การเสริมเหล็กต้านทานแรงดึงในคาน

คอนกรีตแม้จะมีคุณสมบัติในการรับแรงอัดได้ดี ในขณะเดียวกัน ก็ความสามารถในการรับแรงดึงได้น้อยมากเมื่อเทียบกับแรงอัด ดังนั้นวิศวกรจึงนิยมออกแบบโครงสร้าง โดยให้คอนกรีตรับเฉพาะแรงอัดเป็นหลัก และเสริมเหล็กเพื่อต้านทานแรงดึง เหตุผลที่นำเหล็กเสริมมาร่วมกับคอนกรีตคือ เหล็กมีค่าสัมประสิทธิ์การยืดและหดตัวใกล้เคียงกับคอนกรีต เป็นวัสดุที่ประหยัดและมีกำลังสูง สามารถป้องกันการโก่งตัว แตกร้าว และเสียหายของคานได้ดี

จึงต้องวางตำแหน่งเหล็กเสริมต้านทานแรงดึงที่ด้านล่างของคาน ส่วนแรงอัดที่เกิดขึ้นบริเวณขอบบนของคาน คอนกรีตสามารถรับแรงอัดได้ดี จึงเสริมเหล็กด้านบนของคานเพียงเล็กน้อย เพื่อรองรับเหล็กปลอก แต่ในกรณีที่คานต้องรับแรงอัดมากเกินกว่าความสามารถของคอนกรีต วิศวกรจะเสริมเหล็กเพื่อต้านทานแรงอัดที่ด้านบนของคาน

พฤติกรรมและการเสริมเหล็กต้านทานแรงดึงของคานยื่น

รูปร่างของคาน
ขนาดและรูปร่างของคานขึ้นอยู่กับการออกแบบของวิศวกร รูปทรงของคานมีหลายแบบ ได้แก่ คานสี่เหลี่ยมผืนผ้า Regtangular Beam คานตัวที T-Beam คานตัวแอล L-Beam และคานแบน Band-Beam โดยทั่วไปแล้วนิยมออกแบบคานรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า เพราะก่อสร้างสะดวก ส่วนคานตัวทีและตัวแอล ประกอบด้วยสองส่วนสำคัญ คือ ส่วนปีก Flange และตัวคาน Web of Stem ส่วนปีก ทำหน้าที่ต้านทานแรงอัดที่บริเวณด้านบน และทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของแผ่นพื้นได้อีกด้วย ส่วนตัวคาน ทำหน้าที่ต้านแรงดึงที่บริเวณด้านล่างเช่นเดียวกับคานสี่เหลี่ยมผืนผ้า สำหรับคานที่ถูกออกแบบให้ตื้นเพื่อช่วยลดความสูงของอาคารลง คานแบบนี้ จะสิ้นเปลืองเหล็กเสริมมากเมื่อเทียบกับคานรูปทรงอื่น

การเสริมเหล็กคานช่วงเดียว

คานช่วงเดียว คือ คานที่วางระหว่างเสาเพียงสองต้น เป็นคานแบบง่าย Simple Beam นิยมกำหนดให้ใช้คอนกรีตต้านทานแรงอัด และใช้เหล็กต้านทานแรงดึงและแรงอัด ให้มากพอที่จะต้านทานทั้งแรงอัดและแรงดึงได้ และใส่เหล็กปลอกหรือเหล็กคอม้าเพื่อต้านทานแรงตึงทแยง

นอกจากเสริมเหล็กต้านทานแรงอัดแรงดึงแล้ว ต้องเสริมเหล็กเพื่อต้านทานแรงเฉือนด้วย ภาพที่เห็นแสดงรอยแตกร้าวเนื่องจากแรงดึงทแยง

คานฉีกขาดเนื่องจากแรงดึงทแยง

ภาพแสดงรอยแตกร้าวนี้ สามารถป้องกันรอยแตกร้าวได้ด้วยการเสริมเหล็กคอกม้าเพื่อต้านแรงตึแนวทแยง ดังนี้

การป้องกันรอยแตกร้าว ด้วยการเสริมเหล็กปลอก ซึ่งเป็นที่นิยมกว่าการต้านทานแรงดึงทแยงโดยเหล็กคอกม้า เพราะต้านทานแรงได้ดีกว่า แต่มีเงื่อนไขว่า ระยะห่างของเหล็กปลอก ต้องไม่มากกว่าครึ่งหนึงของความลึกประสิทธิผลของคาน (d/2) บางครั้งอาจใช้วิธีร่วมกันก็ได้

ความแข็งแรงของคานคอนกรีตเสริมเหล็ก ยังขึ้นอยู่กับแรงยึดเกาะ Bond ระหว่างคอนกรีตกับเหล็กเสริมคานอีกด้วย น้ำหนักที่กระทำกับคานมากทำให้คานเกิดแรงดึงมากตามคาน อาจมีโอกาสแตกร้าวเสียหายได้ หากเหล็กเสริมต้านทานแรงดึง ถูกแรงดึงดึงให้เหล็กรูดหรือเลื่อนตัว จึงแนะนำให้ใช้เหล็กงอขอที่ปลาย เพื่อเพิ่มการยึดเกาะกับคอนกรีตได้ดีกว่าเหล็กตรงธรรมดา นอกจากนี้ ยังสามารถเลือกใช้เหล็กเสริมจำนวนเล็กหลายๆเส้น เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสกับคอนกรีตเพิ่มแรงยึดเกาะระหว่างเหล็กเสริมกับคอนกรีตที่มีกำลังอัดสูง และกำหนดรายละเอียดการงอขอ 90 องศา หรือ 180 องศา ที่ปลาย อย่างไรก็ตาม เหล็กเสริมส่วนบน (เหล็กรับแรงอัด) ไม่สามารถป้องกันคานแตกร้าวในส่วนที่เกิดแรงดึงได้

