ทีละข้อนะครับ ก่อนเข้าใจเรื่องปูนกับเหล็กอันไหนดีกว่ากัน ผมขอพูดถึงเรื่อง แรงกด แรงดึง และ แรงเฉือน
แรงกดหรือแรงอัด(Compressive Force) เป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุในทิศทางตั้งฉากต่อพื้นผิวเข้าหาตัววัตถุ(อ้างอิงคำนิยามนะ) ซึ่งผลของมันจะทำให้เกิดการโก่งเดาะ(ฺBuckling)
อันนี้รูปโมเดลการโก่งเดาะของออยเลอร์
แรงดึง(Tension Force) เป็นแรงที่กระทำต่อวัตถุในทิศตั้งฉากต่อพื้นผิววิ่งออกจากวัตถุ(จากคำนิยาม) ซึ่งผลของมันจะทำให้เกิดคอคอดตรงกลางส่วนที่ขาดกับวัสดุประเภทที่มีความเหนียวและความยืดหยุ่นอย่างเหล็ก
วัสดุจะถูกดึงให้ยืดออก ขณะที่ตรงกลางของวัตถุจะเริ่มเกิดคอคอดแบบคอขวด ก่อนที่จะขาดออกจากกัน
แรงเฉือน(Shear Force) แรงที่กระทำในทิศทางขนานกับหน้าตัดและวิ่งออกจากวัตถุซึ่งจะเป็นแรงที่ทำให้วัสดุขาดออกจากกัน เวลาเราฉีกกระดาษแรงที่ต้านการฉีกกระดาษเรียกว่าแรงเฉือน
ซึ่งทั้งสามแรงนั้นจะมีสิ่งที่เรียกว่า Stress ความเค้นที่แตกต่างกันซึ่งวัตถุแต่ละชนิดก็จะมีค่าที่แตกต่างกันไป แต่วัสดุเดียวกันที่มีรูปร่างเท่ากันลักษณะเดียวกันจะมี Stress ที่เท่ากันเสมอ Stress เองก็แบ่งเป็นสามค่า Compressive Stress=ความเค้นจากแรงกด Tensile Stress=ความเค้นจากแรงดึง Shear Stress = ความเค้นจากแรงเฉือน
ซึ่งความเค้นมีสูตรเหมือนกันว่า P = Stress = F/A โดย Stress แต่ละชนิดแตกต่างกันตรงที่ว่า F(แรง) นั้นเป็นแรงอะไร A คือหน้าตัดที่วัสดุวิบัติหรือพังหรือหน้าตัดที่รับแรงประเภทนั้น
Strain ภาษาไทยเรียกว่า ค่าความเครียด มีค่าเท่ากับ dL/L โดย dL คือ ความยาววัสดุที่เปลี่ยนไป L คือความยาววัสดุเดิม ไม่มีหน่วย
แต่เมื่อไหร่เราเอา Stress หารด้วย Strain ก็จะได้ค่า Young's Modulus หรือ Elastic Modulus(E) ซึ่งเป็นค่าสมบัติเชิงกลที่แสดงคุณสมบัติของวัสดุนั้นๆ โดยวัสดุที่มีเนื้อเดียว(Homogeneous) จะมีค่า E เพียงค่าเดียวเท่านั้น มีหน่วยเป็น น้ำหนักหารด้วยพื้นที่หน้าตัดเหมือนกับ Stress
อย่างเหล็กคือ 200 Gpa อลูมิเนียม 69 Gpa Titanium 110.3 Gpa ส่วนกรณีวัสดุที่ไม่ได้เป็นเนื้อเดียวแบบโลหะค่า E จะเป็นค่านี้ถึงค่านี้(ค่าเป็นช่วง)แทน เช่น คอนกรีต
ทีนี้มาเข้าประเด็นหลักคือระหว่างคอนกรีตกับเหล็กมีข้อดีอย่างไร
คอนกรีต
ข้อดี
1.ในประเทศไทยมีราคาถูกกว่าและหาง่ายกว่า เพราะเป็นผู้ผลิตซีเมนต์รายใหญ่ของโลก
2.ความสามารถในการหล่อในที่ หรือพูดอีกในหนึ่งคือสามารถเทเข้าแบบรูปร่างยังไงก็ได้
