โครงถัก (Truss) แข็งแรงแค่ไหน?? วิเคราะห์ให้ชัวร์ก่อนสร้าง

โครงถัก หรือ Truss เป็นโครงสร้างที่เรามักจะพบเห็นกันได้ทั่วไปซึ่งถ้ามองเผินๆ ก็ไม่ได้มีประเด็นอะไร แต่จริงๆ แล้วมันเป็นปัญหางานทางด้านวิศวกรรมประเภทหนึ่งที่ต้องมีการคำนึงถึงเรื่องความแข็งแรงตั้งแต่ขั้นตอนของการออกแบบ ตัวโครงถักจะประกอบด้วยชิ้นส่วน (Member) หลายชิ้นมาประกอบเป็นรูปทรงเรขาคณิตแบบง่ายๆ น้ำหนักเบา แต่มีความแข็งแรง ตัวอย่างปัญหางานที่เราอาจจะพิจารณาว่าเป็นปัญหาด้านโครงถัก เช่น โครงหลังคาบ้านพักอาศัย, โครงสร้างสะพาน, โครงสร้างเครน, เสาส่งสัญญาณโทรศัพท์เคลื่อนที่, เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง เป็นต้น

รูปที่ 1 โครงสร้างหลังคา (Roof Truss) จาก https://www.scgbuildingmaterials.com/

รูปที่ 2 เสาส่งไฟฟ้าแรงสูง จาก https://www.jooinn.com/

ปัญหาทั้งหมดที่ยกตัวอย่างไปนั้นล้วนสามารถที่จะนำ SOLIDWORKS Simulation มาประยุกต์ใช้งานได้ ซึ่งก็จริงอยู่ว่ามีซอฟต์แวร์เฉพาะทางสำหรับวิเคราะห์งานด้านโครงสร้างที่มีความซับซ้อนและสะดวกในการใช้งาน แต่ถ้าเรามี SOLIDWORKS Simulation อยู่แล้ว หรืองานไม่ได้มีความซับซ้อนมากนัก ก็ต้องพิจารณากันอย่างรอบด้านทั้งแง่ของความจำเป็นและงบประมาณในการจัดหาซอฟต์แวร์เฉพาะทางมาใช้งาน

การวิเคราะห์ปัญหาประเภทนี้เริ่มด้วยการใช้ทฤษฎี Engineering Mechanics (Static) ทำการวิเคราะห์หา Reaction Force ที่จุดซัพพอร์ตของโครงสร้างก่อน จากนั้นจึงหาแรงที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน โดยอาจจะใช้วิธี Method of Joints หรือ Method of Sections ประกอบกัน แล้วจึงนำแรงในแต่ละชิ้นส่วนมาคำนวณหาความเค้นตามทฤษฎีของ Mechanics of Material ซึ่งสูตรง่ายๆ ก็คือ

สมมติฐานสำหรับการวิเคราะห์หาแรงต่างๆ ของ Truss มีดังนี้

1. ทุกชิ้นส่วนเป็น Rigid Body และไม่พิจารณาเรื่องของน้ำหนัก
2. ทุกชิ้นส่วนจะเชื่อมต่อกันด้วย Pin โดยไม่พิจารณาเรื่องของความเสียดทาน
3. แรงที่กระทำ และ Reaction เกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อเท่านั้น
4. แรงในแต่ละชิ้นส่วนเกิดขึ้นในแนวแกน (Axial Force) เท่านั้น

ตามที่ได้กล่าวไปว่า SOLIDWORKS Simulation สามารถวิเคราะห์ปัญหางานที่เป็นโครงถักได้ ซึ่งหลายท่านอาจจะพอทราบมาบ้างแต่ส่วนใหญ่ก็จะวิเคราะห์ปัญหาด้วย Beam เป็นหลัก ดังนั้นจึงขอใช้ตัวอย่างแบบง่ายเพื่อที่สามารถทวนสอบได้ว่าผลซิมฯ กับผลที่คำนวณทางทฤษฎีแตกต่างกันมากน้อยเพียงใดดังรูปที่ 3

รูปที่ 3 ตัวอย่างงานปัญหาด้านโครงถัก (Truss) หน่วยความยาว: เมตร (m.)

