ของ วั ส ดุ โ ครงสร้ า งทางเดิ ม ที่ ป รั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพด้ ว ย ซีเ มนต์ตามปริมาณต่างๆ พบว่าเมื่อเพิ่มปริมาณ

ซีเมนต์ ค่ากำลังรับแรงอัดของก้อนตัวอย่างก็จะ สู ง ขึ้ น ตามหรื อ กล่ า วได้ ว่ า แนวโน้ ม ของความ สัมพันธ์ระหว่างปริมาณซีเมนต์กับค่ากำลังรับแรง อัดมีลักษณะสัดส่วนแปรผันตรงกัน ส่วนปริมาณ น้ำที่ ใช้ก็มีผลต่อค่ากำลังรับแรงอัด เมื่อใช้ปริมาณ น้ำที่สูงกว่าปริมาณน้ำที่ทำให้วัสดุตัวอย่างมีความ หนาแน่นสูงสุด (1.25*OMC) พบว่าค่ากำลังรับ แรงอั ด จะต่ ำ กว่ า ค่ า กำลั ง รั บ แรงอั ด ของการใช้ ปริมาณน้ำที่ทำให้วั สดุตัวอย่างมีความหนาแน่น สูงสุด (1.0*OMC)

ตารางที่ 1 ผลทดสอบคุณสมบัติทางด้านกายภาพและคุณสมบัติทางด้านวิศวกรรม ผลทดสอบ วัสดุโครงสร้างทางเดิม วัสดุโครงสร้างทางเดิม รายการทดสอบ 1 2 N.P. N.P. Liquid Limit, (%) Plasticity Index, (%) N.P. N.P. 2.78 2.72 Specific Gravity 9.4 6.5 Optimum Moisture Content, OMC (%) 3 Maximum Dry Density, MDD (gm/cm ) 2.018 2.001 20.5 16.0 Soaked CBR (%)

ภาพที่ 5 ค่ากำลังรับแรงอัดของวัสดุโครงสร้าง ภาพที่ 6 ค่ากำลังรับแรงอัดของวัสดุโครงสร้าง ทางเดิ ม 1 ที่ ป รั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพด้ ว ยซี เ มนต์ ต าม ทางเดิ ม 2 ที่ ป รั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพด้ ว ยซี เ มนต์ ต าม ปริมาณต่าง ๆ ปริมาณต่าง ๆ 93

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

5.4 ผลทดสอบความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า ง unsoaked CBR กับ DPI ของวัสดุโครงสร้างทาง เดิม 1 และ 2 ที่ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์ ดัง แสดงในภาพที่ 7 และ 8 ตามลำดับ

จากผลทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างค่า unsoaked CBR กั บ DPI พบว่ า แนวโน้ ม ของ ความสัมพันธ์มีลักษณะสัดส่วนแปรผกผันกันหรือ

กล่าวได้ว่า เมื่อค่า unsoaked CBR มีค่าสูงขึ้นจะ ทำให้ค่าของ DPI ต่ำลง

5.5 ผลทดสอบความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า ง unsoaked CBR กับ DPI ของวัสดุโครงสร้างทาง เดิม 1 และ 2 รวมกันเพื่อเปรียบเทียบกับงานวิจัย ของ Sawangsuriya and Edil (2005) [4] ดังแสดงในภาพที่ 9

ภาพที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่าง unsoaked CBR ภาพที่ 9 ความสัมพันธ์ระหว่าง unsoaked CBR กับ DPI ของวัสดุโครงสร้างทางเดิม 1 ที่ปรับปรุง กับ DPI ของวัสดุโครงสร้างทางเดิม 1 และ 2 ที่ คุณภาพด้วยซีเมนต์ตามปริมาณต่าง ๆ ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์รวมกัน และงานวิจัย ของ Sawangsuriya and Edil (2005) [4]

1 คื อ เส้ น ที่ ม าจาก Sawangsuriya

and Edil (2005) [4]

2 คือเส้นที่มาจากการทดสอบ

5.6 ผลทดสอบความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า ง unsoaked CBR กั บ Unconfined Compressive Strength (UCS) ดังแสดงในภาพที่ 10

จากภาพที่ 9 และ 10 เมื่ อ นำความ สัมพันธ์ระหว่าง unsoaked CBR, DCP Penetภาพที่ 8 ความสัมพันธ์ระหว่าง Unsoaked CBR ration Index (DPI) และ UCS มาเขียนในรูป กับ DPI ของวัสดุโครงสร้างทางเดิม 2 ที่ปรับปรุง สมการก็จะได้สมการ ดังนี้ คุณภาพด้วยซีเมนต์ตามปริมาณต่าง ๆ 94

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 10 ความสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า ง unsoaked CBR กับ Unconfined Compressive Strength (UCS) ของวัสดุโครงสร้างทางเดิม 1 และ 2 ที่ ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์รวมกัน u nsoaked CBR (%) = 217.2DPI-1.52 (3) unsoaked CBR (%) = 15.53UCS - 28.48 (4)

นำสมการที่ 3 และ 4 มาหาความสัมพันธ์กันก็จะได้สมการที่ 5

UCS = 13.98DPI-1.52

+ 1.83 (5)

จากความสัมพันธ์ระหว่าง unsoak CBR, DPI และ UCS ซึ่งมีระดับความเชื่อมั่นค่อนข้างสูง ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ ในสมการที่ 5 สามารถใช้ เป็ น แนวทางในการกำหนดค่ า field CBR ใน สภาพจริงของชั้นทางถนน และยังช่วยให้วิศวกร สามารถประเมินความแข็งแรงของโครงสร้างชั้น ทางเพื่องานตรวจสอบวิเคราะห์และออกแบบงาน ทางได้อย่างรวดเร็ว

6. สรุปผลการศึกษา

1. ขนาดของเม็ดวัสดุโครงสร้างทางเดิม 1 และ 2 มีเ ม็ดละเอียดผสมอยู่น้อย เมื่อนำมา ปรั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพด้ ว ยซี เ มนต์ ป อร์ ต แลนด์ ต าม ปริมาณต่าง ๆ ที่กำหนดไว้ แล้วทำการบดอัดจะ ทำให้ เ ม็ ด วั ส ดุ ข นาดใหญ่ แ ละเม็ ด วั ส ดุ ล ะเอี ย ด สามารถเรียงตัวชิดกันได้เป็นอย่างดีมีช่องว่างน้อย มีความสามารถรับน้ำหนักได้มากขึ้น

2. พัฒนาค่าความสัมพันธ์ระหว่าง unsoaked CBR, DCP Penetration Index (DPI) และ UCS ของวัสดุโครงสร้างทางเดิมที่ปรับปรุง คุ ณ ภาพด้ ว ยซี เ มนต์ เพื่ อ เป็ น แนวทางในการ พั ฒ นาตั้ ง ข้ อ กำหนดหรื อ มาตรฐานที่ จ ะนำมาใช้ สำหรับควบคุมงานและออกแบบงานทาง

3. สามารถนำผลทดสอบ DCP Penetration Index (DPI) ของวัสดุโครงสร้างทางเดิม ที่ปรับปรุงคุณภาพด้วยซีเมนต์ ในสนามมาเปรียบ เทียบเป็นค่า unsoaked CBR และ UCS โดยไม่ ต้องเก็บตัวอย่างมาทดสอบในห้องปฏิบัติการ

4. ใช้เป็นแนวทางในการกำหนดค่า field CBR ในสภาพจริงของชั้นทางถนน และยังช่วยให้ วิศวกรสามารถประเมินความแข็งแรงของโครง สร้างชั้นทางเพื่องานตรวจสอบวิเคราะห์และออก แบบงานทางได้อย่างรวดเร็ว

7. บทวิจารณ์และข้อเสนอแนะ

จากผลการศึกษาค่า CBR กับ DPI ของ วัสดุตัวอย่างที่นำมาหาความสัมพันธ์กันจะเห็นได้ อย่ า งชั ด เจนว่ า แนวโน้ ม ของความสั ม พั น ธ์ กั น มี ลั ก ษณะเป็ น สั ด ส่ ว นแปรผกผั น กั น และมี พ ฤติ กรรมที่คล้ายคลึงกันหรือกล่าวได้ว่า เมื่อค่า CBR

95

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

มีค่าสูงขึ้นจะทำให้ค่าของ DPI มีค่าต่ำลง ส่วนค่า CBR กับ UCS ของวัสดุตัวอย่างที่นำมาหาความ สัมพันธ์กันจะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าแนวโน้มของ ความสัมพันธ์กันมีลักษณะเป็นสัดส่วนแปรผันตรง กัน มีลักษณะแนวโน้มไปในทิศทางเดียวกันหรือ กล่าวได้ว่า เมื่อค่า CBR มีค่าสูงขึ้น ค่าของ UCS ก็จะสูงขึ้นตามไปด้วย

ข้อเสนอแนะควรศึกษาหาความสัมพันธ์ ของ CBR, DPI และ UCS ของวัสดุชนิดอื่นที่ ปรับปรุงคุณสมบัติด้านวิศวกรรมด้วยซีเมนต์ปอร์ตแลนด์เพิ่มเติมอาทิเช่น ดินลูกรัง ดินเหนียว หิน คลุก หินผุ หินฝุ่น หินกรวด ฯลฯ เพื่อนำมาเปรียบ เทียบกับผลการศึกษานี้ เหตุผลที่เลือกวัสดุผิวทาง เดิมมาศึกษาเพราะว่าปัจจุบันถนนหลายสายที่อยู่ ภายใต้การควบคุมของกรมทางหลวง มีการซ่อมแซมบำรุงรักษาถนนด้วยการนำวัสดุผิวทางเดิมมา ปรับปรุงคุณสมบัติด้านวิศวกรรมด้วยซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ เพราะเป็นวิธีง่าย สะดวก รวดเร็ว และ ประหยัด

8. กิตติกรรมประกาศ

ในการศึ ก ษาครั้ ง นี้ ต้ อ งขอขอบคุ ณ สำนั ก วิ จั ย และพั ฒ นางานทาง กรมทางหลวง ที่ ให้ความอนุเคราะห์ ใช้วัสดุและเครื่องมืออุปกรณ์ การทดสอบ

9. เอกสารอ้างอิง [1] กรมทางหลวง, 2543, การหมุนเวียนวัสดุ ชั้นทางเดิมกลับมาใช้ ใหม่ มาตรฐานวัสดุ งานทาง (ทล.ม. 213), ศูนย์วิเคราะห์และ ตรวจสอบ กรมทางหลวง กระทรวง คมนาคม.

96

[2] ธีระชาติ รื่นไกรฤกษ์ และ อนันต์ ทวีวรรณสดใส, 2543, คุณสมบัติความเค้น ความเครี ย ดของวั ส ดุ ป รั บ ปรุ ง คุ ณ ภาพ ด้วยซีเ มนต์ภายใต้การทดสอบกำลังรับ แรงอัดแนวดิ่ง, ศูนย์วิจัยและพัฒนางาน ทาง กรมทางหลวง กระทรวงคมนาคม, รายงานฉบับที่ วพ. 179 : 6-9 [3] ธี ร ะชาติ รื่ น ไกรฤกษ์ และ พรพรหม จันทร์เจริญ, 2543, การหาความสัมพันธ์ ระหว่าง DCP กับ Unsoaked CBR ของ ดิ น และวั ส ดุ ม วลรวมในห้ อ งปฏิ บั ติ ก าร, ศู น ย์ วิ จั ย และพั ฒ นางานทาง กรมทาง หลวง กระทรวงคมนาคม, รายงานฉบับที่ วพ. 180 : 24-73.

[4] Sawangsuriya, A., and Edil, T., 2005, “Alternative testing techniques for modulus of pavement base and subgrades.” Geotechnical Application for Transportation Infrastructure. ASCE, Geotechnical P r a c t i c e Pu b l i c a t i o n N o . 3 , Milwaukee, pp. 108-121.

[5] กรมทางหลวง, 2539, มาตรฐานวิธีการ ทดลอง (ทล.ท.). ศูนย์วิเคราะห์และตรวจ สอบ กรมทางหลวง กระทรวงคมนาคม.

[6] กรมทางหลวง, 2542, Asphalt Hot – Mix Recycling มาตรฐานวัสดุงานทาง (ทล.ม. 410), ศูนย์วิเคราะห์และตรวจ สอบ กรมทางหลวง กระทรวงคมนาคม.

