บทความนี้จะอธิบายและแสดงโปรแกรมคอมพิวเตอร์ สำหรับใช้ในการคำนวณค่าแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดในคานแบบง่าย (Simple Beam) ซึ่งดัดแปลงมาจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ในหนังสือ Strength of Materials แต่งโดย William A Nash โดยมีวัตถุประสงค์คือ

            1.     เพื่อแสดงแนวคิดและขั้นตอนวิธี (Algorithm) ในการนำงานที่ใช้การคำนวณด้วยมือไปเป็นการคำนวณด้วยเครื่องคอมพิวเตอร์ได้

            2.  เพื่อให้นักศึกษามีโปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่สามารถ ใช้กับเครื่องคอมพิวเตอร์แบบกระเป๋า (Pocket Computer) เช่น รุ่น FX ของ
คาสิโอ (Casio) หรือรุ่น PC ของชาร์ป (Sharp) ซึ่งทำให้สามารถตรวจคำตอบผลลัพธ์จากการคำนวณด้วยมือได้ด้วยตนเอง

            3.     ช่วยเสริมความเข้าใจของนักศึกษา ในการศึกษาวิชาพื้นฐานทางวิศวกรรม เช่น วิชากลศาสตร์วิศวกรรม (Engineering Mechanics) วิชาความแข็งแรงของวัสดุ (Strength of Materials)วิชาทฤษฎีโครงสร้าง (Theory of Structures) เป็นต้น

            4.     เป็นแนวทางในการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ทางด้านวิศวกรรมชั้นสูงต่อไป

ขอบเขตและแนวคิดของโปรแกรม

            โปรแกรมคอมพิวเตอร์นี้ สามารถใช้วิเคราะห์หาแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดในคาน เมื่อรับน้ำหนักบรรทุกแบบต่างๆเหล่านี้คือ แบบกระทำเป็นจุด (Point Load) แบบโมเมนต์ และแบบแผ่กระจาย (Distributed Load) เชิงเส้นทั้งที่สม่ำเสมอและไม่สม่ำเสมอ อนึ่งแรงปฏิกิริยาถือว่าเป็นน้ำหนักกระทำเป็นจุดด้วย

            แนวคิดคือเเบ่งคานออกเป็นชิ้นส่วนย่อย (Segment) ซึ่งด้านซ้ายและด้านขวาของชิ้นส่วนย่อยเรียกว่าตำแหน่ง (Location) ดังภาพที่ 1

แนวทางการแบ่งชิ้นส่วนใดๆนั้น จะพิจารณาจากที่ว่ามีการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักบรรทุกที่กระทำ ณ ตำแหน่งนั้นหรือไม่เป็นหลัก และเนื่องจากผลลัพธ์ที่ได้จากโปรแกรม จะเป็นผลจากแต่ละตำแหน่งด้านซ้ายและด้านขวา ดังนั้นสิ่งที่พิจารณาในการแบ่งชิ้นส่วนย่อย อีกสิ่งหนึ่งคือ เราต้องการค่าของจุดใดบนคาน ก็กำหนดตำแหน่งที่จุดนั้นด้วย

ทิศทาง

                ทิศทางที่เป็นบวกของน้ำหนักบรรทุกแสดงดังภาพที่ 2

และทิศทางที่เป็นบวกของแรงเฉือนและโมเมนต์ดัด ดังภาพที่ 3

ขั้นตอนวิธีในการคำนวณ

กำหนดสัญลักษณ์ของตัวแปรดังนี้

N                 =     จำนวนชิ้นส่วนย่อยของคานแบบง่าย

S(I)            =     ความยาวของแต่ละชิ้นส่วนย่อย I พิจารณาจากชิ้นส่วนซ้ายไปขวา โดย I มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N

N1              =     จำนวนของน้ำหนักบรรทุกกระทำเป็นจุด (รวมทั้งแรงปฏิกิริยา)

P(I1)          =     น้ำหนักบรรทุกกระทำเป็นจุดที่ตำแหน่ง I1 โดย I1 มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N1

N2              =     จำนวนของโมเมนต์ที่กระทำบนคาน

E(L)           =     โมเมนต์คู่ควบที่ตำแหน่ง L โดย L มีค่าตั้งแต่ 1ถึง N2

N3              =     จำนวนชิ้นส่วนย่อยที่รับน้ำหนักบรรทุกกระจาย

D(N4,1)    =     ขนาดของน้ำหนักบรรทุกกระจายด้านซ้ายของตำแหน่ง N4 โดย N4 มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N3

