ลักษณะของระบบพุก

ในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงและอยู่ภายใต้แรงดึง

1.1 กลไกการถ่ายเทแรงของพุก

ตัวยึดจะมีการถ่ายเทแรงกระทำไปยังวัสดุฐานในรูปแบบต่างๆ (รูปที่ 1) กลไกการถ่ายเทแรงมักจะแบ่งออกเป็นการยึดติดทางกล ความเสียดทาน หรือการยึดติดทางเคมี

การยึดติดทางกลประกอบด้วยการถ่ายเทแรงผ่านทางการยึดติดเพื่อรับแรงระหว่างตัวยึดกับวัสดุฐาน การยึดติดทางกลเป็นกลไกการถ่ายเทแรงที่พบได้ในพุกแบบมีหัว พุกเกลียว (เช่น Hilti HUS) และพุกปลายตัด (เช่น Hilti HDA)

ความเสียดทานเป็นกลไกการถ่ายเทแรงที่พบได้ในพุกขยาย (เช่น Hilti HSL, Hilti HSA และ Hilti HST) โดยในระหว่างการติดตั้ง จะเกิดแรงจากการขยายตัว ส่งผลให้เกิดแรงเสียดทานระหว่างตัวพุกกับผนังรูเจาะ แรงเสียดทานนี้จะสมดุลกับแรงดึงภายนอก

ในกรณีของการยึดติดทางเคมี แรงดึงจะถูกถ่ายเทไปยังวัสดุฐานผ่านทางพันธะการยึดติด นั่นคือ การยึดติดของน้ำยายึดเหนี่ยวและการขบของพื้นผิวในระดับจุลภาค (Micro-Keying) การยึดติดทางเคมีเป็นกลไกการถ่ายเทแรงที่พบได้ในพุกเคมี เช่น HIT-HY-200, HVZ

1.2 คอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง

 ในการออกแบบส่วนประกอบรับแรงดัดหรือรับแรงดึงของคอนกรีตเสริมเหล็กนั้น จะมีการคำนวณจากบริเวณรับแรงดึงที่มีการแตกร้าวเนื่องจากคอนกรีตนั้นมีความต้านทานแรงดึงค่อนข้างต่ำ ซึ่งอาจมีการใช้ทั้งหมดหรือบางส่วนโดยความเค้นดึงภายในหรือความเค้นดึงรั้ง ซึ่งไม่ได้นำมาพิจารณาในการออกแบบ [1] (รูปที่ 4) ข้อมูลจากการใช้งานที่ผ่านมานั้นแสดงให้เห็นว่า ความกว้างของรอยแตกร้าวที่เป็นผลมาจากแรงกึ่งถาวรเป็นหลัก (น้ำหนักบรรทุกคงที่บวกกับน้ำหนักบรรทุกจรบางส่วน) จะมีค่าไม่เกิน w95% ~0.3 มม. ถึง 0.4 มม. [2, 3, 4] (รูปที่ 2) ความกว้างของรอยแตกร้าวดังกล่าวมักจะถือว่าอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ รอยแตกร้าวที่กว้างกว่านั้นอาจเกิดขึ้นได้เช่นกันภายใต้น้ำหนักบรรทุกสูงสุดที่ยอมรับได้ ซึ่งตาม [3] จะเท่ากับ w95% ~0.5 มม. ถึง 0.6 มม. กรุณาดูรูปที่ 3 [2, 3, 4]         

 

เราจะสังเกตเห็นได้ว่า เมื่อเกิดรอยแตกร้าวขึ้นในชิ้นส่วนคอนกรีต จะมีโอกาสค่อนข้างสูงที่รอยแตกดังกล่าวจะลามไปยังตำแหน่งของพุกโดยตรงหรือขนานกับแนวสัมผัส [1] ซึ่งเป็นผลมาจากการที่บริเวณโดยรอบพุกนั้นมีความเค้นดึงสูงกว่า เนื่องจาก: (ก) ความเค้นในแนวเส้นรอบวงที่เป็นผลมาจากการอัดแรงและการรับแรงของพุก (ข) ความเค้นดัดเฉพาะที่ ซึ่งอาจเกิดขึ้นโดยเป็นผลเนื่องมาจากแรงรวมศูนย์ที่เกิดจากพุก และ (ค) ความเค้นรวมศูนย์ที่มีสาเหตุมาจากรูใส่พุก (Notch Effect) กรุณาดูรูปที่ 5 การกระจายความเค้นโดยรอบพุก ซึ่งเป็นผลเนื่องมาจากความเค้นในแนวเส้นรอบวงจากการอัดแรงและการรับแรง และความเค้นรวมศูนย์ที่เกิดจากความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิว (Notch Effect) 

