ขนาดของเหล็กเสริมใดที่เหมาะสมกับโครงการก่อสร้าง?

วิธีการกำหนดขนาดเหล็กเสริม: มาตรฐาน สัญลักษณ์ และมิติหลัก

การถอดรหัสระบบเบอร์ #X และค่าเทียบเท่าในหน่วยมิลลิเมตร (6 มม.–57 มม.)

ขนาดเหล็กเสริมกำหนดตามระบบการเรียงลำดับที่เป็นมาตรฐาน โดยสัญลักษณ์ #X หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นเศษส่วนหนึ่งส่วนแปดของนิ้ว เช่น เหล็กเสริมเบอร์ #3 มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 3/8 นิ้ว (9.5 มม.) ในขณะที่เบอร์ #8 หมายถึง 1 นิ้ว (25.4 มม.) ระบบดังกล่าวครอบคลุมตั้งแต่เบอร์ #3 (6 มม.) ถึงเบอร์ #18 (57 มม.) โดยมีค่าเทียบเท่าในหน่วยมิลลิเมตรเพื่อรองรับการประสานงานในโครงการระดับโลก ค่าแปลงระหว่างหน่วยอิมพีเรียลกับหน่วยเมตริกที่สำคัญ ได้แก่:

• #4: 12.7 มม.
• #5: 15.9 มม.
• #9: 28.7 มม.
• #11: 35.8 มม.

ความสม่ำเสมอของเส้นผ่านศูนย์กลางช่วยให้การกระจายแรงรับน้ำหนักเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอทั่วโครงสร้างคอนกรีต วิศวกรอาศัยมิติมาตรฐานเหล่านี้—ซึ่งกำหนดเป็นครั้งแรกในมาตรฐาน ASTM A615—เพื่อจัดวางโครงสร้างเสริมให้สอดคล้องกับรหัสอาคารสากล เช่น ACI 318 และ ISO 6935

เกรด ASTM A615/A706 และเหตุผลที่เส้นผ่านศูนย์กลางเพียงอย่างเดียวไม่สามารถกำหนดความแข็งแรงได้

ASTM กำหนดกฎเกณฑ์เกี่ยวกับความแข็งแรงที่เหล็กเสริม (rebar) ต้องมี โดยหลักแล้วผ่านมาตรฐานต่าง ๆ ขององค์กร เช่น มาตรฐาน A615 สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป และมาตรฐาน A706 สำหรับเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่เชื่อมได้ ในการพิจารณาว่าแท่งเหล็กแต่ละแท่งสามารถรับน้ำหนักได้มากน้อยเพียงใด แม้เส้นผ่านศูนย์กลางจะมีบทบาทอยู่บ้าง แต่สิ่งที่สำคัญที่สุดจริง ๆ คือเกรดความต้านทานแรงดึง (yield strength grade) ตัวอย่างเช่น เกรด 60 สามารถทนแรงดึงได้ประมาณ 60,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือราว 414 เมกะพาสคาล ส่วนเกรด 80 มีค่าสูงขึ้นไปอีก คือประมาณ 80,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว หรือ 552 เมกะพาสคาล น่าสนใจคือ แท่งเหล็กสองแท่งที่มีขนาดเท่ากันอย่างสมบูรณ์แบบแต่มีเกรดต่างกัน อาจแสดงความแตกต่างกันได้มากถึงหนึ่งในสามของความสามารถในการรับแรงดึงสูงสุด (tensile strength) วัสดุที่ใช้ผลิตแท่งเหล็กก็มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน สำหรับเหล็กกล้าตามมาตรฐาน A706 จะมีการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีเป็นพิเศษ ซึ่งช่วยปรับปรุงสมบัติการดัดโค้งก่อนขาด (ductility) และประสิทธิภาพภายใต้สภาวะแผ่นดินไหว ขณะเดียวกันก็ยังคงสอดคล้องกับข้อกำหนดด้านมิติอย่างเคร่งครัด ดังนั้น สำหรับผู้ที่เกี่ยวข้องกับงานออกแบบโครงสร้าง การตรวจสอบทั้งขนาดทางกายภาพและคุณสมบัติของวัสดุโลหะจึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง นอกจากนี้ อย่าลืมขอรายงานผลการทดสอบจากโรงหลอม (mill test reports) ตามมาตรา 11 ของมาตรฐาน ASTM A615 ทุกครั้งเมื่อทำการตรวจสอบข้อกำหนดทางเทคนิค

