Strain Gauge วัดอะไรในงานธรณีเทคนิค?
Strain Gauge คือเซนเซอร์ที่วัด ความเครียด (Strain) ของวัสดุ ซึ่งก็คืออัตราส่วนการยืดหรือหดต่อความยาวเดิม ค่าที่วัดได้มีขนาดเล็กมากจึงรายงานเป็นไมโครสเตรน (Microstrain, με) โดย 1 με หมายถึงการเปลี่ยนความยาว 1 ส่วนในล้านส่วน เหล็กโครงสร้างที่รับแรงจนถึงระดับใช้งานปกติมักอ่านค่าได้ในช่วงหลักสิบถึงหลายร้อยไมโครสเตรน
จุดต่างสำคัญคือเครื่องมือวัดตัวอื่นในระบบตรวจวัดพฤติกรรมวัด "การขยับ" ของดินและโครงสร้าง ส่วน Strain Gauge วัด "แรง" ที่โครงสร้างกำลังรับอยู่ — Inclinometer บอกว่ากำแพงกันดินโก่งไปเท่าไร แต่ไม่บอกว่าค้ำยันแต่ละชั้นรับแรงเท่าไร ขณะที่ Strain Gauge ตอบคำถามหลังได้โดยตรง ทั้งสองตัวจึงมักติดตั้งคู่กันในระบบเดียว ดูภาพรวมของเครื่องมือทั้งชุดได้ที่คู่มือเครื่องมือวัดทางธรณีเทคนิค
ความเครียด (με) แปลงเป็นแรงได้อย่างไร?
การแปลงใช้กฎของฮุก (Hooke's Law) ในรูปแบบง่ายที่สุด คือความเค้นเท่ากับความเครียดคูณโมดูลัสยืดหยุ่น แล้วคูณด้วยพื้นที่หน้าตัดจึงได้แรง
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 จะได้ความเค้น 150 × 10-6 × 200,000 = 30 นิวตัน/ตร.มม. คูณพื้นที่หน้าตัดได้แรง 30 × 21,870 = 656,100 นิวตัน หรือประมาณ 656 กิโลนิวตัน (ราว 67 ตัน) จากนั้นวิศวกรนำตัวเลขนี้ไปเทียบกับแรงที่ออกแบบไว้ของค้ำยันชั้นนั้น
ข้อควรระวังคือค่า E ของเหล็กค่อนข้างคงที่และเชื่อถือได้ แต่ค่า E ของคอนกรีตแปรผันตามกำลังอัด อายุคอนกรีต และส่วนผสม การใช้ค่ามาตรฐานลอย ๆ กับเสาเข็มคอนกรีตจึงทำให้แรงที่คำนวณคลาดเคลื่อนได้มาก งานที่ต้องการความแม่นยำจึงประเมินค่า E จากข้อมูลของการทดสอบเองแทนการเดาจากตาราง
Strain Gauge มีกี่ชนิด ต่างกันอย่างไร?
ในงานวิศวกรรมโยธาและธรณีเทคนิคพบสามแบบหลัก แต่ละแบบเหมาะกับลักษณะงานคนละแบบ 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 |
สำหรับงานตรวจวัดพฤติกรรมที่ต้องอ่านค่าต่อเนื่องเป็นเดือนหรือเป็นปี แบบ Vibrating Wire เป็นตัวเลือกหลักเพราะสัญญาณเป็นความถี่ จึงไม่เพี้ยนตามความยาวสายหรือความต้านทานที่เปลี่ยนไป และใช้หัววัดอุณหภูมิในตัวเดียวกันชดเชยผลของอุณหภูมิได้เลย ส่วนแบบแผ่นฟอยล์เหมาะกับงานที่แรงเปลี่ยนเร็วมากจน VW ตามไม่ทัน เช่นการวัดแรงกระแทกในงานทดสอบเสาเข็มพลศาสตร์ (Dynamic Load Test, PDA)
ติดตั้ง Strain Gauge บนค้ำยันงานขุดยังไง?
ในงานขุดดินลึก ค้ำยัน (Strut) คือชิ้นส่วนที่รับแรงดันดินจากกำแพงกันดินทั้งสองฝั่ง การรู้แรงจริงในค้ำยันแต่ละชั้นจึงเป็นข้อมูลความปลอดภัยโดยตรง ไม่ใช่แค่ข้อมูลประกอบรายงาน
หลักการติดตั้งคือติดสเตรนเกจเป็นชุด 2-4 ตัวรอบหน้าตัด ของค้ำยันเหล็กแล้วเฉลี่ยค่า เหตุผลคือค้ำยันในสนามแทบไม่เคยรับแรงตามแนวแกนล้วน ๆ แต่มีการดัด (Bending) ปนอยู่ด้วยจากน้ำหนักตัวเอง ความไม่ตรงแนวของหัวค้ำยัน หรือแรงที่ถ่ายมาไม่สมมาตร ผลคือด้านหนึ่งของหน้าตัดถูกอัดมากกว่าอีกด้าน ถ้าติดเพียงตัวเดียวก็จะได้ค่าที่สูงหรือต่ำกว่าความจริง การเฉลี่ยค่าจากตัวที่อยู่ตรงข้ามกันจะหักผลของการดัดออกไป เหลือเฉพาะแรงตามแนวแกนที่ต้องการ
ตำแหน่งตามความยาวมักเลือกช่วงกลางค้ำยัน ห่างจากรอยต่อและจุดยึดหัวค้ำยันพอสมควร เพราะบริเวณใกล้รอยต่อมีการกระจายความเค้นไม่สม่ำเสมอ และทุกครั้งต้องอ่าน ค่าฐาน (Zero Reading) ก่อนค้ำยันชั้นนั้นเริ่มรับแรง มิฉะนั้นค่าที่ได้จะเป็นเพียงส่วนต่างจากแรงที่มีอยู่แล้ว ไม่ใช่แรงทั้งหมด ระบบตรวจวัดชุดเต็มของงานขุดลึกและการกำหนดค่าเตือน อ่านต่อได้ในการตรวจวัดงานขุดดินลึกในชั้นดินอ่อนกรุงเทพ และดูตัวอย่างระบบกันดินจากงานจริงได้ที่กรณีศึกษาระบบกำแพงกันดินชั่วคราว
ใช้กับแองเคอร์และเสาเข็มอย่างไร?