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การศึกษาความแตกต่าง ของกระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรอง มาตรฐานคุณภาพและกระเบื้องหลังคาที่ ไม่รับรอง มาตรฐานคุณภาพ A Comparative Study of Root Tiles with Quality Standards and Non-Quality Standards สุวิมล จันทร์แก้ว 1

บทคัดย่อ

การวิ จั ย เรื่ อ งการศึ ก ษาความแตกต่ า ง ของกระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ และกระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ม่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพนี้ เป็นการวิจัยเชิงปริมาณเพื่อมุ่งศึกษาให้ ทราบถึงความแตกต่างด้านคุณสมบัติ ผลหลังการ ใช้งาน และความพึงพอใจจากการเลือกใช้ระหว่าง กระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพและ ไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ โดยการสัมภาษณ์ และการใช้ แ บบสอบถาม และวิ เ คราะห์ ผ ลด้ ว ย โปรแกรม MINITAB สถิติที่ ได้ คือ ค่าร้อยละ ค่า เฉลี่ย ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน การทดสอบด้วยสถิติ เอฟ (F-Test) และการวิเคราะห์ความแปรปรวน แบบทางเดี ย ว (One-Way ANOVA) ซึ่ ง เก็ บ รวบรวมข้อมูลจากกลุ่มตัวอย่างที่แบ่งเป็น 2 กลุ่ม คือ บริ ษั ท รั บ เหมาก่อสร้างและประชาชนทั่วไป 1

ด้วยวิธีการสุ่มตัวอย่างแบบแบ่งกลุ่ม จำนวนกลุ่ม ละ 286 คน จากผู้ ใช้ผลิตภัณฑ์ ในเขตกรุงเทพมหานคร

ผลจากการวิจัยของกระเบื้องหลังคาที่ ได้ รับรองมาตรฐานคุณภาพและไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุ ณ ภาพ พบว่ า ด้ า นคุ ณ สมบั ติ เ ป็ น ไปตาม มาตรฐานผลิ ต ภั ณ ฑ์ อุ ต สาหกรรม (มอก.) แต่ มี ความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ระดับความ เชื่อมั่น 95% ยกเว้นคุณสมบัติมิติด้านความหนาที่ ไม่ แ ตกต่ า งกั น อย่ า งมี นั ย สำคั ญ สำหรั บ ผลหลั ง การใช้ ง านแตกต่ า งกั น อย่ า งมี นั ย สำคั ญ ที่ ร ะดั บ ความเชื่อมั่น 95% และความพึงพอใจของลูกค้า จากการเลื อ กใช้ แ ตกต่ า งกั น อย่ า งมี นั ย สำคั ญ ที่ ระดับความเชื่อมั่น 95%

ผู้ช่วยคณบดีฝ่ายวิชาการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเซนต์จอห์น 97

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

คำสำคัญ : กระเบื้องหลังคา มาตรฐาน คุณภาพ

Abstract

This research on a comparative study of roof tiles with quality standards and non-quality standards was a quantitative research for studying the differences between certain properties, The results after usage, and satisfaction from choosing between roof tiles with quality standards and non-quality standards through interviews and questionnaires. The results were analyzed with the MINITAB Program. The Statistics used were percentage, means, standard deviation, F-Test, and One-Way ANOVA. The data were collected from samples which were classified into 2 groups: construction companies and individual customers, utilizing cluster sampling from both groups of 286 samples from product users in Bangkok.

The Results of investigating roof tiles with quality standards and non-quality standards. found that the properties were within the standards specified under the Thai Industrial Standards (TIS). But the results were significantly different at a 95 percent confidence interval, with the exception of dimension properties of thick roof tiles, which were not significantly 98

different. The results after using roof tiles, were significantly different at a 95 percent confidence interval and the satisfaction

of customers from choosing between

both types of roof tiles were significantly different at a 95 percent confidence interval.

Keywords : root tiles, quality standards

คำนำ

ในปัจจุบันมีการก่อสร้างอาคารบ้านเรือน ที่ อ ยู่ อ าศั ย มากขึ้ น ซึ่ ง ส่ ว นที่ เ ป็ น เสมื อ นเกราะ ป้องกันแรกคือ หลังคา และปัจจุบันเองก็มีวาง จำหน่ายอยู่หลายบริษัท โดยปัญหาที่พบมากจาก การใช้งานคือ การรั่วซึมของหลังคา ดังนั้นการ ศึ ก ษานี้ เ ป็ น การเปรี ย บเที ย บคุ ณ ภาพของสิ น ค้ า เฉพาะด้านเท่านั้น มุ่งเน้นที่ผลิตภัณฑ์ตัวอย่างคือ วัสดุกระเบื้องหลังคา เนื่องจากเหตุผลที่ว่าสิ่งปลูก สร้างต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นหากไม่ ได้มาตรฐานจะส่งผล ต่อความเสียหายทั้งชีวิตและทรัพย์สิน และการที่ สิ่งปลูกสร้างจะได้มาตรฐานหรือไม่ [1] สิ่งแรก ที่ ส ำคั ญ คื อ ต้ อ งเลื อ กใช้ วั ส ดุ ที่ ไ ด้ ม าตรฐานก่ อ น ดังนั้นจึงมุ่งประเด็นการศึกษาเปรียบเทียบระหว่าง วั ส ดุ ก่ อ สร้ า งทั้ ง 2 ประเภท คื อ ประเภทแรก คุ ณ ภาพของวั ส ดุ ก่ อ สร้ า งที่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพของไอเอสโอซึ่งมีมาตรฐานการควบคุม คุ ณ ภาพในการผลิ ต กั บ ประเภทที่ ส องคื อ สิ น ค้ า วัสดุก่อสร้างที่ ไม่ ได้รับ รองมาตรฐานคุณภาพไอ เอสโอ เนื่ อ งจากไม่ มี ม าตรฐานการควบคุ ม กระบวนการผลิต โดยจะทำการเปรียบเทียบความ

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

แตกต่างของคุณภาพสินค้า รวมทั้งสำรวจความ เห็นจากผู้ ใช้วัสดุก่อ สร้างและประชาชนทั่วไปที่มี ต่อวัสดุทั้ง 2 ประเภท [2]

โดยมี วั ต ถุ ป ระสงค์ ข องการวิ จั ย เพื่ อ เปรียบเทียบคุณสมบัติของกระเบื้องหลังคา ผล หลังการใช้งาน และความพึงพอใจของลูกค้าจาก การเลือกใช้กระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรองมาตรฐาน คุณภาพและไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ ซึ่งมี สมมติ ฐ านการวิ จั ย คื อ คุ ณ สมบั ติ ข องกระเบื้ อ ง หลังคา ผลหลังการใช้งานและความพึงพอใจของ ลู ก ค้ า จ า ก ก า ร เ ลื อ ก ใ ช้ ก ร ะ เ บื้ อ ง ห ลั ง ค า

ที่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐานคุ ณ ภาพและไม่ ไ ด้ รั บ รอง มาตรฐานคุณภาพไม่แตกต่างกัน ที่ระดับความเชื่อ มั่น 95% (ระดับนัยสำคัญ, α = 0.05)

ขอบเขตของการวิ จั ย คื อ กระเบื้ อ ง หลั ง คาตั ว อย่ า งที่ ศึ ก ษาเป็ น ประเภทกระเบื้ อ ง หลังคาคอนกรีตเท่านั้น โดยกระเบื้องหลังคาที่นำ มาศึกษาเป็นบริษัทตัวอย่างที่ ใช้เป็นตัวแทนของ บริ ษั ท ที่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐานคุ ณ ภาพและไม่ ไ ด้ รับรองมาตรฐานคุณภาพเท่านั้น และการศึกษา กลุ่มตัวอย่างที่ ใช้กระเบื้องหลังคาจากบริษัทรับ เหมาก่อสร้างในเขตกรุงเทพมหานครเท่านั้น รวม ทั้งสำรวจผลและความพึงพอใจของกลุ่มตัวอย่างผู้ ใช้สินค้าของ 2 บริษัท โดยผู้ ใช้จะแยกเป็น 2 กลุ่ม คือ บริษัทรับเหมาก่อสร้าง และประชาชนทั่วไป

วิธีการในการศึกษา

1. ประชากรและกลุ่มตัวอย่าง

ประชากรที่ ศึ ก ษาอยู่ ใ นเขตกรุ ง เทพมหานคร โดยแบ่ ง เป็ น 2 กลุ่ ม คื อ กลุ่ ม บริ ษั ท

รับเหมาก่อสร้าง และกลุ่มประชาชนทั่วไป โดย จำนวนบริ ษั ท รั บ เหมาก่ อ สร้ า งในเขตกรุ ง เทพ-

มหานครมี จ ำนวน 1,000 แห่ ง กำหนดระดั บ ความคลาดเคลื่อนของการวิจัยที่ 5% (ระดับนัย สำคั ญ , α = 0.05) หาขนาดกลุ่ ม ตั ว อย่ า งด้ ว ย

วิธี Yamane Taro Statistic [3] ได้จำนวน 286 จึงนำไปทำการเก็บตัวอย่างจากทั้ง 2 กลุ่ม กลุ่ม ละ 286 ราย

2. เครื่องมือที่ ใช้ ในการวิจัย

เครื่องมือที่ ใช้ ในการศึกษาวิจัย ประกอบ ด้ ว ย การทดสอบคุ ณ สมบั ติ เครื่ อ งมื อ ที่ ใ ช้ ใน

การเก็บรวบรวมข้อมูล และเครื่องมือที่ ใช้ ในการ ประมวลผล

3. การทดสอบคุณสมบัติ

สำหรั บ การทดสอบคุ ณ สมบั ติ ข องกระเบื้องหลังคานั้น ใช้ขนาดตัวอย่างกลุ่มละจำนวน 9 แผ่นตามจำนวนการชักตัวอย่างของ มอก. [4] ซึ่งเป็นตัวแทนของกลุ่มบริษัทที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ ใช้ CPAC Monier เปรียบเทียบกับ กลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ไ ม่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐานคุ ณ ภาพ ใช้ NAVA Balance โดยอ้างอิงวิธีทดสอบและผล การทดสอบตามมาตรฐานอุ ต สาหกรรม มอก.

535-2540

4. เครื่องมือเก็บรวบรวมข้อมูล

การเก็บรวบรวมข้อมูล ใช้แบบสอบถาม เป็นเครื่องมือ ซึ่งได้แบ่งแบบสอบถามออกเป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มบริษัทรับเหมาก่อสร้าง และกลุ่ม ของบุคคลทั่วไป ดังนี้

4.1 แบบสอบถามผลหลังการใช้งานของ กระเบื้องหลังคา กรณีบริษัทรับเหมาก่อสร้าง

แนวคิ ด การสร้ า งแบบสอบถามเพื่ อ 99

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

สามารถสรุ ป ประเด็ น ที่ ต้ อ งการศึ ก ษาได้ เ ป็ น 3 ส่วนดังนี้

ส่วนที่ 1 ข้อมูลพื้นฐานทั่วไปของผู้ตอบ แบบสอบถาม ประกอบด้ ว ย ประเภทการจด ทะเบี ย นของบริ ษั ท ทุ น จดทะเบี ย นของบริ ษั ท ประสบการณ์ ใ นการรั บ เหมาก่ อ สร้ า ง จำนวน โครงการที่ทำอยู่ ในปัจจุบัน และจำนวนยี่ห้อของ กระเบื้องหลังคาที่เคยใช้

ส่ ว นที่ 2 ข้ อ มู ล ประกอบการตั ด สิ น ใจ เลือกซื้อกระเบื้องหลังคา ประกอบด้วย กระเบื้อง หลั ง คาที่ ใ ช้ ใ นปั จ จุ บั น การเลื อ กใช้ ก ระเบื้ อ งที ่

ได้รับการรับรองมาตรฐาน อายุการใช้งาน และ ความสำคั ญ ของเหตุ ผ ลในการเลื อ กยี่ ห้ อ ของ กระเบื้องหลังคา

ส่วนที่ 3 ข้อมูลผลหลังการใช้งานกระเบื้องหลังคา ประกอบด้วย คุณสมบัติ ความแข็ง แรงทนทาน ความง่ายต่อการประกอบ อายุการใช้ งาน การรั่ ว ซึ ม การสะท้ อ นความร้ อ น น้ ำ หนั ก ความคงทนของสี และบริการหลังการขาย

