UTM คืออะไร ?
UTM หรือ Universal Testing Machine เป็นเครื่องทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ที่สามารถทดสอบทั้งแรงดึง แรงอัด แรงดัด ของวัสดุ ว่าสามารถรับกำลังได้ตามที่ออกแบบ หรือเป็นวัสดุที่ได้มาตรฐานและใช้ก่อสร้างจริงได้โดยที่สิ่งปลูกสร้างจะไม่พังทลายหรือไม่ โดยจะเป็นการทดสอบวัสดุแบบทำลาย ไม่สามารถใช้งานต่อได้ จึงต้องเผื่อจำนวนวัสดุให้เพียงพอนะ!
UTM สามารถทดสอบคุณสมบัติของวัสดุได้หลากหลายประเภท เช่น ยาง พลาสติก อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือกระดาษ เป็นต้น [1] แต่ในบทความนี้จะเน้นไปที่วัสดุก่อสร้างอย่าง เหล็กเส้นและคอนกรีตเป็นหลัก โดยปกติแล้ว คอนกรีตจะมีจุดเด่นในการรับแรงอัด แต่มีจุดด้อยในการรับแรงดึงและโมเมนต์ดัด ผู้ออกแบบจึงได้ใช้เหล็กเส้นมาเสริมจุดอ่อนนี้ของคอนกรีต รวมร่างกันเป็นคอนกรีตเสริมเหล็ก (Reinforced Concrete) สุดยอด Combination แห่งวงการก่อสร้าง!
ดึงเหล็กให้ขาด!
ด้วยความครอบจักรวาล UTM นั้นสามารถเปลี่ยนหัวเพื่อรองรับการทดสอบคุณสมบัติของเหล็กเส้นได้ด้วยการเปลี่ยนหัวจับวัสดุ (ตำแหน่ง A ทั้งบนล่าง) จากนั้นก็ใส่เหล็กทดสอบของเราเข้าไป เมื่อตรวจสอบจนมั่นใจแล้วว่าเหล็กเส้นถูกยึดอย่างแน่นหนาและจะไม่หลุดออกจากหัวจับ ผู้ทดสอบจึงค่อยย้ายตัวไปที่หน้าจอ Monitor และเริ่มทดสอบแรงดึง (Tension Test) หัวจับ A ด้านบนจะค่อย ๆ เพิ่มแรงเพื่อดึงวัสดุขึ้นด้วยระบบไฮดรอลิก (Hydraulic) ก่อนจะ ปั้ง!! เหล็กเส้นขาดออกจากกันพร้อมเสียงดังสนั่นน่าสะดุ้ง ดังภาพที่ 1
โดยแรงที่เพิ่มขึ้นและการยืดตัวของเหล็กเส้นอย่างช้า ๆ จะถูกบันทึกเป็นกราฟโดยอัตโนมัติดังภาพที่ 2 (ก่อนจะเริ่มอ่านกราฟกัน ขอเชิญท่านผู้อ่านทบทวนความเค้นและความเครียดของวัสดุที่บทความ “ทำไม strain ถึงเป็น เครียด ส่วน stress เป็นเค้นล่ะ?” กันก่อนได้นะ)
เมื่อใส่แรงกระทำแก่เหล็กเส้นน้อยกลอยใจไปเรื่อย ๆ จนเกินจุด Yield Strenght (จุดคราก) เหล็กของเราก็จะอยู่ในสภาวะที่ไม่สามารถกลับไปมีรูปร่างเหมือนเดิมได้แล้ว และเมื่อเพิ่มแรงมากขึ้นไปอีก วัสดุจะเข้าสู่ช่วง Strain Hardening (ความเครียดแข็งตัว) หรือการทำให้มีความแข็งมากขึ้นด้วยความเครียด ซึ่งบางอุตสาหกรรมจะใช้การเพิ่มความแข็งของวัสดุจนถึงช่วง Strain Hardening และนำไปใช้ประโยชน์ได้
และสุดท้ายเมื่อเพิ่มแรงมากขึ้นไปอีก เหล็กเส้นจะยืดตัวกลายเป็นคอคอด (Necking) ดังภาพที่ 3
ซึ่งเหล็กที่อยู่ในช่วงนี้จะไม่สามารถใช้ประโยชน์ใด ๆ ได้แล้ว ก่อนที่เหล็กจะขาดออกจากกัน ที่จุด Fracture ในที่สุด
สำหรับการทดสอบเหล็กเส้นนั้น เป็นการตรวจสอบว่าเหล็กเส้นที่ออกมาจากโรงเหล็กนั้น ๆ เป็นเหล็กที่มีคุณภาพ ได้มาตรฐานที่ระบุไว้ของเหล็กเส้นกลมและข้ออ้อย โดยดูได้จากชั้นคุณภาพที่ถูกตีตราไว้บนเหล็กเส้นชนิดนั้น ๆ ดังรูปที่ 4
