انکراژ در بتن

به‌طورکلی انکرها یا اعضای مهاری قطعاتی فولادی با اشکال مختلف هستند. که وظیفه مهار کردن و اتصال اجزای مختلف سازه­ ای یا غیر سازه‌ای به المان‌های بتنی سازه­ ای و انتقال صحیح نیروهای اعمالی به سازه اصلی را دارند. در عملیات انکراژ در بتن همیشه قسمتی از انکرها درون بتن مدفون می­ شود. تا با مکانیزم­ های مختلف نیروها را به بتن سازه­ای منتقل نماید، و قسمت دیگر آن بیرون از سطح بتن قرار می­ گیرد تا بتواند جزء الحاقی موردنظر را به آن متصل کند.

این بارها به‌صورت کشش، برش و یا ترکیبی از این دو می­ تواند باشد. انکراژ در بتن به روش ­های گونانی صورت می­گیرد که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد­­­.

انکرها به ­صورت کلی به دو دسته تعلق می­گیرند.

به انکرهایی گفته می­ شود که قبل از بتن ریزی و حین آرماتوربندی در عضو بتنی قرار گرفته و بعد از بتن ­ریزی به اندازه عمق کاشت خود مدفون می­ شود. به عنوان مثال میلگردهای کاشته شده در فونداسیون که برای نصب صفحه کف ستون (Base Plate) استفاده می­ شوند از این دسته هستند.

معادل فارسی خاصی برای این دسته انکرها وجود ندارد در صورت نیاز پیشنهاد بنده عبارت “انکرهای پیش کاشته” است. در زیر به انواع مختلف این دسته انکرها اشاره خواهد شد.

۱-a.  Headed Bolt Anchors

همان­طور که از نام آن برداشت می­ شود به پیچ­های معمولاً کله شش­ گوش اطلاق می­ گردد که از سمت کله آن در بتن قرار می­ گیرد و از سمت رزوه­ دار آن‌که بیرون از بتن است می‌توان قطعه الحاقی را متصل نمود. طبیعتاً بارهای کششی اعمالی از طریق سطح تماس کله پیچ با بتن روی آن منتقل می­ شود.

۱-b.  Headed Stud Anchors

این انکرها در واقع همان گل ­میخ­ه ایی هستند که به عنوان برش­ گیر در سقف­های عرشه فولادی مورد استفاده قرار می­ گیرند. که با تفنگ­ های خاصی روی تیرآهن ­های سقف جوش می­ شوند. این نوع انکرها معمولاً به صورت گروهی به یک قطعه خاص فولادی مطابق استاندارد AWS – D1.1  جوش شده و سپس با جانمایی از قبل تعیین شده درون قالب بتن قرار می­گیرند. مکانیزم انتقال بار مانند پیچ کله ­دار می ­باشد.

۱-c.  Hooked Bolt Anchors

این نوع انکرها در واقع همان میله­ ها یا میلگردهای خم­ دار هستند که قسمت خم­ دار آن‌ها در بتن مدفون شده و وظیفه انتقال نیروها را به عهده دارد. این انکرها معمولاً کاربرد سازه­ ای داشته و اغلب به ­عنوان بولت جهت نصب صفحه کف ستون مورد استفاده می گیرند (برای این منظور سر آزاد میلگرد رزوه­ دار می­شود). انکراژ در بتن اینها غالباً  به صورت عصایی ۹۰ درجه (L-Bolt) و ۱۸۰ درجه (J-Bolt) هستند.

همان­طور که از مفهوم کلمه برداشت می ­شود به انکرهایی اطلاق می ­شود که پس از اجرای بتن و عمل ­آوری  آن از طریق سوراخ‌کاری، کاشت انکر و در نهایت فعال‌سازی اجرا می­ گردند. این انکرها بسته به نحوه کاشت، فعال‌سازی و مکانیزم انتقال بار انواع مختلفی دارند که در ادامه شرح داده خواهد شد.

معادل فارسی خاصی برای این دسته انکرها وجود ندارد در صورت نیاز پیشنهاد بنده عبارت “انکرهای پس کاشته” است. در زیر به انواع مختلف این دسته انکرها اشاره خواهد شد.