รูปที่ 6 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบจากการแตกร้าว ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการยึดของสตัดแบบมีหัว โดยใช้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างการกระจัดกับภาระงานจาก [1] ในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัดและคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง ให้สังเกตว่าลักษณะดังกล่าวนั้นคล้ายกับพุกปลายตัด Hilti HDA ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานกับคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง การสูญเสียประสิทธิภาพของพุกสามารถสังเกตได้จากคอนกรีตที่มีการแตกออกเป็นทรงกรวย ซึ่งสามารถพบได้ในทั้งคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงและคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด โดยทั่วไปแล้ว สำหรับรอยแตกร้าวที่มีความกว้าง Dw= 0.3 มม. แรงที่ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพของสตัดแบบมีหัวและพุกปลายตัด Hilti HDA จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.5 มม. ถึง 1.0 มม. (เฉลี่ย 0.75) เท่าของค่าในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด ซึ่งเป็นเพราะทั้งสตัดแบบมีหัวและพุกปลายตัด Hilti HDA มีการถ่ายเทแรงดึงไปยังคอนกรีต โดยใช้การยึดติดทางกล (จากส่วนเว้า) 

ดังนั้น การที่แรงที่ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพมีค่าลดลงนั้นจึงต้องเป็นผลมาจากการขวางสนามความเค้นที่เกิดจากรอยแตกร้าว (รูปที่ 7) [1] สำหรับคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด พุกปลายตัด Hilti HDA ที่อยู่ภายใต้แรงดึงจะก่อให้เกิดความเค้นสมมาตรในแนวหมุนโดยรอบพุกตามที่แสดงในรูปที่ 7 (สตัดแบบมีหัว) 

ในกรณีที่พุกอยู่ในรอยแตกร้าวที่มีความกว้างเพียงพอ จะทำให้ไม่สามารถถ่ายเทความเค้นดึงข้ามระนาบของรอยแตกร้าวได้และจะไม่มีการกระจายความเค้นในแนวหมุน (การขวางสนามความเค้นแนวหมุน) ส่งผลให้แรงที่ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพแบบแตกร้าวเป็นทรงกรวยมีค่าลดลงสูงสุดถึง 25%

รูปที่ 8a แสดงกราฟความสัมพันธ์ระหว่างการกระจัดกับภาระงานสำหรับการทดสอบในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัดและคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง ซึ่งเกี่ยวข้องกับพุกขยายตัวแบบควบคุมแรงบิด (เช่น Hilti HSL, Hilti HST) ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง การสูญเสียประสิทธิภาพของพุกสามารถสังเกตได้จากคอนกรีตที่มีการแตกออกเป็นทรงกรวย ซึ่งสามารถพบได้ในทั้งคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงและคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด

ผลกระทบของรอยแตกร้าวที่มีต่อลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างภาระงานกับการกระจัดและภาระงานสูงสุดจะคล้ายกับที่สังเกตเห็นได้จากสตัดแบบมีหัว พุกขยายแบบตัวควบคุมแรงบิดที่ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง (Hilti HSA) อาจมีการลื่นอย่างควบคุมไม่ได้ เมื่อได้รับแรงดึงภายในรอยแตกร้าว เนื่องจากพุกดังกล่าวอาจไม่มีการขยายตัวเพิ่มเติม (ซึ่งจำเป็นสำหรับการเพิ่มแรงยึดภายในรอยแตกร้าว) หรือมีการขยายตัวเพิ่มหลังจากมีการกระจัดในระดับหนึ่งแล้วเท่านั้น (รูปที่ 8b) [1]

 

