one

วสั ดใุ นการก่อสร้าง: ส่วนท่ี 2/1 1 เรียบเรียงโดย รศ.ดร.สิทธิชัย แสงอาทติ ย์ สาขาวิชาวศิ วกรรมโยธา สานักวิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยสี ุนารี

วสั ดุในการก่อสร้าง: ส่วนที่ 2/1 (บทนาวสั ดใุ นการก่อสร้าง) - บทนำ - ชนิดของโครงสร้ำง - กำรวบิ ตั ิของโครงสร้ำง - สมบตั ิของวสั ดุ (material properties) - มำตรฐำนกำหนดสมบตั ิของวสั ดุ - กำรทดสอบวสั ดุ (material testing) 2

บทนาวสั ดุในการก่อสร้างบทนา วศิ วกร/ช่ำง/ผอู้ อกแบบโครงสร้ำงของอำคำรและสิ่งก่อสร้ำงต่ำงๆจะตอ้ งมีควำมรู้เกี่ยวกบั สมบตั ิของวสั ดุท่ีใชใ้ นกำรก่อสร้ำง เช่น คอนกรีตเหลก็ และไม้ เพ่ือใหเ้ ลือกใชว้ สั ดุไดอ้ ยำ่ งมีประสิทธิภำพและใชง้ ำนวสั ดุได้อยำ่ งเหมำะสมและในกำรควบคุมงำน เรำตอ้ งทรำบวิธีกำรตรวจสอบวสั ดุท่ีนำมำใชว้ ำ่ มีคุณสมบตั ิต่ำงๆ ตำมท่ีไดก้ ำหนดไวเ้ ม่ือตอนออกแบบหรือไม่ หำกขำดควำมรู้อำจก่อใหเ้ กิดควำมเสียหำยโดยตรงต่อ โครงสร้ำง เช่น พงั ทลำยหรือใชง้ ำนไมเ่ ตม็ ที่ ตอ้ งซ่อมแซมหรือ อำจก่อใหเ้ กิดควำมไม่ประหยดั เนื่องจำกใชว้ สั ดุที่มีสมบตั ิดีเกิน จำเป็ น 3

วัสดุท่ีมักใช้ในการก่อสร้างท่ีจะศึกษำในที่น้ีไดแ้ ก่ 1. เหลก็ โครงสร้ำง (Structural steel) 2. คอนกรีต (Concrete) 3. ไม้ (Timber) 4. อิฐ (Brick) 5. ผลิตภณั ฑค์ อนกรีต - คอนกรีตบลอ๊ ค (concrete block) - พ้นื คอนกรีตสำเร็จรูป (precast concrete slab) - เสำเขม็ คอนกรีต (concrete pile) - ท่อคอนกรีตเสริมเหลก็ 4

วสั ดุท่ีใชใ้ นงำนก่อสร้ำงจะตอ้ งมี - กำลงั (strength) - ควำมแกร่ง (stiffness) - ควำมคงทน (durability) การเลือกใช้วสั ด:ุ ตวั อยำ่ งกำรพิจำรณำ 1. วสั ดุท่ีมีสมบตั ิเหมำะสมท่ีจะนำมำใชแ้ ละ หำไดง้ ่ำยในทอ้ งตลำดมีอะไรบำ้ ง? เหลก็ และคอนกรีต2. สมบตั ิทำงกลของวสั ดุแต่ละชนิด เมื่อเปรียบเทียบกนั แลว้ เป็นอยำ่ งไร? เหลก็ -เหนียว/คอนกรีต- เปรำะ เหลก็ มีกำลงั และควำมแกร่งสูงกวำ่ คอนกรีต แต่เหลก็ มีควำมคงทนต่อสภำวะแวดลอ้ มต่ำกวำ่ คอนกรีต 5

