การทดลองที่ 4 การทดสอบกำลังรับแรงดึงของเหล็กเส้น

การทดสอบแรงดึงของเหล็กเส้น

บทนำ

          คุณสมบัติในการรับแรงดึงของเหล็กเส้นที่ใช้ในคอนกรีตเสริมเหล็ก จัดเป็นคุณสมบัติทางกลที่สำคัญและจำเป็นอย่างยิ่ง เนื่องจากว่าเหล็กเส้นที่ใช้ในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กส่วนใหญ่จะทำหน้าที่รับแรงดึงถึงแม้ว่าบางครั้งอาจจะใช้รับแรงอัดก็ตาม แต่ถือว่าคุณสมบัติในการรับแรงดึงและแรงอัดมีค่าเป็นอย่างเดียวกันหากไม่เกิดการโก่งเดาะขี้น ดังนั้นจึงทดสอบเฉพาะคุณสมบัติในการรับแรงดึงเท่านั้น

          เหล็กเสริมที่ใช้ในงานโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กมี 2 ประเภท ได้แก่ เหล็กเส้นกลมและเหล็กข้ออ้อย ซึ่งเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำหรือเหล็กกล้าละมุน ซึ่งคุณสมบัติรับแรงดึงของเหล็กเสริมถูกนำมาใช้ในการออกแบบโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก เช่น พื้น บันได คาน เพื่อให้ได้คุณสมบัติต้านทานการรับแรงดึงของเหล็กเสริมตามที่ออกแบบในการก่อสร้างต้องมีการตรวจสอบคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของเหล็กเสริมที่จะนำมาใช้งาน

4.1   มาตรฐานการทดสอบการรับแรงดึงของเหล็กเส้น

   1.       มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมเหล็กเส้นเสริมคอนกรีต

-       มอก 20-2543 มาตรฐานเหล็กเส้นเสริมคอนกรีต (เหล็กเส้นกลม)

-       มอก 24-2536 มาตรฐานเหล็กเส้นเสริมคอนกรีต (เหล็กข้ออ้อย)

   2.       มาตรฐานงานเหล็กเส้นเสริมคอนกรีต (มยธ.103-2533)

   3.       ASTM A615 M-79 Deformed and Plain Billet-Steel Bars for Concrete Reinforcement (Metric)

   4.       BS 4449: 1969 Hot Roiled steel bars for the reinforcement of concrete

   5.       JIS G3112-1975 Steel bars for concrete reinforcement

   6.       AASHTO (American Association for State Highway and Transportation Officials)

4.2 ข้อกำหนดคุณสมบัติของเหล็กเส้นตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม (มอก.) ของเหล็กเส้น

ตารางที่ 4.1 คุณสมบัติทางกลของเหล็กเส้น

ตารางที่ 4.2 ค่าความคลาดเคลื่อนของมวลเหล็กที่ยอมให้ของเหล็กกลม (round bar)

4.3 อุปกรณ์สำหรับการทดสอบ

   1.       เครื่องทดสอบแรงดึง (Universal testing machine) พร้อมอุปกรณ์

   2.       เครื่องวัดการยืดตัว (Extensometer)

   3.       เวอร์เนียร์คาลิปเปอร์ที่มีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน +0.05 mm มีความละเอียดในการวัด 0.1 mm

   4.       ตลับเมตรที่มีความยาวเพียงพอที่จะวัดความยาวโดยตลอดของเหล็ก

   5.       ตาชั่งที่มีความละเอียด 0.1 กรัม

   6.       เหล็กสกัด

   7.       ค้อน

4.4 จุดประสงค์การทดสอบ

          เพื่อทดสอบหาคุณสมบัติในการรับแรงดึงของเหล็กเส้น

1.       กำลัง (Strength)

·     หน่วยแรงที่พิกัดยืดหยุ่น (Proportional limit)

·     หน่วยแรงที่จุดคราก (Yield strength)

·     หน่วยแรงประลัย (Ultimate strength)

2.       ความเหนียว (Ductility)

·     ร้อยละการยืดในช่วง 5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง (Elongation)

3.       โมดูลัสยืดหยุ่น (Modulus of elasticity)

4.5 การเตรียมตัวอย่างทดสอบ

          การเตรียมตัวอย่างทดสอบแรงดึงเหล็ก มีลำดับขั้นตอนดังนี้

          4.5.1 ตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เหล็กเส้นเสริมคอนกรีต: เหล็กเส้นกลม มอก 20-2543 ได้กำหนดการเตรียมตัวอย่างทดสอบเหล็กเส้นกลม ดังนี้

·       เหล็กเส้นกลมตั้งแต่ 15 mm ลงมาให้ทดสอบโดยไม่ต้องกลึงชิ้นทดสอบให้เล็กลง

·       เหล็กเส้นกลมตั้งแต่ 19 mm ขึ้นไป อาจกลึงลดขนาดให้พอเหมาะที่จะใช้กับเครื่องทดสอบแรงดึงได้    แต่เส้นผ่านศูนย์กลางไม่น้อยกว่า 15 mm ความยาวของส่วนที่กลึงต้องไม่น้อยกว่า 5.5 เท่าของขนาด  เส้นผ่านศูนย์กลางส่วนที่กลึง

