การคัดเลือกและการใช้งานเหล็กเส้นกลมผิวขรุขระ

การจัดจำแนกวัสดุและมาตรฐานสากล

เหล็กเส้นรูปพรรณผิดรูป ซึ่งมักเรียกกันโดยทั่วไปว่า เหล็กเสริม ผลิตขึ้นตามมาตรฐานสากลที่เข้มงวด ซึ่งกำหนดคุณสมบัติเชิงกล องค์ประกอบทางเคมี และลักษณะเชิงมิติของวัสดุ ข้อกำหนดที่เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายที่สุดคือ ASTM A615/A615M ซึ่งครอบคลุมเหล็กเส้นคาร์บอนรูปพรรณผิดรูปและเรียบสำหรับเสริมคอนกรีต ในรูปแบบตัดเป็นท่อนและม้วน ภายใต้มาตรฐานนี้ เหล็กเส้นแบ่งออกเป็นสี่ระดับความต้านทานแรงดึงต่ำสุด ได้แก่ ระดับ 40 [280 เมกะพาสคาล] ระดับ 60 [420 เมกะพาสคาล] ระดับ 80 [550 เมกะพาสคาล] และระดับ 100 [690 เมกะพาสคาล]  ระดับ 60 (420 เมกะพาสคาล) เป็นระดับที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับงานก่อสร้างทั่วไปทั่วโลก

ในระบบมาตรฐานจีน (GB/T 1499.2) เหล็กเส้นรูปทรงพิเศษจะระบุชื่อว่า HRB335, HRB400, HRB500 และ HRB600 โดยตัวเลขแสดงค่าความต้านแรงดึงเริ่มต้นต่ำสุดเป็นเมกะพาสคาล สำหรับมาตรฐานยุโรป BS 4449 กำหนดเกรดไว้สามระดับ ได้แก่ B500A, B500B และ B500C ซึ่งทั้งหมดมีค่าความต้านแรงดึงเริ่มต้นเฉพาะตัวเท่ากับ 500 เมกะพาสคาล แต่มีสมบัติด้านความเหนียวต่างกัน สำหรับการใช้งานที่ต้องการความสามารถในการเชื่อมและสมบัติด้านความเหนียวที่ดีขึ้น ASTM A706/A706M ครอบคลุมเหล็กเส้นรูปทรงพิเศษชนิดโลหะผสมต่ำ ซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับงานที่ต้องควบคุมสมบัติด้านแรงดึงและมีความสามารถในการเชื่อมที่ดีขึ้น มาตรฐานนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อโครงสร้างที่ต้องต้านทานแผ่นดินไหว เนื่องจากการเชื่อมที่เชื่อถือได้มีบทบาทสำคัญมาก ตารางเปรียบเทียบเกรดตามมาตรฐานหลักต่าง ๆ แสดงลำดับชั้นที่ชัดเจน กล่าวคือ HRB400 (ตาม GB/T) สอดคล้องกับเกรด 60 (ASTM) และเกรด 400 (BS/EN) ในขณะที่ HRB500 สอดคล้องกับเกรด 80 (ASTM) และเกรด 500 (BS/EN)

องค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติเชิงกล

สมรรถนะของเหล็กเส้นกลมผิวขรุขระถูกควบคุมโดยองค์ประกอบทางเคมี ซึ่งต้องควบคุมอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้สมบัติเชิงกลตามที่กำหนดไว้ พร้อมรักษาความสามารถในการเชื่อมได้ดี สำหรับเหล็กเกรด HRB400 ขีดจำกัดองค์ประกอบทางเคมีคือ คาร์บอน ≤0.25% ซิลิคอน ≤0.80% แมงกานีส ≤1.60% ฟอสฟอรัส ≤0.045% และกำมะถัน ≤0.045% โดยมีค่าคาร์บอนเทียบเท่า (Ceq) ไม่เกิน 0.54 เกรด HRB500 มีขีดจำกัดองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกัน แต่มีค่า Ceq สูงขึ้นเล็กน้อย คือไม่เกิน 0.55 องค์ประกอบที่ควบคุมอย่างเข้มงวดนี้ช่วยให้ได้สมบัติเชิงกลที่สม่ำเสมอ และลดความเสี่ยงของการแตกร้าวจากไฮโดรเจนระหว่างการเชื่อมให้น้อยที่สุด