3. วสั ดุท่ีพิจำรณำอยตู่ อ้ งมีกำรดูแลรักษำมำกนอ้ ย แค่ไหนและอยำ่ งไร? เหลก็ ตอ้ งกำรกำรดูแล/รักษำ เช่น ทำสีกนั สนิม และพน่ กนั ไฟ มำกกวำ่ คอนกรีต4. วสั ดุที่พจิ ำรณำอยมู่ ีรำคำเป็นอยำ่ งไร เมื่อเทียบกบั วสั ดุชนิดอื่นๆ? เหลก็ - 20 บำท/kg ส่วนคอนกรีต - 1500 บำท/m35. ข้นั ตอนกำรเตรียมวสั ดุและกำรก่อสร้ำงเป็นอยำ่ งไร? มีปัจจยั อะไรบำ้ งท่ี ตอ้ งนำมำพจิ ำรณำร่วม? ง่ำย/ยำก ระดบั ฝีมือของช่ำง เคร่ืองจกั ร6. วิธีกำรกำหนดมำตรฐำนของวสั ดุท่ีจะนำมำใชง้ ำนตอ้ งทำอยำ่ งไร? ตำม มอก./กฏกระทรวง7. วิธีกำรทดสอบและตรวจสอบวสั ดุเป็นอยำ่ งไร? 6

ชนิดของโครงสร้าง “โครงสร้าง (structure)” ไดจ้ ำกกำรก่อสร้ำงหรือประกอบชิ้นส่วนต่ำงๆของโครงสร้ำงเขำ้ ดว้ ยกนั เพ่ือรองรับแรงกระทำต่ำงๆ (loads) ตำมวตั ถปุ ระสงค์ของโครงสร้ำงอยำ่ งปลอดภยั โครงข้อหมุน/โครงถัก (Truss)Roof truss Bridge trussประกอบดว้ ยชิ้นส่วนรับแรงดึงและแรงอดั ซ่ึงถูกจดั เรียงในลกั ษณะของสำมเหล่ียมต่อเนื่องกนั เหมำะสมในกรณีที่โครงสร้ำงมี span 9-40 m 7

โครงเฟรม (frame) เฟรมเป็นโครงสร้ำงท่ีไดม้ ำจำกกำรนำคำนและเสำมำเชื่อมต่อกนั ดว้ ยจุดเชื่อมต่อแบบหมดุ (pinned joint) หรือแบบยดึ แน่น (rigid joint)Steel frame Reinforced Concrete frame ตวั อยำ่ งโครงขอ้ แขง็ (rigid frame) 8

เคเบิล เคเบิล (cable) เป็นโครงสร้ำงท่ีดดั ไปมำไดง้ ่ำยและรองรับแรงกระทำโดยกำรพฒั นำแรงดึงในตวั เคเบิล (ไมเ่ กิดแรงเฉือนและโมเมนตภ์ ำยใน)ตวั อยำ่ งสะพำนแขวน (suspension bridge) ในจงั หวดั เลยถำ่ ยเม่ือ พ.ศ. 2544 เคเบิลไดเ้ ปรียบเหนือคำนและโครงขอ้ หมุนเม่ือ span ของโครงสร้ำงมีควำมยำวมำกกวำ่ 45 m 9

Arch (โค้งต้งั ) Arch เป็นโครงสร้ำงท่ีตำ้ นทำนแรงกระทำโดยกำรพฒั นำแรงกดอดั ข้ึนภำยในตวั arch เป็นหลกั ที่มำ: กำรรถไฟแห่งประเทศไทย 10

การวิบัติของโครงสร้าง กำรวบิ ตั ิของหลงั คำของศำลำประชำคมที่เมือง Hartford, CT เน่ืองจำก น้ำหนกั ของหิมะในปี ค.ศ. 1978 (พ.ศ. 2521) 11

การวิบัติของโครงสร้าง กำรวิบตั ิของสะพำนลอยเหนือถนน US Route 29 ที่เมือง Concord, NC เม่ือ 20 พ.ค. 2000 (2543) เน่ืองจำกกำรผกุ ร่อนของลวดอดั แรงหลงั จำกที่ เปิ ดใชง้ ำนไดเ้ พยี ง 5 ปี 12