3.รับ Compressive Stress ได้ดี(รับแรงอัดได้ดี)
4.เมื่อรับแรงมากๆ วัสดุเปลี่ยนรูปยาก (คอนกรีตถือเป็นวัสดุประเภทเซรามิค คำจำกัดความของเซรามิค คือรับแรงอัดได้ดี แต่เปราะแตกหักได้ง่าย)
5.มีความสามารถทนไฟในระดับนึง (พูดง่ายตัวมันเองถือเป็นฉนวนกันไฟ)
ข้อเสีย
1.คนที่จะใช้คอนกรีตต้องมีความรู้ในด้านการเทคอนกรีต การจี้หรือเขย่าให้ฟองอากาศออกจากตัวคอนกรีต(ถ้าไม่ทำเนื้อคอนกรีตจะพรุนเหมือนฟองน้ำเพราะฟองอากาศ)
2.ไม่สามารถรับแรงสั่นสะเทือน(Shock Resistance) เพราะเป็นวัสดุที่แข็ง แต่เปราะ จึงไม่เหมาะสร้างอาคารที่รับแรงแผ่นดินไหว
3.ความแข็งแรงแปรผกผันกับปริมาณน้ำในคอนกรีต กล่าวคือยิ่งน้ำน้อยคอนกรีตยิ่งรับแรงได้มาก แต่ก็เทได้ยากเช่นกัน
4.ไม่สามารถนำมารีไซเคิลใช้ใหม่ได้แบบเหล็ก
5.Tensile Stress ที่ต่ำ หรือพูดอีกนัยหนึ่งคือรับแรงดึงได้น้อย ซึ่งน้อยกว่ากำลังอัด 10 เท่า
6.คอนกรีตต้องใช้เวลาในการสร้างกำลังของตัวมันเองจากเริ่มต้นอ่อนแอไปสู่แข็งแรงซึ่งจำเป็นต้องใช้เวลาอย่างต่ำ 28 วัน(รับแรงได้ 95%) ถึงจะถอดแบบค้ำยันออกได้ เพราะการสร้างกำลังคอนกรีตอาศัยปฏิกิริยาไฮเดรชัน(Hydration Reaction) ซึ่งต้องอาศัยวิธีการบ่ม(Curing)
7.เวลาคอนกรีตรับกำลังเกินจะระเบิดแตกทันที ซึ่งนั่นคือความอันตราย
เหล็ก
ข้อดี
1.ติดตั้งง่าย และกำลังของมันไม่ต้องรอให้เพิ่มสู่จุดสูงสุดเหมือนคอนกรีต
2.มีความสามารถรับแรงดึง(Tensile Stress)ที่สูงมาก แถมเมื่อเลยจุดครากไปแล้ว วัสดุจะไม่ได้วิบัติทันทีเหมือนคอนกรีต แต่จะค่อยๆยืดออกและขาดออกจากกันในภายหลัง
3.สามารถตัดหรือเชื่อมต่อกันได้ง่าย
4.ทำให้โครงสร้างมีความยืดหยุ่น เพราะ เหล็กมีค่า Strain สูงมาก ซึ่งเหมาะแก่การรับแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว
5.สามารถนำมารีไซเคิลด้วยการหลอมใหม่และนำกลับมาใช้ใหม่
ข้อเสีย
1.เวลารับแรงอัดมากๆ(Compressive Force) จะเกิดการโก่งเดาะ(ฺฺBuckling)
2.มีราคาแพงเฉพาะเมืองไทย เพราะประเทศไทยไม่มีเหมือง และ โรงถลุงเหล็กต้นน้ำ
3.เวลาโดนความร้อนมากๆ ความแข็งแรงจะลดลงอย่างรวดเร็วและอาจจะงอผิดรูปได้ กล่าวคือไม่ทนไฟ
4.เป็นสนิมได้ถ้าโดนความชื้นกับอากาศมากๆ
ดังนั้นเพราะทั้งสองวัสดุมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกัน วิศวกรในสมัยก่อนจึงจับมารวมกับกลายเป็นวัสดุผสมเรียกว่า คอนกรีตเสริมเหล็ก(Reinforced Concrete)