สมบัติเชิงกลของเหล็กเส้นกลมผิวขรุขระถูกกำหนดอย่างเคร่งครัดตามความต้านทานแรงดึงที่เริ่มไหล (yield strength) ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (tensile strength) และเปอร์เซ็นต์การยืดตัว (elongation) HRB400 สำหรับ HRB400 ความต้านทานแรงดึงที่เริ่มไหลต่ำสุดคือ 400 เมกะพาสคาล ความต้านทานแรงดึงสูงสุดไม่น้อยกว่า 570 เมกะพาสคาล และการยืดตัวต่ำสุดคือ 14% สำหรับเหล็กเส้นขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6–25 มิลลิเมตร . HRB500 ให้ความต้านทานแรงดึงที่เริ่มไหลต่ำสุด 500 เมกะพาสคาล ความต้านทานแรงดึงสูงสุด 630 เมกะพาสคาล และการยืดตัว 12% . HRB600 , ซึ่งเป็นเหล็กเสริมรุ่นล่าสุดที่มีความแข็งแรงสูง ให้ค่าความต้านทานแรงดึงเริ่มต้นไม่น้อยกว่า 600 เมกะพาสคาล และค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุดเกิน 730 เมกะพาสคาล โดยบางรุ่นสามารถให้ค่าความต้านทานแรงดึงเริ่มต้นได้ถึง 630–640 เมกะพาสคาล และค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด 800–830 เมกะพาสคาล สำหรับเกรดตามมาตรฐาน ASTM A615 ค่าความต้านทานแรงดึงจะต้องไม่น้อยกว่า 1.25 เท่าของค่าความต้านทานแรงดึงเริ่มต้นที่วัดได้จริง สำหรับเกรด 40, 60 และ 80 อย่างไรก็ตาม เหล็กเสริมเกรด 100 [690] มีอัตราส่วนระหว่างค่าความต้านทานแรงดึงที่ระบุไว้กับค่าความต้านทานแรงดึงเริ่มต้นที่ระบุไว้เพียง 1.15 เท่านั้น จึงให้ขอบเขตความปลอดภัยที่ต่ำกว่า และสัญญาณเตือนก่อนการล้มเหลวหลังจากเกิดการไหลของวัสดุน้อยลง ความแตกต่างที่สำคัญนี้จำเป็นต้องพิจารณาอย่างรอบคอบเมื่อกำหนดใช้เหล็กเสริมเกรด 100 สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างที่ความแข็งแรงขึ้นอยู่กับความสามารถในการรับแรงดึง

ข้อกำหนดและขั้นตอนการเชื่อม

การเชื่อมเหล็กเสริมผิวขรุขระจำเป็นต้องใช้ขั้นตอนเฉพาะและปฏิบัติตามรหัสมาตรฐานอย่างเคร่งครัด เพื่อให้มั่นใจในความสมบูรณ์ของรอยต่อและความปลอดภัยของโครงสร้าง เอกสารหลักที่กำกับดูแลคือ AWS D1.4/D1.4M (รหัสการเชื่อมโครงสร้าง–เหล็กเสริม) , ซึ่งครอบคลุมข้อกำหนดสำหรับการเชื่อมเหล็กเสริมในงานคอนกรีตเสริมเหล็กส่วนใหญ่ รหัสนี้ใช้กับการเชื่อมเหล็กเสริมกับเหล็กเสริม รวมทั้งกับเหล็กโครงสร้างคาร์บอนหรือเหล็กโครงสร้างโลหะผสมต่ำ .