สมบัตขิ องวสั ดุ วสั ดุก่อสร้ำง: เหลก็ VS คอนกรีตโดยทวั่ ไป สมบตั ิของวสั ดุท่ีตอ้ งพจิ ำรณำแบ่งไดเ้ ป็น 8 ขอ้ ดงั น้ี1. สมบตั ิทำงกำยภำพ ไดแ้ ก่ ขนำด น้ำหนกั ควำมหนำแน่น และปริมำณ ควำมช้ืน ฯลฯ2. สมบตั ิทำงกล ไดแ้ ก่ กำลงั ควำมแกร่ง และควำมยดื หยนุ่ ฯลฯ3. สมบตั ิทำงเคมี ไดแ้ ก่ ควำมตำ้ นทำนต่อกำรเกิดสนิม ควำมเป็นกรดหรือ ด่ำง ฯลฯ4. สมบตั ิทำงเคมีกำยภำพ ไดแ้ ก่ กำรดูดซึมน้ำ กำรยดื ตวั หรือกำรหดตวั เนื่องจำกควำมช้ืน ฯลฯ 13

สมบตั ขิ องวสั ดุ วสั ดุก่อสร้ำง: เหลก็ VS คอนกรีต5. สมบตั ิทำงควำมร้อน ไดแ้ ก่ กำรนำควำมร้อน กำรหดตวั หรือขยำยตวั เน่ืองจำกควำมร้อน ฯลฯ6. สมบตั ิทำงไฟฟ้ำและแมเ่ หลก็ ไดแ้ ก่ กำรนำไฟฟ้ำ กำรแทรกผำ่ นของ สนำมแม่เหลก็ ฯลฯ7. สมบตั ิทำงคล่ืนเสียง ไดแ้ ก่ กำรส่งผำ่ นและกำรสะทอ้ นของเสียง ฯลฯ8. สมบตั ิทำงแสง ไดแ้ ก่ สี กำรส่งผำ่ นและกำรสะทอ้ นของแสง ฯลฯ 14

สมบัติทางกลของวัสดุ - พฤติกรรมทำงกลของวสั ดุ ภำยใตก้ ำรกระทำของแรง ซ่ึงมีสมบตั ิท่ีสำคญั เช่น กำลงั เป็นควำมสำมำรถของวสั ดุในกำรตำ้ นทำนต่อแรงกระทำ โดยไม่ เกิดกำรวบิ ตั ิ เหลก็ = กำรครำก (yielding)/ คอนกรีต = กำรบดแตก (crushing) ควำมแกร่ง เป็นควำมสำมำรถของวสั ดุในกำรตำ้ นทำนต่อกำร เปลี่ยนแปลงรูปร่ำง ภำยใตแ้ รงกระทำ ดูคำ่ โมดูลสั ยดื หยนุ่ (modulus of elasticity) ควำมยดื หยนุ่ เป็นควำมสำมำรถของวสั ดุในกำรเปลี่ยนแปลงรูปร่ำง ภำยใตแ้ รงกระทำ โดยไม่มีกำรเปลี่ยนแปลงรูปร่ำงถำวรเกิดข้ึน 15

มาตรฐานกาหนดสมบัตขิ องวสั ดุ จุดประสงคข์ องกำรมีมำตรฐำนกำหนดคือ เป็นกำรป้องกนั อนั ตรำยที่จะ เกิดแก่ผบู้ ริโภคและป้องกนั กำรสูญเสียทำงเศรษฐกิจ เช่น ป้องกนั ไม่ให้ ผลิตผลิตภณั ฑท์ ่ีมีคุณภำพต่ำ ซ่ึงอำจจะมีรำคำถูกแต่มกั จะไมค่ ุม้ ค่ำ และให้ ผลิตผลิตภณั ฑท์ ี่มีควำมสอดคลอ้ งกนั เช่น ควำมยำวของหลอดนีออน มำตรฐำนที่ใชใ้ นประเทศไทยถกู กำหนดข้ึนโดยกระทรวงอุตสำหกรรม เรียกวำ่ มอก. และมีหมำยเลขกำกบั และปี พ.ศ. ที่ออกใช้ เช่นมอก. 59-2526 คอนกรีตบลอ็ คมำตรฐำนอุตสำหกรรมมีพ้ืนฐำนมำจำกมำตรฐำนของสหรัฐอเมริกำหรือASTM (American Society for Testing and Materials) และขององั กฤษหรือBS (British Standards) 16

