STEEL

Manop Kaewmoracharoen, Ph.D.

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

• CE 215 – Structural Materials and Testing

• อ.มานพ แกว้โมราเจริญ (Manop Kaewmoracharoen, Ph.D.)

• ภาคการศึกษา 2/2554

• ภาควชิาวิศวกรรมโยธา มหาวิทยาลยัเชียงใหม่

• อนุญาตใหค้ดัลอก ท าซ ้า แกไ้ขตามเง่ือนไขครีเอฟทีฟคอมมอนส ์(cc-by-sa)

• เอกสารการสอนเผยแพร่ท่ี http://civil.eng.cmu.ac.th/lecture-notes

Steel 2

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ศพัทท่ี์ควรรู ้

• Iron (ไอ-เอิรน์)

• Steel

3

Walt Disney Concert Hall ที่มา: http://en.wikipedia.org/wiki/Walt_Disney_Concert_Hall

4

Bank of China By I. M. Pei

5

Gateway Arch By Eero Saarinen

6

Stata Center (MIT) By Frank Gehry

7

Chrysler Building By - William Van Alen Style - Art Deco ที่มา: http://en.wikipedia.org/wiki/Chrysler_Building

8

Seagram Building (New York City) By Ludwig Mies van der Rohe http://en.wikipedia.org/wiki/Seagram_Building

9

La Tour Eiffel By Gustave Eiffel http://en.wikipedia.org/wiki/Eiffel_Tower

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เน้ือหาเกี่ยวกบัเหล็กก่อสรา้ง

• บทน า

• การผลิตเหล็ก

• คุณสมบติัของเหล็ก

• เหล็กในงานก่อสรา้ง

• การเช่ือมต่อ

10

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Iron 11

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Iron

• เหล็ก (iron)

– สารเคมีท่ีพบปริมาณอนัดบั 6 ของทาง

ชา้งเผือก (รองจาก ไฮโดรเจน ฮีเลียม

ออกซิเจน ออกซิเจน คารบ์อน นีออน)

– ประกอบอยูใ่นเปลือกโลกประมาณ 5% เป็น

อนัดบัส่ีรองจาก ออกซิเจน ซิลิกอน และ

อลมูิเนียม

12

ที่มา: http://en.wikipedia.org/wiki/Iron

การผลิตเหล็ก

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นตอนการผลิตเหล็ก 14

แร่เหล็ก

(iron ore)

เหล็กดิบ

(pig iron)

เหล็กกลา้

(steel)

ผลิตภณัฑเ์หล็ก

(steel products)

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 1 – แร่เหล็ก -> เหล็กดิบ

• วตัถุดิบ – แร่เหล็ก, โคก้ (จากถ่านหิน) และ หินปนู

• เหล็กในธรรมชาติ จะอยูใ่นรปูของแร่เหล็ก ส่วนผสมของ

ออกไซด ์หรือ ซลัเฟอร ์

– เฮมาไทต ์(Fe2O

3) แม็กเนไทต ์(Fe

3O

4) หรือ ไพไรต ์(FeS

2)

• กระบวนการเผา ใหเ้กิดเหล็กดิบ (pig iron)

15

16

เฮมาไทต ์

Hematite

(Fe2O

3)

ท่ีมา วิกิพีเดีย:

http://en.wikipedia.org/wiki/Hematite

17

แม็กเนไทต ์

Magnetite

(Fe3O

4)

ท่ีมา วิกิพีเดีย - http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetite

18

ไพไรต ์

Pyrite

(FeS2)

ท่ีมา วิกิพีเดีย - http://en.wikipedia.org/wiki/Pyrite

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 1 – แร่เหล็ก -> เหล็กดิบ

• เหล็ก ออกจากแร่เหล็ก โดยการน า ออกซิเจนออก โดยไป

รวมกบั คารบ์อน เกิด กา๊ซคารบ์อนไดออกไซด ์(CO2)