การจับคู่ขนาดเหล็กเสริมให้สอดคล้องกับการใช้งานเชิงโครงสร้าง

การเลือกขนาดเหล็กเสริมที่เหมาะสมที่สุดจะช่วยป้องกันความล้มเหลวอันส่งผลต้นทุนสูง ขณะเดียวกันก็เป็นไปตามข้อกำหนดของรหัสอาคารและเกณฑ์ประสิทธิภาพด้านวิศวกรรม ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าเหมาะสำหรับรับแรงบรรทุกที่เบากว่าและส่วนประกอบที่บางกว่า ในขณะที่องค์ประกอบที่หนักกว่าจำเป็นต้องใช้การเสริมแรงที่แข็งแกร่งเพื่อถ่ายโอนแรงดึงได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาความสามารถในการใช้งานภายใต้แรงบรรทุกที่กระทำอย่างต่อเนื่อง

ฐานรากและพื้นแผ่น: การเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมรอยแตกร้าวด้วยเหล็กเสริมขนาด #2–#4 (6–13 มม.)

สำหรับองค์ประกอบการก่อสร้างในแนวราบ เช่น แผ่นพื้นคอนกรีตที่เทโดยตรงบนพื้นดิน (slabs on grade) และระบบฐานรากแบบตื้น (shallow foundation systems) ผู้รับเหมามักเลือกใช้เหล็กเสริม (rebar) ขนาดตั้งแต่เบอร์ #2 ถึง #4 (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6–13 มม.) โดยหลักการเพื่อควบคุมรอยแตกร้าวจากปรากฏการณ์หดตัวของคอนกรีตและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ เมื่อทำงานกับโครงสร้างคอนกรีตที่มีความหนาน้อยลง เหล็กเสริมขนาดเล็กเหล่านี้ซึ่งจัดวางห่างกันประมาณ 12–18 นิ้ว จะช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับคอนกรีตทั่วทั้งพื้นผิวอย่างสม่ำเสมอ โดยไม่ก่อให้เกิดจุดรับแรงสะสม (stress points) ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาในระยะยาว ตามมาตรา 7.12 ของมาตรฐาน ACI 318 ฉบับล่าสุด การใช้เหล็กเสริมเบอร์ #4 (มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 12.7 มม.) ที่จัดวางห่างกันเพียง 12 นิ้ว จะสามารถลดความกว้างของรอยแตกร้าวได้มากกว่าครึ่งหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นพื้นคอนกรีตที่ไม่มีการเสริมเหล็กเลย หรือมีปริมาณเหล็กเสริมน้อยเกินไป ในการประยุกต์ใช้งานแผ่นพื้นสำหรับอาคารที่อยู่อาศัยทั่วไป อย่างไรก็ตาม หากเลือกใช้เหล็กเสริมที่มีขนาดใหญ่เกินไป จะส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น ทำให้การเทคอนกรีตยากขึ้น และเพิ่มความเสี่ยงที่เหล็กเสริมจะฝังตัวไม่ดีในเนื้อคอนกรีต ในทางกลับกัน หากเลือกใช้เหล็กเสริมที่มีขนาดเล็กเกินไป ก็จะไม่สามารถยับยั้งรอยแตกร้าวเริ่มต้นที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการบ่ม (curing) ได้ ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงทั้งต่ออายุการใช้งานของโครงสร้างและต่อความสวยงามเชิงสถาปัตยกรรม

เสา คาน และองค์ประกอบรับน้ำหนัก: เมื่อเหล็กเสริมขนาด #5–#11 (16–36 มม.) ช่วยให้โครงสร้างมีความมั่นคง