มำตรฐำนกำหนดสมบตั ิของวสั ดุประกอบดว้ ย 1. ขอ้ กำหนดคุณสมบตั ิของผลิตภณั ฑ์ (specifications) ซ่ึงกำหนดให้ ผลิตภณั ฑน์ ้นั ๆ ตอ้ งมีคุณสมบตั ิตำมท่ีไดร้ ะบุไว้เหลก็ โครงสร้ำงรูปพรรณตำม มอก.116-2529สัญลกั ษณ์ หน่วยแรงครำก หน่วยแรงประลยั ค่ำกำรยดื ตวั (yielding stress) (ultimate stress) (elongation) (ksc) (ksc) (%)Fe 24 2,400 4,100 23Fe 30 3,000 5,000 232. วิธีกำรทดสอบ (testing method) ซ่ึงบอกวธิ ีกำรทดสอบผลิตภณั ฑ์ วำ่ มีคุณสมบตั ิตำมมำตรฐำนหรือไม่ 17

ทดสอบแรงกดอดั ของคอนกรีตตำมมำตรฐำน ASTM C 31ทดสอบแรงดึงของเหลก็ เสน้ ตำมมำตรฐำน มอก. 20-2527 18

มำตรฐำนอุตสำหกรรมของไทยแบ่งออกเป็น 2 ประเภท 1. ประเภทที่ผผู้ ลิตตอ้ งผลิตใหไ้ ดม้ ำตรฐำน ถำ้ ผลิตไม่ไดม้ ำตรฐำน จะผดิ กฏหมำย เช่น ปูนซีเมนตป์ อร์ตแลนด์ เหลก็ เสน้ เสริม คอนกรีต และกระจกนิรภยั รถยนต์ ซ่ึงจะตอ้ งติดเครื่องหมำย มอก. 20-2527 เหลก็ เส้นเสริมคอนกรีต : เหลก็ เส้นกลม มอก. 24-2536 เหลก็ เส้นเสริมคอนกรีต : เหลก็ ขอ้ ออ้ ย 2. ประเภทที่ผผู้ ลิตตอ้ งผลิตใหไ้ ดม้ ำตรฐำนหรือไม่กไ็ ด้ แต่ถำ้ ผลิต ไดม้ ำตรฐำนจะติดเครื่องหมำยมอก. 80-2550 ปูนซีเมนตผ์ สม 19

การทดสอบวสั ดุ ในกำรออกแบบโครงสร้ำง ทฤษฎีและผลกำรทดสอบวสั ดุมีควำมสำคญัเท่ำกนั โดยทฤษฎจี ะนำมำใช้ในกำรหำสมการท่ีใชท้ ำนำยพฤติกรรมของโครงสร้ำง แต่สมกำรจะไมส่ ำมำรถนำมำใชไ้ ด้ หำกเรำไม่ทรำบสมบัตทิ างกลของวัสดุ ซ่ึงได้จำกการทดสอบวสั ดุเท่ำน้นั 20