โดยหลักการแล้ว พุกเคมีจะมีการสูญเสียประสิทธิภาพเหมือนกันกับพุกขยายและพุกปลายตัด อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพ (ความแข็งแรงของการยึดติด) ของพุกเคมีนั้นจะขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีและการทำความสะอาดรู ลักษณะของรูเจาะ (แห้ง หรือเปียกและมีน้ำ) กระบวนการเจาะ (เจาะกระแทกหรือเจาะด้วยดอกเจาะคว้านเพชร) อุณหภูมิ และปัจจัยอื่นๆ เป็นหลัก กรุณาดูที่ [6]

การทดสอบใน [6] ที่ทำโดยใช้ Hilti HIT-RE 500-SD แสดงให้เห็นว่า ถ้าความแข็งแรงของการยึดติดของพุกเคมีนั้นสูงพอ แต่ยังเกิดความเสียหายโดยที่คอนกรีตแตกออกเป็นทรงกรวย ผลกระทบของรอยแตกร้าวที่มีต่อแรงที่ทำให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพนั้นจะเทียบได้กับผลกระทบของรอยแตกร้าวที่มีต่อลักษณะความสัมพันธ์ระหว่างภาระงานกับการกระจัดของพุกขยายและพุกปลายตัด โดยจะมีการลดค่าลง ~25%

รูปที่ 9 แสดงอัตราส่วนของแรงดึงที่ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพสำหรับพุกเคมีที่ทำการทดสอบในรอยแตกร้าวต่อค่าความสามารถการรับกำลังเฉลี่ยในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด โดยเป็นการแสดงกราฟเทียบกับความกว้างของรอยแตกร้าว [1] การทดสอบนี้ทำโดยใช้ทั้งพุกแบบแคปซูลและการฉีด รวมถึงพุกเคมีชนิดต่างๆ โดยมีการติดตั้งพุกในรอยร้าวที่มีการขยายออกเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ความกว้างตามที่กำหนด จากนั้น จึงจ่ายแรงที่พุกจนกระทั่งสูญเสียประสิทธิภาพ โดยรอยแตกร้าวมีการแยกออก พร้อมทั้งเกิดความเสียหายจากการที่พุกถึงดึงหลุดออก

ความเสียหายเนื่องจากพุกถูกดึงหลุดออกมักจะเป็นผลมาจากการสูญเสียแรงยึดติดระหว่างพุกเคมีกับรูเจาะ แต่ในบางระบบ ความเสียหายดังกล่าวอาจเป็นผลมาจากการสูญเสียแรงยึดติดระหว่างพุกเคมีกับแท่งเกลียว ผลการทดสอบในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงมีการกระจายตัวค่อนข้างกว้าง เนื่องจากมีการใช้พุกเคมีทุกชนิด และไม่มีการแยกระหว่างคุณสมบัติของพุกเคมีแต่ละชนิด ถ้านำผลทั้งหมดมาพิจารณาร่วมกัน จะสามารถคำนวณได้ว่า ความสามารถในการรับแรงของพุกในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงที่มีความกว้างของรอยแตกร้าว w= 0.3 มม. ถึง 0.4 มม. จะอยู่ที่ประมาณ 25% ถึง 80% ของค่าที่ได้จากการใช้งานในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด อัตราส่วนโดยเฉลี่ยจะอยู่ที่ประมาณ 50%

ในทางกลับกัน การทดสอบใน [6] ในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึงโดยใช้ Hilti HIT-RE 500-SD ตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ข้างต้น แสดงให้เห็นว่าค่านั้นลดลงเพียง 25% เทียบกับค่าที่ได้จากคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด ทั้งนี้ เนื่องจากพุกเคมีมีประสิทธิภาพการแทรกซึมสูงกว่าอย่างเห็นได้ชัดและมีความแข็งแรงสูง เมื่อเทียบกับระบบตามที่แสดงในรูปที่ 9 ให้สังเกตว่า ค่าที่ลดลงนั้นใกล้เคียงกับลักษณะของพุกปลายตัดและพุกขยาย การลดลงของความสามารถในการรับแรงดึงที่รอยแตกร้าวของพุกเคมีในกรณีของการทดสอบจนถึงความเสียหายจากการที่พุกถูกดึงหลุดออก สามารถอธิบายได้ดังนี้ เนื่องจากพุกเคมีมีความต้านทานแรงดึงสูง การขยายตัวของรอยแตกร้าวหลังจากติดตั้งพุกจึงส่งผลให้รอยแตกร้าวโดยรอบพุกมีการเปลี่ยนทิศทางไปตามรอยต่อระหว่างพุกเคมีกับคอนกรีต ดังนั้น จึงส่งผลให้สูญเสียแรงยึดติดที่ด้านหนึ่งของพุก