• ขั้นตอนใชเ้วลา 5-8 ชัว่โมง

• เตาเผาท างานตลอดเวลา ไม่มีหยุด

19

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 1 – แร่เหล็ก -> เหล็กดิบ

• การผลิต เหล็กดิบ 1 ตนั จะใช ้

– แร่เหล็ก 1.3 ตนั +

– โคก้ 0.6 ตนั +

– หินปนู 0.4 ตนั +

– อากาศ 7.3 ตนั +

– น ้า 22 ตนั +

– ความรอ้น 27 x 106 BTU

• เหล็กดิบท่ีได ้จะไม่เหมาะในการใชง้าน เพราะมี คารบ์อนสงู

เกินไป (3.5-4%)

20

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 1 – แร่เหล็ก -> เหล็กดิบ

• ปฏิกิริยาท่ีเกิดขึ้ นภายใน

โคก้ กบั ออกซิเจน เป็น คารบ์อนมอนอกไซด ์

– 2C + O2 -> 2CO

ผสมต่อกบัแร่เหล็ก ได ้เหล็ก กบัคารบ์อนไดออกไซด์

– 2CO + Fe2O

3 -> 2Fe + 3CO

2

21

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 1 – แร่เหล็ก -> เหล็กดิบ 22

• น าเหล็กดิบมาใหค้วามรอ้นจะได ้

“เหล็กหล่อ” (cast iron)

• เหล็กหล่อ มี คารบ์อน (2-4%)

• เปราะ รบัแรงดึงไดไ้ม่ดี

• ใชใ้นงาน ท่อ และพวกฟิตติง

เหลก็ดิบ ท่ีมา: วิกิพเดีย - http://en.wikipedia.org/wiki/Pig_iron

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กหล่อ (การใชง้าน) 23

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 2 – เหล็กดิบ -> เหล็กกลา้

• เหล็กกลา้ (steel)

• อลัลอย ของเหล็ก

• มีคารบ์อนประกอบไมเ่กิน 1.5%

• เหล็กโครงสรา้งมีคารบ์อน 0.25%

24

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ประเทศท่ีผลิตเหล็กกลา้ 25

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 2 – เหล็กดิบ -> เหล็กกลา้

• วตัถุดิบหลกัปัจจุบนั น าเหล็กเกา่

มารีไซเคิล

• ในเมืองไทย จะน าเหล็กเกา่มาใช ้

• สุดทา้ยจะได ้เหล็กกลา้ ในรปูของ

เหล็กแท่ง (steel ingot)

26

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

ขั้นท่ี 3 - การรีดเหล็ก

• เหล็กแท่ง (steel

ingot) จะวิง่ผ่านลกู

รีด ใหม้ีขนาดเล็กลง

• ขนาดและรปูร่างจะ

ขึ้ นอยูก่บัลกูรีด

27

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

คลิปวดีิโอ

• ขั้นตอนการผลิตเหล็ก

• http://www.youtube.com/watch?v=9l7JqonyoKA

28

คุณสมบติัของเหล็ก

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Stress-Strain Curve

1: True elastic limit

2: Proportionality limit

3: Elastic limit

4: Offset yield strength

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Stress-Strain Curve

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Stress-Strain Curve

1. Ultimate Strength

2. Yield Strength

3. Rupture

4. Strain hardening region

5. Necking region

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

Stress-Strain Curve

• กราฟเป็นเสน้ตรงในช่วงแรก โดยสามารถหาค่า

สดัส่วนไดค้่า Modulus of Elasticity (E) ค่าทัว่ไป

คือ 200 GPa

• หลงัจากผ่านจุดคราก (yield point) เหล็กจะมีการ

ยดืออกอยา่งมาก ขณะท่ีน ้าหนักเปล่ียนนอ้ย

• จุดสุดทา้ยท่ีค่าความเครียดมากท่ีสุด เรียกวา่ ก าลงั

ประลยั (Ultimate strength)

• เกรดของเหล็ก พิจารณาจากก าลงัท่ีจุดคราก (ไม่ใช่

ก าลงัประลยั ซ่ึงต่างจากคอนกรีต)

33

เหล็กในงานก่อสรา้ง

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง

• เหล็กเสริม

– เหล็กเสน้กลม

– เหล็กขอ้ออ้ย

– ลวดเหล็กกลา้ตีเกรียว

• เหล็กรปูพรรณ

– เหล็กรีดรอ้น

– เหล็กรีดเย็น

35

Bank of China, Hong Kong ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Bank_of_China_Tower,_Hong_Kong