การทดสอบวสั ดุ แบ่งตำมวตั ถปุ ระสงคข์ องกำรทดสอบไดเ้ ป็น 3 รูปแบบคือ 1. การทดสอบเพ่ือการควบคุม เป็นกำรทดสอบเพ่อื ตรวจสอบวำ่ วสั ดุท่ี ผลิตมีสมบตั ิตำมที่ตอ้ งกำรหรือไม?่ โดยแบ่งยอ่ ยออกเป็น 1.1 กำรทดสอบเพือ่ ควบคุมคุณภำพกำรผลิต (quality control testing) เป็นกำรทดสอบเพ่อื ตรวจสอบวำ่ วสั ดุท่ีผลิตมีสมบตั ิตำมที่ ตอ้ งกำรหรือไม่? ซ่ึงกระทำโดยผู้ผลติ เพือ่ ใหว้ สั ดุมีสมบตั ิเป็นไป ตำมมำตรฐำนและไม่ดีจนเกินไป 1.2 กำรทดสอบเพ่อื กำรยอมรับ (acceptance testing) เป็นกำรทดสอบ เพ่ือตรวจสอบวำ่ วสั ดุที่ผลิตมีสมบตั ิไม่ดอ้ ยกวำ่ ท่ีตอ้ งกำร ซ่ึง กระทำโดยผ้ซู ื้อ 21

ตวั อยำ่ งผลกำรทดสอบเพื่อควบคุมกำรผลิตเหลก็ กำลงั สูงค่ำ mean x1 n xi n i 1 ค่ำ standard variation n  xi2  nx2 i 1 sx  22 n 1

C om pressive Stress,(M Pa) ตวั อยำ่ งผลกำรทดสอบเพื่อกำรยอมรับคอนกรีต C 18-1 C 18-2 40 C 18-3 C 25-1 35 C 25-2 C 25-3 30 C 32-1 C 32-2 25 C 32-3 20 23 15 10 5 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 C om pressive Strain,(m m /m m ) แผนภำพ stress ( σ ) และ strain ( ε ) ของคอนกรีต

ตวั อยำ่ งผลกำรทดสอบเพ่ือกำรยอมรับเหลก็ โครงสร้ำง 600Tensile Stress,(M Pa) 500 SteelC oupon 1 400 SteelC oupon 2 SteelC oupon 3 300 SteelC oupon 4 200 SteelC oupon 5 100 0 24 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 Tensile Strain,(m m /m m ) แผนภำพ stress ( σ ) และ strain ( ε ) ของเหลก็

2. กำรทดสอบเพอื่ กำรวิจยั และพฒั นำวสั ดุ เป็นกำรทดสอบเพอ่ื หำ ขอ้ มูลเพ่มิ เติมหรือขอ้ มูลใหม่จำกวสั ดุที่มีอยแู่ ลว้ หรือเพ่ือคน้ ควำ้ ผลิตวสั ดุชนิดใหมข่ ้ึนมำใชง้ ำน 3. กำรทดสอบเพื่อวดั ค่ำทำงวทิ ยำศำสตร์ของวสั ดุ เป็นกำรทดสอบเพอ่ื หำสมบตั ิพ้นื ฐำนของวสั ดุ เพ่ือใชเ้ ป็นขอ้ มลู สำหรับกำรวเิ ครำะห์ พฤติกรรมของวสั ดุ กำรทดสอบท้งั สำมรูปแบบมีควำมแตกต่ำงกนั ในวธิ ีกำรทดสอบเคร่ืองมือท่ีใช้ ควำมละเอียดแม่นยำของกำรวดั คุณสมบตั ิและควำมสำมำรถของผทู้ ดสอบ และค่ำใชจ้ ่ำย ดงั น้นั กำรเลือกรูปแบบกำรทดสอบวสั ดุจึงตอ้ งทำใหเ้ หมำะสมกบั งำน 25

ประเภทของการทดสอบทางกล วธิ ีกำรใหแ้ รงกระทำต่อตวั อยำ่ งทดสอบ เง่ือนไขกำรทดสอบ 26