จากรูปเราต้องเริ่มต้นด้วยการเขียน Free Body Diagram จากนั้นหา Reaction Force ที่ซัพพอร์ต a และ l ก่อนโดยใช้เงื่อนไข

รูปที่ 4 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนแรก

รูปที่ 5 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สอง

รูปที่ 6 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สาม

รูปที่ 7 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Sections ในส่วนที่สี่

ใช้วิธี Method of Joints เพื่อคำนวณหาแรงที่กระทำกับชิ้นส่วนในแนวขวาง (Cross Member) 3, 7 และ 11

รูปที่ 8 แสดง Free Body Diagram ของการใช้วิธี Method of Joints ในจุด c, e และ g

ใช้หลักการเดิมคือ

สำหรับชิ้นส่วนที่เหลือขอไม่แสดงวิธีการคำนวณให้ดูเนื่องจากมีค่าเท่ากับชิ้นส่วนที่คำนวณไปแล้วเพียงแค่อยู่ฝั่งตรงข้ามกัน

ส่วนการเซ็ตอัพใน SOLIDWORKS Simulation นั้น ถ้าตัวโครงถักสร้างจากโมดุล Weldment ซอฟต์แวร์จะทำการเปลี่ยนชิ้นส่วนของโครงถักให้เป็น Beam พร้อมทั้งสร้างจุดเชื่อมต่อให้โดยอัตโนมัติ หลังจากนั้นให้เข้าไปแก้ไขชิ้นส่วนของโครงถักทั้งหมดโดยเปลี่ยนจาก Beam เป็น Truss

รูปที่ 9 แสดงวิธีการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่วิเคราะห์จาก Beam เป็น Truss

ในส่วนของซัพพอร์ตและโหลดต้องกำหนดที่จุดต่อ (Join) โดยซัพพอร์ตทางด้านซ้ายมือเลือกใช้เป็น Immovable (u_x, u_y, u_z = 0), ซัพพอร์ตทางด้านขวามือเลือกใช้เป็น Use Reference Geometry (u_y, u_z = 0) ส่วนแรงอ้างอิงตามรูปที่ 3 (แรงที่กำหนดในแต่ละจุดต่อจะมีค่าเท่ากันทุกจุดตามที่ป้อนให้ซอฟต์แวร์)

รูปที่ 10 แสดงวิธีการกำหนดเงื่อนไขของ ซัพพอร์ตและโหลด

สำหรับการตรวจสอบผลการคำนวณที่ได้เราจะใช้คำสั่ง “List Beam Forces” เพื่อเช็คค่าของแรงหรือความเค้นที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน (ลำดับของชิ้นส่วนในซิมฯ จะไม่ตรงกับรูปที่ 3)

รูปที่ 11 แสดงวิธีการหาแรงที่กระทำในแต่ละชิ้นส่วน

ยกตัวอย่างจากรูปที่ 11 Beam-4 จะตรงกับชิ้นส่วนที่ 2 ในรูปที่ 3 ซึ่งมีค่าเท่ากับ 9,500N ที่จุดปลายทั้งสองด้านจะแสดงสัญลักษณ์ด้วยสีที่ต่างกันโดย สีแดงแทนจุดปลายด้านที่ 1 และสีน้ำเงินแทนจุดปลายด้านที่ 2 เมื่อดูเทียบกับ Local Coordinate จะทำให้ทราบว่าชิ้นส่วนนั้นรับแรงดึงหรือแรงอัด ซึ่งชิ้นส่วนที่ 2 จะรับแรงดึง

เปรียบเทียบค่าที่คำนวณได้ตามทฤษฎีกับค่าที่คำนวณได้จาก SOLIDWORKS Simulation

การแสดงผลลัพธ์ในส่วนที่เป็นความเค้นจะแสดงค่าของความเค้นในแนวแกน (Axial or Normal Stress) เท่านั้น

รูปที่ 12 แสดง Axial Stress ในแต่ละชิ้นส่วน

ตัวอย่างงานวิเคราะห์ที่ซับซ้อนขึ้นมาอีกระดับหนึ่งเป็น Space Truss ซึ่งก็สามารถทำได้เช่นกันดังแสดงในรูปที่ 13 เดี๋ยวจะหาทำได้เฉพาะเคสง่ายๆ เท่านั้นทำงานจริงไม่ได้

รูปที่ 13 แสดงผลของ Axial Stress ในเสาส่งไฟฟ้าแรงสูง

หวังว่าที่อธิบายไปทั้งหมดนี้จะเป็นประโยชน์สำหรับผู้ที่ใช้งาน SOLIDWORKS Simulation อยู่แล้วให้ใช้งานซอฟต์แวร์ได้อย่างคุ้มค่า และเป็นอีกหนึ่งทางเลือกสำหรับผู้ที่กำลังพิจารณาจัดหาซอฟต์แวร์มาช่วยในการวิเคราะห์ปัญหางานที่ท่านทำอยู่ (อ่านต่อ : โครงถัก (Truss) แข็งแรงแค่ไหน?? วิเคราะห์ให้ชัวร์ก่อนสร้าง ตอน 2)

ข้อมูลเพิ่มเติม : https://bit.ly/3ehpir4
ทีมงานเข้าไปสาธิตเพิ่มเติม : https://bit.ly/3cf7zhk
สอบถามราคา : https://bit.ly/38mgeNQ