Strain Gauge วัดอะไรในงานธรณีเทคนิค?
Strain Gauge คือเซนเซอร์ที่วัด ความเครียด (Strain) ของวัสดุ คืออัตราส่วนการยืดหรือหดต่อความยาวเดิม ค่าที่วัดได้เล็กมากจึงรายงานเป็นไมโครสเตรน (Microstrain, με) โดย 1 με หมายถึงการเปลี่ยนความยาว 1 ส่วนในล้านส่วน เหล็กโครงสร้างที่รับแรงระดับใช้งานปกติมักอ่านค่าได้ในช่วงหลักสิบถึงหลายร้อยไมโครสเตรน
เครื่องมือวัดตัวอื่นในระบบตรวจวัดพฤติกรรมวัด "การขยับ" ของดินและโครงสร้าง ส่วน Strain Gauge วัด "แรง" ที่โครงสร้างกำลังรับอยู่ ตัวอย่างเช่น Inclinometer บอกว่ากำแพงกันดินโก่งไปเท่าไร แต่ไม่บอกว่าค้ำยันแต่ละชั้นรับแรงเท่าไร Strain Gauge ตอบคำถามข้อหลังได้โดยตรง สองเครื่องมือนี้จึงมักติดตั้งคู่กันในระบบเดียว ดูภาพรวมของเครื่องมือทั้งชุดได้ที่คู่มือเครื่องมือวัดทางธรณีเทคนิค
ความเครียด (με) แปลงเป็นแรงได้อย่างไร?
ความเครียดแปลงเป็นแรงได้ด้วยกฎของฮุก (Hooke's Law) ใน 2 ขั้น ขั้นแรกคูณความเครียดด้วยโมดูลัสยืดหยุ่นจะได้ความเค้น (σ = ε × E) ขั้นที่สองคูณความเค้นด้วยพื้นที่หน้าตัดจะได้แรง (F = σ × A) รวมเป็นสูตรเดียวได้ดังนี้
เมื่อ ε = ความเครียดที่วัดได้ (หน่วยไม่มีมิติ) · E = โมดูลัสยืดหยุ่นของวัสดุ · A = พื้นที่หน้าตัดที่รับแรง
ตัวอย่างการคำนวณกับค้ำยันเหล็ก H-Beam หน้าตัด 21,870 ตร.มม. โมดูลัสยืดหยุ่นของเหล็กประมาณ 200,000 นิวตัน/ตร.มม. เมื่ออ่านค่าได้ 150 με
- ความเค้น = 150 × 10-6 × 200,000 = 30 นิวตัน/ตร.มม.
- แรง = 30 × 21,870 = 656,100 นิวตัน หรือประมาณ 656 กิโลนิวตัน (ราว 67 ตัน)
จากนั้นวิศวกรนำตัวเลขนี้ไปเทียบกับแรงที่ออกแบบไว้ของค้ำยันชั้นนั้น
ข้อควรระวังคือค่า E ของเหล็กค่อนข้างคงที่และเชื่อถือได้ แต่ค่า E ของคอนกรีตแปรผันตามกำลังอัด อายุคอนกรีต และส่วนผสม การใช้ค่าจากตารางกับเสาเข็มคอนกรีตโดยไม่ตรวจสอบจึงทำให้แรงที่คำนวณคลาดเคลื่อนได้มาก งานที่ต้องการความแม่นยำจะประเมินค่า E จากข้อมูลของการทดสอบเอง
Strain Gauge มีกี่ชนิด ต่างกันอย่างไร?