۲-a.  Adhesive Anchors

اصطلاحاً به این دسته انکرهای شیمیایی گفته می­ شود که از یک میله فولادی رزوه ­دار و چسب مخصوص تشکیل شده است. متریال­های به کار رفته در این چسب­ ها متنوع هستند، این ترکیبات شیمیایی شامل پلیمرهای ارگانیک (مانند اپوکسی­ها، پلی­اورتان­ها، پلی­استرها، متیل­متاکریلات­ها، وینیل­استرها و…) ویا  پلیمرهای ارگانیک و غیر ارگانیک می­ باشند. برای نصب این انکرها ابتدا سوراخی به قطر حداکثر ۵/۱ برابر قطر میله انکر در بتن سخت شده زده شده سپس چسب مورد نظر درون سوراخ تزریق گردیده و پس از آن میله فولادی درون سوراخ پر از چسب فرو برده می­ شود. پس از خشک شدن چسب انکر فعال می­ گردد و بارهای وارده از طریق چسبندگی بین بتن و چسب و هم‌زمان بین چسب و میله منتقل می­ شود، در واقع مکانیزم انتقال بار همان باند یا قید چسبندگی است.

۲-b.  Undercut Anchors

انکرهایی هستند که برای نصب آن‌ها پس از سوراخ‌کاری عملیات خاصی به نام Undercutting انجام می­ گردد، در این فرآیند انتهای سوراخ را به شکل مخروطی گشاد می­ کنند تا انتهای غلاف انکر (Sleeve) که قسمت باز شونده آن قرار دارد بتواند با روش فعال‌سازی خاص خود در قسمت گشاد شده درگیری مکانیکی (Mechanical Interlock) ایجاد کند و به‌واسطه این درگیری بتواند نیروها را منتقل نماید. این انکرها انواع و اقسام زیادی دارند برند‌های مختلف با اشکال و مکانیزم­ های فعال‌سازی مختلف تولید می­ کنند. در برخی از این نوع انکرها ابتدا با یک دریل مخصوص  Undercutting انجام شده سپس انکر کاشته و فعال می­گردد (مانند HAD-P) و در برخی دیگر  Undercutting  در حین نصب با ابزار نصب مخصوص به خود انجام  می­ شود (مانند HSU-R). همچنین فعال‌سازی انکرها که در واقع باز شدن قسمت انتهایی غلاف آن می­باشد، به دو روش ضربه­ای و پیچشی است که در ادامه توضیحات تکمیلی داده خواهد شد.

۲-c.  Expansion Anchors

به انکرهایی اطلاق می­ شود که از طریق باز شدن قسمت بازشونده انتهای غلاف آن به سمت جداره سوراخ فعال می­گردند و به ­واسطه اصطکاک و کنش سطحی بین بتن و پره­ های بازشده انکر انتقال نیروها انجام می­ شود.

با توجه به نحوه فعال شدن این نوع انکرها به دو دسته اصلی تقسیم می­ شوند.

۲-c-1.  Displacement-Controlled Expansion Anchors

این دسته انکرها شامل یک عدد گوی یا پین هستند که با حرکت خود به سمت انتهای بازشونده غلاف باعث بازشدن و فعال‌سازی انکر می­ گردد. متداول­ ترین فرم این انکرها   Drop-in Anchors هستند که در ایران به انکرهای تو پیچ ضربه­ای معروف­ اند که گوی آن‌ها از طریق اعمال ضربه چکش به سنبه انکر (ابزار فعال‌سازی) به انتهای انکر هدایت‌شده و فعال‌سازی صورت می­پذیرد. برای نصب تأسیسات ساختمانی و ساپورت‌های آن به وفور از این تیپ انکر استفاده می­ شود چراکه قابلیت نصب راد یا پیچ متری جهت گرفتن آویز از سقف دارد. به عنوان مثال می­ توان به انکر  R-DCA  شرکت  Rawlplug اشاره کرد.

