1.พุกติดตั้งภายหลัง (Post-installed Anchor) คืออะไร

พุกติดตั้งภายหลัง (Post-installed Anchors) ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการปรับปรุง ซ่อมแซม หรือเพิ่มโครงสร้างเหล็กใหม่เข้ากับคอนกรีตที่ถูกหล่อไว้ก่อนหน้านี้ โดยทำให้การเชื่อมต่อมีความมั่นคงและแข็งแรง เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นงานโครงสร้างหลัก งานโครงสร้างรอง งานโครงสร้างชั่วคราว หรือแม้แต่งานที่ไม่ใช่โครงสร้าง (เช่น ราวกันตก ระบบท่อ เครื่องจักร ผนังเบา ฯลฯ) พุกติดตั้งภายหลังติดตั้งได้ง่าย ช่วยสนับสนุนการก่อสร้างที่ยั่งยืน และเป็นไปตามมาตรฐานสมัยใหม่ สำหรับงานเชื่อมต่อเหล็กเข้าคอนกรีต (Steel-to-Concrete: S2C) พุกติดตั้งภายหลังถือเป็นทางเลือกที่น่าเชื่อถือ ปลอดภัย และสอดคล้องกับมาตรฐาน ช่วยคงความแข็งแรงของโครงสร้างหลัก โครงสร้างรอง โครงสร้างชั่วคราว รวมถึงส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง

รูปที่ 1.1: ตัวอย่างการใช้งานพุกในงานอาคารระหว่างการก่อสร้าง

2. หลักการทำงานของพุกติดตั้งภายหลัง (Anchor working principle)

ระบบฝังยึดของพุก (Fastening System) จะถ่ายแรงที่กระทำลงไปยังวัสดุฐานในหลายรูปแบบ ทั้งแรงดึง (Tension, ดูรูปที่ 2.1 ก.) และแรงเฉือน (Shear, ดูรูปที่ 2.1 ข.) โดยกลไกการถ่ายแรงนี้อาศัย “กำลังต้านทานแรงดึงของคอนกรีต” ซึ่งแตกต่างจากทฤษฎีคอนกรีตเสริมเหล็กทั่วไปที่มักละเลยค่ากำลังต้านทานแรงดึงนี้ กลไกการถ่ายแรงของระบบฝังยึดของพุกโดยทั่วไป แบ่งออกเป็น 3 แบบหลัก ได้แก่ กลไกการยึดเชิงกล (Mechanical Interlock), กลไกแรงเสียดทาน (Friction) และกลไกการยึดเกาะด้วยกาว/น้ำยา (Adhesive Bond)

รูปที่  2.1: แสดงกำลังต้านทานแรงดึงของคอนกรีตในการถ่ายแรงของพุกติดตั้งภายหลัง

พุกติดตั้งภายหลัง จะทำงานตามหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งกลไกที่กล่าวมา ดังต่อไปนี้.

กลไกการยึดเชิงกล (Mechanical Interlock / Keying) กลไกนี้อาศัยการถ่ายแรงผ่าน ผิวสัมผัสรับแรง (Bearing Surface) ระหว่างพุกกับวัสดุฐาน (ดูรูปที่ 2.2 ก.) พุกติดตั้งภายหลังบางชนิดถูกออกแบบให้สร้างการยึดเชิงกลกับคอนกรีตโดยตรง เพื่อให้เกิดการยึดเชิงกลนี้ รูเจาะทรงกระบอกจะถูกปรับแต่งให้เกิด รอยบากขรุขระ (Notch) หรือ รอยจิก (Undercut) ที่มีขนาดและตำแหน่งที่กำหนดไว้ ซึ่งสามารถทำได้ทั้งโดยการใช้ดอกสว่านพิเศษ หรืออาศัยกลไกการจิกกัดร่องของตัวพุกเอง ตัวอย่างของพุกที่ใช้กลไกนี้คือ Hilti HDA

กลไกแรงเสียดทาน (Friction Mechanism) คือกลไกการถ่ายแรงที่มักพบในระบบที่แรงขยายตัวถูกสร้างขึ้นโดยคลิปหรือเวดจ์ซึ่งกดแน่นกับผนังรูเจาะระหว่างการติดตั้ง แรงเสียดทานนี้จะทำหน้าที่ต้านและปรับสมดุลกับแรงดึงภายนอกที่มากระทำบนพุก โดยแรงดึง, N จะถูกถ่ายไปยังคอนกรีตฐานผ่านแรงเสียดทาน, R (ดูรูปที่ 2.2 ข.) ตัวอย่างของพุกที่ใช้กลไกนี้คือ Hilti HST4

