คานคอนกรีตเสริมเหล็ก

       คานเป็นส่วนหนึ่งของโครงอาคารที่อยู่ในแนวราบทำหน้าที่รับแรงดัด แรงเฉือนแรงยึดเหนี่ยว และโมเมนต์บิด ซึ่งเกิดจากการน้ำหนักบรรทุกคงที่และน้ำหนักบรรทุกจรที่กระทำตั้งฉากกับแนวยาวของคาน ในบางครั้งคานอาจต้องรับแรงตามแนวแกนซึ่งเกิดจากการกระทำของแรงด้านข้าง โดยคานคานจะทำหน้าที่ถ่ายทอดน้ำหนักไปให้กับคานใหญ่หรือเสาที่รองรับต่อไป

รูปที่ 3.1 ส่วนประกอบของอาคาร คสล.

       สำหรับคานคอนกรีตล้วน (Plain Concrete Beams) อาจพิจารณาว่าเป็นคานที่ทำด้วยเนื้อเดียวกัน แต่คานคอนกรีตจะรับแรงไม่ได้มากเนื่องจากคอนกรีตจะร้าวและคานจะแตกหักที่ด้านรับแรงดึงเสียก่อนเนื่องจากคอนกรีตมีคุณสมบัติต้านทานแรงดึงน้อยมากนั่นเอง หากต้องการให้คานคอนกรีตล้วนรับน้ำหนักได้มากขึ้นจะต้องเพิ่มรูปตัดของคานให้ใหญ่ขึ้นซึ่งไม่ประหยัด แต่พบว่าเหล็กมีคุณสมบัติต้านทานแรงดึงและแรงอัดได้ดีเท่าๆกัน ฉะนั้น ถ้านำเหล็กเส้นมาหล่อรวมกับคอนกรีตโดยให้เหล็กเส้นอยู่ในตำแหน่งที่จะทำหน้าที่รับแรงดึงทั้งหมดภายหลังจากที่คอนกรีตแตกร้าว คานที่ได้จะเรียกว่า คานคอนกรีตเสริมเหล็ก (Reinforced Concrete Beams) เรียกย่อๆว่า คานคสล. และหากคอนกรีตและเหล็กเสริมมีการยึดเหนี่ยวกันดีโดยเหล็กเสริมไม่ครูดหรือลื่นไถลจากคอนกรีตห่อหุ้มขณะที่รับน้ำหนักบรรทุก คาน คสล.ที่ได้จะมีกำลังสามารถบรรทุกน้ำหนักได้มากขึ้น อย่าไรก็ตาม สังเกตว่า คาน คสล.ไม่ใช่คานที่ทำด้วยวัสดุเนื้อเดียวกันอีกต่อไป ดังนั้น การคำนวณออกแบบคาน คสล. ต้องอาศัยทฤษฎีดังที่จะกล่าวในหัวข้อ ทฤษฎีและสูตร ต่อไป

รูปที่3.2 แสดงแรงต่างๆที่เกิดขึ้นในคาน

          คุณสมบัติของคอนกรีตแข็งตัวแล้ว

       กำลังต้านทานแรงอัดของคอนกรีต (Compressive Strength) เป็นคุณสมบัติของคอนกรีตเมื่อแข็งตัวแล้วที่ต้องการมากที่สุดทั้งในงานคอนกรีตล้วนหรือคอนกรีตเสริมเหล็ก
       ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงอัดกับหน่วยการหดตัวของแท่งคอนกรีตมาตรฐานที่มีกำลังต้านทานแรงอัดต่างๆกันเมื่อรับแรงอัดตามแนวแกนอย่างเดียวจนกระทั่งแท่งคอนกรีตถูกอัดแตก แสดงไว้ดังรูป ( 3.3 ) จะเห็นว่าจากจุดเริ่มต้นที่รับน้ำหนักจนถึงระดับของหน่วยแรงอัดประมาณ 40 ถึง 50% ของกำลังต้านทานแรงอัดสูงสุด หรือ ซึ่งเป็นช่วงที่โครงสร้าง คสล. รับน้ำหนักบรรทุกใช้งาน (working range) ความสัมพันธ์ดังกล่าวจะเป็นเส้นโค้งเล็กน้อยซึ่งดูเหมือนเป็นเส้นตรงทั้งนี้เนื่องจากคอนกรีตเป็นวัสดุไม่ยืดหยุ่น (non-elastic material) นั่นเอง อย่างไรก็ดีในทางปฎบัติเมื่อคอนกรีตรับน้ำหนักในช่วงใช้งานและกระทำในช่วงระยะเวลาสั้น (short-time loading) สมมุติว่าคอนกรีตมีหน่วยการหดตัวเป็นสัดส่วนโดยตรงกับหน่วยแรงอัดที่กระทำ
       เมื่อหน่วยแรงอัดเพิ่มสูงขึ้น ความสัมพันธ์ดังกล่าวจะเป็นเส้นโค้งคล้ายโค้งพาราโบลา ซึ่งพบว่าที่หน่วยแรงอัดสูงสุดของคอนกรีตจะมีหน่วยการหดตัวประมาณ 0.002 มม./มม. และแท่งคอนกรีตยังสามารถต้านแรงอัดต่อไปได้ในขณะที่หน่วยการหดตัวมีค่าเพิ่มขึ้นแต่หน่วยแรงอัดจะลดลงเรื่อยๆจนกระทั่งวิบัติที่หน่วยการหดตัวสูงสุดประมาณ 0.003-0.004 มม./มม. ทั้งนี้ขึ้นกับกำลังต้านทานของคอนกรีตดังรูป ( 3.3 )