วิธีการให้แรงกระทาต่อตัวอย่างทดสอบ 1. ประเภทของหน่วยแรงท่ีเกิดข้ึนในตวั อยำ่ งทดสอบ - กำรทดสอบแรงดึง -กำรทดสอบแรงอดั - กำรทดสอบแรงเฉือน - กำรทดสอบแรงบิด - กำรทดสอบแรงดดั 27

การทดสอบแรงดึงของเหลก็ - หน่วยแรงครำก (yielding stress) - หน่วยแรงประลยั (ultimate stress) - เปอร์เซ็นตก์ ำรยดื ตวั (percent of elongation) - โมดูลสั ควำมยดื หยนุ่ (modulus of elasticity)การทดสอบแรงอดั ของคอนกรีต 28 - หน่วยแรงกดอดั ประลยั (ultimate compressive stress) - โมดูลสั ควำมยดื หยนุ่ (modulus of elasticity)

2. อตั รำกำรใหแ้ รงกระทำต่อตวั อยำ่ งทดสอบ - กำรทดสอบแบบสถิตย์ (static test) - กำรทดสอบแบบพลวตั ิ (dynamic tests) เช่น กำรทดสอบแรงกระแทก - กำรทดสอบแบบ long-term เช่น กำรทดสอบกำรคืบ (creep test) 29

3. จำนวนคร้ังที่แรงกระทำต่อตวั อยำ่ งทดสอบ - กำรใหแ้ รงกระทำต่อตวั อยำ่ งทดสอบเพียงรอบเดียว - กำรใหแ้ รงกระทำต่อตวั อยำ่ งทดสอบเกินกวำ่ 1 รอบ เช่น กำรทดสอบกำรลำ้ (fatigue test) 30

เงื่อนไขการทดสอบสมบตั ิทำงกลของวสั ดุโดยส่วนใหญ่ข้ึนอยกู่ บั สภำวะแวดลอ้ ม- อุณหภูมิ- กำรทดสอบท่ีอุณหภมู ิหอ้ ง- กำรทดสอบท่ีอุณหภูมิต่ำ เช่น โครงสร้ำงหอ้ งเยน็- กำรทดสอบท่ีอณุ หภมู ิสูง เช่น โครงสร้ำงโรงผลิตเหลก็- ควำมช้ืน เช่น บ่อบำบดั น้ำเสีย โรงงำนปิ โตรเคมี น้ำทะเล ฯลฯ- สำรเคมี 31

การเลือกและจัดเตรียมตวั อย่างทดสอบ ตวั อยำ่ งทดสอบจะตอ้ งถกู จดั เตรียมข้ึนมำตำมมำตรฐำนกำรทดสอบที่ใช้ อำ้ งอิง เช่นซีเมนต์ (cement) ตำมมำตรฐำน ASTM C183อิฐดินเผำ (brick) ตำมมำตรฐำน ASTM C67อิฐบลอ๊ ก (concrete block) ตำมมำตรฐำน ASTM C143ไม้ (timber) ตำมมำตรฐำน ASTM D143 เป็นตน้โดยจะตอ้ งใหม้ ี- ควำมคลำดเคลื่อนของขนำดและรูปร่ำงที่อยใู่ นเกณฑท์ ี่ยอมรับได้- จำนวนของตวั อยำ่ งทดสอบใหม้ ีจำนวนมำกเพยี งพอต่อกำรทดสอบในแต่ละคร้ัง (มกั ตอ้ งเตรียมเผอื่ ไว)้ 32

เคร่ืองมือที่ใช้ในการทดสอบ ในกำรเลือกเครื่องมือท่ีใชใ้ นกำรทดสอบตอ้ งคำนึงถึงปัจจยั 3 ขอ้ คือ จุดประสงคข์ องกำรทดสอบ ควำมถูกตอ้ งแมน่ ยำและควำมน่ำเช่ือถือท่ีตอ้ งกำร ค่ำใชจ้ ่ำย 33

ตัวอย่างเครื่องมือวัดในการทดสอบวสั ดุ 34

จบการบรรยาย ส่วนที่ 2/1 35