กลไกแรงยึดเกาะกาว/น้ำยา (Adhesive Bond Mechanism) คือกลไกการถ่ายแรงจากภายนอกไปยังคอนกรีตฐานผ่านชั้นกาวหรือน้ำยาประสาน (ดูรูปที่ 2.2 ค.) โดยแรงจะถูกถ่ายจากตัวพุก (เช่น แท่งเกลียว) ไปยังชั้นน้ำยา (Mortar) ผ่านการยึดเชิงกล (Mechanical Interlocking) และจากนั้นถ่ายต่อไปยังคอนกรีตฐานด้วยการทำงานร่วมกันของ “การยึดเชิงกลระดับจุลภาค (Micro-interlock)” และ “การยึดเกาะทางเคมี (Chemical Adhesion)” ระหว่างน้ำยากับผิวด้านข้างของรูเจาะ ตัวอย่างของพุกที่ใช้กลไกนี้คือ Hilti HIT-HY 200 A V3

รูปที่ 2.2: กลไกการรับแรงประเภทต่าง ๆ ของเทคโนโลยีการฝังยึด และตัวอย่างพุก Hilti ที่ทำงานตามกลไกเหล่านี้

3. โหมดการวิบัติภายใต้แรงดึง (Failure Modes Under Tension Loading)

พุกอาจเกิดการวิบัติได้หลายลักษณะ หากแรงที่มากระทำเกินกว่าความสามารถในการต้านทานของมัน โหมดการวิบัติสามารถจำแนกตามทิศทางของแรง ได้แก่ แรงดึง (ดูรูปที่ 3.1) และ แรงเฉือน (ดูรูปที่ 4.1) อีกทั้งยังสามารถจำแนกเป็น โหมดการวิบัติของเหล็ก (Steel Failure) และ โหมดการวิบัติของคอนกรีต (Concrete Failure)

รูปที่ 3.1: โหมดการวิบัติจากแรงดึง

โหมดการวิบัติที่แตกต่างกันของเหล็กและคอนกรีต มีดังนี้

• โหมดการวิบัติของเหล็ก (Steel Failure) เกิดขึ้นเมื่อแรงดึงที่เกิดจากภาระที่มากระทำ ส่งผลให้เกิดความเค้นดึงในหน้าตัดที่เล็กที่สุดของพุกจนเกินกำลังรับแรงสูงสุดของเหล็ก (ดูรูปที่ 3.2)

รูปที่ 3.2: การวิบัติของเหล็กภายใต้แรงดึง

เพื่อให้ได้ค่าความต้านทานที่สูงขึ้นต่อโหมดการวิบัตินี้ สามารถใช้แนวทางดังต่อไปนี้ (หรือผสมผสานมากกว่าหนึ่งแนวทาง) ได้แก่: 1) เพิ่มจำนวนพุก 2) เลือกพุกที่ทำจากเหล็กกำลังสูงกว่า
3) เพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพุก

• โหมดการวิบัติจากคอนกรีตแตกเป็นโคน (Concrete Cone Failure) มีลักษณะคือ เกิดรอยแตกเป็นรูปกรวย โดยเริ่มจากบริเวณถ่ายแรงของพุก แล้วกระจายออกไปสู่ผิวหน้าคอนกรีต โดยรอยแตกนี้จะทำมุมประมาณ 35° ระหว่างแนวร้าวเอียงกับผิวคอนกรีต (ดูรูปที่ 3.3) โหมดการวิบัตินี้ยังเรียกอีกชื่อว่า “Concrete Break-out ภายใต้แรงดึง”

รูปที่ 3.3: การวิบัติจากคอนกรีตแตกเป็นโคน  ภายใต้แรงดึง

เพื่อให้ได้ค่าความต้านทานโหมดการวิบัติจากคอนกรีตแตกเป็นโคนที่สูงขึ้น สามารถใช้แนวทางต่อไปนี้ (หรือผสมผสานมากกว่าหนึ่งแนวทาง) ได้แก่: 1) เพิ่มระยะห่างระหว่างพุก 2) เพิ่ม
ความลึกในการฝังพุก 3) ใช้วัสดุฐานที่มีกำลังอัดของคอนกรีตสูงกว่า

• โหมดการวิบัติจากการรูดของพุก (Pull-out Failure) เกิดขึ้นเมื่อพุกทั้งตัวถูกดึงหลุดออกมาจากรูเจาะ โดยที่วัสดุฐาน (คอนกรีต) ไม่ได้รับความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญ (ดูรูปที่ 3.4)

รูปที่ 3.4: การวิบัติจากการรูดของพุก ภายใต้แรงดึง

เพื่อปรับปรุงค่าความต้านทานต่อโหมดการวิบัติจากการรูดของพุก สามารถใช้ แนวทาง ต่อไปนี้ (หรือใช้ร่วมกันมากกว่าหนึ่งแนวทาง) ได้แก่: 1) เลือกใช้พุกที่มีกำลังรับแรงสูงกว่า 2) เพิ่ม
ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพุก 3) เพิ่มจำนวนพุก