ความสามารถในการเชื่อมขึ้นอยู่โดยตรงกับค่าเทียบเท่าคาร์บอน (CE) ตามมาตรฐาน AWS D1.4 สำหรับแท่งเหล็กขนาด #7 (22 มม.) ขึ้นไป ค่า CE ต้องต่ำกว่า 0.45% และสำหรับแท่งเหล็กขนาด #6 (19 มม.) ลงมา ค่า CE ต้องต่ำกว่า 0.55% เพื่อให้สามารถเชื่อมได้ แท่งเหล็กตามมาตรฐาน ASTM A706 ถูกออกแบบพิเศษด้วยองค์ประกอบทางเคมีที่ควบคุมเพื่อเพิ่มความสามารถในการเชื่อม โดยมีค่าเทียบเท่าคาร์บอนไม่เกิน 0.55% การรับรองคุณสมบัติของช่างเชื่อม ต้องมีใบรับรองตามมาตรฐาน AWS D1.1 สำหรับส่วนประกอบเหล็กโครงสร้าง และตามมาตรฐาน D1.4 สำหรับเหล็กเสริม อุณหภูมิเริ่มต้นก่อนเชื่อมและอุณหภูมิระหว่างชั้น ต้องควบคุมอย่างเข้มงวด โดยกำหนดอุณหภูมิขั้นต่ำไว้ที่ 200 องศาเซลเซียส สำหรับแท่งเสริมเกรด 280 และ 300 องศาเซลเซียส สำหรับแท่งเสริมเกรด 420 สำหรับการใช้งานบางประเภท การเชื่อมต่อแบบปลายต่อกันของแท่งเสริมต้องเป็นการเชื่อมแบบเจาะทะลุทั้งแนวร่วม (complete joint penetration butt welds) ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดของ AWS D1.4 เมื่อเชื่อมวัสดุตามมาตรฐาน ASTM A615 ควรระมัดระวังเป็นพิเศษ เนื่องจากไม่มีข้อกำหนดเฉพาะใดๆ ที่จัดทำขึ้นเพื่อปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมของวัสดุชนิดนี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเชื่อมที่เหมาะสมกับองค์ประกอบทางเคมีและวัตถุประสงค์ในการใช้งานจริง ฉบับล่าสุดของ AWS D1.4 ได้อธิบายการเลือกโลหะเติม (filler metals) อุณหภูมิก่อนเชื่อมและระหว่างการเชื่อม (preheat/interpass temperatures) รวมทั้งข้อกำหนดเกี่ยวกับการรับรองประสิทธิภาพและขั้นตอนการเชื่อม .

การประยุกต์ใช้ในงานก่อสร้างและการใช้งานเชิงโครงสร้าง

เหล็กเส้นรูปพรรณผิดรูปเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งในงานก่อสร้างสมัยใหม่ โดยทำหน้าที่เป็นวัสดุเสริมแรงดึงหลักในโครงสร้างคอนกรีตทั่วโลก ลักษณะพื้นผิวที่มีรอยนูนและร่อง (ribs และ lugs) ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะกับคอนกรีตได้อย่างเหนือกว่า ป้องกันการเคลื่อนตัวตามแนวแกนของเหล็กเส้น และรับประกันการทำงานร่วมกันอย่างมีประสิทธิภาพระหว่างเหล็กกับคอนกรีต ใน การก่อสร้างอาคาร ประเทศไทย ภาคสะพานและโครงสร้างพื้นฐาน พึ่งพาเหล็กเส้นรูปพรรณผิดรูปสำหรับใช้งานบนแผ่นผิวจราจรของสะพาน แท่งค้ำยันสะพาน (piers) ฐานรองรับปลายสะพาน (abutments) และงานปรับปรุงเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อแผ่นดินไหว เกรดความแข็งแรงสูง เช่น HRB500 และ HRB600 ช่วยลดการใช้วัสดุได้อย่างมีนัยสำคัญ; การใช้ HRB500 สามารถลดน้ำหนักรวมของเหล็กเสริมได้สูงสุดถึงร้อยละ 20 เมื่อเปรียบเทียบกับ HRB400 สำหรับโครงสร้างที่ต้านทานแผ่นดินไหว จะระบุเหล็กเส้นที่มีตัวอักษร "E" ต่อท้าย (เช่น HRB400E) เพื่อให้มีความเหนียวและศักยภาพในการดูดซับพลังงานที่สูงขึ้น แอปพลิเคชันเพิ่มเติม ได้แก่ อุโมงค์ เขื่อน กำแพงกันดิน พื้นโรงงานอุตสาหกรรม และองค์ประกอบคอนกรีตสำเร็จรูป เหล็กเส้นเกรด 100 [690] กำลังได้รับการใช้งานมากขึ้นในงานที่รับโหลดสูง ซึ่งต้องการลดความหนาแน่นของเหล็กเสริมและทำแบบรายละเอียดให้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม ผู้ออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาอัตราส่วนแรงดึงต่อแรงครากที่ต่ำกว่า (1.15) เมื่อเทียบกับเกรดที่ต่ำกว่า .

ปัจจัยพิจารณาและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

การเลือกเกรดเหล็กเส้นกลมหยาบให้เหมาะสม จำเป็นต้องพิจารณาความต้องการด้านโครงสร้าง สภาพแวดล้อม และข้อจำกัดในการผลิตอย่างรอบคอบ ปัจจัยหลักที่ใช้ในการตัดสินใจ ได้แก่: ความต้านทานแรงครากที่ต้องการ โดยอิงจากโหลดในการออกแบบ; ข้อกำหนดด้านความเหนียว สำหรับเขตที่มีความเสี่ยงจากแผ่นดินไหว; ความสามารถในการเชื่อม ข้อกำหนดทางเทคนิค (แนะนำให้ใช้ ASTM A706 เมื่อมีการเชื่อม) การป้องกันการกัดกร่อน ความต้องการ (เหล็กเสริมเคลือบอีพอกซีหรือชุบสังกะสีสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง); และ ความพร้อม ของเกรดและขนาดที่ระบุ ขนาดมาตรฐานมีตั้งแต่เบอร์ #3 (9.5 มม.) ถึงเบอร์ #18 (57 มม.) ตามข้อกำหนดของ ASTM มิติที่ระบุไว้โดยประมาณและรหัสตัวเลขของเหล็กเสริมผิวหยาบกำหนดไว้ในตารางที่ 1 ของ ASTM A615 สำหรับงานที่ต้องใช้เหล็กเสริมความแข็งแรงสูง (เกรด 100) ผู้ออกแบบต้องทราบว่าข้อกำหนดเกี่ยวกับการต่อแบบกลไกและแบบเชื่อมตาม ACI 318 ประเภท 1 (125% ของความต้านทานแรงดึงที่ระบุ) ไม่สามารถนำมาใช้ได้ การต่อแบบกลไกและแบบเชื่อมจึงต้องมีความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำที่ระบุไว้ไม่น้อยกว่า 115,000 psi [790 MPa] เมื่อใช้เหล็กเสริมเบอร์ 20 [64] ซึ่งเป็นขนาดใหญ่ที่สุดที่รวมอยู่ใน ASTM A615 อาจจำเป็นต้องได้รับการอนุมัติจากเจ้าหน้าที่ควบคุมอาคาร สำหรับโครงการระดับนานาชาติ การเข้าใจความเทียบเท่ากันของมาตรฐาน—เช่น HRB400 เทียบเท่ากับเกรด 60 (ASTM) และเกรด 400 (BS/EN)—เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อให้การระบุข้อกำหนดมีความแม่นยำ ด้วยการผสานการเลือกวัสดุที่เหมาะสม การปฏิบัติตามรหัสการเชื่อม และแนวทางการประกันคุณภาพอย่างเคร่งครัด วิศวกรและผู้ผลิตชิ้นส่วนจึงสามารถมั่นใจได้ว่าเหล็กเส้นกลมผิวขรุขระจะให้สมรรถนะที่เชื่อถือได้และคงทนยาวนานในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก