บล็อก

ASTM F3125: มาตรฐานรวมสำหรับสลักเกลียวความแข็งแรงสูงในการใช้งานเชิงโครงสร้าง

เหตุใด F3125 จึงแทนที่ A325 และ A490 — การควบรวม การทำให้ชัดเจน และตรรกะการจัดระดับเกรดย่อย

มาตรฐาน ASTM F3125 เข้ามาแทนที่ข้อกำหนดเก่าๆ เช่น A325 และ A490 เนื่องจากข้อกำหนดเดิมเหล่านี้ก่อให้เกิดปัญหามานานหลายปีในเรื่องข้อกำหนด เทคนิคการทดสอบ และวิธีการนำไปใช้งานจริง ภายใต้มาตรฐาน F3125 นี้ สิ่งที่เคยเป็นมาตรฐานแยกต่างหากจะถูกรวมเข้าไว้ภายใต้การจัดเกรดต่างๆ ซึ่งช่วยให้การจัดซื้อวัสดุ การตรวจสอบหน้างาน และการรับรองว่าการออกแบบสอดคล้องตามข้อกำหนดทั้งหมดทำได้ง่ายขึ้น อีกทั้งการปรับมาตรฐานสลักเกลียวของสหรัฐฯ ให้สอดคล้องกับมาตรฐานสากลอย่าง ISO 898-1 ยังช่วยให้ผู้ผลิตสามารถทำงานร่วมกันข้ามพรมแดนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น สิ่งที่สำคัญที่สุดคือ F3125 ได้สร้างหมวดหมู่ย่อยที่ชัดเจน เช่น F3125/A325 ชนิด 1 หรือ ชนิด 3 ซึ่งการแบ่งประเภทเหล่านี้ระบุอย่างชัดแจ้งถึงชนิดของวัสดุที่ใช้ วิธีการแปรรูปในกระบวนการผลิต และบริเวณที่ควรใช้ในโครงการก่อสร้างจริง ช่วยลดความผิดพลาดในการติดตั้งสลักเกลียวในโครงสร้างสำคัญต่างๆ ตั้งแต่อาคารสำนักงาน สนามกีฬา ไปจนถึงสะพานขนาดใหญ่

เกณฑ์ความต้านทานแรงดึงและความต้านทานแรงคราก: 120/105 ksi (เกรด A325) เทียบกับ 150/130 ksi (เกรด A490)

เมื่อพูดถึงการเลือกสกรูโครงสร้าง ความต้านทานแรงดึงและแรงครากยังคงเป็นปัจจัยหลักที่วิศวกรพิจารณา สกรูเกรด A325 มีความต้านทานแรงดึงต่ำสุดประมาณ 120 ksi และความต้านทานแรงครากที่ประมาณ 105 ksi ข้อกำหนดเหล่านี้เพียงพอสำหรับโครงสร้างอาคารทั่วทั่ว เช่น โครงถักหลังคาและโครงอาคารทั่วทั่ว โดยเฉพาะในกรณีที่ต้องการความเหนียวที่ดีและสามารถทนต่อความเครียดที่เกิดซ้ำเป็นเวลานาน การเลือกสกรูเกรด A490 ซึ่งสูงขึ้น จะให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างชัดเจน โดยมีความต้านทานแรงดึงที่ 150 ksi และความต้านทานแรงครากที่ 130 ksi เนื่องจากความสามารถที่เพิ่มขึ้น ทำให้สกรูประเภทนี้จำเป็นใช้ในสถานการณ์ที่มีน้ำหนักบรรทุกหนักเป็นพิเศษ เช่น สะพานที่มีช่วงยาว ระบบยึดเพื่อต้านแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว และโครงสร้างอุตสาหกรรมหนักต่างๆ ที่ไม่อนุญาณให้เกิดความล้มเหละ

ข้อกำหนดคุณสมบัติทางกลที่ใช้กำหนดน็อตความแข็งแรงสูง

ความต้านทานแรงดึง อัตราส่วนแรงยึดเหนี่ยว ความแข็ง และการยืดตัวของคอร่วมกันอย่างไรเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของโครงสร้าง