• โหมดการวิบัติแบบผสมระหว่างพุกรูดร่วมกับคอนกรีตแตกเป็นโคน (Combined Pull-out and Concrete Cone Failure) พบได้เฉพาะในพุกเคมีเท่านั้น โหมดการวิบัตินี้เป็นการรวมกันระหว่าง การหลุดของพุก ที่เกิดจากการสูญเสียแรงยึดเกาะระหว่างพุกกับคอนกรีต และ การแตกของคอนกรีตเป็นกรวยตื้น บริเวณใกล้ผิวหน้าคอนกรีต (ดูรูปที่ 3.5)

รูปที่ 3.5: การวิบัติแบบผสมระหว่างพุกรูดร่วมกับคอนกรีตแตกเป็นโคน ภายใต้แรงดึง

•  โหมดการวิบัติจากคอนกรีตแตก (Concrete Splitting Failure) เกิดจากแรงดึงวงแหวน (Hoop Stresses) รอบพุก ซึ่งมีที่มาจากการถ่ายแรงเฉพาะจุดและแรงขยายตัวของพุกที่มากเกินกว่ากำลังต้านแรงดึงของคอนกรีต (ดูรูปที่ 3.6) โหมดการวิบัตินี้สามารถเกิดขึ้นได้ตั้งแต่ขั้นตอนการติดตั้ง หากไม่ได้รักษาระยะห่างขั้นต่ำ, ระยะขอบขั้นต่ำ หรือความหนาขั้นต่ำของชิ้นส่วนคอนกรีต รวมถึงอาจเกิดจากการรับแรงใกล้ขอบหรือพุกวางชิดกันเกินไป

การป้องกันการแตกแยกของคอนกรีตในระหว่างการติดตั้ง สามารถทำได้โดยปฏิบัติตามเงื่อนไขที่กำหนดได้แก่: 1) รักษาระยะขอบขั้นต่ำ
(Minimum Edge Distance) 2) รักษาระยะห่างขั้นต่ำระหว่างพุก (Minimum Spacing) 3) รักษาความหนาขั้นต่ำของคอนกรีตฐาน (Minimum Base Material Thickness)
 
แนวทางในการเพิ่มค่าความต้านทานต่อการแตกแยกของคอนกรีตที่เกิดจากการรับแรง ได้แก่: 1)เพิ่มระยะขอบและระยะห่างระหว่างพุก 2)ลดความลึกการฝังพุก 3) ยอมรับว่ารอยแตกแบบ
Splitting อาจเกิดขึ้น และปรับการออกแบบใหม่โดยสมมติให้คอนกรีตอยู่ในสภาวะ “แตกร้าว” (Cracked Concrete) พร้อมพิจารณาใส่เหล็กเสริมในคอนกรีตฐานให้เพียงพอเพื่อจำกัดความ
กว้างของรอยแตก

รูปที่ 3.6: การวิบัติจากคอนกรีตแตก  ภายใต้แรงดึง

• โหมดการวิบัติจากคอนกรีตแตกทะลุด้านข้าง (Concrete Blow-out Failure) เกิดจากแรงกดรับน้ำหนักสูง (High-bearing Pressure) ที่เกิดขึ้นในบริเวณถ่ายแรงของพุก (ดูรูปที่ 3.7) แรงกดสูงเหล่านี้ก่อให้เกิดแรงดันแตกกระจาย (Bursting Forces) ในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางแรงดึง ทำให้คอนกรีตแตกทะลุออกทางด้านข้างของชิ้นส่วน โหมดการวิบัตินี้มักเป็นตัวควบคุม (Decisive) ในกรณีที่พุกอยู่ใกล้ขอบ หรือในกรณีที่มีความลึกการฝังมาก ซึ่งมักพบได้กับ Headed Studs แต่โดยทั่วไปไม่ค่อยเกิดกับพุกติดตั้งภายหลัง (Post-installed Anchors) การป้องกันโหมดการวิบัตินี้ สามารถทำได้โดยการเพิ่มระยะขอบของพุกให้มากขึ้น

รูปที่ 3.7: การวิบัติจากคอนกรีตแตกทะลุด้านข้าง  ภายใต้แรงดึง

4. โหมดการวิบัติภายใต้แรงเฉือน (Failure Modes Under Shear Loading)

พุกติดตั้งภายหลัง สามารถเกิดโหมดการวิบัติได้ทั้งจากเหล็ก และจากคอนกรีต ภายใต้แรงเฉือน ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ทั้งกรณี มี หรือไม่มีระยะแขน (Lever Arm)