4.2 แบบสอบถามความพึงพอใจจากการ ใช้งานกระเบื้องหลังคา กรณีบุคคลทั่วไป

แนวคิ ด การสร้ า งแบบสอบถามเพื่ อ สามารถสรุ ป ประเด็ น ที่ ต้ อ งการศึ ก ษาได้ เ ป็ น 3 ส่วนดังนี้

ส่วนที่ 1 ข้อมูลพื้นฐานทั่วไปของผู้ตอบ แบบสอบถาม ประกอบด้วย เพศ อายุ อาชีพ ราย ได้เฉลี่ย และมูลค่าบ้าน

ส่ ว นที่ 2 ข้ อ มู ล ประกอบการตั ด สิ น ใจ เลือกซื้อกระเบื้องหลังคา ประกอบด้วย กระเบื้อง หลั ง คาที่ ใ ช้ ใ นปั จ จุ บั น การเลื อ กใช้ ก ระเบื้ อ งที ่

ได้รับการรับรองมาตรฐาน อายุการใช้งาน และ 100

ความสำคั ญ ของเหตุ ผ ลในการเลื อ กยี่ ห้ อ ของ กระเบื้องหลังคา

ส่วนที่ 3 ข้อมูลความพึงพอใจจากการใช้ งานกระเบื้องหลังคา ประกอบด้วย อายุการใช้ งาน ความแข็งแรงทนทาน การรั่วซึม การสะท้อน ความร้อน และความคงทนของสี

แบบสอบถามในส่ ว นที่ 1 และ 2 เป็ น คำถามแบบให้เลือกตอบ สำหรับส่วนที่ 3 เป็นการ ให้คะแนน ซึ่งมี 5 ระดับคะแนน จากน้อยที่สุด จนถึงมากที่สุด ตั้งแต่ 1 คะแนน ถึง 5 คะแนน ตามลำดับ

แบบสอบถามที่ ส ร้ า งขึ้ น นั้ น จะนำมา ทำการทดลองใช้ (Try out) กับกลุ่มตัวอย่างที่มี ลักษณะเดียวกับกลุ่มตัวอย่างที่จะศึกษา [5] จำนวน 50 ราย เพื่อหาความเชื่อมั่นของแบบสอบถาม [6] ด้วยการวิเคราะห์ โดยวิธีครอนบาช แอลฟา (Cronbach’s alpha)

5. เครื่องมือประมวลผล

การประมวลผลข้อมูลด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยใช้ โปรแกรมซอร์ฟแวร์ MINITAB ซึ่ง ค่าสถิติที่ ได้ คือ ค่าร้อยละ ค่าเฉลี่ย ค่าเบี่ยงเบน มาตรฐาน การทดสอบด้ ว ยสถิ ติ เ อฟ (F-Test) และการวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบทางเดียว (One-Way ANOVA)

6. การเก็บรวบรวมข้อมูล

การเก็บรวบรวมข้อมูล แบ่งเป็น 2 ส่วน คือ การเก็บรวบรวมข้อมูลการทดสอบคุณสมบัติ และการเก็บรวบรวมข้อมูลด้วยแบบสอบถาม ซึ่ง สามารถอธิบายได้ดังนี้

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

6.1 การเก็บรวบรวมข้อมูลการทดสอบ คุณสมบัติกระเบื้องหลังคา

การเก็บรวบรวมข้อมูลการทดสอบคุณสมบัติของกระเบื้องหลังคานั้น กรมวิทยาศาสตร์ บริ ก ารทำการทดสอบกระเบื้ อ งตั ว อย่ า ง โดย อ้างอิงวิธีทดสอบและผลการทดสอบตามมาตร-

ฐานอุตสาหกรรม มอก. 535-2540 ซึ่งมีข้อมูลที่ เก็บจากการทดสอบ 4 ประการ ดังตารางที่ 1

โดยจะนำค่าการทดสอบที่ ได้มาวิเคราะห์ หาค่าเฉลี่ย ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน การทดสอบ ด้วยสถิติเอฟ (F-Test) และการวิเคราะห์ความ แปรปรวนแบบทางเดียว (One-Way ANOVA)

ตารางที่ 1 ตารางสรุปมาตรฐานคุณภาพของกระเบื้องหลังคาตาม มอก. 535-2540 การทดสอบ 1. การทดสอบมิติ

ค่ามาตรฐาน 1. ความกว้างและความยาวต้องไม่ต่างจากขนาดที่ผู้ทำกำหนดไว้เกิน ± 3 มิลลิเมตร 2. ความหนาวั ด ที่ ภ าคตั ด ขวางใด ๆ ต้ อ งไม่ น้ อ ยกว่ า 9 มิ ล ลิ เ มตร ยกเว้นรางลิ้นที่ขอบด้านข้างต้องหนาไม่น้อยกว่า 6 มิลลิเมตร 3. ระยะซ้ อ นทั บ ของรางลิ้ น ที่ ข อบด้ า นข้ า ง ต้ อ งไม่ น้ อ ยกว่ า 25 มิลลิเมตร 4. ส่วนเกาะระแนงต้องมี 2 แห่ง แต่ละแห่งต้องมีฐานกว้างไม่น้อยกว่า 32 มิลลิเมตรและหนาไม่น้อยกว่า 6 มิลลิเมตร 5. ความลึกของส่วนเกาะระแนง วัดจากผิวล่าง ต้องไม่น้อยกว่า 9 มิลลิเมตร 6. หากมีการเจาะรูระแนง รูตะปูต้องมีเส้นผ่านศูนย์กลางระหว่าง 5 ถึง 8 มิลลิเมตร ตำแหน่งศูนย์กลางของรูตะปูห่างจากเส้นฐานด้านใน ของส่วนเกาะระแนง ต้องไม่น้อยกว่า 9 มิลลิเมตร แต่ ไม่เกิน 16 มิลลิเมตร และห่างจากขอบด้านข้างของกระเบื้องไม่น้อยกว่า 25 มิลลิเมตร 2. การทดสอบความต้ า น ต้องไม่น้อยกว่า 450 นิวตัน หรือ ร้อยละ 80 ของค่าที่คำนวณจาก แรงกดตามขวาง สมการที่ 2.7 3. การทดสอบการดูดซึมน้ำ ไม่เกินร้อยละ 10 4. การทดสอบความไม่ รั่ ว ต้องไม่ปรากฏหยดน้ำใต้แผ่นกระเบื้อง ซึมน้ำ

101

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

6.2 การเก็บรวบรวมข้อมูลด้วยแบบสอบ ถาม

การเก็บรวบรวมข้อมูลสำหรับระเบียบวิธี วิจัยเชิงปริมาณโดยใช้แบบสอบถาม ซึ่งคำถาม ต่าง ๆ ได้จากการศึกษา โดยลักษณะคำถามที่แบ่ง เป็น 3 ส่วน สามารถเก็บรวบรวมข้อมูลในแต่ละ ส่วนได้ดังนี้

การรวบรวมข้อมูลในส่วนที่ 1 ส่วนข้อมูล พื้นฐานทั่วไปของผู้ตอบแบบสอบถาม กรณีบริษัท รับเหมาก่อสร้าง โดยจะนำมาวิเคราะห์หาค่าร้อย ละของแต่ละประเด็น

การรวบรวมข้ อ มู ล ในส่ ว นที่ 2 ข้ อ มู ล ประกอบการตั ด สิ น ใจเลื อ กซื้ อ กระเบื้ อ งหลั ง คา โดยจะนำมาวิ เ คราะห์ ห าค่ า ร้ อ ยละของแต่ ล ะ ประเด็น

การรวบรวมข้อมูลในส่วนที่ 3 ส่วนข้อมูล ผลหลังการใช้งานกระเบื้องหลังคา กรณีบริษัทรับ เหมาก่อสร้าง โดยจะนำมาวิเคราะห์หาค่าเฉลี่ย ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน การทดสอบด้วยสถิติเอฟ (F-Test) และการวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบ ทางเดียว (One-Way ANOVA)

7. การวิเคราะห์ข้อมูล

การวิเคราะห์ข้อมูลที่ ได้จากการเก็บรวบ รวม นำมาตรวจสอบความถู ก ต้ อ งสมบู ร ณ์ แ ละ ทำการประมวลผลด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยใช้ โปรแกรมซอร์ฟแวร์ MINITAB ซึ่งใช้สถิติในการ วิ เ คราะห์ คื อ การวิ เ คราะห์ ข้ อ มู ล ด้ ว ยสถิ ติ เ ชิ ง พรรณนา เพื่อใช้หาค่าสถิติพื้นฐาน ได้แก่ ค่าร้อย ละ ค่าเฉลี่ยเลขคณิต และค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน เพื่ อ อธิ บ ายลั ก ษณะข้ อ มู ล ทั่ ว ไปของกระเบื้ อ ง หลั ง คา และการวิ เ คราะห์ ข้ อ มู ล ด้ ว ยสถิ ติ เ ชิ ง 102

อนุ ม าน โดยเลื อ กใช้ ส ถิ ติ ที่ เ หมาะสมกั บ ตั ว แปร แต่ ล ะชนิ ด ได้ แ ก่ การทดสอบด้ ว ยสถิ ติ เ อฟ (F-Test) และการวิเคราะห์ความแปรปรวนแบบ ทางเดียว (One-Way Analysis of Variance) [7]

ผลการศึกษา

จากการศึกษา ได้ผลแสดงดังนี้ [8]

1. คุณสมบัติของกระเบื้องหลังคา

การทดสอบคุณสมบัติของกระเบื้องหลัง คานั้น ใช้ขนาดตัวอย่างกลุ่มละ 9 แผ่นตามมาตรฐานการชั ก ตั ว อย่ า งของ มอก. โดยผลิ ต ภั ณ ฑ์ ตั ว แทนของกลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ได้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพใช้กระเบื้อง CPAC Monier เปรียบเทียบ กับผลิตภัณฑ์ของกลุ่มบริษัทที่ ไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพใช้กระเบื้อง NAVA Balance โดย อ้างอิงวิธีทดสอบและผลการทดสอบตามมาตรฐานอุตสาหกรรม มอก. 535-2540

ภาพที่ 1 และภาพที่ 2 แสดงตั ว อย่ า ง ของผลิ ต ภั ณ ฑ์ ที่ เ ป็ น ตั ว แทนของกลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ไ ด้ รับรองมาตรฐานคุณภาพและกลุ่มบริษัทที่ ไ ม่ ได้ รับรองมาตรฐานคุณภาพ

สำหรั บ ผลการทดสอบคุ ณ สมบั ติ ข อง กระเบื้องหลังคาตัวอย่าง แสดงดังตารางที่ 2

2. ความเชื่อมั่นของแบบสอบถาม

การทดลองใช้ (Try out) แบบสอบถามที่ สร้างขึ้นกับกลุ่มตัวอย่างที่มีลักษณะเดียวกับกลุ่ม ตัวอย่างที่จะศึกษา จำนวน 50 ราย เพื่อหาความ เชื่อมั่นของแบบสอบถาม ด้วยการวิเคราะห์ โดย วิธีครอนบาช แอลฟา (Cronbach’s alpha) ได้

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 1 กระเบื้ อ งตั ว อย่ า งของกลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ภาพที่ 2 กระเบื้ อ งตั ว อย่ า งของกลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ไม่รับรองมาตรฐานคุณภาพ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ ตารางที่ 2 ตารางสรุปผลการทดสอบคุณสมบัติของกระเบื้องหลังคาตามมาตรฐานคุณภาพ มอก. 5352540 คุณสมบัต ิ 1. การทดสอบมิติ (หน่วย : มิลลิเมตร) 1.1 ความกว้างของตัวกระเบื้อง 1.2 ความยาวของตัวกระเบื้อง 1.3 ความหนาของตัวกระเบื้อง 1.4 ความหนาของขอบรางลิ้นด้านข้าง 1.5 ระยะซ้อนทับของรางลิ้น 1.6 ความกว้างของฐานส่วนเกาะระแนง 1.7 ความหนาของส่วนเกาะระแนง 1.8 ความลึกของส่วนเกาะระแนง 1.9 เส้นผ่านศูนย์กลางรูตะปู 1.10 ระยะห่างศูนย์กลางรูตะปูกับฐาน ด้านในส่วนเกาะระแนง 2. การทดสอบความต้านแรงกดตามขวาง (หน่วย : นิวตัน) 3. การทดสอบการดูดซึมน้ำ (หน่วย : ร้อยละ) 4. การทดสอบความไม่รั่วซึมน้ำ