D(N4,2)    =     ขนาดของน้ำหนักบรรทุกกระจายด้านขวาของตำแหน่ง N4 โดย N4 มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N3

V(I,1)        =     แรงเฉือนด้านซ้ายของตำแหน่ง I โดย I มีค่าตั้งแต่ 1ถึง N+1

V(I,2)        =     แรงเฉือนด้านขวาของตำแหน่ง I โดย I มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N+1

M(I,1)        =     โมเมนต์ดัดด้านซ้ายของตำแหน่ง I โดย I มีค่าตั้งแต่ 1 ถึง N+1

M(I,2)        =     โมเมนต์ดัดด้านขวาของตำแหน่ง I โดยที่ I มี่ค่าตั้งแต่ 1 ถึง N+1

                พิจารณาแผนภาพวัตถุอิสระ (Free-body Diagram) ของชิ้นส่วนย่อยที่ 1 นับจากปลายซ้ายของคานดังภาพที่ 4

จะได้ว่า

            V(1,1)    =     0  =  M(1,1) (เพราะถือว่าเริ่มที่ด้านขวามือของตำแหน่งที่ 1)

            V(1,2)    =     P(1)

            M(1,2)   =     -E(1)

            V(2,1)    =     V(1,2) + [D(1,1)+D(1,2)]*S(1)/2

            M(2,1)   =     M(1,2) + V(1,2)*S(1) + (2*D(1,2)+D(1,1))*S(1)²/6

            พิจารณาแผนภาพวัตถุอิสระของชิ้นส่วนย่อยที่ 2 ดังภาพที่ 5

จะได้ว่า             V(2,2)    =     V(2,1) + P(2)             M(2,2)   =     M(2,1) + E(2)             V(3,1)    =     V(2,2) + [D(2,1)+D(2,2)]*S(2)/2             M(3.1)   =     M(2,2) + V(2,2)*S(2) + [2*D(2,2)+D(2,1)]*S(2)²/6             สำหรับชิ้นส่วนย่อยอื่นๆ ถึงชิ้นส่วนย่อยที่ N ก็คำนวณในทำนองเดียวกันนี้ ซึ่งจะเห็นว่าเราสามารถเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ช่วยในการคำนวณโดยใช้การวนซ้ำ (Loop) ช่วงชิ้นส่วนย่อย จะสามารถคำนวณค่าแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดทั้งหมดได้   ขั้นตอนวิธีในการหาค่าสูงสุด                 เราสามารถเขียนโปรแกรมให้เลือกขนาด (Magnitude) ของแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดสูงสุดได้ โดยมีขั้นตอนวิธีดังนี้                 1.   กำหนดตัวแปร VM และ MM คือ ขนาดของแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดสูงสุดตามลำดับ                 2.   ให้ VM เท่ากับค่าสัมบูรณ์ของแรงเฉือนลำดับแรกคือ V(1,2) และ MM เท่ากับค่าสัมบูรณ์ของโมเมนต์ดัดลำดับแรกคือ M(1,2) (ที่ใช้ค่าสัมบูรณ์เพราะแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดเป็นได้ทั้งค่าบวกและลบ ซึ่งเป็นเครื่องหมายแสดงทิศทาง เมื่อหาเฉพาะขนาด จึงไม่คำนึงถึงเครื่องหมาย)                 3.   