องค์ประกอบแนวตั้งและองค์ประกอบดัด เช่น เสา คาน และคานถ่ายน้ำหนัก (transfer girders) จำเป็นต้องใช้เหล็กเสริมที่มีขนาดตั้งแต่เบอร์ #5 ถึง #11 (ประมาณ 16 ถึง 36 มม.) เพื่อรับแรงต่างๆ ที่กระทำร่วมกัน ได้แก่ แรงอัด แรงดึง และแรงเฉือน เมื่อพิจารณาเหล็กเสริมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น จะพบว่าความสามารถในการรับแรงเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน ตัวอย่างเช่น เหล็กเสริมเบอร์ #8 (ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25.4 มม.) สามารถรับแรงได้มากกว่าเหล็กเสริมเบอร์ #5 ที่มีเกรดเหล็กเดียวกันประมาณ 50% ตามข้อกำหนด AASHTO LRFD ฉบับที่ 10 ความต้องการเฉพาะยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อพิจารณาปัจจัยด้านแผ่นดินไหว ในพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูงต่อแผ่นดินไหว ข้อบังคับอาคารกำหนดให้ใช้เหล็กเสริมอย่างน้อยเบอร์ #7 (ประมาณ 22.2 มม.) บริเวณเขตบิดแบบพลาสติก (plastic hinge areas) ของเสา เพื่อให้เสาสามารถโค้งงอได้โดยไม่หักหัก ส่วนคานถ่ายน้ำหนัก (transfer beams) มักใช้เหล็กเสริมเบอร์ #11 หลายเส้น (แต่ละเส้นมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 35.8 มม.) รวมกันเป็นกลุ่ม เพื่อรับทั้งน้ำหนักแนวตั้งและแรงด้านข้าง ท้ายที่สุด วิศวกรจะคำนวณปริมาณเหล็กเสริมที่ต้องฝังในคอนกรีตตามอัตราส่วนพื้นที่ โดยแนวทางปฏิบัติส่วนใหญ่แนะนำให้รักษาระดับการเสริมเหล็กไว้เหนือ 1% ในส่วนโครงสร้างสำคัญ ตามที่ระบุไว้ในบทที่ 10 ของมาตรฐาน ACI 318-19

ปัจจัยด้านวิศวกรรมที่มีความสำคัญยิ่งซึ่งกำหนดการเลือกขนาดของเหล็กเสริม

ข้อกำหนดด้านแรงบรรทุก ความแข็งแรงของคอนกรีต และอัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดของเหล็กต่อคอนกรีต

ปริมาณของแรงโครงสร้างที่กระทำจะเป็นตัวกำหนดว่าเหล็กเสริม (rebar) จะต้องรับแรงดึงได้มากน้อยเพียงใด เมื่อมีแรงถาวร (dead loads) ที่หนัก เช่น ระบบเครื่องกลขนาดใหญ่ หรือวัสดุปูพื้นที่หนา รวมทั้งแรงเคลื่อนพลวัต (dynamic live loads) จากสถานที่เช่น ที่จอดรถหรือพื้นที่สำหรับการรวมกลุ่มขนาดใหญ่ วิศวกรโดยทั่วไปจะระบุให้ใช้เหล็กเสริมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น ตัวอย่างเช่น อาคารสูงมักต้องใช้เหล็กเสริมเบอร์ #11 (ประมาณ 35.8 มม.) ในคอลัมน์หลัก ส่วนฐานรากแบบเรียบง่ายอาจใช้เหล็กเสริมเบอร์ #3 (ประมาณ 9.5 มม.) ก็เพียงพอแล้ว สิ่งที่น่าสนใจคือ คอนกรีตที่มีความแข็งแรงสูงขึ้นจริง ๆ แล้วหมายความว่าเราสามารถใช้เหล็กเสริมน้อยลงได้ คอนกรีตที่มีความแข็งแรงสูงประมาณ 5,000 psi หรือ 35 MPa ช่วยให้นักออกแบบลดปริมาณความต้องการเหล็กเสริมได้เกือบ 20% เมื่อเทียบกับส่วนผสมคอนกรีตธรรมดาที่มีความแข็งแรง 3,000 psi (21 MPa) ทั้งนี้ต้องตรวจสอบความแข็งแรงของการยึดเกาะ (bond strength) และความยาวในการพัฒนา (development lengths) ก่อนเสมอ อัตราส่วนพื้นที่ของเหล็กเสริมต่อพื้นที่ของคอนกรีต (rho) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันว่าโครงสร้างจะมีความปลอดภัยและคุ้มค่าทางต้นทุน สมการที่ใช้มีลักษณะดังนี้: rho เท่ากับ As หารด้วย (b คูณ d) โดยที่ As แทนพื้นที่รวมของเหล็กเสริมในแนวรับแรงดึง b คือความกว้างขององค์ประกอบโครงสร้าง และ d คือความลึกที่มีประสิทธิภาพ หากอัตราส่วนนี้เกินค่าสูงสุดที่กำหนดไว้ คอนกรีตอาจถูกบดอัดจนแตกหักก่อนที่เหล็กเสริมจะเริ่มไหล (yielding) แต่ในทางกลับกัน หากอัตราส่วนต่ำกว่าข้อกำหนดขั้นต่ำ ก็อาจนำไปสู่ความล้มเหลวที่ไม่คาดคิดภายใต้แรงดึง โครงการส่วนใหญ่มักมุ่งเป้าไปที่ค่าระหว่าง 1% สำหรับโครงสร้างพื้นฐานทั่วไปที่ไม่มีข้อกังวลพิเศษ ไปจนถึง 3–4% สำหรับอาคารที่ตั้งอยู่ในเขตเสี่ยงแผ่นดินไหว หรือพื้นที่ที่มีความเสี่ยงสูงต่อการกัดกร่อน ตามตาราง 10.3.1 ของมาตรฐาน ACI 318-19