ค่าจากการทดสอบ ค่ามาตรฐาน ค่าของกระเบื้อง ค่าของกระเบื้อง ที่ ได้รับรองมาตร- ที่ ไม่ ได้รับรอง ฐานคุณภาพ มาตรฐานคุณภาพ

327-333 330.62 331.23 417-423 421.56 421.11 12.08 12.15 ≥ 9 ≥ 6 8.69 8.36 ≥ 25 33.68 31.82 ≥ 32 36.65 35.92 ≥ 6 17.05 20.37 ≥ 9 10.39 13.68 5-8 5.79 1.00 9-16 13.85 11.74

≥ 450 ≤ 10

ต้องไม่ปรากฏหยด- น้ำใต้แผ่นกระเบื้อง

หมายเหตุ : ค่าที่ ได้ ในตารางเป็นค่าเฉลี่ย 103

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ผลดังนี้คือ แบบสอบถามผลหลังการใช้งานของ กระเบื้องหลังคา กรณีบริษัทรับเหมาก่อสร้าง ให้ ค่าความเชื่อมั่นเท่ากับ 0.80 ความคลาดเคลื่อน มาตรฐานในการวัดค่าเท่ากับ 1.84 คะแนน และ แบบสอบถามความพึงพอใจจากการใช้งานกระเบื้องหลังคา กรณีบุคคลทั่วไป ก่อสร้างให้ค่าความ เชื่อมั่นเท่ากับ 0.81 ความคลาดเคลื่อนมาตรฐาน ในการวัดค่าเท่ากับ 1.55 คะแนน

3. การทดสอบสมมติฐานการวิจัย

การทดสอบสมมติฐานการวิจัยนั้น มีการ ตั้งสมมติฐานเพื่อทดสอบไว้ 3 ด้านคือ ความแตก ต่างด้านคุณสมบัติ ผลหลังการใช้งาน และความ พึ ง พอใจจากการเลื อ กใช้ กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ด้ รับรองมาตรฐานคุณภาพและไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุ ณ ภาพ โดยตั้ ง สมมติ ฐ านหลั ก ได้ ว่ า คุ ณ สมบัติ ผลหลังการใช้งาน และความพึงพอใจจาก การเลื อ กใช้ ข องกระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ได้ รั บ รอง

มาตรฐานคุ ณ ภาพและกระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ม่ ไ ด้ รับรองมาตรฐานไม่แตกต่างกัน ที่ระดับความเชื่อ มั่น 95% สมมติฐาน H0 : μ1 = μ2

H1 : μ1 ≠ μ2

เมือ่ μ1 = คุณสมบัติ ผลหลังการใช้งาน และ

ความพึงพอใจจากการเลือกใช้ของกระเบื้องหลัง คาที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ

μ2 = คุณสมบัติ ผลหลังการใช้งาน และ

ความพึงพอใจจากการเลือกใช้ของกระเบื้องหลัง คาที่ ไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ การตัดสินใจที่ระดับนัยสำคัญ α = 0.05

ทำการทดสอบสมมติฐานด้วยโปรแกรม MINITAB ด้วยการวิเคราะห์ One Way Analysis of Variance (ANOVA)

โดยในภาพที่ 3 แสดงหน้าต่างของโปรแกรม MINITAB ด้วยการวิเคราะห์ One Way Analysis of Variance (ANOVA)

ภาพที่ 3 หน้าจอโปรแกรม MINITAB การวิเคราะห์ ANOVA 104

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบผลหลังการใช้งานของกระเบื้องหลังคา จำแนกตามประเภทของบริษัทที่ ได้ รับรองมาตรฐานคุณภาพ ประเภทของ บริษัท ISO Non-ISO

จำนวน (บริษัท) 226 60

ผลหลังการใช้งานของกระเบื้องหลังคา ค่าเฉลี่ย ค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน 71.396 6.538 53.259 3.727

และแสดงตั ว อย่ า งผลการวิ เ คราะห์ ดั ง ตารางที่ 3 การเปรียบเทียบผลหลังการใช้งาน ของกระเบื้ อ งหลั ง คา จำแนกตามประเภทของ บริษัทที่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ

สรุปผลการทดสอบ

สามารถสรุ ป ผลการวิ เ คราะห์ ข้ อ มู ล ได้ ดังนี้

1. คุณสมบัติของกระเบื้องหลังคา

เป็นการทดสอบคุณสมบัติของกระเบื้อง หลั ง คาที่ ใ ช้ ข นาดตั ว อย่ า งกลุ่ ม ละ 9 แผ่ น ตาม มาตรฐานการชักตัวอย่างของ มอก. โดยผลิตภัณฑ์ ตั ว แทนของกลุ่ ม บริ ษั ท ที่ ได้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพใช้กระเบื้อง CPAC Monier เปรียบเทียบ กับผลิตภัณฑ์ของกลุ่มบริษัทที่ ไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพใช้กระเบื้อง NAVA Balance โดย อ้างอิงวิธีทดสอบและผลการทดสอบตามมาตรฐานอุ ต สาหกรรม มอก. 535-2540 โดยมี ก าร ทดสอบ 4 ด้านคือ การทดสอบมิติ การทดสอบ ความต้านแรงกดตามขวาง การทดสอบการดูดซึม น้ำ และการทดสอบความไม่รั่วซึมน้ำ พบว่าค่าที่ ได้อยู่ ในมาตรฐานทั้งหมด ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า ด้าน คุ ณ สมบั ติ ข องกระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ได้ รั บ รอง มาตรฐานคุ ณ ภาพ และไม่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพ เป็นไปตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม มอก. 535-2540

F

P

424.43

0.000

2. สรุปผลจากแบบสอบถาม

แบบสอบถามผลหลั ง การใช้ ง านของ กระเบื้องหลังคา กรณีบริษัทรับเหมาก่อสร้าง

จากการสำรวจบริ ษั ท รั บ เหมาก่ อ สร้ า ง ทั้งหมดจำนวน 286 บริษัทด้วยแบบสอบถาม แบ่ง ตามสั ด ส่ ว นได้ เ ป็ น บริ ษั ท กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ด้ รับรองมาตรฐานคุณภาพจำนวน 229 บริษัท และ บริ ษั ท กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ม่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพอีกจำนวน 57 บริษัท พบว่าข้อมูลพื้นฐาน ทั่วไปของผู้ตอบแบบสอบถาม สามารถสรุปได้ดังนี้

1. ประเภทการจดทะเบี ย น เป็ น บริ ษั ท จำกัด จำนวน 203 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 70.98 เป็นห้างหุ้นส่วนจำกัด จำนวน 82 บริษัท คิดเป็น ร้ อ ยละ 28.67 และเป็ น บริ ษั ท จำกั ด มหาชน จำนวน 1 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 0.35

2. ประสบการณ์ ในการรับเหมาก่อสร้าง มีประสบการณ์มากกว่า 5 ปี จำนวน 202 บริษัท คิ ด เป็ น ร้ อ ยละ 70.63 มี ป ระสบการณ์ 3 -5 ปี จำนวน 54 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 18.88 และมี ประสบการณ์ 1-3 ปี จำนวน 30 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 10.49

3. จำนวนโครงการที่ทำอยู่ ในปัจจุบัน มี 2–5 โครงการ จำนวน 158 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 55.24 มี 1 โครงการ จำนวน 125 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 43.71 และมี 6–10 โครงการ จำนวน 3 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 1.05 105

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

4. จำนวนยี่ห้อของกระเบื้องที่เคยใช้มา แล้ว 3 ยี่ห้อขึ้นไป จำนวน 214 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 74.82 2 ยี่ห้อ จำนวน 68 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 23.78 และ 1 ยี่ห้อ จำนวน 4 บริษัท คิด เป็นร้อยละ 1.40

ข้อมูลประกอบการตัดสินใจซื้อกระเบื้อง หลังคา สามารถสรุปได้ดังนี้

1. ยี่ห้อของกระเบื้องหลังคาที่เลือกใช้ ใน ปัจจุบัน เป็นซีแพค จำนวน 226 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 79.02 และนาวา จำนวน 60 บริษัท คิด เป็นร้อยละ 20.98

2. เป็ น กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ มี ก ารรั บ รอง มาตรฐานคุณภาพไอเอสโอ จำนวน 226 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 79.02 และไม่มีการรับรองมาตรฐานคุณภาพไอเอสโอ จำนวน 60 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 20.98

3. อายุการใช้งานของกระเบื้องหลังคา 10 ปีขึ้นไป จำนวน 223 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 77.97 และ 5-10 ปี จำนวน 63 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 22.03

4. เหตุ ผ ลหลั ก ในการเลื อ กยี่ ห้ อ ของ กระเบื้องหลังคา ที่สำคัญที่สุดคือ ราคา รองลงมา ตามลำดับคือ การหาซื้อง่าย คุณสมบัติ ชื่อเสียง และที่สำคัญน้อยที่สุดคือ ความหลากหลายของ ผลิตภัณฑ์

แบบสอบถามความพึ ง พอใจจากการใช้ งานกระเบื้องหลังคา กรณีบุคคลทั่วไป

จากการสำรวจบุคคลทั่วไปทั้งหมดจำนวน 286 รายด้วยแบบสอบถาม แบ่งตามสัดส่วนได้ เป็นลูกค้าของกระเบื้องหลังคาที่ ได้รับรองมาตร106

ฐานคุ ณ ภาพจำนวน 222 ราย และลู ก ค้ า ของ บริ ษั ท กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ ไ ม่ ไ ด้ รั บ รองมาตรฐาน คุณภาพอีกจำนวน 64 ราย โดยพบว่าข้อมูลพื้น ฐานทั่วไปของผู้ตอบแบบสอบถาม สามารถสรุปได้ ดังนี้

1. เพศ เป็นชาย จำนวน 201 ราย คิด เป็นร้อยละ 70.28 และเป็นหญิง จำนวน 85 ราย คิดเป็นร้อยละ 29.72

2. อายุ 30-39 ปี จำนวน 132 ราย คิด เป็นร้อยละ 46.15 อายุ 20-29 ปี จำนวน 83 ราย คิดเป็นร้อยละ 29.02 และอายุ 40 ปีขึ้นไป จำนวน 71 ราย คิดเป็นร้อยละ 24.83

3. อาชีพ พนักงานบริษัทเอกชน จำนวน 171 ราย คิ ด เป็ น ร้ อ ยละ 59.79 ธุ ร กิ จ ส่ ว นตั ว จำนวน 73 ราย คิดเป็นร้อยละ 25.52 และรับ ราชการ จำนวน 42 ราย คิดเป็นร้อยละ 14.69

4. รายได้เฉลี่ยต่อเดือน เป็นเงิน 15,001 -30,000 บาท จำนวน 152 ราย คิดเป็นร้อยละ 53.15 30,001-45,000 บาท จำนวน 80 ราย คิด เป็นร้อยละ 27.97 ไม่เกิน 15,000 บาท จำนวน 34 ราย คิดเป็นร้อยละ 11.89 45,001-60,000 บาท จำนวน 15 ราย คิดเป็นร้อยละ 5.24 และ มากกว่า 60,000 บาท จำนวน 5 ราย คิดเป็นร้อย ละ 1.75

5. มู ล ค่ า ของบ้ า น ราคา 1,000,0013,000,000 บาท จำนวน 187 ราย คิดเป็นร้อยละ 65.38 ราคา 3,000,001-5,000,000 บาท จำนวน 82 ราย คิ ด เป็ น ร้ อ ยละ 28.67 ราคาไม่ เ กิ น 1,000,000 บาท จำนวน 12 ราย คิดเป็นร้อยละ 4.20 และราคามากกว่า 5,000,000 บาท จำนวน 5 ราย คิดเป็นร้อยละ 1.75

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ข้อมูลประกอบการตัดสินใจซื้อกระเบื้อง หลังคา สามารถสรุปได้ดังนี้

1. ยี่ห้อของกระเบื้องหลังคาที่เลือกใช้ ใน ปัจจุบัน เป็นซีแพค จำนวน 222 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 77.62 และนาวา จำนวน 64 บริษัท คิด เป็นร้อยละ 22.38

