จะเพิ่มความต้านทานต่อแรงลมของหอคอยส่งไฟฟ้าได้อย่างไร?

กลไกการรับแรงลมที่กระทำต่อหอคอยส่งไฟฟ้า

กลไกการรับแรงลมก่อให้เกิดความเค้นที่สำคัญต่อหอคอยส่งไฟฟ้า ซึ่งจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างแม่นยำเพื่อการออกแบบความต้านทานต่อแรงลมอย่างมีประสิทธิภาพ การโต้ตอบด้านอากาศพลศาสตร์สร้างรูปแบบของแรงที่ซับซ้อน โดยเฉพาะในโครงสร้างแบบถักโลหะเปิด (open-frame lattice structures) ซึ่งการไหลแบบปั่นป่วน การหลุดตัวของกระแสไหล (flow separation) การสลัดตัวของวอร์เท็กซ์ (vortex shedding) และการขยายตัวแบบไดนามิก (dynamic amplification) เกิดร่วมกันจนส่งผลท้าทายต่อความมั่นคงของโครงสร้างในช่วงเหตุการณ์ลมแรง

การแยกตัวของกระแสไหลแบบปั่นป่วนและสมดุลของแรงดันที่ไม่เท่ากันรอบพื้นผิวหอคอยแบบถักโลหะ

เมื่อลมเคลื่อนผ่านหอคอยโครงสร้างแบบตาข่าย จะก่อให้เกิดบริเวณที่มีการไหลปั่นป่วน (turbulence) และการกระจายแรงดันไม่สม่ำเสมอบนพื้นผิว ความแตกต่างของแรงดันเหล่านี้ส่งผลให้เกิดแรงต้าน (drag forces) อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งเพิ่มภาระให้กับข้อต่อโครงสร้างและส่วนประกอบที่บางของโครงร่าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการไหลของอากาศถูกกักไว้ภายในโครงสร้างด้านในของหอคอย ระหว่างลมกระโชกแรง เราบ่อยครั้งสังเกตเห็นความแตกต่างของแรงดันมากกว่า 30% ระหว่างด้านตรงข้ามกันของหอคอย ซึ่งเร่งกระบวนการสึกหรอของจุดเชื่อมต่อที่สำคัญเหล่านั้น งานวิจัยจากการทดสอบในอุโมงค์ลมยืนยันข้อสังเกตนี้ โดยแสดงให้เห็นว่าความไม่สมดุลของแรงดันดังกล่าวเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดวงจรความเครียดซ้ำๆ ในโครงสร้างสายส่งแบบตาข่าย ตามผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of Wind Engineering เมื่อปี ค.ศ. 2017 เพื่อแก้ไขปัญหานี้ วิศวกรจะเริ่มต้นด้วยการปรับระยะห่างระหว่างแขนขวาง (cross arms) ซึ่งการปรับเปลี่ยนการออกแบบนี้ช่วยทำลายรูปแบบการไหลของอากาศที่เป็นระเบียบ และลดความแตกต่างของแรงดันก่อนที่จะแพร่กระจายไปทั่วโครงร่างหอคอยทั้งหมด