เพื่อให้สกรูความแข็งแรงสูงสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้ทุกสภาพความเครียด สกรูเหล่านี้จำเป็นต้องผ่านเกณฑ์ทางกลศาสตร์หลัก 4 ประการ ก่อนอื่นคือความต้านทานแรงดึง (tensile strength) ซึ่งควรอยู่ระหว่าง 120 ถึง 150 ksi เพื่อป้องกันการแตกหักแบบเปราะที่ไม่พึงประสงค์ รองลงมาคืออัตราส่วนแรงคราก (yield ratio) หรือพูดง่ายๆ คือความสามารถของสกรูในการยืดหยุ่นก่อนจะหัก ตามมาตรฐาน ASTM F3125 อัตราส่วนนี้ไม่ควรเกิน 0.92 เหตุผลสำคัญคือสิ่งนี้ช่วยให้สกรูมีการยืดตัวพอเหมาะก่อนจะล้มเหลว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่ออาคารสั่นสะเทือนในช่วงแผ่นดินไหว ต่อมาคือระดับความแข็งซึ่งสำหรับเกรดส่วนใหญ่อยู่ที่ประมาณ 32 ถึง 39 HRC การควบคุมค่านี้ให้เหมาะสมจะทำให้สกรูมีผิวนอกที่ทนทานแต่ยังคงความยืดหยุ่นภายใน หากสกรูมีความแข็งมากเกินไป จะเสี่ยงต่อปัญหาการเปราะตัวจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement) แต่หากอ่อนเกินไป เกลียวสกรูก็จะสึกหรอเร็วกว่าที่ควรจะเป็น สุดท้ายคือเปอร์เซ็นต์การยืดตัวบริเวณคอสกรู (neck elongation) สำหรับสกรู A325 ต้องการอย่างน้อย 14% และ A490 ต้องการขั้นต่ำ 10% ตัวเลขเหล่านี้บ่งบอกว่าสกรูสามารถยืดตัวได้อย่างสม่ำเสมอตลอดความยาวและทนต่อแรงบิดได้โดยไม่หักเฉียบพลันเมื่อมีการหมุนหรือการกระจายแรงใหม่ที่ข้อต่อ

เมื่อใดควรใช้ ASTM A449 แทน F3125 — ข้อยกเว้นด้านเส้นผ่านศูนย์กลาง ความยาวเกลียว และการประยุกต์ใช้งาน

ASTM A449 ยังใช้ได้ดีสําหรับงานที่ไม่เกี่ยวกับโครงสร้าง หรือกรณีพิเศษที่ F3125 ไม่ครอบคลุมสิ่งของ ซึ่งรวมถึงโบลท์ขนาดใหญ่กว่า 1.5 นิ้ว หรือต้องการเส้นยาวกว่าที่ F3125 ระบุสําหรับโบลท์ 6 นิ้วหรือเล็กกว่า (ที่ปฏิบัติตามสูตร 2D บวกสี่เหลี่ยม) มาตรฐานนี้ยังครอบคลุมรูปทรงที่ไม่ธรรมดาบางรูปที่เกิดขึ้นในสถานการณ์การทํางานจริง คิดถึงไม้ที่ติดเชื้อเต็มๆ บอลท์บอนด์ หรือบอลท์แอนเกอร์ที่มีหัวถูกกลั่นไว้ในปลายหนึ่ง โบลท์แบบนี้จะปรากฏตลอดเวลา ในรากฐาน และเมื่อติดตั้งเครื่องจักรหนัก A449 ยอมให้ความแข็งสูงถึง 35 HRC โดยไม่ต้องทดสอบการกระแทก แต่มันต่ํากว่า F3125 ในหลายวิธีสําคัญ ไม่มีการติดตามจํานวนมาก ไม่ต้องทดสอบความเหนียวเพิ่มเติม และไม่มีการรับรองโรงงานที่จําเป็นสําหรับการใช้งานโครงสร้าง เนื่องจากความแตกต่างเหล่านี้ วิศวกรจะไม่ระบุ A449 สําหรับการเชื่อมต่อเหล็กโครงสร้างใด ๆ ที่ครอบคลุมโดย AISC 360 หรือ RCSC รายละเอียด แต่ในส่วนของโครงการเหล่านั้น มันต้องมีความเป็นไปตาม F3125 อย่างเต็มที่

ส่วนประกอบเสริม: น็อต, แหวนรอง, และระบบยึดสำหรับชุดสลักเกลียวความแข็งแรงสูง

น็อต ASTM A563 และ A194: การจับคู่ความแข็งแรง, การทดสอบแรงดึงพิสูจน์, และการป้องกันการล้มเหลวของน็อต