2. เป็ น กระเบื้ อ งหลั ง คาที่ มี ก ารรั บ รอง มาตรฐานคุณภาพไอเอสโอ จำนวน 222 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 77.62 และไม่มีการรับรองมาตรฐานคุณภาพไอเอสโอ จำนวน 64 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 22.38

3. อายุการใช้งานของกระเบื้องหลังคา 10 ปีขึ้นไป จำนวน 215 บริษัท คิดเป็นร้อยละ 75.17 และ 5–10 ปี จำนวน 71 บริษัท คิดเป็น ร้อยละ 24.83

4. เหตุ ผ ลหลั ก ในการเลื อ กยี่ ห้ อ ของ กระเบื้องหลังคา ที่สำคัญที่สุดคือ ราคา รองลงมา ตามลำดับคือ ชื่อเสียง คุณสมบัติ การหาซื้อง่าย และที่สำคัญน้อยที่สุดคือ ความหลากหลายของ ผลิตภัณฑ์

3. การทดสอบสมมติฐานการวิจัย

การทดสอบสมมติฐานการวิจัยนั้น มีการ ตั้งสมมติฐานเพื่อทดสอบไว้ 3 ด้าน สามารถสรุป ผลได้ดังนี้

1. ด้ า นคุ ณ สมบั ติ ข องกระเบื้ อ งหลั ง คา เป็นไปตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.) แต่ มี ค วามแตกต่ า งกั น อย่ า งมี นั ย สำคั ญ ที่ ร ะดั บ ความเชื่อมั่น 95% ยกเว้นคุณสมบัติมิติด้านความ หนาที่ ไม่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ระดับความ เชื่อมั่น 95%

2. ผลหลังการใช้งานของกระเบื้องหลัง คาแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ระดับความเชื่อ มั่น 95%

3. ความพึงพอใจของลูกค้าจากการเลือก ใช้กระเบื้องหลังคาแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญที่ ระดับความเชื่อมั่น 95%

คำขอบคุณ

ผู้ วิ จั ย ขอขอบคุ ณ มหาวิ ท ยาลั ย เซนต์ จอห์น ที่ ได้กรุณามอบทุนสนับสนุนในการทำวิจัย ในครั้งนี้ และผู้วิจัยขอขอบคุณบริษัท กระเบื้อง หลั ง คาซี แ พค จำกั ด และบริ ษั ท นวกิ ต ติ ภั ท ร์ จำกัด ที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการให้ข้อมูล เพื่อทำวิจัยในครั้งนี้

เอกสารอ้างอิง [1] เรืองศักดิ์ ทวีไพบูลย์วงษ์, 2543, การ วิ เ คราะห์ โ ครงสร้ า งตลาด พฤติ ก รรม และผลการดำเนินงานของอุตสาหกรรม กระเบื้องหลังคาซีเมนต์ ใยหินในประเทศ ไทย, มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ , กรุงเทพฯ [2] ไพศาล กาญจนพฤกษ์, 2547, ความคิด เห็ น เกี่ ย วกั บ การั ก ษามาตรฐานการทำ งาน กรณียกเลิกการขอการรับรองตาม มาตรฐาน ISO 9000 ของพนักงานระดับ ปฏิบัติการ บริษัท กระเบื้องหลังคาซีแพค จำกั ด , มหาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์ , กรุงเทพฯ [3] สุรินทร์ นิยมางกูร, 2541, เทคนิคการ สุ่ ม ตั ว อย่ า ง, สำนั ก พิ ม พ์ ม หาวิ ท ยาลั ย เกษตรศาสตร์, กรุงเทพฯ 107

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

[4] สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อตุ สาหกรรม, [7] ชู เ พ็ ญ ศรี วงศ์ พุ ท ธา, 2542, การ 2540, กระเบื้องคอนกรีตมุงหลังคา, พิมพ์ วิ เ คราะห์ ค วามสั ม พั น ธ์ ร ะหว่ า งตั ว แปร ครั้ ง ที 2 ่ , สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์ หลายตัว โดยวิธี MRA, ANOVA, MCA. อุตสาหกรรม, กรุงเทพฯ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, เชียงใหม่.

[5] Gronlund, Norman E, 1978, MEA- [8] สุ วิ ม ล จั น ทร์ แ ก้ ว , 2551, การศึ ก ษา ความแตกต่างของกระเบื้องหลังคาที่ ได้ SUREMENT AND EVALUATION IN รับรองมาตรฐานคุณภาพและกระเบื้อง TEACHING, New York: Macmillan. หลังคาที่ ไม่ ได้รับรองมาตรฐานคุณภาพ, [6] Ebel, Rober t L., 1979, ESSEN- รายงานการวิจยั มหาวิทยาลัยเซนต์จอห์น, TIALS OF EDUCATIONAL MEAกรุงเทพฯ.

SUREMENT. New Jersey: Prentice Hall.

108

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

การวิ เ คราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนโลหะ

ทางวิ ศ วกรรมที่ เ กิ ด จากการรั บ

ภาระกรรมทางกลด้วยการตรวจสอบ สภาพผิวแตก Failure Analysis of a Damaged Metal Engineering Part Affected by Mechanical loading using Fractography Investigation

กฤษ เหลืองโสภาพันธ์ 1 ฉวีวรรณ พูนธนานิวัฒน์กุล 1

บทคัดย่อ

เมื่อโรงงานอุตสาหกรรมประสบกับปัญหา ซึ่ ง ส่ ง ผลทำให้ ก ระบวนการผลิ ต ไม่ ต่ อ เนื่ อ งหรื อ ต้ อ งหยุ ด กระบวนการผลิ ต เนื่ อ งจากชิ้ น ส่ ว น เครื่องจักรได้รับความเสียหาย การวิเคราะห์ความ เสี ย หายเป็ น วิ ธี ก ารหนึ่ ง ที่ ถู ก นำมาใช้ ในการ วิเคราะห์หาสาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายที่ เกิดขึ้น เพื่อนำไปแก้ ไขปัญหาดังกล่าวได้อย่างมี ประสิทธิภาพ การวิเคราะห์ความเสียหายประกอบ ด้วยหลายวิธีด้วยกัน เช่น การทดสอบทางกล การ 1

วิ เ คราะห์ อ งค์ ป ระกอบทางเคมี การวิ เ คราะห์ โครงสร้างจุลภาค การตรวจสอบแบบไม่ทำลาย การตรวจสอบสภาพผิวแตก เป็นต้น เนื่องจากวิธี การตรวจสอบสภาพผิ ว แตกต้ อ งอาศั ย ความ ชำนาญของบุ ค ลากรและเครื่ อ งมื อ เฉพาะซึ่ ง ใน ปั จ จุ บั น ยั ง มี อ ยู่ น้ อ ย ผู้ เ ขี ย นจึ ง นำเสนอการ วิ เ คราะห์ ค วามเสี ย หายของชิ้ น ส่ ว นโลหะทาง วิ ศ วกรรมที่ ไ ด้ รั บ ภาระกรรมทางกลโดยวิ ธี ก าร ตรวจสอบสภาพผิวแตกเพื่อเป็นกรณีศึกษา

นักวิชาการ 7 ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศไทย

109

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ในบทความนี้ผู้เขียนได้นำศาสตร์วิชาที่ว่า ด้วยการศึกษาวิเคราะห์และตรวจสอบสภาพผิวแตก มาเป็นแนวทางในการวิเคราะห์ความเสียหาย ซึ่ง ประกอบด้ ว ยการตรวจสอบในระดั บ มหภาคด้ ว ย กล้องจุลทรรศน์แบบสเตอริโอไมโครสโคป และการ ตรวจสอบในระดับจุลภาคด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบ ส่องกราด ผลจากการตรวจสอบนอกจากจะนำไปสู่ สาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายของชิ้นส่วนโลหะ ทางวิศวกรรม ยังเป็นแนวทางแก้ ไขและปรับปรุง กระบวนการผลิตมิให้เกิดปัญหาซ้ำอีกในอนาคต

คำสำคั ญ : การตรวจสอบสภาพผิ ว แตก การวิ เ คราะห์ ค วามเสี ย หาย ชิ้ น ส่ ว นโลหะทาง วิศวกรรม ภาระกรรมทางกล

Abstract

Due to damaged machine parts When an industrial plant encounters problems relating to damaged machine par ts causing a production process discontinuity or a production process shut down, failure analysis is a method used for root cause analysis of the damage in order to efficiently solve the problems. There are several failure analysis methods. For instance, mechanical testing, chemical composition analysis, Microstructure analysis, nondestructive testing, and fracture surface analysis.

Since fracture analysis requires trained engineers with technical expertise and specific instruments which are difficult to find nowadays, the researcher conducts 110

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

failure analysis of a damaged metal engineering part affected by mechanical loading using fracture surface analysis as a case study. In this paper, the researcher utilizes fractography as a guideline for failure analysis consisting of macrostructure analysis with a stereo microscope and microstructure analysis with a scanning electron microscope. The results of the failure analysis not only lead to the root cause of the part’s damage but are also a means to adjust and improve the production process in order to prevent problems from recurring.

Keywords: fracture sur face investigation, failure analysis, metal engineering part, mechanical loading

1. บทนำ ชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมที่นำมาใช้ ใน โรงงานอุตสาหกรรมได้ผ่านการคัดสรรทางด้าน คุณภาพมาเป็นอย่างดี [1] โดยมีความคาดหวัง ว่าสามารถที่จะใช้งานได้อย่างไม่มีปัญหาและใช้ งานได้นาน แต่ ในบางครั้งเหตุการณ์ที่ ไม่คาดคิด สามารถเกิ ด ขึ้ น ได้ ต ลอดเวลากั บ ชิ้ น ส่ ว นโลหะ ทางวิศวกรรมภายในโรงงาน ทำให้มีความเสีย หายเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนเหล่านั้น หรือถ้าเหตุการณ์ ที่ เ กิ ด ขึ้ น มี ค วามรุ น แรงมากอาจส่ ง ผลทำให้ ผู้ ปฏิบัติงานถึงขั้นเสียชีวิตได้ ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นกับ โรงงานอุตสาหกรรมคือส่งผลกระทบต่อการผลิต และต้องหยุดการผลิตเพื่อทำการซ่อมแซมและ แก้ ไขปัญหาที่เกิดขึ้น ซึ่งถือว่าเป็นภาระทางด้าน

การเงิ น ในการดำเนิ น ธุ ร กิ จ ดั ง นั้ น สิ่ ง ที่ โ รงงาน อุ ต สาหกรรมควรกระทำเป็ น สิ่ ง แรกคื อ การหา สาเหตุที่แท้จริงของความเสียหายที่เกิดขึ้นกับชิ้น ส่วนโลหะทางวิศวกรรมนั้น เพื่อนำสาเหตุดังกล่าว มาเป็นแนวทางในการแก้ ไขปัญหา ปรับปรุง และ ป้องกันไม่ ให้ปัญหาเกิดขึ้นอีกในอนาคต

สิ่งที่ทำให้ชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมเกิด ความเสียหายขึ้นได้มีสาเหตุมาจากการรับภาระ กรรมทางกล ภาระกรรมทางความร้อน และทาง ด้านการกัดกร่อน [2] ซึ่งสภาพผิวแตกของชิ้นส่วน โลหะทางวิ ศ วกรรมในแต่ ล ะสาเหตุ มี ลั ก ษณะ เฉพาะที่ต่างกัน สำหรับความเสียหายที่เกิดขึ้นกับ ชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมที่รับภาระกรรมทางกล เป็ น สิ่ ง ที่ วิ ศ วกรพยายามศึ ก ษามาเป็ น เวลานาน กว่าร้อยปี โดยเฉพาะความเสียหายที่มีสาเหตุมา จากการแตกหักแบบความล้า (Fatigue) นอกจาก นี้ มี ข้ อ มู ล ท า ง ด้ า น เ ศ ร ษ ฐ กิ จ ข อ ง ป ร ะ เ ท ศ สหรัฐอเมริกาที่ ได้รวบรวมเกี่ยวกับราคาของชิ้น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมที่ เ สี ย หายพบว่ า เกื อ บ 10% ของราคาความเสียหายทั้งหมดมาจากชิ้น ส่วนของยานยนต์และ 5% เป็นชิ้นส่วนของเครื่อง บิน พร้ อ มกั บ มี การบันทึกไว้ว่าการแตกหักแบบ ความล้าเป็นสาเหตุหลักของความเสียหายที่เกิด ขึ้นกับชิ้นส่วนทั้งสองประเภท [3] นอกจากนี้การ แตกหักแบบเปราะและเหนียวเป็นความเสียหายที่ พบได้กับชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมที่ ได้รับภาระ กรรมทางกล ซึ่งผิวแตกที่ปรากฏเป็นการแตกหัก แบบใดต้องทำการตรวจสอบสภาพผิวแตกก่อนใน เบื้องต้นพร้อมกับพิจารณาชนิดของโลหะว่าเป็น โลหะที่มีคุณสมบัติเหนียวหรือเปราะ เพราะว่าเมื่อ ชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมที่ มี คุ ณ สมบั ติ เ หนี ย ว เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมประเภทออสเตนนิติกได้รับ

ภาระกรรมที่เกินกว่าจุดคราก (Yield Point) ส่ง ผลทำให้วัสดุเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) เมื่ อ ตรวจสอบผิ ว แตกด้ ว ยกล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope) หรื อ SEM พบว่ า สภาพผิ ว แตก ทั้ ง หมดมี ลั ก ษณะเป็ น แบบเหนี ย ว (Dimple) ทั้ ง หมด ส่ ว นความเสี ย หายจากภาระกรรมทาง ความร้อน เช่น การคืบ (Creep) และความเสีย หายเนื่องจากการกัดกร่อน เช่น การกัดกร่อนตาม ขอบเกรน (Intergranular Corrosion) เป็นความ เสียหายที่มีผู้สนใจศึกษาอยู่เป็นจำนวนมากเช่นกัน สำหรั บ ชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมบางชนิ ด ที่ มี ความเสียหายเกิดขึ้นพบว่ามีสาเหตุของความเสีย หายเกี่ยวข้องด้วยหลายกรณีเช่น มีการคืบเกิดขึ้น ร่วมกับความล้าซึ่งมักเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนโลหะทาง วิ ศ ว ก ร ร ม ที่ ไ ด้ รั บ ภ า ร ะ ก ร ร ม แ บ บ พ ล วั ต (Dynamic Loading) ที่อุณหภูมิสูง เหตุการณ์ดัง กล่ า วมั ก เกิ ด ขึ้ น กั บ Steam Turbine ที่ อ ยู่ ใ น โรงงานผลิตกระแสไฟฟ้า ในการหาสาเหตุของความเสียหายที่แท้ จริงและให้ ได้ผลวิเคราะห์ที่ถูกต้องมากที่สุด จะ ต้องใช้บุคลากรที่มีความรู้หลายสาขาวิชาทำงาน ร่ ว มกั น ซึ่ ง ควรที่ จ ะประกอบไปด้ ว ย วิ ศ วกรรม เครื่ อ งกล วิ ศ วกรรมเคมี วิ ศ วกรรมโลหการ วิศวกรรมการผลิต วัสดุศาสตร์ ฯลฯ ร่วมกับหลัก ฐานของความเสียหายที่เกิดขึ้น ขั้นตอนของการ วิเคราะห์สภาพความเสียหายเริ่มต้นจากการเก็บ รวบรวมข้อมูลทั้งหมดที่มีส่วนทำให้ชิ้นส่วนโลหะ ทางวิ ศ วกรรมมี ค วามเสี ย หายเกิ ด ขึ้ น เช่ น กระบวนการผลิ ต ตำแหน่ ง ที่ เ สี ย หาย สภาวะ แวดล้อม สภาวะการใช้งาน หลังจากนั้นทีมงาน วิ เ คราะห์ ค วามเสี ย หายควรมี ก ารตั้ ง สมมติ ฐ าน 111

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

เบื้ อ งต้ น รวมถึ ง การออกแบบวิ ธี วิ เ คราะห์ แ ละ ทดสอบชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมเพื่อหาข้อมูล มาสนับสนุนสมมติฐานที่ตั้งไว้ โดยส่วนใหญ่แล้ว ต้องทำการตรวจพินิจ (Visual Inspection) เพื่อ ระบุตำแหน่งของชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมที่ ใช้ ในการวิเคราะห์ หลังจากนั้นจึงนำชิ้นส่วนโลหะทาง วิ ศ วกรรมที่ เ ลื อ กไว้ ม าตรวจสอบและวิ เ คราะห์ สภาพความเสียหายบนผิวแล้วจึงทำการทดสอบ ตรวจสอบ คุ ณ สมบั ติ ต่ า ง ๆ ของวั ส ดุ เช่ น คุณสมบัติทางเคมี คุณสมบัติทางกล ยกตัวอย่าง เช่น ความแข็ง ความแข็งแรง แรงกระแทก การ ตรวจสอบและวิ เ คราะห์ ใ นส่ ว นของโครงสร้ า ง มหภาคและจุ ล ภาค ขั้ น ตอนสุ ด ท้ า ยจึ ง ทำการ ประมวลผลโดยใช้ ห ลั ก ฐานและข้ อ มู ล ที่ มี อ ยู่ ทั้งหมดพร้อมกับมีข้อสรุปเพื่อจัดทำรายงานของ การวิเคราะห์ความเสียหาย กรณีที่ผู้เขียนรายงาน ได้ ให้คำแนะนำต่อเหตุการณ์ความเสียหายที่เกิด ขึ้ น ด้ ว ยจะเป็ น ประโยชน์ อ ย่ า งมากสำหรั บ ผู้ ที่ เกี่ยวข้องกับปัญหานั้น [4]

การวิ เ คราะห์ ส ภาพผิ ว แตกของชิ้ น ส่ ว น โลหะทางวิ ศ วกรรมที่ เ กิ ด ความเสี ย หายจะต้ อ ง อาศัยความรู้และความชำนาญในการตรวจสอบผิว แตก ซึ่งศาสตร์วิชา Fractography เป็นวิชาที่ว่า ด้วยการศึกษาวิเคราะห์และตรวจสอบผิวแตกของ ชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมโดยการใช้ Stereo Microscope และ Scanning Electron Microscope เพื่อให้รู้ถึงกลไกของความเสียหายที่ เกิดขึ้น [5] การตรวจสอบผิวแตกแบ่งออกเป็นการ ตรวจสอบในระดับมหภาค (Macroscopic) และ การตรวจสอบในระดับจุลภาค (Microscopic) สิ่ง ที่ ใช้ ในการตรวจสอบในระดับมหภาคคือสายตา ของผู้ตรวจสอบโดยมีอุปกรณ์ช่วยเหลือ เช่น แว่น ขยาย กล้ อ งสเตอริ โ อไมโครสโคป (Stereo 112

Microscope) ส่วนการตรวจสอบในระดับจุลภาค นิยมใช้กล้อง SEM เป็นอุปกรณ์สำคัญเพื่อตรวจ สอบสภาพผิวแตกที่กำลังขยายสูง

2. หลั ก การทำงานของกล้ อ งจุ ล ทรรศน์ แบบสเตอริ โ อไมโครสโคปและกล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องกราด

2.1 กล้องจุลทรรศน์แบบสเตอริโอไมโครสโคปมีหลักการทำงานเหมือนกล้องจุลทรรศน์แบบ ใช้แสง (Light Microscope) ซึ่งมีหลอดไฟทำ หน้ า ที่ เ ป็ น แหล่ ง กำเนิ ด แสงโดยแสงที่ เ กิ ด ขึ้ น จะ เคลื่อนที่ ไปตกกระทบบนผิวของชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมแล้วสะท้อนออกจากผิวของชิ้นส่วนโลหะ ทางวิศวกรรมผ่านเข้าสู่ระบบเลนส์ภายในกล้องซึ่ง เรี ย กว่ า เลนส์ วั ต ถุ (Objective Lens) และ ผู้ สั ง เกตสามารถมองเห็ น ภาพได้ โดยเลนส์ ใ กล้ ตา (Ocular Lens) ที่อยู่บริเวณด้านบนของกล้อง ในภาพที่ 1 คือ กล้องจุลทรรศน์แบบสเตอริโอไมโครสโคป เพื่ อ ใช้ ต รวจสอบสภาพผิ ว แตกใน ระดับมหภาค

ภาพที่ 1 กล้องจุลทรรศน์แบบสเตอริโอไมโครสโคปเพื่ อ ใช้ ต รวจสอบสภาพผิ ว แตกในระดั บ มหภาค

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

2.2 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่อง กราด (SEM) เนื่ อ งจากว่ า กล้ อ งจุ ล ทรรศน์ แ บบ สเตอริโอไมโครสโคปและกล้องจุลทรรศน์แบบแสง มี ข้ อ จำกั ด ทางด้ า นกำลั ง ขยาย ความชั ด ลึ ก ของ ภาพ (Depth of field) และความละเอียดในการ แยกแยะภาพ (Resolution) โดย SEM ที่ ผ ลิ ต ขึ้ น มาเพื่ อ แก้ ไขปั ญ หาและเพิ่ ม ความสามารถใน คุณสมบัติทั้งสามข้างต้น ซึ่ง SEM สามารถถ่าย ภาพที่กำลังขยายต่ำจนถึงที่กำลังขยายสูงประมาณ 100,000 เท่าได้ สำหรับความชัดลึกของภาพนั้น กล้อง SEM สามารถที่จะมองเห็นพื้นผิวในลักษณะ ของ 3 มิติได้ ซึ่งกล้องจุลทรรศน์แบบสเตอริโอไมโครสโคปและกล้ อ งจุ ล ทรรศน์ แ บบแสงแสดง ลักษณะพื้นผิวเป็นแบบ 2 มิติ เท่านั้น

ส่ ว นคุ ณ สมบั ติ ด้ า นความละเอี ย ดในการ แยกแยะภาพ (Resolution) หมายถึงความสามารถ ที่จะแจกแจงรายละเอียดโดยการแยกของสองสิ่งที่ อยู่ ใกล้กันในระยะหนึ่งให้ออกว่าไม่ ใช่สิ่งเดียวกัน หรื อ เป็ น จุ ด เดี ย วกั น กล้ อ ง SEM สามารถที่ จะแยกแยะรายละเอียดได้ดีกว่า สิ่งที่ ได้กล่าวมา ข้างต้นจึงเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้การตรวจสอบ ในระดั บ จุ ล ภาคได้ มี ก ารนำกล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องกราดมาใช้อย่างแพร่หลายใน การศึกษาและตรวจสอบสภาพผิวแตกของชิ้นส่วน โลหะทางวิ ศ วกรรม ในภาพที่ 2 แสดงภาพของ กล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิ เ ล็ ก ตรอนแบบส่ อ งกราดรุ่ น JEOL 5410 LV

เมื่ อ พิ จ ารณาบริ เ วณด้ า นบนสุ ด ของ คอลั ม น์ (ลู ก ศร) ในภาพที่ 2 คื อ ส่ ว นของแหล่ ง กำเนิ ด อิ เ ล็ ก ตรอน (Electron Gun) ซึ่ ง ภาย ในแหล่ ง กำเนิ ด อิ เ ล็ ก ตรอนประกอบด้ ว ยโลหะ รูปกรวยหรือ Wehnelt cylinder ภายในมีไส้ที่ทำ

ภาพที่ 2 กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่อง กราดรุ่น JEOL 5410 LV เพื่อใช้ตรวจสอบสภาพ ผิวแตกในระดับจุลภาค มาจากโลหะทั ง สเตน หรื อ เรี ย กว่ า ฟิ ล าเมนต์ (Filament) ซึ่งเป็นตัวให้อิเล็กตรอน เมื่อให้ความ ต่างศักย์กับ Filament ที่อยู่ ในระบบสุญญากาศ พบว่ามีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากบริเวณปลาย สุดของ Filament เป็นจำนวนมาก อิเล็กตรอน ที่ เ กิ ด ขึ้ น จะถู ก ควบคุ ม โดยสนามแม่ เ หล็ ก ซึ่ ง เรียกว่า Electromagnetic Lens โดยเลนส์ชนิดนี้ มีหน้าที่รวบรวมลำอิเล็กตรอนให้มีขนาดเล็กที่สุด และมีความเข้มสูงสุด ลำอิเล็กตรอนที่ตกกระทบ บนผิ ว ของชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมเรี ย กว่ า อิเล็กตรอนปฐมภูมิ (Primary Electrons) ชิ้นส่วน โลหะทางวิ ศ วกรรมจะถู ก นำมาวางไว้ ใ นช่ อ งใส่ ตัวอย่างที่อยู่บริเวณด้านล่างของคอลัมน์ (ลูกศร) หรื อ เรี ย กว่ า Chamber สิ่ ง ที่ เ กิ ด ขึ้ น หลั ง จาก อิเล็กตรอนปฐมภูมิตกกระทบบนผิวของชิ้นส่วน โลหะทางวิ ศ วกรรมคื อ สั ญ ญาณอิ เ ล็ ก ตรอนซึ่ ง มี ด้ ว ยกั น หลายชนิ ด แบ่ ง ตามความลึ ก ของ อิ เ ล็ ก ตรอนที่ ก ระทบกั บ อะตอมที่ อ ยู่ ภ ายใน โครงสร้ า งของชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรม ดั ง แสดงในภาพที่ 3 113