ผลกระทบจากการเกิดกระแสวน, การบังลมแบบอากาศพลศาสตร์ และการขยายสัญญาณแบบไดนามิก

เมื่อลมไหลผ่านองค์ประกอบของหอคอย จะก่อให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่า 'การหลุดตัวของกระแสวน' (vortex shedding) ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงยก (lift) และแรงต้าน (drag) ที่เปลี่ยนทิศทางไปมาบนโครงสร้าง บางครั้ง แรงเหล่านี้สอดคล้องกับความถี่ธรรมชาติที่โครงสร้างมีแนวโน้มจะสั่นสะเทือน จึงก่อให้เกิดปัญหาได้ วัตถุหรือสิ่งกีดขวางที่อยู่ด้านหน้าลม เช่น หอคอยอื่นๆ ที่อยู่ใกล้เคียง หรือแม้แต่ลักษณะภูมิประเทศต่างๆ จะสร้างสิ่งที่วิศวกรเรียกว่า 'เงาอากาศพลศาสตร์' (aerodynamic shadows) เงาเหล่านี้รบกวนรูปแบบการไหลของลมตามธรรมชาติ และทำให้ความปั่นป่วนของลม (turbulence) รุนแรงขึ้นในบางจุด โดยรวมแล้ว ปัจจัยทั้งหมดนี้สามารถเพิ่มการตอบสนองของโครงสร้างได้อย่างมาก ผลจากการทดสอบภาคสนามแสดงให้เห็นว่า เมื่อปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้น ความเครียดที่เกิดขึ้นกับวัสดุอาจเพิ่มขึ้นประมาณ 40% ตามที่ระบุไว้ในการศึกษาอ้างอิงใน ASCE Manual 74 ฉบับปี 2010 ทั้งนี้ ลมที่พัดเข้ามาในมุมเอียงจะยิ่งทำให้ผลกระทบจากเงาอากาศพลศาสตร์ชัดเจนยิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ วิศวกรจึงจำเป็นต้องติดตั้งระบบลดการสั่นสะเทือน เช่น แผ่นกันกระแสวนแบบเกลียว (helical strakes) ที่พันรอบเสา หรือระบบลดการสั่นสะเทือนแบบมวลปรับแต่ง (tuned mass dampers) ซึ่งเราพบเห็นได้บนอาคารสูง ระบบเหล่านี้ช่วยทำลายรูปแบบกระแสวนก่อนที่จะทวีความรุนแรงจนควบคุมไม่ได้ และป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาลูกโซ่ดังกล่าว

โหมดการล้มเหลวที่สำคัญและจุดอ่อนเชิงโครงสร้างในเหตุการณ์ลมแรงสูง

การยุบตัวของข้อต่อและการเสียเสถียรภาพของชิ้นส่วน: บทเรียนจากพายุไต้ฝุ่นมังค์คุต (ค.ศ. 2018)

ลมที่พัดด้วยความเร็ว 200 กม./ชม. จากพายุไต้ฝุ่นมังค์คูตเปิดเผยจุดอ่อนอย่างรุนแรงในการเชื่อมต่อของหอคอยโครงสร้างแบบตาข่าย (lattice towers) ซึ่งก่อให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ของการพังทลายทั่วทั้งระบบไฟฟ้าของมณฑลกว่างตง แรงลมที่กระทำไม่ผ่านศูนย์กลางของข้อต่อที่ยึดด้วยสกรู ส่งผลให้ชิ้นส่วนโครงสร้างที่วางเอียงเกิดการโก่งตัวแบบค่อยเป็นค่อยไป โดยเฉพาะบริเวณรอยต่อของคานรองรับแนวนอน (cross arm junctions) ซึ่งแรงดัดและแรงอัดรวมกันเกินความสามารถในการรับแรงของข้อต่อ ในการวิเคราะห์เหตุการณ์หลังพายุผ่านไป พบว่าประมาณสามในสี่ของกรณีหอคอยพังทลายทั้งหมดในช่วงพายุมังค์คูตเกิดจากปัญหาข้อต่อเหล่านี้ ส่งผลให้เกิดความเสียหายเกิน 1.2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ตามงานวิจัยที่เฉินและคณะตีพิมพ์เมื่อปี 2022 สิ่งที่ทำให้กรณีนี้แตกต่างจากการล้มเหลวของชิ้นส่วนเพียงอย่างเดียว คือ ปัญหาข้อต่อสามารถแพร่กระจายได้อย่างรวดเร็วผ่านโครงสร้างตาข่ายทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ มาตรฐานอุตสาหกรรมรุ่นใหม่ เช่น IEC 61400-24 ฉบับปี 2019 จึงกำหนดให้วิศวกรต้องดำเนินการวิเคราะห์เชิงพลศาสตร์แบบไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear dynamic analyses) ในการออกแบบข้อต่อสำหรับพื้นที่ที่มักประสบภัยพายุไต้ฝุ่นบ่อยครั้ง

การเสื่อมสภาพจากความล้าเทียบกับการพังทลายแบบสถิต: เหตุใดการประเมินหอคอยสมัยใหม่จึงต้องพัฒนาไปอย่างต่อเนื่อง

วิธีการแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่มุ่งเน้นที่ขีดจำกัดการพังทลายแบบสถิต แต่กลับมองข้ามความเสียหายจากความล้าที่ค่อยเป็นค่อยไปซึ่งเกิดจากการสัมผัสลมซ้ำๆ กัน ตามผลการศึกษาล่าสุด ประมาณร้อยละ 60 ของกรณีความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับลมนั้นเกิดจากรอยแตกเล็กๆ ที่ขยายตัวบริเวณจุดที่มีความเข้มข้นของแรงเครียด มากกว่าเหตุการณ์โหลดเกินทันทีทันใด ตามที่ระบุไว้ในรายงานความยืดหยุ่นประจำปี 2023 ของ EPRI ปัญหานี้รุนแรงยิ่งขึ้นตามแนวชายฝั่ง เนื่องจากการกัดกร่อนจากน้ำเค็มทำงานร่วมกับวงจรแรงเครียดที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้อายุการใช้งานของวัสดุทนต่อแรงเหล่านี้ลดลงเกือบครึ่งหนึ่ง จากความเข้าใจดังกล่าว บริษัทสาธารณูปโภคชั้นนำหลายแห่งจึงเริ่มนำแนวทางการประเมินที่ยอมรับความเสียหาย (damage tolerant evaluation) มาใช้แทนการตรวจสอบเพียงแค่ความแข็งแรงเท่านั้น ทั้งนี้ พวกเขากำลังเปลี่ยนเทคนิคการตรวจสอบแบบดั้งเดิมด้วยการทดสอบคลื่นอัลตราโซนิกแบบเฟสแอเรย์ขั้นสูง ซึ่งสามารถตรวจพบข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ใต้ผิววัสดุก่อนที่รอยแตกเหล่านั้นจะขยายตัวจนไม่อาจเพิกเฉยได้อีกต่อไป

กลยุทธ์การออกแบบที่พิสูจน์แล้วเพื่อปรับปรุงความต้านทานแรงลมของหอคอย

การปรับปรุงด้านอากาศพลศาสตร์: การเพิ่มประสิทธิภาพรูปทรงของคานขวางและการลดพื้นที่

เมื่อวิศวกรปรับแต่งรูปร่างของคานขวาง พวกเขาสามารถลดปริมาณลมที่กระทบพื้นผิวด้านหน้าได้ และป้องกันไม่ให้เกิดกระแสวน (vortices) ที่รบกวนการทำงาน ผลการวิจัยยังยืนยันข้อเท็จจริงนี้ด้วย: ตามรายงานจาก NREL ในปี ค.ศ. 2023 รูปร่างแบบรี (elliptical shapes) สามารถลดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากกระแสอากาศหมุนได้จริงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบกล่องดั้งเดิม อีกวิธีหนึ่งคือการลดพื้นที่โดยรวมที่สัมผัสกับลมโดยตรง ซึ่งทำได้โดยการตัดชิ้นส่วนโครงสร้างบางส่วนออกในบริเวณที่เป็นไปได้ และเจาะรูในส่วนที่ไม่ต้องรับน้ำหนัก ทั้งหมดนี้ช่วยลดแรงต้าน (drag) ลงประมาณ 10 ถึง 14 เปอร์เซ็นต์ โดยยังคงรักษาความแข็งแรงและความมั่นคงของโครงสร้างไว้เท่าเดิม แบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่เรียกว่า CFD simulations ใช้ตรวจสอบว่าการปรับปรุงเหล่านี้ทำงานได้อย่างเหมาะสม แม้เมื่อลมพัดมาในมุมต่าง ๆ ตั้งแต่ 0 องศา (พัดตรงเข้ามา) ไปจนถึง 180 องศา (พัดตรงเข้ามาจากด้านตรงข้าม) สำหรับหอคอยที่มีความสูงเกินห้าสิบเมตรในพื้นที่ที่มีแนวโน้มเกิดไต้ฝุ่น การรักษาอัตราส่วนของวัสดุที่เป็นของแข็ง (solid material ratio) ให้ต่ำกว่า 0.3 โดยการจัดวางชิ้นส่วนโครงสร้างให้ห่างกันมากขึ้น จะส่งผลอย่างมีน้ำหนักต่อการลดการสั่นสะเทือนที่ไม่พึงประสงค์ โดยเฉพาะในสภาพอากาศที่รุนแรงและซับซ้อน ซึ่งลมอาจพัดมาจากหลายทิศทางพร้อมกัน

การเสริมความแข็งแรงของโครงสร้าง: การปรับปรุงโครงยึด การเพิ่มความแข็งแกร่งของข้อต่อ และการผสานระบบลดการสั่นสะเทือน