Strain Gauge ที่ใช้ในงานวิศวกรรมโยธาและธรณีเทคนิคมี 3 ชนิดหลัก คือ Vibrating Wire, Electrical Resistance และ Strain Transducer แต่ละชนิดเหมาะกับลักษณะงานต่างกัน ตารางนี้สรุปจุดต่างที่ใช้ตัดสินใจจริง
← เลื่อนดูตารางทั้งหมด →
| ชนิด | หลักการสัญญาณ | จุดเด่น | เหมาะกับ |
|---|---|---|---|
| Vibrating Wire (VW) | ความถี่การสั่นของลวดที่ขึงตึงเปลี่ยนตามความเครียด | ทนสายยาว ทนความชื้น ค่าไม่ไหลตามเวลา ต่อดาต้าล็อกเกอร์อ่านอัตโนมัติได้ | ฝังถาวรในค้ำยัน แองเคอร์ เหล็กเสริมเสาเข็ม อ่านค่าระยะยาว |
| Electrical Resistance (แผ่นฟอยล์) | ความต้านทานไฟฟ้าของลายฟอยล์เปลี่ยนตามความเครียด | ตอบสนองเร็วระดับมิลลิวินาที ตัวบางติดได้แนบผิว ราคาต่อจุดต่ำ | งานวัดแรงที่เปลี่ยนเร็ว งานวัดระยะสั้นในสภาพแวดล้อมควบคุมได้ |
| Strain Transducer (ยึดชั่วคราว) | โครงเหล็กเล็กที่ฝัง Strain Gauge ไว้ภายใน ยึดด้วยสลักที่ผิววัสดุ | ติดตั้งและถอดออกได้เร็ว นำกลับมาใช้ซ้ำ สอบเทียบมาก่อนจากโรงงาน | งานทดสอบชั่วคราวที่ต้องติดตั้งภายในวันเดียว |
งานตรวจวัดพฤติกรรมที่ต้องอ่านค่าต่อเนื่องเป็นเดือนหรือเป็นปีใช้แบบ Vibrating Wire เป็นหลัก เพราะสัญญาณเป็นความถี่ จึงไม่เพี้ยนตามความยาวสายหรือความต้านทานที่เปลี่ยนไป และมีหัววัดอุณหภูมิในตัวสำหรับชดเชยผลของอุณหภูมิ เมื่อต่อเข้าดาต้าล็อกเกอร์ก็อ่านค่าเองตามรอบที่ตั้งไว้ได้ (ดูข้อดีข้อจำกัดของการอ่านแบบนี้ที่Manual vs Automatic Monitoring) ส่วนแบบแผ่นฟอยล์เหมาะกับงานที่แรงเปลี่ยนเร็วมากจน VW ตามไม่ทัน เช่น การวัดแรงกระแทกในงานทดสอบเสาเข็มพลศาสตร์ (Dynamic Load Test, PDA)
ติดตั้ง Strain Gauge บนค้ำยันงานขุดอย่างไร?
Strain Gauge บนค้ำยันติดเป็นชุดรอบหน้าตัดที่ช่วงกลางความยาว แล้วเฉลี่ยค่าเพื่อให้ได้แรงตามแนวแกน ในงานขุดดินลึก ค้ำยัน (Strut) คือชิ้นส่วนที่รับแรงดันดินจากกำแพงกันดินทั้งสองฝั่ง แรงจริงในค้ำยันแต่ละชั้นจึงเป็นข้อมูลความปลอดภัยโดยตรง
โดยทั่วไปติดสเตรนเกจเป็นชุด 2-4 ตัวรอบหน้าตัด ของค้ำยันเหล็ก เหตุผลคือค้ำยันในสนามแทบไม่เคยรับแรงตามแนวแกนล้วน ๆ แต่มีการดัด (Bending) ปนอยู่ด้วย ทั้งจากน้ำหนักตัวเอง ความไม่ตรงแนวของหัวค้ำยัน หรือแรงที่ถ่ายมาไม่สมมาตร ด้านหนึ่งของหน้าตัดจึงถูกอัดมากกว่าอีกด้าน ถ้าติดเพียงตัวเดียวจะได้ค่าที่สูงหรือต่ำกว่าความจริง การเฉลี่ยค่าจากตัวที่อยู่ตรงข้ามกันจะหักผลของการดัดออกไป เหลือเฉพาะแรงตามแนวแกนที่ต้องการ
ตำแหน่งตามความยาวมักเลือกช่วงกลางค้ำยัน ห่างจากรอยต่อและจุดยึดหัวค้ำยันพอสมควร เพราะบริเวณใกล้รอยต่อมีการกระจายความเค้นไม่สม่ำเสมอ ทุกครั้งต้องอ่าน ค่าฐาน (Zero Reading) ก่อนค้ำยันชั้นนั้นเริ่มรับแรง มิฉะนั้นค่าที่ได้จะเป็นเพียงส่วนต่างจากแรงที่มีอยู่แล้ว ไม่ใช่แรงทั้งหมด ระบบตรวจวัดชุดเต็มของงานขุดลึกและการกำหนดค่าเตือนอ่านต่อได้ในการตรวจวัดงานขุดดินลึกในชั้นดินอ่อนกรุงเทพ และดูตัวอย่างระบบกันดินจากงานจริงได้ที่กรณีศึกษาระบบกำแพงกันดินชั่วคราว
Strain Gauge ใช้กับแองเคอร์และเสาเข็มอย่างไร?