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

ภาพที่ 3 สัญญาณอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจากการ ที่อิเล็กตรอนปฐมภูมิทำอันตรกิริยากับอะตอมที่ อยู่ ภ ายในโครงสร้ า งของชิ้ น ส่ ว นโลหะทาง วิศวกรรม [6]

เมื่อลำอิเล็กตรอนปฐมภูมิตกกระทบบน ผิ ว ชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรม เกิ ด การชนกั น ระหว่ า งอิ เ ล็ ก ตรอนปฐมภู มิ กั บ อิ เ ล็ ก ตรอนของ อะตอมภายในผิวชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรม ซึ่ง มีการชนกัน 2 ลักษณะคือ การชนแบบยืดหยุ่น ซึ่ ง เป็ น การชนแบบไม่ มี ก ารสู ญ เสี ย พลั ง งาน โดยอิ เ ล็ ก ตรอนที่ ส ะท้ อ นหรื อ หลุ ด ออกไป จะมี พลังงานสูง ซึ่งเรียกว่า อิเล็กตรอนกระเจิงกลับ (Backscattered Electrons, BE) เมื่ อ ตรวจ สัญญาณของ BE แปลงเป็นสัญญาณภาพบนจอ CRT โดยภาพที่เกิดขึ้นบนจอ CRT จะสามารถบ่ง บอกระดับความสูงต่ำของพื้นผิวของตัวอย่างที่มี ความแตกต่างกันมาก ๆ ได้ และนอกจากนั้นยัง สามารถบอกถึ ง การกระจายของธาตุ ที่ มี เ ลข อะตอมต่ า งกั น สู ง ได้ เช่ น การกระจายตั ว ของ อนุ ภ าคทองคำบนแผ่ น พลาสติ ก โดยบริ เ วณที่ สว่างจะบ่งบอกว่าบริเวณนั้นคืออนุภาคทองคำซึ่ง 114

มี ป ริ ม าณของ BE เกิ ด ขึ้ น มากกว่ า บริ เ วณแผ่ น พลาสติก นอกจากนั้นยังมีการชนแบบไม่ยืดหยุ่น ซึ่งเป็นการชนกันแบบมีการสูญเสียพลังงาน จะ ทำให้เกิดอิเล็กตรอนชุดที่สองที่เรียกว่าอิเล็กตรอน ทุติยภูมิ (Secondary Electron, SE) และมีการ คายพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่ารังสีบ่งบอกเฉพาะธาตุ (Characteristic X-rays) เมื่อแปลงสัญญาณอิเล็กตรอนชนิด ทุติยภูมิให้เป็นภาพบนจอ CRT สามารถบ่งบอก รายละเอียดและลักษณะพื้นผิวของชิ้นส่วนโลหะ ทางวิ ศ วกรรม นอกจากนั้ น ยั ง มี ก ารตรวจจั บ สั ญ ญาณรั ง สี บ่ ง บอกเฉพาะธาตุ ที่ เ กิ ด ขึ้ น เพื่ อ วิ เ คราะห์ ห าส่ ว นผสมทางเคมี ใ นบริ เ วณที่ ล ำ อิเล็กตรอนปฐมภูมิตกกระทบ

3. การตรวจสอบสภาพผิวแตก

เนื่องจากความเสียหายที่เกิดจากการรับ ภาระกรรมทางกลนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของภาระ กรรมที่กระทำจากภายนอกซึ่งแบ่งออกได้เป็น 2 ลั ก ษณะ คื อ การรั บ ภาระกรรมแบบสถิ ต ย์ (Static) คือชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมรับแรงคงที่ ตลอดเวลาและการรั บ ภาระกรรมแบบพลวั ต (Dynamic) คือชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมรับแรง ไม่คงที่ตลอดเวลา นอกจากนี้ชนิดของภาระกรรม ที่กระทำกับชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรม เช่น แรง ดึง แรงเฉือน แรงบิด มีผลกระทบต่อลักษณะของ ผิ ว แตกที่ ป รากฏด้ ว ย ดั ง นั้ น ในการตรวจสอบ สภาพผิวแตกต้องทำการตรวจสอบสภาพของผิว แตกทั้งในระดับมหภาคและจุลภาคด้วยเสมอ เพื่อ เป็นการยืนยันสภาพผิวแตกที่ปรากฏว่ามีลักษณะ ที่สอดคล้องหรือขัดแย้งกัน [7] [8]

3.1 การตรวจสอบในระดั บ มหภาค

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

เป็นการตรวจสอบผิวแตกโดยใช้กล้องจุลทรรศน์ แบบสเตอริโอไมโครสโคปที่กำลังขยายต่ำหรืออาจ ใช้แว่นขยาย แม้กระทั่งใช้สายตาของผู้ตรวจสอบ ที่มีความชำนาญเฉพาะด้านผิวแตก ในการตรวจ สอบบางครั้ ง พบว่ า อาจจะได้ ข้ อ มู ล มากจนไม่ ต้องอาศัยข้อมูลจากการวิเคราะห์ด้วยการตรวจ สอบโดยวิ ธี อื่ น ของการวิ เ คราะห์ ค วามเสี ย หาย ทำให้ ส ามารถสรุ ป สาเหตุ ข องความเสี ย หายได้ เช่ น กั น รายละเอี ย ดของผิ ว แตกที่ ป รากฏทำให้ ผู้ ต รวจสอบสามารถตั้ ง ข้ อ สมมติ ฐ านได้ ว่ า ภาระกรรมแบบใดที่กระทำกับชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมจนส่งผลให้มีความเสียหายเกิดขึ้นและ ผลที่ ได้ จ ากการตรวจสอบในระดั บ มหภาคจะ บ่ ง บอกว่ า ชิ้ น ส่ ว นโลหะทางวิ ศ วกรรมเกิ ด การ เปลี่ยนรูป (Deformation) หรือไม่ สีของผิวแตก ที่ปรากฏมีลักษณะอย่างไรเมื่อมีการสะท้อนของ แสงเข้ า สู่ ต าของผู้ ต รวจสอบ (สว่ า งหรื อ มื ด ) และมี ทิ ศ ทางของการแตกไปในทิ ศ ทางใด รวม ถึงการพิจารณาผิวแตกว่ามี texture ของผิวแตก (มี ลั ก ษณะของผิ ว ที่ เ รี ย บหรื อ หยาบ) และ โครงสร้างผลึกเป็นแบบ Silky, Granular หรือ แบบ Fibrous

สิ่ ง ที่ ส ำคั ญ ของการตรวจสอบในระดั บ มหภาคคือการหาจุดเริ่มต้นของการแตกหักซึ่งเป็น เป้าหมายเริ่มต้นของการตรวจสอบผิวแตกและมี ความสำคั ญ มากในการวิ เ คราะห์ ค วามเสี ย หาย ลั ก ษณะเฉพาะของผิ ว แตกที่ พ บเห็ น ได้ บ่ อ ยเช่ น Ratchet Marks, Chevrons ซึ่งลักษณะของผิว แตกทั้ง 2 ชนิดจะบ่งชี้ถึงทิศทางของการขยายตัว ของรอยแตก และมีร่องรอยที่ชี้กลับไปยังจุดเริ่ม ต้นส่งผลทำให้ผู้ตรวจสอบสภาพผิวแตกสามารถ ระบุจุดเริ่มต้นของการแตกหักได้ สำหรับกรณีที่

ตรวจสอบแล้วพบร่องรอย Beach Marks ทำให้ สามารถตั้งข้อสันนิษฐานได้ว่าชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมเกิดความล้าขึ้น

3.2 การตรวจสอบแบบในระดับจุลภาค เป็นการตรวจสอบผิวแตกของชิ้นส่วนโลหะทาง วิ ศ วกรรมที่ เ สี ย หายโดยใช้ ก ล้ อ งจุ ล ทรรศน์ อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อตรวจสอบสภาพผิว แตกโดยรวมซึ่ ง ถ้ า ผิ ว ของชิ้ น ส่ ว นโลหะทาง วิ ศ วกรรมมี ลั ก ษณะผิ ว แตกเป็ น แบบ Dimple ทั้ ง หมด ทำให้ ส รุ ป ได้ ว่ า เป็ น การแตกหั ก แบบ เหนียว ในกรณีผิวแตกแสดงถึงลักษณะของคลีเวจ ทั้งหมด (Cleavage Facets) เป็นการแตกหักแบบ เปราะ หรือ อาจเกิดผสมในกรณี ในชิ้นส่วนโลหะ ทางวิศวกรรมตัวอย่างไม่มีความเป็นเนื้อเดียวกัน บริเวณของเนื้อวัสดุที่มีคุณสมบัติที่เหนียวจะแสดง ลักษณะผิวแตกแบบ Dimple ส่วนบริเวณของเนื้อ วั ส ดุ ที่ มี คุ ณ สมบั ติ ที่ เ ปราะแสดงผิ ว แตกแบบ Cleavage และยังมีผิวแตกที่เกิดจากความเสีย หายแบบความล้ า ซึ่ ง จะพบร่ อ ยรองของ Striations Lines เกิดขึ้น

4.ลั ก ษณะของสภาพผิ ว แตกที่ พ บได้ บ่ อ ย กับชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมเนื่องจากการรับภาระ กรรมทางกล

ส่วนใหญ่แล้วแบ่งออกได้เป็น 3 ลักษณะ ดังนี้ คือ

4.1 การแตกหั ก แบบเหนี ย ว (Dimple Fracture) เป็นการแตกหักที่เกิดขึ้นอยู่ ในช่วงของ Plastic deformation พร้อมกับมีการขยายตัว ของรอยแตกที่เกิดขึ้นอย่างช้า ๆ (Slow Crack Growth) โดยภาระกรรมที่ ก ระทำกั บ ชิ้ น ส่ ว น โลหะทางวิศวกรรมอาจจะเป็นแรงดึง แรงเฉือน 115

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

แรงบิด แรงฉีก หรือ แรงดัด สำหรับกรณีที่ ได้รับ วิศวกรรมได้รับแรงเฉือน ลักษณะของ Dimple แรงดึงและวัสดุมีความเหนียวสูงลักษณะความเสีย ทีเ่ กิดขึ้นจะมีลักษณะยืดยาว ดังแสดงในภาพที่ 6 หายที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมพบว่า เกิดการคอดตัว (Necking) ส่งผลทำให้พื้นที่หน้า ตัดตรงบริเวณที่แตกหักมีขนาดลดลง และลักษณะ ผิวแตกที่ปรากฏเป็นแบบ Cup and Cone ดัง แสดงในภาพที่ 4

ภาพที่ 4 ลักษณะผิวแตกที่ปรากฏเป็นแบบ Cup and Cone

ผลที่ ได้ จ ากการตรวจสอบในระดั บ มหภาคแสดงลักษณะของผิวแตกที่เห็นเป็นแบบ Fibrous หรื อ Silky และพื้ น ที่ ผิ ว แตกมี สี เ ทา เนื่องจากการสะท้อนของแสง ส่วนผลที่ ได้จาก การตรวจสอบในระดับจุลภาคแสดงลักษณะของ ผิวแตกเป็นแบบ Dimple โดยถ้าชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมได้รับภาระกรรมแบบ Overload และ แรงที่ ก ระทำเป็ น แบบแรงดึ ง ลั ก ษณะของ Dimple ที่ เ กิ ด ขึ้ น ดั ง แสดงในภาพที่ 5 สำหรั บ กรณีที่ชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมได้รับภาระกรรม แบบ Overload เช่นเดียวกัน แต่ชิ้นส่วนโลหะทาง 116