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง

• เหล็กเสริม (reinforcing steel) หรือ รีบาร ์(rebar)

• ผ่านกระบวนการรีดรอ้น

• มี 2 ประเภท

– เหล็กเสน้กลม (round bar)

– เหล็กขอ้ออ้ย (deformed bar) - มีขอ้ไวย้ดึเหน่ียวกบั

คอนกรีต

36

ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Rebar

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง 37

ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Rebar

ชนิด เกรด Fy (ksc) Fu (ksc) Ultimate

strain %

เหล็กเสน้กลม SR 24 2400 3900 21

เหล็กขอ้ออ้ย SD 30 3000 4900 17

SD 40 4000 5700 15

SD 50 5000 6300 13

มอก. 20 -2543, มอก. 24-2548

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง

• เหล็กเสน้กลม (round bar)

• มอก. 20-2543

• เกรด SR 24

• รหสั RB ตามดว้ยขนาด เสน้ผ่านศนูยก์ลาง

• เช่น RB6, RB9, RB10, RB12

38

ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Rebar

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง

• เหล็กขอ้ออ้ย (deformed bar)

• มอก. 24-2548

• เกรด SD 30, SD 40, SD 50

• รหสั DB ตามดว้ยขนาด เสน้ผ่านศนูยก์ลาง

• เช่น DB8, DB10, DB12, …

• ขนาดเสน้ผ่านศนูยก์ลาง ใหว้ดัโดยการชัง่น ้าหนัก

39

ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Rebar

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง

• ลวดเหล็กกลา้ตีเกรียว ส าหรบัคอนกรีตอดัแรง

• มอก. 420-2540

• ลวดมาบิดรวมกนัเป็นเสน้ จ านวนต่างๆ กนั เช่น

3 เสน้ 7 เสน้ 19 เสน้

• นิยม ลวด 7 เสน้

40

ลวดเหล็กกล้าตีเกรียว ส าหรับคอนกรีตอดัแรง ท่ีมา: http://en.wikipedia.org/wiki/Prestressed_concrete

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง - เหล็กรปูพรรณ

• เหล็กรีดรอ้น

• รปูรา่ง มกัเป็นรปูรา่งมาตรฐาน

– H-Beam (wide flange)

– I-beam

– Channel

– Angle

– Pipe

• มอก. 1227-2549 เหล็กโครงสรา้งรปูพรรณรีดรอ้น

41

ที่มา: บริษัทเหลก็สยามยามาโตะ

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง - เหล็กรปูพรรณ

• เหล็กรีดเย็น (cold-formed steel)

• ขึ้ นรปูดว้ยการรีดเหล็กแผ่น

• มอก 1228-2537: เหล็กโครงสรา้งรปูพรรณขึ้ นรปูเย็น

42

ที่มา: http://en.wikipedia.org/wiki/Roll_forming

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

เหล็กในงานก่อสรา้ง - เหล็กรปูพรรณ

• เหล็กรีดเย็น

• http://www.youtube.com/watch?v=S7M6xbsyMvs

43

การเช่ือมต่อ

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

การเช่ือมต่อ

• ริเวต (rivet) หรือ หมุด

• โบลต ์(bolt) หรือ สลกัเกลียว

• การเช่ือม

– เชื่อมอารค์

– เชื่อมแกส๊

45

ริเวต – ท่ีมา http://en.wikipedia.org/wiki/Rivet

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

การเช่ือมต่อ 46

ท่ีมา: Manop Kaewmoracharoen, 2004

Department of Civil Engineering, Chiang Mai University

อา้งอิง

• CM49, จากเสาเขม็ ถงึหลงัคา, 2554.

• มอก. 20 -2543

• มอก. 24-2548

• มอก. 420-2540

• มอก. 1227-2549 เหล็กโครงสรา้งรปูพรรณรีดรอ้น

• มอก 1228-2537 เหล็กโครงสรา้งรปูพรรณขึ้ นรปูเย็น

47