รูปที่ 3.3 ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงอัดกับหน่วยการหดตัวของคอนกรีต

          คุณสมบัติของเหล็กเสริม

        มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม มอก. 20-2527 และมอก. 24-2527 ให้ข้อกำหนดที่ต้องการทางด้านคุณสมบัติทางกล ดังตาราง ( 3.4 )

รูปที่ 3.4 คุณสมบัติทางกลของเหล็กเสริม

รูปที่ 3.5 ความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึงและหน่วยการยืดตัวของเหล็กเสริม

       เมื่อนำผลการทดสอบดึงเหล็กมาเขียนเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยแรงดึงกับหน่วยการยืดตัวของเหล็กเสริม จะได้ดังที่แสดงในรูป (3.5) จะเห็นว่า ขณะที่หน่วยแรงดึงยังอยู่ในช่วงอิลาสติกหรือช่วงยืดตัวของเหล็กเสริม หน่วยแรงดึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับหน่วยการยืดตัวของเหล็กเสริม โดยการยืดตัวของเหล็กเสริมในช่วงยืดหยุ่นนี้ค่อนข้างน้อยและสามารถหดตัวกลับลงมาตามแนวเดิมได้หากเลิกดึง แต่เมื่อแรงดึงกระทำมากขึ้นจนกระทั่งถึงหน่วยแรงที่เหล็กเสริมเริ่มครากซึ่งเป็นจุดสิ้นสุดของช่วงอิลาสติก เหล็กเสริมจะเริ่มถูกดึงยืดออกขณะที่แรงดึงค่อนข้างคงที่เรียกหน่วยแรง ณ. จุดนี้ว่า หน่วยแรงที่จุดคราก (Yeild strength : fy) หรือจุดยืด ซึ่งในบางครั้งอาจพบว่ามีทั้งจุดครากบน (Upper yelid point) และจุดครากล่าง ( Lower yelid point) ตำแหน่งของจุดครากบนไม่แน่นอนขึ้นกับ อัตราเร่งของแรงดึงและหน้าตัดของเหล็กเสริม ปกติถือว่าจุดครากล่างเป็นหน่วยแรงดึงที่จุดครากของเหล็กอย่างแท้จริง ช่วงที่หน่วยการยืดตัวของเหล็กเสริมเพิ่มมากขึ้นขณะที่แรงดึงค่อนข้างคงที่เรียกว่า ช่วงพลาสติก แต่เมื่อเหล็กเสริมมีกำลังที่จุดครากสูงขึ้นการยืดตัวในช่วงนี้การยืดตัวในช่วงนี้จะลดน้อยลงตามลำดับ ถัดจากช่วงนี้เหล็กเสริมจะมีพฤติกรรมใหม่ซึ่งสามารถรับแรงดึงเพิ่มขึ้นได้อีกและมีการยืดตัวเพิ่มขึ้น แต่หน่วยแรงดึงและหน่วยการยืดตัวไม่เป็นสัดส่วนโดยตรงเหมือนกับในช่วงอิลาสติก เรียกช่วงนี้ว่าช่วงการแข็งตัวเพิ่ม (Strain hardening) เมื่อเหล็กเสริมรับแรงดึงจนกระทั่งถึงกำลังสูงสุดของเหล็กเสริมนั้น (Ultimate tensile strength) หน่วยแรงดึงจะค่อยๆลดลงและหน้าตัดของเหล็กเสริมเริ่มมีคอคอดเกิดขึ้นและเล็กลงตามลำดับซึ่งสังเกตได้ค่อนข้างชัดเจน จนกระทั่งถึงจุดที่เหล็กเสริมถูกดึงขาดออกจากกัน เรียกหน่วยแรงที่จุดนี้ว่า หน่วยแรงดึงที่จุดขาดของเหล็กเสริม