ภาพที่ 5 ลั ก ษณะผิ ว แตกที่ ป รากฏเป็ น แบบ Dimple เมื่ อ ได้ รั บ ภาระกรรมแบบ Overload และแรงดึง

ภาพที่ 6 ลั ก ษณะผิ ว แตกที่ ป รากฏเป็ น แบบ Dimple เมื่ อ ได้ รั บ ภาระกรรมแบบ Overload และแรงเฉือน

4.2 การแตกหั ก แบบเปราะ (Brittle Fracture) เป็นการแตกหักที่เกิดในช่วง Plastic Deformation น้ อ ยมากหรื อ แทบไม่ มี เ ลยโดย

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

ภาพที่ 7 ลักษณะผิวแตกที่ปรากฏเป็นแบบเปราะ มีการขยายตัวของรอยแตกที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว (Fast Crack Growth) ส่ ว นใหญ่ แ ล้ ว เกิ ด ขึ้ น ในช่ ว ง Elastic Deformation ลั ก ษณะของ ผิวแตกที่ปรากฏจะมีผิวหน้าที่เรียบและเป็นมันวาว (Smooth and Shiny Facets) ดั ง แสดงใน ภาพที่ 7

4.3 การแตกหักแบบความล้า (Fatigue Fracture) เป็นการแตกหักที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนที่ ได้ รั บ ภาระกรรมแบบพลวั ต จนชิ้ น ส่ ว นโลหะทาง วิศวกรรมเสียหาย เมื่อทำการตรวจสอบผิวแตกใน ระดับมหภาคจะพบลักษณะผิวแตกแบบ Beach Marks ซึ่งมีลักษณะเป็นรอยโค้งคล้ายรอยของ คลื่ น บนชายหาด และเมื่ อ ตรวจสอบผิ ว แตกใน ระดับจุลภาคตรงบริเวณของ Beach Marks พบ Striations Lines นอกจากนี้ แ ล้ ว ได้ มี ก ารแบ่ ง ลักษณะพื้นผิวของผิวแตกเนื่องจากความล้าออก เป็น 3 บริเวณ คือ บริเวณจุดเริ่มต้น บริเวณการ ขยายตัวของรอยแตก และบริเวณสุดท้ายของการ แตกหัก ดังภาพที่แสดงในหัวข้อที่ 5 กรณีศึกษา การตรวจสอบสภาพผิวแตกของชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมที่เสียหายจากการรับภาระกรรมทางกล

5. กรณีศึกษาการตรวจสอบสภาพผิวแตก ของชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมที่เสียหายจากการรับ ภาระกรรมทางกล

ท่อทีผ่ า่ นการเชือ่ มซึง่ ทำจากวัสดุเหล็กกล้า ไร้สนิมได้ผ่านการใช้งานแล้วในระยะเวลาหนึ่งจึงมี ความเสียหายเกิดขึ้น

5.1 การตรวจสอบในระดับมหภาค

สิ่งที่ ได้จากการตรวจสอบ คือ พบร่องรอย ของ Beach Marks (กรอบสี่เหลี่ยม) ในภาพที่ 8 โดยมี ลั ก ษณะเป็ น รอยโค้ ง คล้ า ยรอยของคลื่ น บนชายหาด ตรงบริเวณด้านล่างของชิ้นส่วนโลหะ ทางวิศวกรรม และ Ratchet Marks ซึ่งบ่งชี้ถึง จุดเริ่มต้นของรอยแตก (ลูกศรตรงบริเวณด้านล่าง ของชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรม) ดังแสดงในภาพ ที่ 8 หลังจากนั้นนำชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมมา ตรวจสอบในระดับจุลภาคต่อในหัวข้อที่ 5.2

ภาพที่ 8 ผิวแตกของชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรม จากการตรวจสอบในระดับมหภาค

5.2 การตรวจสอบในระดับจุลภาค

ภาพถ่ายที่กำลังขยายสูงจากการใช้กล้อง SEM เพื่อดูบริเวณผิวแตกของชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมตรงบริเวณจุดเริ่มต้นแสดงถึงภาพของ

117

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

Ratchet Marks ที่ ชั ด เจนขึ้ น ดั ง ในภาพที่ 9 สำหรับบริเวณถัดจากจุดเริ่มต้นขึ้นไปด้านบนคือ บริ เ วณการขยายตั ว ของรอยแตกซึ่ ง อยู่ ใ นช่ ว ง ของ Beach Marks ในภาพที่ 8 สิ่งที่ ได้จากการ ตรวจสอบในระดับจุลภาคคือ ภาพของ Striations Lines (ลูกศร) ดังในภาพที่ 10 เนื่องจากมีขนาด ที่ เ ล็ ก มากภาพที่ ถ่ า ยได้ จึ ง มี ก ำลั ง ขยายที่ 5,000 เท่ า ในถ่ า ยภาพจากกล้ อ ง SEM เมื่ อ พิ จ ารณา บริ เ วณด้ า นบนของภาพที่ 8 พบว่ า เป็ น บริ เ วณ สุดท้ายของการแตกหัก ซึ่งภาพ SEM ที่ ได้จาก การตรวจสอบลั ก ษณะของผิ ว แตกเป็ น แบบ Dimple เนื่ อ งจากเป็ น บริ เ วณสุ ด ท้ า ยที่ วั ส ดุ ไ ม่ สามารถที่จะรับแรงที่กระทำกับชิ้นส่วนโลหะทาง

วิศวกรรมได้อีกต่อไป ผิวที่ปรากฏจึงมีลักษณะ ที่ยืดตัวออกไปในทิศด้านบนของชิ้นส่วนโลหะทาง วิศวกรรมดังแสดงในภาพที่ 11

จากภาพที่ 8 จนถึง ภาพที่ 11 คือสิ่งที่ ได้ทั้งหมดจากการตรวจสอบสภาพผิวแตกทั้งใน ระดั บ มหภาคและระดั บ จุ ล ภาค ซึ่ ง สอดคล้ อ ง กั บ ลั ก ษณะของผิ ว แตกที่ เ ป็ น การแตกหั ก แบบ ความล้า

สรุปได้ว่าชิ้นส่วนโลหะทางวิศวกรรมมี ความเสี ย หายเกิ ด ขึ้ น เนื่ อ งจากความล้ า โดยท่ อ ต้องรับภาระกรรมแบบพลวัตตลอดเวลาจากการ ที่มีของไหลผ่าน

ภาพที่ 9 ภาพถ่าย SEM ตรงบริเวณจุดเริ่มต้นของรอยแตกซึ่งแสดงถึง Ratchet Marks ที่ชัดเจนขึ้น

ภาพที่ 10 ภาพถ่ า ย SEM ในช่ ว งของ ภาพที่ 11 ภาพถ่าย SEM ตรงบริเวณสุดท้าย Beach Marks พบ Striations Lines ของรอยแตกแสดงลั ก ษณะผิ ว แตกเป็ น แบบ (ลูกศร) ที่มีขนาดเล็กเป็นจำนวนมาก Dimple 118

วิ ศ ว ก ร ร ม ส า ร ม ก .

เอกสารอ้างอิง [1] I. Lemay, 1978,Failure Mechanisms and Metallography : A Review in Metallography in Failure Analysis, J.L. McCall and P.M. French, Eds., Plenum Press, New York, pp. 1-31.

[2] H e r a u s g e g e b e n vo m Ve r e i n Deutscher Eisenhuttenleute 2.

Auflage, 1996, The Appearance of Cracks and Fractures in Metallic Materials, STAHL EISEN, printed in Germany, ISBN 3-514-00463-3, pp. 1-7.

[3] N o r m a n E . D o w l i n g . , 1 9 9 3 , Mechanical Behavior of Materials, Prentice-Hall International, INC. Englewood Cliffs, New Jersey 07632, pp. 1-21, 339-340.

[4] Ashok Choudhury, and Charlie R. Brooks., 1993, Metallurgical Failure Analysis, McGraw-Hill, Inc., 1993, pp. 1-7.

[5] George E. Dieter., 1988, Mechanical Metallurgy, McGraw-Hill Book Company, pp. 254-256.

[6] H. E. Exner., 1992, ASM Handbook (Metallography and Microstructure) Vol. 9, p. 90.

[7] George F. Vander Voort and Barbra L. Gabriel., 1992, ASM Handbook (Fractography), Vol. 12, pp. 91-178.

[8] M. Russo., 1978, Analysis of Fracture Utilizing the SEM. In: Metallography in Failure Analysis, J.L. McCall and P.M. French, Editors, Proc. Sympos. American Society for Metals and Int. Metallographic Society, Houston, Texas, July 17-18, 1977, Plenum Press, New York, pp. 65 -95

119

ฉบับที่ 74 ปีที่ 23 พฤศจิกายน - ธันวาคม 2553

อ.ดร.อภิ ช าต แจ้ ง บำรุ ง ภาควิ ช า วิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มก. ได้ ท ำการวิ จ ั ย พั ฒ นาและสร้ า งต้ น แบบรถ จั ก รยานพลั ง งานไฟฟ้ า KU E-Bike 2 ซึ ่ ง เป็ น จักรยานไฟฟ้าที่ใช้การควบคุมและชุดมอเตอร์ แบบ Brushless Hub Motor เหมาะสำหรับการ เดินทางระยะใกล้ เป็นยานพาหนะที่ใช้พลังงาน สะอาดไม่สร้างมลพิษ เป้าหมายของการวิจัย เพื่อให้นิสิตได้ศึกษาและพัฒนาต่อในอนาคต

นิ ส ิ ต ที ม Saibu ประกอบด้ ว ยสาขาวิ ช า วิศวกรรมไฟฟ้า วิศวกรรมอุตสาหการ และ วิศวกรรม ไฟฟ้าเครื่องกลการผลิต คณะวิศวกรรมศาสตร์ มก. คว้ารางวัลชมเชย สิ่งประดิษฐ์นวัตกรรมวิทยาศาสตร์ การกีฬา ประจำปี 2553 ในการออกแบบเครื่องมือ ทดสอบสมรรถภาพทางกาย

มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ร่วมกับ สำนักงานวิจัย และพั ฒ นาการ กองทั พ บก ลงนามในบั น ทึ ก ความเข้ า ใจ ว่าด้วยการประสานความร่วมมือทางวิชาการ ทำการวิจัย พั ฒ นาการผลิ ต แม่ พ ิ ม พ์ ย าง เพื ่ อ สร้ า งนวั ต กรรมในด้ า น วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเพื่อป้องกันประเทศ โดยมีศูนย์ เชี่ยวชาญเฉพาะทางแม่พิมพ์ยาง สถาบันค้นคว้า และพั ฒ นาเทคโนโลยี ท างอุ ต สาหกรรม คณะ วิศวกรรมศาสตร์ มก. เป็นหน่วยงานประสานงาน

นางสาวศิ ร ิ น าถ แตงงาม นิ ส ิ ต สาขา วิชาวิศวกรรมคอมพิวเตอร์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มก. ได้พัฒนาระบบควบคุมประตูด้วยเทคโนโลยี อาร์เอฟไอดีผ่านเครือข่ายไร้สาย (RFID Access control System with Air Support) เป็ น ระบบ รักษาความปลอดภัย มีคุณสมบัติเด่นในด้านการ จัดการผ่านเครือข่ายไร้สาย การสั่งควบคุมประตู จากระยะไกล และสามารถยกเลิ ก ผู ้ ใ ช้ ง าน ปรั บ เปลี ่ ย นสิ ท ธิ ก ารใช้ ง าน รวมถึ ง สามารถ ตรวจสอบและวิเคราะห์ข้อมูลทางสถิติของการใช้ งานได้ โครงการนี ้ ไ ด้ ร ั บ รางวั ล ชนะเลิ ศ หมวด โปรแกรมเพื่อการประยุกต์ใช้งานสำหรับลีนุกซ์ จากการแข่งขันพัฒนาโปรแกรมแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 9 ปี 2550 และได้รับรางวัลชมเชย ประเภท RFID Application for industry จากการแข่งขัน พัฒนาโปรแกรมแห่งประเทศไทย ครั้งที่ 12 ปี 2553 สนใจสามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่ http://iwing.cpe.ku.ac.th