เมื่อเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างเพื่อป้องกันการล้มเหลว วิศวกรจะมุ่งเน้นไปที่บริเวณที่มีปัญหาโดยใช้ระบบโครงยึดแบบสามเหลี่ยม ซึ่งช่วยกระจายแรงลมที่กระทำจากด้านข้างออกไป การปรับปรุงโครงยึดแนวทแยงสามารถเพิ่มความแข็งแรงต่อการเคลื่อนที่ข้าง (lateral stiffness) ได้ประมาณร้อยละ 25 ถึงแม้กระทั่งร้อยละ 30 ตามลำดับ ระบบโครงยึดแบบ K-bracing นั้นมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนรับแรงอัด (compression members) เกิดการโก่งตัว (buckling) เมื่อเผชิญกับลมกระโชกที่มีความรุนแรงมาก โดยอ้างอิงตามมาตรฐานเช่น IEC 61400-24 ฉบับปี ค.ศ. 2019 การเพิ่มความแข็งแรงของข้อต่อ (stiffening joints) ประกอบด้วยการดำเนินการต่าง ๆ เช่น การติดตั้งแผ่นเสริม (gusset plates) การขันสลักเกลียวความแข็งแรงสูงให้แน่นก่อนติดตั้ง และการเพิ่มความหนาหรือขนาดของแผ่นฐาน (base plates) แนวทางนี้ช่วยลดปัญหาการหมุนของโครงสร้างและลดโอกาสที่รอยแตกจะเริ่มเกิดขึ้นจากปรากฏการณ์ความล้า (fatigue) ลงได้ประมาณร้อยละสี่สิบ สำหรับการป้องกันเพิ่มเติมต่อการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม จะมีการใช้วิธีการลดการสั่นเสริม (supplemental damping methods) ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น ตัวลดการสั่นแบบมวลปรับแต่ง (tuned mass dampers) หรืออุปกรณ์ที่บรรจุของไหลแบบหนืด (viscous fluid-filled devices) ซึ่งสามารถดูดซับพลังงานจลน์ได้ประมาณร้อยละ 15 ถึงร้อยละ 25 ระหว่างการสั่นสะเทือนที่เกิดจากลม ทั้งหมดนี้ร่วมกันทำให้จุดที่โครงสร้างอาจพังทลายเลื่อนออกไปจนถึงความเร็วลมที่สูงกว่า 55 เมตรต่อวินาที การทดสอบในขนาดจริงยืนยันประสิทธิภาพนี้ภายใต้สภาวะจำลองพายุไต้ฝุ่น ซึ่งทำให้วิศวกรมีความมั่นใจในแบบการออกแบบของตน

คำถามที่พบบ่อย

การแยกตัวของกระแสวน (vortex shedding) คืออะไร?

การแยกตัวของกระแสวนเกิดขึ้นเมื่อลมพัดผ่านโครงสร้าง ส่งผลให้เกิดโซนความดันต่ำแบบสลับกัน ซึ่งก่อให้เกิดการเคลื่อนที่ไปมา และสร้างแรงยก (lift force) และแรงต้าน (drag force) กระทำต่อโครงสร้าง

การบังลมแบบแอโรไดนามิก (aerodynamic shadowing) มีผลกระทบต่อหอส่งไฟฟ้าอย่างไร?

การบังลมแบบแอโรไดนามิกทำให้รูปแบบการไหลของลมตามธรรมชาติผิดปกติ ส่งผลให้เกิดการปั่นป่วน (turbulence) อย่างรุนแรงขึ้น และเพิ่มแรงเครียดต่อโครงสร้างหอส่งไฟฟ้า โดยเฉพาะในบริเวณที่อยู่ด้านหลังสิ่งกีดขวาง เช่น หอส่งไฟฟ้าอื่นๆ หรือลักษณะภูมิประเทศต่างๆ

กลยุทธ์การออกแบบใดบ้างที่สามารถปรับปรุงความสามารถในการต้านลมของหอส่งไฟฟ้า?

กลยุทธ์การออกแบบ ได้แก่ การปรับแต่งรูปทรงของคานขวาง (cross-arm geometry optimization), เทคนิคการลดพื้นที่รับลม, การเสริมโครงสร้างด้วยชิ้นส่วนยึดเสริม (bracing upgrades), การเพิ่มความแข็งแกร่งของข้อต่อ (joint stiffening) และการติดตั้งระบบลดการสั่นสะเทือน (damping integration) เพื่อกระจายแรงลมและป้องกันจุดอ่อนของโครงสร้าง