۲-c-2.  Torque-Controlled Expansion Anchors

این دسته انکرها شامل یک میله فولادی رزوه ­دار به همراه مهره است که در انتهای آن یک یا چند غلاف بازشونده (Sleeve) و یک قطعه مخروطی در کنار هم قرار دارد. پس از

سوراخ‌کاری و کاشت انکر مهره آن به سمت سفت شدن چرخانده می­شود تا جایی که گشتاور پیچشی موجود به حدنصاب تعیین شده در کاتالوگ محصول که توسط شرکت سازنده تهیه شده است، برسد. این کار باعث می­شود که مخروط انتهای انکر به سمت غلاف بازشونده حرکت کرده و آن‌ها به سمت دیواره سوراخ بتن باز کند و فعال‌سازی به این ترتیب کامل می­گردد. متداول­ترین فرم این انکرها Wedge Anchors هستند که در ایران غالباً با نام­ های رول­بولت و اکسپنشن بولت شناخته می­ شوند که برای نصب ساپورت­های تأسیسات ساختمانی کاربرد فراوانی دارند. برای مثال می ­توان به انکر  R-HPTII-ZF  شرکت  Rawlplug   اشاره کرد.

• یکی از انواع بسیار خاص این دسته انکرها، Hollow Ceiling Anchors  هستند که برای کاشت در سقف­های سازه­ای توخالی یا حفره­دار مانند هالوکور، کوبیاکس، یوبوت و… که به­دلیل ضخامت کم بتن از انکرهای روتین نمی­توان استفاده نمود، کاملاً مناسب هستند. برای نصب این انکرها ابتدا سوراخ‌کاری تا جایی که کل ضخامت بتن سوراخ گردد، انجام شده و انکر درون سوراخ قرار می­گیرد، سپس یک عدد راد یا میله رزوه­دار داخل انکر پیچیده شده تا از طول انکر کاملاً عبور کند. فعال‌سازی این انکر نیز به­صورت پیچشی است یعنی با سفت کردن مهره­ روی راد مخروطی انتهای انکر به سمت غلاف بازشونده حرکت کرده و پره­های آن از بالا به سطح بتن چنگ می­زنند. یکی از بهترین انکرهای با این فرمت مدل FHY  شرکت  Fischer   می­باشد.

فرم­های گوناگون خرابی در سیستم انکراژ

به طور کلی با توجه به انواع و اقسام مختلف انکر، روش­ های انکراژ، مکانیزم­ های انتقال بار، شدت و نوع بارهای وارده، فواصل انکرها از هم و همچنین از لبه­ ها و… مودهای متفاتی از خرابی در خود انکر ویا بتن دور انکر ممکن است که اتفاق بیفتد که در ادامه شرح داده می­ شوند.

1. Pullout Failure

به حالتی از خرابی اطلاق می­گردد که در آن انکر تحت نیروی کششی اعمال شده از داخل سوراخ به سمت بیرون حرکت کند بدون آنکه به ظرفیت نهایی بتن و فولاد انکر نزدیک شویم. معمولاً در انکرهای  Post-installed مکانیکی این مود خرابی حاکم بر طراحی می­گردد چراکه میزان نیروی مقاوم درگیر بین بتن و انکر (نسبت به انکرهای Cast-in ) به حدی نیست که بتواند بتن یا فولاد را به حد مقامت نهایی آن‌ها نزدیک کند و بیرون­زدگی خیلی زودتر اتفاق میفتد.

2. Pull-through Failure

همان بیرون­زدگی انکر از بتن است با این تفاوت که اولاً غلاف درگیر شده با بتن از بدنه انکر جدا می­شود و ثانیاً خردشدگی جزئی سطح بتن اطراف انکر وجود ندارد. عدم نصب و فعال‌سازی صحیح و همچنین پایین بودن کیفیت انکر می­تواند باعث این نوع خرابی باشد.

3. Splitting Failure

در این حالت خرابی که تحت نیروی کششی اتفاق میوفتد بتن دچار شکستگی و ترک در اطراف انکر یا گروهی از انکرها و در راستای صفحه­ای که از محور انکر عبور می­کند، می­شود.

4. Steel Failure

اگر درگیری انکر با بتن به حدی باشد که نیروهای اعمالی بتوانند فولاد انکر را به حدود مقاومت نهایی آن برساند این امر باعث گسیختگی و بریده شدن خود انکر می­گردد که این موضوع هم تحت نیروهای کششی و هم نیروهای برشی می­تواند اتفاق بیفتد.