วนซ้ำ I = 1 ถึง N โดยที่ N คือจำนวนชิ้นส่วยย่อยทั้งหมด (ABS หมายถึง ค่าสัมบูรณ์)                                 ถ้า VM < ABS(V(I+1,1)) ให้ VM = ABS(V(I+1,1))                                 ถ้า VM < ABS(V(I+1,2)) ให้ VM = ABS(V(I+1,2))                                 ถ้า MM < ABS(M(I+1,1)) ให้ MM = ABS(M(I+1,1))                                 ถ้า MM < ABS(M(I+1,2)) ให้ MM = ABS(M(I+1,2))   รายละเอียดของโปรแกรมส่วนนี้ คือบรรทัดที่ 360 ถึง 420 ในรายละเอียด (Listing) ของโปรแกรมคอมพิวเตอร์   โปรแกรมคอมพิวเตอร์             โปรแกรมคอมพิวเตอร์นี้ เขียนขึ้นโดยใช้ภาษาเบสิก (BASIC) บนเครื่องคอมพิวเตอร์แบบกระเป๋าของชาร์ป รุ่น PC-1500A โดยกำหนดให้จำนวนชิ้นส่วนย่อยสูงสุดได้ 20 ชิ้นส่วน ดังนั้นจำนวนตำแหน่งสูงสุดจึงเท่ากับ 21 ตำแหน่ง มีรายละเอียดของโปรแกรมดังนี้   10:²A²:CLEAR 20:PAUSE ²SHEAR FORCE² 30:PAUSE ²AND BENDING MOMENT² 40:DIM S(20),P(21),E(21),D(20,2),V(21,2),M(21,2) 50:INPUT ²NUMBER OF SEGMENTS: ²;N 60:PAUSE ²LENGTH OF EACH SEGMENT² 70:PAUSE ²FROM LEFT TO RIGHT² 80:FOR I=1TO N 85:PRINT ²SEGMENT ²+STR$ I 90:INPUT ²S = ²;S(I) 100:NEXT I 110:INPUT ²NO. OF POINT LOADS: ²;N1 120:FOR I=1TO N1 130:INPUT ²LOCATION: ²;I1 140:INPUT :²LOAD: ²;P(I1) 150:NEXT I 160:INPUT ²NO. OF EXT. MOMENTS: ²;N2 170:FOR I=1TO N2 180:INPUT ²LOCATION: ²;L 190:INPUT ²MOMENT: ²;E(L) 200:NEXT I 210:INPUT ²NO. OF DIST. LOAD SEG. ²;N3 220:FOR I=1TO N3 230:INPUT ²SEGMENT NO.: ²;N4 240:INPUT ²LOAD LEFT: ²;D(N4,1) 250:INPUT ²LOAD RIGHT: ²;D(N4,2) 260:NEXT I 270:V(1,2)=P(1) 280:M(1,2)=-E(1) 290:FOR I=1TO N 300:V(I+1,1)=V(I,2)+(D(I,1)+D(I,2))*S(I)/2 310:V(I+1,2)=V(I+1,1)+P(I+1) 320:T2=((2*D(I,1)+D(I,2))*S(I)^2)/6 330:M(I+1,1)=M(I,2)+V(I,2)*S(I)+T2 340:M(I+1,2)=M(I+1,1)-E(I+1) 350:NEXT I 360:VM=ABS (V(1,2)) 365:MM=ABS (M(1,2)) 370:FOR I=1TO N 380:IF VM<ABS (V(I+1,1))LET VM=ABS (V(I+1,1)) 390:IF VM<ABS (V(I+1,2))LET VM=ABS (V(I+1,2)) 400:IF MM<ABS (M(I+1,1))LET MM=ABS (M(I+1,1)) 410:IF MM<ABS (M(I+1,2))LET MM=ABS (M(I+1,2)) 420:NEXT I 430:FOR I=1TO N+1 440:PRINT ²LOCATION ²+STR$ I 450:PRINT ²SHEAR LEFT = ²+STR$ V(I,1) 460:PRINT ²SHEAR RIGHT = ²+STR$ V(I,2) 470:PRINT ²MOMENT LEFT = ²+STR$ M(I,1) 480:PRINT ²MOMENT RIGHT = ²+STR$ M(I,2) 490:NEXT I

500:PRINT "Vmax.(mag.) = "+STR$ VM

510:PRINT "Mmax.(mag.) = "+STR$ MM

520:END

ตัวอย่างการคำนวณ

คานแบบง่ายรับน้ำหนักบรรทุกดังภาพที่ 6

จากการคำนวณด้วยมือ สามารถเขียนแผนภาพแรงเฉือนและโมเมนต์ดัดได้ดังภาพที่ 7

ในการกำหนดข้อมูลป้อนเข้า (Input) ของโปรแกรม มีข้อพิจารณาคือ กำหนดตำแหน่งซึ่งมีน้ำหนักบรรทุกกระทำ และตำแหน่งที่ต้องการทราบค่าแรงเฉือนและโมเมนต์ดัด จึงกำหนดดังภาพที่ 8

เพราะฉะนั้น             จำนวนชิ้นส่วนย่อย                                =     4             จำนวนตำแหน่ง                                      =     5             จำนวนชิ้นส่วนรับน้ำหนักกระจาย     =     1