การตรวจวัดการสั่นสะเทือนของสะพานด้วยกล้อง Total Station

การตรวจวัดการสั่นสะเทือนของสะพานด้วยกล้อง Total Station

การดูแลรักษาสะพานให้มีความมั่นคงแข็งแรงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในงานวิศวกรรมโครงสร้าง โดยทั่วไป การตรวจสอบสะพานมักแบ่งเป็นการเฝ้าระวังการเคลื่อนตัว (Displacement Monitoring) และการเฝ้าระวังการสั่นสะเทือน (Vibration Monitoring) แม้ว่าการวัดการสั่นสะเทือนมักจะพึ่งพาเครื่องวัดอัตราเร่ง (Accelerometer) แต่ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีกล้องสำรวจสมัยใหม่ โดยเฉพาะกล้อง Robotic Total Station (RTS) และกล้อง Image Assisted Total Station (IATS) ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญและแสดงศักยภาพในการเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพสำหรับการภารกิจนี้

บทบาทของกล้อง Robotic Total Station (RTS) ในการตรวจวัดการสั่นสะเทือน

กล้อง Robotic Total Station ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางในการตรวจสอบพฤติกรรมของโครงสร้างสะพาน เช่น การแปรผันที่เกิดจากอุณหภูมิ หรือการทดสอบการรับน้ำหนัก โดยกล้อง RTS สามารถวัดพิกัด 3 มิติ (ประกอบด้วยมุมราบ, มุมดิ่ง, และระยะทาง) ได้โดยอัตโนมัติ ด้วยระบบติดตามเป้าหมายอัตโนมัติ (ATR) ที่ใช้เซ็นเซอร์ CMOS เพื่อเล็งและติดตามปริซึมที่ติดตั้งบนโครงสร้าง พร้อมทำการแก้ไขค่ามุมและรวมการชดเชยจากเซ็นเซอร์เอียงเพื่อคำนวณพิกัดสุดท้าย

อย่างไรก็ตาม กล้อง RTS ทั่วไปมีข้อจำกัดสำคัญคืออัตราการวัดโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 710 Hz (ในรุ่นมาตรฐานอย่าง Leica TS15) ซึ่งตามหลักการของทฤษฎี Nyquist หมายความว่ากล้องสามารถตรวจจับความถี่ได้สูงสุดเพียงประมาณ 4.5 Hz เท่านั้น อัตรานี้มักไม่เพียงพอต่อการตรวจสอบการสั่นสะเทือนของสะพาน เนื่องจากความถี่ธรรมชาติของสะพานหลายแห่งมักจะอยู่ในช่วงความถี่ที่สูงกว่านี้

แนวทางเพิ่มประสิทธิภาพการวัดเพื่อตรวจสอบการสั่นสะเทือน

เพื่อเอาชนะข้อจำกัดด้านความถี่ในการวัด ได้มีการพัฒนาแนวทางหลายวิธีสำหรับกล้องสำรวจ เพื่อให้สามารถใช้งานในการตรวจสอบการสั่นสะเทือนของสะพานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น:

1. การวัดเฉพาะมุม (Angle Only):

   โดยการหยุดการวัดระยะทาง และใช้เฉพาะข้อมูลมุมที่ได้จากระบบ ATR กล้อง RTS สามารถเพิ่มอัตราการวัดได้สูงถึง 20 Hz แนวทางนี้เหมาะสำหรับการติดตามการสั่นสะเทือนในแนวตั้งและแนวขวาง โดยให้ความละเอียดเชิงมุมประมาณ 0.3 mgon (เทียบเท่า 0.16 มม. ที่ระยะ 33 ม.)