ในแองเคอร์ Strain Gauge ใช้ติดตามแรงดึงที่ยังคงเหลือ ส่วนในเสาเข็มใช้วัดแรงที่แต่ละระดับความลึก งานกำแพงกันดินที่ใช้ แองเคอร์ (Ground Anchor) แทนค้ำยันจะติดสเตรนเกจที่ลวดอัดแรงหรือแท่งเหล็กของแองเคอร์ เพื่อดูว่าแรงดึงที่ให้ไว้ตอนดึงลวดยังคงอยู่หรือลดลงตามเวลา การสูญเสียแรงดึงเกิดได้จากการคลายตัวของลวด การคืบของดินรอบตัวยึด หรือการขยับของหัวแองเคอร์ ซึ่งล้วนกระทบเสถียรภาพของกำแพงโดยตรง
ส่วนงานเสาเข็ม สเตรนเกจจะผูกติดกับโครงเหล็กเสริมเป็นชุดตามระดับความลึกก่อนหย่อนลงหลุมและเทคอนกรีต แต่ละระดับรายงานแรงในเสาเข็มที่ระดับนั้น แรงที่อ่านได้จะลดลงตามความลึก เพราะดินแต่ละชั้นรับแรงเสียดทานไปส่วนหนึ่ง จึงแยกได้ว่าน้ำหนักถูกดินแต่ละชั้นรับไปเท่าไร และเหลือถึงปลายเข็มเท่าไร งานลักษณะนี้เรียกว่า Instrumented Static Load Test รายละเอียดการวางแผน การอ่าน Load Transfer Curve และการแยกแรงเสียดทานรายชั้นดินอยู่ในบทความ Instrumented Static Load Test ทดสอบเสาเข็มพร้อมสเตรนเกจ ส่วนหลักการทดสอบพื้นฐานอ่านได้ที่Static Load Test ทดสอบกำลังรับน้ำหนักเสาเข็ม
ภาพสามมิติด้านล่างรวมงานทั้งสามแบบไว้ในหน้างานเดียวเพื่อให้เห็นตำแหน่งติดตั้ง จุดสีส้มคือสเตรนเกจ เส้นสีฟ้าคือสายสัญญาณที่เดินไปรวมที่ดาต้าล็อกเกอร์ ให้สังเกตแถบสีน้ำเงินข้างเสาเข็มที่สั้นลงตามความลึก ซึ่งแทนแรงในเสาเข็มที่ลดลง ส่วนกรอบขวาไล่ขั้นตอนแปลงค่าจากตัวอย่างค้ำยันข้างต้น และสรุปสาเหตุที่ทำให้ค่าเพี้ยน
อะไรทำให้ค่า Strain Gauge เพี้ยน? 4 เรื่องที่พบบ่อย
ค่า Strain Gauge เพี้ยนจาก 4 เรื่องหลัก คือ ไม่ชดเชยอุณหภูมิ อ่านค่าฐานผิดจังหวะ ติดตั้งไม่สมมาตร และใช้ค่า E ของคอนกรีตผิด สเตรนเกจให้ตัวเลขที่ดูน่าเชื่อถือเสมอแม้ในตอนที่ค่านั้นผิด จึงต้องตรวจทั้งสี่เรื่องนี้ทุกครั้ง
1. ไม่ชดเชยอุณหภูมิ เหล็กขยายและหดตามอุณหภูมิ ค้ำยันที่โดนแดดตอนบ่ายกับตอนเช้าให้ค่าไม่เท่ากันแม้แรงจริงเท่าเดิม สเตรนเกจแบบ Vibrating Wire ส่วนใหญ่จึงมีเทอร์มิสเตอร์ในตัวเพื่อบันทึกอุณหภูมิควบคู่ไปกับค่าความเครียดสำหรับใช้ชดเชยภายหลัง
2. ค่าฐานผิดจังหวะ ถ้าอ่านค่าฐานหลังจากชิ้นส่วนเริ่มรับแรงไปแล้ว แรงส่วนที่มีอยู่ก่อนจะหายไปจากรายงานทั้งหมด ค่าฐานจึงต้องอ่านหลายรอบให้ค่านิ่งก่อนชิ้นส่วนนั้นเริ่มทำงานจริง