งานกำแพงกันดินที่ใช้ แองเคอร์ (Ground Anchor) แทนค้ำยัน จะติดสเตรนเกจที่ลวดอัดแรงหรือแท่งเหล็กของแองเคอร์ เพื่อติดตามว่าแรงดึงที่ให้ไว้ตอนดึงลวดยังคงอยู่หรือลดลงตามเวลา การสูญเสียแรงดึงเกิดได้จากการคลายตัวของลวด การคืบของดินรอบตัวยึด หรือการขยับของหัวแองเคอร์ ซึ่งล้วนกระทบเสถียรภาพของกำแพงโดยตรง
ส่วนงานเสาเข็ม สเตรนเกจจะผูกติดกับโครงเหล็กเสริมเป็นชุดตามระดับความลึกก่อนหย่อนลงหลุมและเทคอนกรีต แต่ละระดับจะรายงานแรงในเสาเข็มที่ระดับนั้น ทำให้แยกได้ว่าน้ำหนักถูกดินแต่ละชั้นรับไปเท่าไร และเหลือถึงปลายเข็มเท่าไร งานลักษณะนี้เรียกว่า Instrumented Static Load Test ซึ่งมีรายละเอียดการวางแผน การอ่าน Load Transfer Curve และการแยกแรงเสียดทานรายชั้นดินอยู่ครบในบทความ Instrumented Static Load Test ทดสอบเสาเข็มพร้อมสเตรนเกจ ส่วนหลักการทดสอบพื้นฐานอ่านได้ที่Static Load Test ทดสอบกำลังรับน้ำหนักเสาเข็ม
4 เรื่องที่ทำให้ค่า Strain Gauge เพี้ยน
สเตรนเกจให้ตัวเลขที่ดูน่าเชื่อถือเสมอ แม้ในตอนที่ค่านั้นผิด ปัญหาที่พบซ้ำ ๆ ในงานจริงมีสี่เรื่องหลัก
1. ไม่ชดเชยอุณหภูมิ — เหล็กขยายและหดตามอุณหภูมิ ค้ำยันที่โดนแดดตอนบ่ายกับตอนเช้าให้ค่าไม่เท่ากันแม้แรงจริงเท่าเดิม สเตรนเกจแบบ Vibrating Wire ส่วนใหญ่จึงมีเทอร์มิสเตอร์ในตัวเพื่อบันทึกอุณหภูมิควบคู่ไปกับค่าความเครียดสำหรับใช้ชดเชยภายหลัง
2. ค่าฐานผิดจังหวะ — ถ้าอ่านค่าฐานหลังจากชิ้นส่วนเริ่มรับแรงไปแล้ว แรงส่วนที่มีอยู่ก่อนจะหายไปจากรายงานทั้งหมด ค่าฐานจึงต้องอ่านหลายรอบให้ค่านิ่งก่อนชิ้นส่วนนั้นเริ่มทำงานจริง
3. ติดตั้งไม่สมมาตร — ติดเพียงตัวเดียวหรือติดเยื้องศูนย์ ทำให้ผลของการดัดปนเข้ามากับแรงตามแนวแกนจนแยกไม่ออก แก้ได้ด้วยการติดเป็นคู่ตรงข้ามและเฉลี่ยค่าตามที่อธิบายไว้ข้างต้น
4. ใช้ค่า E ของคอนกรีตผิด — เฉพาะงานที่ติดตั้งในเสาเข็มคอนกรีต ค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่ใช้แปลงความเครียดเป็นแรงมีผลโดยตรงต่อตัวเลขสุดท้าย การหยิบค่ามาตรฐานมาใช้โดยไม่ตรวจสอบกับข้อมูลจริงทำให้แรงที่รายงานคลาดเคลื่อนได้หลายสิบเปอร์เซ็นต์
อีกเรื่องที่ควบคุมไม่ได้หลังงานเริ่มแล้วคือความเสียหายของสายสัญญาณ 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 สำหรับงานติดตั้งบนค้ำยันและแองเคอร์ 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