ถ้าแนวของการแตกร้าวตามที่แสดงในรูปที่ 10 เกิดขึ้นตลอดความลึกของการฝัง ความแข็งแรงของการยึดติดในทางทฤษฎีจะอยู่ที่ 50% ของความแข็งแรงของการยึดติดในคอนกรีตบริเวณรับแรงอัด การวิเคราะห์ใน [6] แสดงให้เห็นว่า ข้อสันนิษฐานนี้ไม่เป็นจริงเสมอไป

การใช้ Hilti HIT-RE 500-SD แสดงให้เห็นว่า การสูญเสียประสิทธิภาพการยึดติดนั้นน้อยลงอย่างเห็นได้ชัด เมื่อเทียบกับพุกเคมีชนิดอื่น (~25% ที่ด้านหนึ่ง) ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พุกเคมีส่งผลต่อแนวการแตกร้าว เมื่อเทียบกับแนวการแตกร้าวตามที่แสดงในรูปที่ 10 เนื่องจากคุณสมบัติการแทรกซึมเข้าในรูพรุนของคอนกรีต

เมื่อเกิดการเคลื่อนที่ของพื้นดินเนื่องจากแผ่นดินไหว โครงสร้างจะเกิดการกระจัด ส่งผลให้ชิ้นส่วนโครงสร้างแต่ละชิ้นส่วนมีการเสียรูปตามมา การเสียรูปนี้ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวหรือรอยแตกร้าวขยายตัวในชิ้นส่วนโครงสร้างดังกล่าว (รูปที่ 11) 

ดังนั้น พุกทั้งหมดที่จะนำมาใช้กับการถ่ายเทแรงจากแผ่นดินไหวจึงควรเป็นพุกที่เหมาะสำหรับการใช้งานในคอนกรีตที่แตกบริเวณรับแรงดึง และเป็นพุกที่ออกแบบมาให้รองรับการใช้งานกับรอยแตกร้าวที่จะมีการขยายและหดตัวในระหว่างที่เกิดการสั่นไหวรุนแรง

ในระหว่างที่เกิดแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ บางส่วนของโครงสร้างอาจเกิดการเสียรูปถาวรอย่างรุนแรง โดยในบริเวณที่มีการเสริมแรง เหล็กเสริมแรงอาจคราก รวมทั้งการขยายและหดตัวของรอยแตกอายส่งผลให้รอยแตกกว้างขึ้นจนมีขนาดหลายมิลลิเมตรได้ โดยเฉพาะในบริเวณจุดงอตัวถาวร (Plastic Hinge) [5] 

ขั้นตอนการตรวจสอบมาตรฐานของพุกในปัจจุบัน ยังไม่รวมถึงรอยแตกที่มีความกว้างมากดังกล่าว ด้วยเหตุนี้ จึงควรหลีกเลี่ยงการใช้งานพุกที่บริเวณจุดงอตัวถาวร เช่น ฐานของผนังรับแรงเฉือน บริเวณจุดต่อของวงกบ และคานขอบ นอกจากจะมีการออกแบบอย่างเหมาะสม [1]

[1] Eligehausen R.; Mallee, R.; Silva, J.F. (2006): Anchorage in Concrete construction, Ernst & Sohn, Berlin 2006

[2] Schiessl, P. (1986): Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, No. 370, Ernst & Sohn, Berlin 1986 (in German)

[3] Bergmeister, K. (1988): Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, Doctor Thesis, University of Innsbruck, 1988 (in German)

[4] Eligehausen, R.; Bozenhardt, A. (1989): Crack widths as measured in actual  structures and conclusions for the testing of fastening elements. Report No. 1/42- 89/9, Institute of Construction Materials, University of Stuttgart, August 1989

[5] Höhler, M, S. (2006): Behavior and testing of fastenings to concrete for use in seismic applications, Doctor Thesis, University of Stuttgart, 2006

[6] Appl, J. (2008): Load bearing behavior of bonded anchors under tension loading, Doctor Thesis, University of Stuttgart, 2008

 

 

Ask our engineers