ข้อจำกัดด้านระยะห่าง รหัสการออกแบบต้านแผ่นดินไหว และพิจารณาขนาดที่ทนต่อการกัดกร่อน

เมื่อทำงานภายใต้ข้อจำกัดด้านกายภาพ เช่น พื้นที่แบบหล่อที่คับแคบ การจัดวางเหล็กเสริมแนวตั้ง (dowel) ที่หนาแน่น หรือการเจาะรูสำหรับระบบ MEP จำนวนมากที่ผ่านโครงสร้าง ขนาดของเหล็กเสริมมักถูกกำหนดโดยข้อจำกัดเหล่านี้มากกว่าจะพิจารณาเพียงความต้องการด้านความแข็งแรงเท่านั้น นี่คือเหตุผลที่วิศวกรหลายคนเลือกใช้เหล็กเสริมเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า โดยทั่วไปคือขนาด #4 หรือ #5 และจัดวางให้ห่างกันน้อยลง แทนที่จะเลือกใช้เหล็กเสริมเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าซึ่งอาจขัดขวางการบดอัดคอนกรีตให้แน่นอย่างเหมาะสมในระหว่างการเทคอนกรีต สำหรับข้อพิจารณาด้านแผ่นดินไหว ข้อกำหนดจะเข้มงวดและเฉพาะเจาะจงยิ่งขึ้น ตามบทที่ 18 ของมาตรฐาน ACI 318-19 บริเวณรอยต่อของคานกับเสาต้องใช้เหล็กเสริมขนาดไม่น้อยกว่า #6 เมื่อระยะห่างระหว่างห่วงยึด (ties) เท่ากับหรือน้อยกว่าสี่นิ้ว และบริเวณที่เกิดบานพับพลาสติก (plastic hinge) ซึ่งเป็นจุดที่โครงสร้างโค้งงอภายใต้แรงกระทำ จำเป็นต้องมีการเสริมเหล็กที่มีความสามารถในการรับแรงสูงกว่าความต้องการด้านความแข็งแรงปกติ 1.25 เท่า เพื่อรองรับการเคลื่อนตัวทั้งหมดโดยไม่ล้มเหลว สำหรับสภาพแวดล้อมทางทะเล หรือพื้นที่ที่ถนนได้รับการโรยเกลือในฤดูหนาว ก็จำเป็นต้องใช้เหล็กเสริมขนาดใหญ่ขึ้นเช่นกัน ผู้รับเหมามักระบุให้ใช้เหล็กเสริมขนาด #8 (ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25.4 มม.) แทนขนาดมาตรฐาน #6 (19.1 มม.) เพราะทราบดีว่าเหล็กจะสูญเสียขนาดประมาณครึ่งมิลลิเมตรต่อปีจากกระบวนการกัดกร่อนตลอดอายุการใช้งานของอาคาร แม้ว่าเหล็กเสริมที่เคลือบด้วยอีพอกซีหรือเหล็กกล้าไร้สนิมจะคงรักษารูปทรงและขนาดเดิมไว้ได้ แต่ความสามารถในการยึดเกาะกับคอนกรีตของวัสดุเหล่านี้กลับต่ำกว่าเหล็กคาร์บอนธรรมดา ดังนั้น จึงจำเป็นต้องปรับปรุงข้อกำหนดทั้งในส่วนของระยะห่างระหว่างเหล็กเสริมและระยะที่เหล็กเสริมยื่นเข้าไปในจุดรองรับ ตามแนวทางที่ระบุไว้ในบทที่ 25 ของมาตรฐาน ACI 318-19 และมาตรฐาน ASTM A775/A934