5. Concrete Breakout Failure

نیروهای اعمالی از انکر باعث به وجود آمدن نوعی توزیع تنش مخروطی شکل در بتن می­گردد که در صورت تجاوز تنش­ها از حدود مقاومت نهایی سطح بیرونی این مخروط یا گوه تنش به سطح شکست آن تبدیل شده و اصطلاحاً بتن قلوه­ کن می­شود.

این نوع خرابی هم تحت نیروهای کششی با مکانیزم فوق می‌تواند به وقوع بپیوندد و هم اینکه برای انکرهای تحت نیروهای برشی که به لبه بتن نزدیک هستند به دلیل اینکه مخروط توزیع تنش نمی­تواند کامل تشکیل شود این قلوه­کن شدن از سمت لبه بتن اتفاق میفتد. اساساً حداقل فاصله انکر از لبه بتن که در آیین­نامه­ها و کاتالوگ انکرها به آن اشاره شده است به منظور جلوگیری از این مسئله محاسبه و تعیین گردیده است.

6. Concrete Pryout Failure

چنانچه انکری دور از لبه بتن و تحت نیروی برشی باشد و این نیرو باعث خردشدگی موضعی بتن در همان جهت گردد و همچنین صلبیت آن انکر زیاد باشد، این امر باعث می­شود که انکر تمایل به حرکت در خلاف جهت نیروی برشی اعمالی داشته باشد و در نهایت منجر به شکست مخروط تنش بتن در جهت مخالف می­شود. این خرابی نیز نوعی از قلوه­کن شدن تحت برش است اما با مکانیزم کاملاً متفاوت.

7. Side-face Blowout Failure

این مود خرابی برای انکرهای با عمق کاشت نسبتاً طولانی و با فاصله کم از لبه و تحت نیروی کششی بالقوه است که به­صورت ترکیدگی بتن از عمق لبه آزاد بدون آنکه سطح بالایی آن دچار خرابی گردد، خود را نشان می­دهد.

اصطلاحات کاربردی

• Anchor Group

اگر تعدادی انکر کنار هم قرار گرفته باشند که از نظر نوع، ظاهر و عمق کاشت مؤثر یکسان بوده و همچنین فاصله بین آن‌ها از حداقل فاصله مجاز کمتر باشد که در نتیجه مخروط توزیع تنش انکرها دچار همپوشانی بشود، اصطلاحاً به آن‌ها گروه انکر گفته می­شود.

• Anchor Reinforcement

آرماتور بندی به کار رفته جهت انتقال کامل بارهای طراحی که برای اطراف انکر طراحی و اجرا می­گردند تا بتن در آن ناحیه به­خصوص دچار خرابی­های موضعی نگردد، مانند انواع سنجاقی­ها و انواع میلگردهای خم­دار (Hairpins). البته این تقویت­ها بیشتر در مورد انکرهای پیش کاشت مطرح می­شود.

• Attachment

قطعه الحاقی که بوسیله انکرها به عضو بتنی متصل می­شود.

• Distance Sleeve

غلافی که در بعضی انکرهای Undercut، Displacement–Controlled Expansion و

Torque–Controlled Expansion وجود دارد ولی قابلیت بازشوندگی ندارند.

• Edge Distance

فاصله بین لبه سطح آزاد بتن تا مرکز سطح نزدیک‌ترین انکر

• Effective Embedment Depth

به مکانی که در آن نقطه نیروهای اعمالی بین بتن و انکر منتقل می­گردند عمق کاشت مؤثر گفته می­شود.

• Expansion Sleeve

غلاف بازشونده در انکرهای Expansion

• MPII (Manufacturer’s Printed Installation Instruction)

دستورالعمل چاپ شده روی جعبه انکر توسط شرکت سازنده آن جهت اجرای صحیح تحت شرایط مختلف نصب

• Setting of an Anchor

فرآیند فعال‌سازی مکانیزم انتقال بار انکر به جداره سوراخ بتن که انواع مختلفی دارد.

نویسنده : مهندس سیدعلی موسوی