ตัวอย่าง การงอขอปลายเหล็กเสริม เพื่อป้องกันการรูดของน้ำหนักคาน

ตัวอย่าง ลักษณะการเลื่อนตัวออกของเหล็กเสริมกรณีไม่ได้งอปลาย และการงอขอที่ปลายเหล็กเสริม เพื่อเพิ่มการยึดเกาะให้กับคอนกรีต

หลักการวางเหล็กเสริม

การจัดวางเหล็กเสริม ต้องคำนึงถึงความประหยัด และต้องสอดคล้องกับการออกแบบของวิศวกร โดยทั่วไป วิศวกรนิยมกำหนดขนาดของเหล็กเสริมไม่เกินเส้นผ่านศูนย์กลาง 25มม. เพราะมีราคาถูกกว่าเหล็กขนาด 28มม. หรือ 32มม. ข้อแนะจำสำหรับการจัดเหล็กมีดังต่อไปนี้

1. จัดเหล็กให้สมมาตร (Symmetry)
2. เมื่อเหล็กเสริมในแถวล่างเดียวกัน มีขนาดต่างกัน ให้เหล็กขนาดใหญ่จัดวางที่ตำแหน่งมุมนอก
3. เมื่อเหล็กเสริมสองแถวมีขนาดต่างกัน ให้จัดวางเหล็กเสริมขนาดใหญ่ไว้ที่แถวล่าง
4. สำหรับคานขนาดใหญ่ที่มีเหล็กเสริมหนาแน่นมากๆ เช่น คานช่วงยาว คานสะพาน ควรจัดเหล็กเป็นกลุ่ม และมีช่องว่างพอเพียงสำหรับการเทและจี้คอนกรีต ช่องว่างพอเพียงกับคอนกรีต ควรมีระยะประมาณ 3 นิ้ว
5. ความหนา จองคอนกรีตหุ้มผิวเหล็ก (Covering) หมายถึงระยะที่วัดจากผิวคอนกรีตถึงผิวนอกสุดของเหล็กปลอก สำหรับคอนกรีตที่หล่อในที่ มีหลักพิจารณาดังนี้
+ 7.5ซม. สำหรับคอนกรีตที่หล่อติดกับดินและผิวคอนกรีตสัมผัสกับดินตลอดเวลา
+ 4ซม. สำหรับเหล็กเสริมเส้นผ่านศูนย์กลาง 16มม. และเล็กกว่า
+ 5ซม. สำหรับเหล็กเสริมเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่า 16 มม.
+ 3ซม. สำหรับคานที่ไม่สัมผัสกับดินหรือไม่ถูกแดดฝน

6. ระยะช่องว่างต่ำสุดของเหล็กเส้นที่วางขนาดกันในแต่ละชั้น ต้องไม่แคบกว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเหล็กเส้นนั้นๆ และต้องไม่น้อยกว่า 2.5ซม.
7. การเสริมเหล็กในคานต้องมีเหล็กตั้งแต่สองชั้นขึ้นไป ระยะช่องว่างระหว่างชั้นของเหล็กเส้นต้องไม่แคบกว่า 2.5ซม.
8. เหล็กปลอกแรก ไม่ควรห่างจากผิวเสาเกิน 5 ซม.
9. ระยะต่อทาบเหล็กเสริม ต้องไม่น้อยกว่า 48 เท่า ของเส้นผ่านศูนย์กลางเหล็กเส้นกลม และ 36 เท่า สำหรับเหล็กข้ออ้อย
10. ไม่ควรตัด และดัดเหล็กด้วยแก๊สหรือความร้อน เพราะจะทำให้เหล็กสูญเสียกำลัง

ข้อพิจารณาในการเทคอนกรีตคาน

1. ก่อนเทคอนกรีต ควรตรวจสอบความเรียบร้อยของแบบคาน ความสะอาด รอยต่อแบบค้ำยัน ไม้ตู้ ไม้รัดปากแบบ ท้อนคาน การทำระดับหลังคาน
2. ก่อนเทคอนกรีต ควรใช้เครื่องปั๊มลมเป่าไล่เศษฝุ่น และราดน้ำแบบหล่อให้ชุ่ม
3. สำหรับคานที่มีขนาดลึก ควรเทคอนกรีตเป็นชั้น ชั้นละไม่เกิน 30 ซม. และจี้คอนกรีตให้แน่นในแต่ละชั้น
4. ควรหยุดเทคอนกรีตในแนวตั้งฉากกับคาน ณ ตำแหน่งที่แรงเฉือนเกิดขึ้นน้อยที่สุด โดยทั่วไป อยู่ประมาณกลางคาน เพื่อให้รอยต่อเรียบร้อย ใช้ลวดตาข่ายคั่นรอยต่อหากจำเป็นอาจใช้ไม้เคร่า คั่นระหว่างเหล็กเสริม
5. ก่อนเทคอนกรีตกต่อกับคอนกรีตใหม่ ควรทำความสะอาดรอยต่อ แล้วราดด้วยน้ำปูนข้นหน้ารอยต่อให้ทั่วก่อน จึงเทคอนกรีตใหม่