4.5.2 ตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เหล็กเส้นเสริมคอนกรีต : เหล็กข้ออ้อย มอก 24-2548 ได้กำหนดการเตรียมตัวอย่างทดสอบดังนี้

·       เหล็กข้ออ้อยตั้งแต่ 16 mm ลงมาให้ทดสอบโดยไม่ต้องกลึงชิ้นทดสอบให้เล็กลง

·      เหล็กข้ออ้อยตั้งแต่ 20 mm ขึ้นไปอาจกลึงลดขนาดให้พอเหมาะที่จะใช้กับเครื่องทดสอบแรงดึงได้ แต่  เส้นผ่านศูนย์กลางต้องไม่น้อยกว่า 16 mm ความยาวของส่วนที่กลึงต้องไม่น้อยกว่า 5.5 เท่าของ  ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนที่กลึง

รูปที่ 4.1 ตัวอย่างเหล็กข้ออ้อยที่ผ่านการกลึง

           4.5.3 ความยาวพิกัด (Gauge length, G) กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 5 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลาง (5D เมื่อ D เป็นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง) ความยาวระหว่างหัวจับคือระยะ P โดยปกติจะต้องมีความยาวไม่น้อยกว่า 5.5D

4.6 วิธีการทดสอบ

 1.       วัดความยาวของเหล็กเสริมด้วยตลับเมตรให้ละเอียดถึง 1 มิลลิเมตร

 2.       ชั่งน้ำหนักเหล็กเสริมให้ละเอียดถึง 1 กรัม

 3.       กำหนดความยาวพิกัดของเหล็กเสริม เท่ากับ 5D โดยใช้เหล็กสกัดตอกแสดงจุดไว้ ดังแสดงในรูปที่ 4.2 จากนั้นกำหนดระยะหัวจับ อย่างน้อย 5.5D

 4.       นำเหล็กทดสอบใส่ในเครื่องทดสอบแล้วยึดเหล็กเสริมด้วยอุปกรณ์สำหรับจับชิ้นให้แน่น โดยให้ตำแหน่งของความยาวพิกัดอยู่ที่กึ่งกลางระหว่างอุปกรณ์ดังรูปที่ 4.3

รูปที่ 4.2 การกำหนดความยาวพิกัด (Gauge length)

รูปที่ 4.3 การจัดตำแหน่งความยาวพิกัดของเหล็กเสริมกึ่งกลางอุปกรณ์ยึดจับ

             1.       ติดตั้ง extensometer เพื่อวัดการยืดตัวของเหล็กเสริม

             2.       ควบคุมอัตราการเพิ่มของแรงดึงประมาณ 300 ksc/วินาที พร้อมทั้งบันทึกการยืดตัวของเหล็กเสริมทุกๆแรงดึง 250 กิโลกรัม หรืออาจใช้การแบ่งค่าเองให้ได้               ประมาณ 15-20 ค่าในช่วงพิกัดยืดหยุ่นของเหล็กเสริม

             3.       ดำเนินการทดสอบจนกระทั่งเหล็กเสริมขาด

             4.       ถอดชิ้นทดสอบออกจากเครื่องทดสอบแล้วสเก็ตซ์รูปลักษณะความเสียหายของชิ้นทดสอบ

             5.       นำชิ้นทดสอบที่ขาด 2 ท่อนมาต่อกันให้เหมือนเดิม วัดระยะความยาวพิกัดด้วยเวอร์เนียร์ เพื่อคำนวณค่ายืดตัวทั้งหมดดังรูปที่ 4.4

               11.       สร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดึงกับระยะการยืดตัว

        12.       สร้างกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียด ตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 4.5

รูปที่ 4.5 ตัวอย่างความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดของเหล็กเสริม (ที่มา : www.learneasy.info )

ตารางบันทึกผลการทดสอบ

ภาพสเก็ตซ์ความเสียหายของชิ้นทดสอบ

ตัวอย่างที่ 1                                            ตัวอย่างที่ 2

4.7 การคำนวณผลการทดสอบ

          การทดสอบแรงดึงเหล็กเพื่อพิจารณาความสามารถในคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของเหล็กเสริม โดยนำข้อมูลที่ได้จากการทดสอบคำนวณค่ามวลระบุ ร้อยละความคลาดเคลื่อนของมวลต่อเมตร ร้อยละความยืด โมดูลัสยืดหยุ่น หน่วยแรงดึง สามารถคำนวณได้ดังนี้

  4.8 สรุปผลและวิเคราะห์ผลการทดลอง

  ให้นิสิตสรุปผลในประเด็นที่แสดงด้านล่าง โดยทำการเปรียบเทียบกับข้อกำหนดมาตรฐานผลิตภัณฑ์        อุตสาหกรรม

  4.8.1ความคลาดเคลื่อนของมวลต่อเมตร...

  -

  4.8.2 กำลังและการยืดตัวของเหล็กเส้น...

  -

  4.8.3 ผลกระทบถ้านิสิตนำเหล็กดังกล่าวไปใช้ในงานจริง...

  -

      วีดีโอสอนทำทดลอง