โดย SD จะเป็นชั้นคุณภาพของเหล็กข้ออ้อย (Deformed Bar) อันหมายถึง [2]
- SD 30 = Yield Strength ของเหล็ก 3,000 kg/cm2
- SD 40 = Yield Strength ของเหล็ก 4,000 kg/cm2
- SD 50 = Yield Strength ของเหล็ก 5,000 kg/cm2
สมมติว่าเราต้องทดสอบเหล็กข้ออ้อย ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 25 มม. (DB25) มีชั้นคุณภาพ SD40 นั่นแปลว่าเมื่อทดสอบแรงดึงของเหล็กเส้นนี้ด้วย UTM แล้ว Yield Strength ของมันจะอยู่ที่ประมาณ 4,000 kg/cm2 นั่นเอง
กดคอนกรีตให้แตก!
ในการทดสอบแรงอัด (Compression Test) ของคอนกรีตก็แสนง่ายดาย หลังจากหล่อคอนกรีตตัวอย่างด้วยแบบหล่อรูปทรงกระบอกหรือทรงลูกบาศก์แล้ว (อ่านความแตกต่างของแบบหล่อที่บทความ “แบบหล่อคอนกรีต มีแบบไหนบ้าง?”) จากนั้นก็เปลี่ยนหัวจับให้เหมาะสมดังภาพที่ 5 – 6 หลังจากตรวจสอบความปลอดภัยแล้ว ก็ใส่แรงจนคอนกรีตเสียหาย (Collapse) แตก แหลกเป็นเม็ดทราย นับประสาอะไรกับหัวใจ (ไม่ใช่!)
จากนั้น UTM จะบันทึกแรงอัดที่ทำให้คอนกรีตเสียหาย หรือแรงอัดประลัย (Ultimate Strength ; Fc’) โดยทดสอบอย่างน้อย 3 ตัวอย่าง เพื่อหาค่าเฉลี่ย (Average) และนำไปตรวจสอบว่าตรงกับค่า Fc’ ที่ออกแบบไว้หรือไม่
ใครต้องใช้ UTM ทดสอบวัสดุบ้าง? และจะทดสอบได้ที่ไหน?
นอกจากนักเรียน นิสิต นักศึกษาสาขาที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมโยธา หรือวัสดุแล้วนั้น เหล่าวิศวกรผู้ควบคุมงานก่อสร้างทั้งหลายก็ต้องใช้งานเช่นกัน โดยเพื่อตรวจสอบว่าวัสดุที่ได้รับมาจาก Supplier นั้น เป็นไปตามมาตรฐานที่ออกแบบไว้
โดยสามารถขอรับการทดสอบวัสดุได้ที่ศูนย์ทดสอบของสถาบันหรือมหาวิทยาลัยต่าง ๆ เช่น
- ศูนย์บริการวิเคราะห์ทดสอบ สวทช. สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ
- ศูนย์เครื่องมือวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
- ศูนย์นวัตกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
- ศูนย์ทดสอบและรับรอง สถาบันพลาสติก
- สถาบันเหล็กและเหล็กกล้าแห่งประเทศไทย เป็นต้น
หรือผู้อ่านที่ต้องใช้งานเหล็กเส้นอยู่เป็นประจำและกำลังสนใจอยากได้เครื่อง UTM ไว้ในครอบครอง CST ก็มีขายด้วยนะเออ! เครื่อง UTM สำหรับทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ที่มีขนาดกำลังน่ารักไว้สำหรับทดสอบเหล็กเส้น
Summary
UTM นั้นเป็นเครื่องมือที่ช่วยทดสอบคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุชนิดต่าง ๆ เพื่อให้มั่นใจอีกครั้งว่าวัสดุที่ใช้งาน โดยเฉพาะในงานก่อสร้างนั้น จะไม่ทำให้อาคารหรือสิ่งปลูกสร้างเกิดความเสียหาย