2. การใช้กล้องที่มีระบบวัดระยะ (EDM) ความถี่สูง:

   กล้อง Total Station บางรุ่น เช่น Leica MS60 ได้รับการออกแบบมาพร้อมระบบ EDM ที่มีความถี่สูง ทำให้สามารถวัดทั้งมุมและระยะทางได้อย่างรวดเร็วถึง 2125 Hz ซึ่งช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการจับสัญญาณการสั่นสะเทือนได้ดีขึ้น แม้ว่าความละเอียดของระบบ ATR อาจยังคงอยู่ที่ 0.3 mgon

3. การใช้กล้องช่วยด้วยภาพ (Image Assisted Total Station: IATS):

   กล้อง IATS (เช่น Leica MS50/MS60) ถือเป็นพัฒนาการที่สำคัญ โดยใช้กล้องดิจิทัลความละเอียดสูงที่ติดตั้งภายในตัวกล้องสำรวจเป็นเครื่องมือหลักในการติดตามเป้าหมาย

   • ข้อดี: ไม่จำเป็นต้องติดตั้งปริซึมบนสะพาน สามารถใช้โบลต์หรือจุดเด่นอื่นๆ ของโครงสร้างเป็นเป้าหมายได้โดยตรง ซึ่งอำนวยความสะดวกอย่างมากในการติดตั้งและลดการรบกวนโครงสร้าง อีกทั้งยังเป็นการวัดแบบไม่สัมผัสทางกายภาพ
   • อัตราการบันทึกและความแม่นยำ: กล้อง IATS บางรุ่นสามารถบันทึกวิดีโอได้ถึง 30 Hz และให้ความแม่นยำในการตรวจจับตำแหน่งสูงถึง 0.1 mgon ซึ่งดีกว่าความละเอียดของระบบ ATR ทั่วไปถึง 5 เท่า

ผลการทดลองภาคสนาม

การทดสอบประสิทธิภาพของกล้อง RTS และ IATS ได้ดำเนินการทั้งในห้องปฏิบัติการและในภาคสนามบนสะพานคนเดิน Augarten ในประเทศออสเตรีย ซึ่งมีความยาว 74 เมตร โดยมีการติดตั้งทั้ง Accelerometer, ปริซึมสำหรับ RTS และจุดเป้าหมายสำหรับ IATS เพื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์:

• การเดินข้ามสะพาน (แอมพลิจูดการสั่น ~1 มม.): ทั้ง RTS และ IATS สามารถตรวจวัดการสั่นสะเทือนได้สอดคล้องกัน และพบว่า IATS ให้ค่าความถี่ที่ใกล้เคียงกับ Accelerometer มากกว่า
• การวิ่งข้ามสะพาน (3 คน): ผลจาก RTS แสดงสัญญาณที่มีลักษณะเป็นช่วง (quantization) ชัดเจน ซึ่งหมายถึงความไวต่อการเปลี่ยนแปลงขนาดเล็กไม่ดี ทำให้วิเคราะห์ความถี่ได้ยากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่ IATS ให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำกว่าอย่างเห็นได้ชัด
• รถยนต์เคลื่อนผ่าน: ทั้ง RTS และ IATS สามารถวัดการเคลื่อนตัวของแผ่นสะพานในลักษณะกึ่งคงที่ (quasi-static) ได้ และยังยืนยันว่าสัญญาณความถี่สูงที่ตรวจจับได้นั้นเป็นการสั่นสะเทือนจริงของโครงสร้าง ไม่ใช่สัญญาณรบกวน

บทสรุป

กล้อง Total Station ทั่วไปมีข้อจำกัดด้านความถี่ในการวัด (710 Hz) ซึ่งทำให้ไม่สามารถตรวจจับความถี่ธรรมชาติของสะพานหลายแห่งได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม มีแนวทางที่ช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการตรวจวัดการสั่นสะเทือน ได้แก่ การวัดเฉพาะมุมด้วย ATR ซึ่งเพิ่มอัตราการวัดได้ถึง 20 Hz, การใช้กล้องรุ่นที่มี EDM ความถี่สูง, และที่สำคัญที่สุดคือ การใช้กล้องช่วยด้วยภาพ (IATS)

กล้อง IATS ถือเป็นเทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับการตรวจสอบการสั่นสะเทือนของสะพาน ด้วยความสามารถในการตรวจจับตำแหน่งที่แม่นยำสูงขึ้น (0.1 mgon) การไม่ต้องติดตั้งปริซึม และอัตราการบันทึกข้อมูลที่รวดเร็ว (30 Hz) ทำให้ IATS เป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพสูงและเป็นทางเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการตรวจสอบสุขภาพของสะพานในปัจจุบัน.