รูปที่ 4.1: โหมดการวิบัติจากแรงเฉือน

• โหมดการวิบัติของเหล็ก (Steel Failure) เกิดขึ้นเมื่อแรงเฉือนที่มากระทำ ทำให้เกิดความเค้นดึงในหน้าตัดที่เล็กที่สุดของพุก จนเกินกำลังรับแรงสูงสุดของเหล็ก (ดูรูปที่ 4.2) หากแรงเฉือนนั้นเกิดขึ้นพร้อมกับมี ระยะแขน (Lever Arm) ค่าความต้านทานจะลดลง เนื่องจากเกิดความเค้นดึงเพิ่มเติมจากโมเมนต์ดัดที่ตามมา

รูปที่ 4.2: การวิบัติของเหล็กภายใต้แรงเฉือน

แนวทางในการเพิ่มค่าความต้านทานต่อโหมดการวิบัตินี้ คือ 1) เลือกใช้เหล็กที่มีกำลังรับแรงสูงกว่า 2) เพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของพุก 3) เพิ่มจำนวนพุก

• โหมดการวิบัติจากการงัดของคอนกรีต (Concrete Pry-out Failure) มักเกิดขึ้นในกรณีที่พุกมีความลึกการฝังจำกัด สาเหตุคือการหมุนของพุก (Fastener Rotation) และการเกิดแรงดึงแบบโค้ง (Catenary Tension Force) ภายในแกนพุก อันเป็นผลจากการเสียรูปด้านข้าง (Lateral Deformation) และความเยื้องศูนย์ (Eccentricity) ระหว่างแรงเฉือนที่มากระทำกับแรงต้านทานที่เกิดขึ้นในคอนกรีต (ดูรูปที่ 4.3) โหมดการวิบัตินี้ขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานของโหมด Concrete Cone Break-out และ Pull-out Failure ดังนั้น หากสามารถเพิ่มค่าความต้านทานของสองโหมดนี้ได้ ค่าความต้านทานต่อโหมดการงัดคอนกรีตออกก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน

รูปที่ 4.3: การวิบัติจากการงัดของคอนกรีต  ภายใต้แรงเฉือน

• โหมดการวิบัติจากคอนกรีตแตกที่ขอบ (Concrete Edge Failure) เกิดขึ้นภายใต้แรงเฉือน เมื่อพุกถูกติดตั้งใกล้ขอบคอนกรีตในทิศทางของแรงที่มากระทำ ลักษณะเด่นคือเกิดรอยแตกเป็นรูปกรวย โดยเริ่มจากบริเวณก้านพุกแล้วกระจายออกไปยังขอบคอนกรีต ทำมุมประมาณ 35° ระหว่างแนวร้าวกับผิวคอนกรีต (ดูรูปที่ 4.4) โหมดการวิบัตินี้ยังถูกเรียกว่า Concrete Break-out ภายใต้แรงเฉือน แนวทางในการเพิ่มค่าความต้านทานต่อโหมดนี้ คือ 1) เพิ่มระยะขอบของพุกในแถวแรก 2) เพิ่มความลึกการฝังพุก 3) เพิ่มระยะห่างระหว่างพุกในกลุ่ม 4) เพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของพุก

รูปที่ 4.4: การวิบัติจากคอนกรีตแตกที่ขอบ  ภายใต้แรงเฉือน

5. สรุป (conclusion)

โดยสรุปแล้ว พุกติดตั้งภายหลังเป็นองค์ประกอบที่สำคัญอย่างยิ่งในการเชื่อมต่อทั้ง ส่วนที่เป็นโครงสร้าง (Structural Elements) และส่วนที่ไม่ใช่โครงสร้าง (Non-structural Elements) เข้ากับคอนกรีต ดังนั้น หากเกิดการวิบัติของพุกขึ้น อาจนำไปสู่ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่ร้ายแรงได้ การทำความเข้าใจและจัดการกับโหมดการวิบัติอย่างถูกต้อง จึงเป็นสิ่งสำคัญต่อ ความปลอดภัยของโครงสร้าง, สมรรถนะ (Performance), และการปฏิบัติตามมาตรฐาน (Compliance)
การออกแบบพุกที่สอดคล้องตามมาตรฐาน (Code Compliant Design) ร่วมกับการควบคุมคุณภาพ (Quality Assurance) ทำให้มั่นใจได้ว่าพุกมีค่าความต้านทานเพียงพอต่อโหมดการวิบัติที่เกี่ยวข้องทั้งแรงดึงและแรงเฉือน ซึ่งจะช่วยรักษาความมั่นคงของโครงสร้าง (Ensure Structural Integrity) ป้องกันอันตรายและมีความปลอดภัย (Prevent Safety Hazards) และช่วยลดค่าใช้จ่ายและเวลาที่สิ้นเปลืองจากการซ่อมแซม (Avoid Costly Repairs and Time) ได้

หากต้องการเริ่มออกแบบพุกติดตั้งภายหลัง สามารถเข้าใช้งานได้ที่ Hilti PROFIS Engineering