3. ติดตั้งไม่สมมาตร การติดเพียงตัวเดียวหรือติดเยื้องศูนย์ ทำให้ผลของการดัดปนเข้ามากับแรงตามแนวแกนจนแยกไม่ออก แก้ได้ด้วยการติดเป็นคู่ตรงข้ามและเฉลี่ยค่าตามที่อธิบายไว้ข้างต้น
4. ใช้ค่า E ของคอนกรีตผิด ข้อนี้เกิดเฉพาะงานที่ติดตั้งในเสาเข็มคอนกรีต ค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่ใช้แปลงความเครียดเป็นแรงมีผลโดยตรงต่อตัวเลขสุดท้าย การหยิบค่ามาตรฐานมาใช้โดยไม่ตรวจสอบกับข้อมูลจริงทำให้แรงที่รายงานคลาดเคลื่อนได้หลายสิบเปอร์เซ็นต์
อีกเรื่องที่แก้ไม่ได้หลังงานเริ่มแล้วคือสายสัญญาณเสียหาย สเตรนเกจที่ฝังในคอนกรีตหรือฝังใต้ดินซ่อมไม่ได้ ทางปฏิบัติจึงติดตั้งเผื่อจำนวนไว้มากกว่าที่ต้องใช้ และป้องกันสายอย่างรัดกุมตั้งแต่ขั้นตอนติดตั้ง
บริการ Strain Gauge ของ SPN อ้างอิงมาตรฐานอะไร ราคาเท่าไร?
งานเครื่องมือวัดทางธรณีเทคนิคไม่มีมาตรฐาน มยผ. เฉพาะสำหรับตัวสเตรนเกจ การอ้างอิงจึงขึ้นกับงานที่นำไปใช้ กรณีติดตั้งในเสาเข็มเพื่อทดสอบกำลังรับน้ำหนักแบบสถิต อ้างอิง ASTM D1143/D1143M-20e1 ร่วมกับ มยผ. 1251 ส่วนหัววัดความเครียดที่ใช้ในงานทดสอบพลศาสตร์อ้างอิง มยผ.1252-51 และ ASTM D4945-26 ส่วนงานติดตั้งบนค้ำยันและแองเคอร์ ตำแหน่งติดตั้ง จำนวนจุด และรอบการอ่านค่าเป็นไปตามข้อกำหนดการตรวจวัดเฉพาะโครงการที่วิศวกรผู้ออกแบบกำหนด
SPN ให้บริการตั้งแต่เลือกชนิดสเตรนเกจ ติดตั้ง เดินสายและป้องกันสาย เชื่อมต่อดาต้าล็อกเกอร์สำหรับอ่านค่าอัตโนมัติ อ่านค่าฐาน อ่านค่าตามรอบ ประมวลผลเป็นกราฟแรงเทียบกับค่าออกแบบ จนถึงรายงานที่ลงนามรับรองโดยวิศวกรโยธาที่มีใบอนุญาต (กว.) สภาวิศวกร พร้อมลายเซ็นและเลขทะเบียน ใช้ประกอบการยื่นต่อหน่วยงานที่เกี่ยวข้องได้ ดูขอบเขตบริการทั้งหมดที่หน้างานติดตั้งเครื่องมือวัดและตรวจวัดพฤติกรรม และงานทดสอบเสาเข็มที่หน้าทดสอบเสาเข็ม
ค่าบริการขึ้นกับชนิดของสเตรนเกจ จำนวนจุดติดตั้ง ระยะเวลาอ่านค่า และการเชื่อมต่อดาต้าล็อกเกอร์ จึงประเมินเป็นรายโครงการ ติดต่อรับใบเสนอราคาฟรีภายใน 24 ชั่วโมง ทั้งนี้ราคายังไม่รวมค่าเดินทางและค่าขนย้ายเครื่องมือ ซึ่งคิดเพิ่มตามระยะทางของหน้างาน
เนื้อหาอธิบายหลักการทำงานของ Strain Gauge เพื่อความเข้าใจเบื้องต้น ชนิดของเซนเซอร์ จำนวนและตำแหน่งจุดติดตั้ง ค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่ใช้ในการแปลงค่า และเกณฑ์เทียบแรงของแต่ละโครงการ ต้องกำหนดโดยวิศวกรผู้ออกแบบและวิศวกรผู้รับผิดชอบตามเงื่อนไขเฉพาะของงานนั้น