การเลือกน็อตที่เหมาะสมไม่ใช่แค่เรื่องเสริม — แต่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาความแข็งแรงและความมั่นคงของข้อต่อ ซึ่งมีสองมาตรฐานหลักที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ ASTM A563 ที่ครอบคลุมน็อตเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมทั่วไป ที่ใช้คู่กับสลักเกลียวโครงสร้าง และอีกมาตรฐานหนึ่งคือ ASTM A194 ที่ครอบคลุมน็อตความแข็งแรงสูงชนิดพิเศษ สำหรับใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ร้อน เช่น เกรด 2H, 4 และ 7 ที่ออกแบบมาให้ใช้คู่กับสลักเกลียว A490 ในสภาวะที่ท้าทายเป็นพิเศษ มาตรฐานเหล่านี้ทั้งหมดสรุปได้เป็นแนวคิดพื้นฐานเดียวกัน คือน็อตจะต้องมีความแข็งแรงอย่างน้อยเท่ากับสลักเกลียวที่จับคู่ด้วย ตัวอย่างเช่น น็อตเกรด DH ตามมาตรฐาน A563 ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อไม่ให้เกิดการฉีกขาดเมื่อขันแน่นกับสลักเกลียว A490 ที่มีความทนทานสูง นอกจากนี้ น็อตทุกล็อตจะต้องผ่านการทดสอบแรงดึงเพื่อยืนยันความแข็งแรง โดยต้องสามารถรองรับแรงได้ถึง 120% ของค่าที่กำหนดไว้โดยไม่มีอาการเปลี่ยนรูปหรือเสียรูป ซึ่งช่วยตรวจสอบความมั่นคงภายใต้แรงกดและยืนยันว่าเกลียวสามารถยึดเกาะกันได้อย่างมั่นคง การใช้น็อตที่ไม่ตรงกันหรือไม่เป็นไปตามข้อกำหนด จะนำไปสู่ปัญหาต่าง ๆ เช่น การเกิดรอยแตกจากแรงเครียด สลักเกลียวคลายตัวจากแรงสั่นสะเทือน และข้อต่อสูญเสียแรงยึดแน่นตามกาลเวลา การเพิ่มแผ่นรองเรียบที่ผ่านการอบแข็งตามมาตรฐาน ASTM F436 จะช่วยกระจายแรงยึดเหนี่ยวให้สม่ำเสมอมากขึ้นบนพื้นผิว ขณะที่แผ่นรองเอียงหรือแผ่นรองทรงกลมก็มีประโยชน์อย่างมากในการชดเชยพื้นผิวที่ไม่เรียบสนิท เช่น บนฐานแผ่นหรือปีกคาน สำหรับข้อต่อแล้ว การทำเกลียวแบบม้วน (rolled threads) ได้กลายเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานสำหรับสลักเกลียว F3125 เพราะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าภายใต้แรงกระทำซ้ำ ๆ และรักษารูปร่างได้อย่างสม่ำเสมอตลอดอายุการใช้งาน เมื่อเทียบกับการตัดเกลียว (cut threads)

การปฏิบัติตามข้อกำหนดเฉพาะด้านการใช้งาน: สะพาน กรอบเหล็ก และสกรูความแข็งแรงสูงที่ทนต่อการกัดกร่อน

สแตนเลสประเภท 3 เปรียบเทียบกับชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน: การเลือกสกรูความแข็งแรงสูงที่ทนต่อการกัดกร่อนตามสภาพแวดล้อม

วิศวกรจำเป็นต้องวางแผนเพื่อป้องกันการกัดกร่อน แทนที่จะหวังว่ามันจะเกิดขึ้นโดยบังเอิญ น็อตสแตนเลสสตีลชนิด 3 (ASTM A320 Grade L7) ซึ่งเดิมถูกออกแบบมาสำหรับการใช้งานในสภาพอากาศหนาว ได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากสามารถทนต่อการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) และการกัดกร่อนในรอยแยก (crevice corrosion) ได้ดีในสภาวะที่รุนแรง เช่น การสัมผัสกับน้ำทะเล พื้นที่ที่ใช้ในกระบวนการทางเคมี หรือพื้นที่ที่มีการใช้เกลือโรยถนน น็อตเหล่านี้จะสร้างชั้นออกไซด์ป้องกันขึ้นเองตามธรรมชาติ จึงไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษาระยะยาว และสามารถใช้งานได้นานหลายปีแม้ในสภาพแวดล้อมที่ยากลำบาก ทำให้มีความคุ้มค่ากับราคาที่สูงกว่าเมื่อนำไปใช้ในการก่อสร้างโครงสร้างสำคัญ เช่น แท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่ง สะพานชายฝั่ง หรือโรงงานบำบัดน้ำเสีย ในทางกลับกัน น็อตชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (ASTM F2329) ได้รับการป้องกันจากการเคลือบสังกะสีหลังกระบวนการผลิต ซึ่งทำงานได้ดีในเขตเมือง โรงงาน หรือพื้นที่ชนบทที่ไม่มีปริมาณเกลือในอากาศมากนัก อย่างไรก็ตาม ต้องระวังปัญหาที่อาจเกิดขึ้นเมื่อน็อตเหล่านี้อยู่ในน้ำเค็มตลอดเวลา หรือในดินที่มีความเป็นกรด ชั้นเคลือบอาจสึกหรอได้อย่างรวดเร็ว และบางครั้งอาจลอกล่อนระหว่างการติดตั้งหากชั้นเคลือบหนาเกินข้อกำหนด สำหรับโครงสร้างเหล็กในพื้นที่ที่สามารถตรวจสอบได้เป็นประจำและสามารถขันน็อตใหม่ได้ น็อตชุบสังกะสีจึงให้คุ้มค่ากับเงินที่จ่ายไป เมื่อเผชิญกับความเสี่ยงจากการกัดกร่อนที่รุนแรง หรือสถานการณ์ที่ไม่แน่ใจว่าจะเกิดอะไรขึ้น ผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากจึงหันไปใช้สแตนเลสแบบดูเพลกซ์ (duplex stainless steels) เช่น ASTM A193 Grade B8M Class 2 หรือชั้นเคลือบพิเศษที่เป็นไปตามมาตรฐาน ASTM F1160 สำหรับข้อต่อสำคัญในโครงสร้าง