Repair of Concrete Structures by Carbon Fiber Method

1. Repair of Concrete Structures by Carbon Fiber Method Asst. Prof Dr. KittipoomRodsin King Mongkut’s University of Technology North Bangkok

2. What is FRP ? Fiber reinforced polymer นำเส้นใยโพลีเมอร์มาถักทอกันอย่างเป็นระบบ การเสริมกำลังด้วยวัสดุเสริมเส้นใย มีพื้นฐานของวัสดุอยู่ 3 ประเภทหลักๆ ได้แก่ 1. คาร์บอน (Carbon) เรียกว่า CFRP 2. อะรามิด (Aramid) เรียกว่า AFRP 3. แก้ว (Glass) เรียกว่า GFRP โดยวัสดุทั้งสามมีคุณสมบัติทางด้านกำลัง ความคงทน และราคาแตกต่างกันขึ้นอยู่กับ วัตถุประสงค์การใช้งาน

3. เส้นใยที่ใช้นิยมใช้ในการเสริมกำลังมี เส้นใยคาร์บอน เส้นใยแก้ว เส้นใยอะรามิด • “ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและเครียดของเส้นใยชนิดต่าง ๆ”

4. รูปแบบของ CFRP SHEET PLATE ROD ข้อดี 1. มีน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับขนาด 2. ติดตั้งง่าย 3. ทนทานต่อสภาพแวดล้อม ข้อเสีย มีราคาแพง ไม่ทนไฟ ต้องใช้ผู้ชำนาญการในการติดตั้ง

6. Strengthening Method

7. Material Properties & Design Concepts Stress 35000 ksc Design Stress Limit for CFRP(strain = 0.004) 4000 ksc Strain

8. รูปแบบการวิบัติของคานที่เสริม FRP

9. การเสียรูปที่ไม่สอดคล้องกันระหว่างแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์กับคานคสล.การเสียรูปที่ไม่สอดคล้องกันระหว่างแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์กับคานคสล.

10. แนวทางป้องกันการหลุดลอกของ FRP 1. ทำการยึดปลายแผ่นโดยใช้น็อตยึดหรือใช้ FRP Sheet พันที่ปลายเป็นรูปตัว U 2. ใช้กาว Epoxy ที่มีความยืดหยุ่นตัวสูง 3. ปลายแผ่น FRP ควรหยุดให้ใกล้เสาหรือที่รองรับอื่นๆให้มากที่สุด

11. การออกแบบเสริมกำลังด้วย CFRP เบื้องต้น

12. Design Guideline

13. STEP 1 ลดกำลังของ FRPที่ใช้สำหรับการออกแบบ

14. STEP 2 วิเคราะห์หน้าตัดที่เสริมกำลังด้วย FRP • การวิเคราะห์หน้าตัดรับแรงดัดจะคำนวณตามวิธีที่แนะนำโดย ACI440.2 R08 : Guide for design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures • การวิเคราะห์จะใช้พื้นฐานของวิธีกำลังตามมาตรฐาน ACI318-08 • นั่นคือ • เมื่อ คือ แรงประลัย • คือ กำลังของหน้าตัด และ • คือ ตัวคูณลดกำลัง

15. STEP 3 ตรวจสอบ Debonding Strain • ต้องตรวจสอบความเครียดใน FRP ไม่ให้มีค่าสูงมาก เนื่องจากจะทำให้เกิดการหลุดลอก (Delimitation) ได้ • นั่นคือ • เมื่อ คือ Effective Strain ใน FRP ที่เกิดจาก • น้ำหนักบรรทุกประลัย • และ คือ Debonding Strain ของ FRP

16. การออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงดัดการออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงดัด = = =

17. = =

18. สมการออกแบบ เมื่อ 0.85 ต้องทำการตรวจสอบ โดยค่า ความเครียดคงค้าง (Dead Load Strain) คำนวณจาก

19. การออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือนการออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือน 1. ทำได้โดยการติดแผ่น FRP ที่ข้างคาน 2. พัน FRP Sheet ข้างคานในลักษณะ U-Jacket Bonded two sides only U-Jacket Vertical and Inclined Stripe การวิบัติที่เกิดจากการหลุดของ FRP Continuous Sheet

20. การออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือนการออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือน สมการออกแบบแรงเฉือน เมื่อ คือ กำลังต้านทานแรงเฉือนขององค์อาคาร คือ แรงเฉือนประลัย มาตรฐาน ACI440 กำหนดให้ต้านทานแรงเฉือน มาจาก = 0.85 U/2 sides- wrapped = 0.95 full wrapped เมื่อ คือ กำลังต้านทานแรงเฉือนจากคอนกรีตล้วน คือ กำลังต้านทานแรงเฉือนจากเหล็กเสริมรับแรงเฉือน คือ กำลังต้านทานแรงเฉือนจาก FRP

21. การออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือนการออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือน กำลังของคอนกรีตล้วน กำลังของคอนกรีตล้วน กำลังของ FRP เมื่อ และ Effective Strain

22. มาตรฐาน ACI ควบคุมมิให้ Effective Strain มีค่ามากเกินไป Full wrapped 3/2 sides-wrapped เมื่อ 3 sides และ 2 sides

23. การออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือนการออกแบบองค์อาคารต้านทานแรงเฉือน ระยะเรียงของ FRP กำหนดโดย ACI440 ดังนี้ มม. มม. ถ้า ถ้า แล้ว แล้ว ถ้า แล้ว ควรขยายหน้าตัด

24. การออกแบบเสา ติดตั้งแผ่นตามแนวเสา : เพื่อต้านโมเมนต์ หุ้มเสาด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ - เพิ่มกำลังรับแรงอัด (Confinement) - เพิ่มความเหนียว - เพิ่มกำลังต้านโมเมนต์ - เพิ่มกำลังต้านแรงเฉือน ผลของ confinement จะมีประสิทธิภาพในเสากลมมากกว่าเสาสี่เหลี่ยม คอนกรีตที่พันหุ้มด้วยแผ่น CFRP จะมีกำลังรับน้ำหนักและความเหนียวมากกว่าคอนกรีตทั่วไป

25. การวิบัติของเสาที่พันรอบด้วย FRP คอนกรีตไม่ได้หุ้มด้วย CFRP คอนกรีตที่หุ้มด้วย CFRP

26. กำลังรับแรงอัดที่เพิ่มขึ้นเมื่อพัน CFRP

27. การออกแบบรับแรงอัด • สำหรับเสาที่เสริมด้วยเหล็กปลอกเกลียว เมื่อ • สำหรับเสาที่เสริมด้วยเหล็กปลอกเดี่ยว เมื่อ สำหรับ = 0.95 และสมการออกแบบ คือ

28. ค่า ที่แนะนำโดย ACI440-08 เป็นดังนี้ แรงดันที่โอบรัด = 0.95 + ตัวคูณเกี่ยวกับรูปร่าง กำลังอัดที่ไม่โอบรัด เมื่อ และ

29. ค่าตัวคูณรูปร่าง สำหรับหน้าตัดกลม/เหลี่ยม เหลี่ยม h/b 2.0 หรือเสาที่ใหญ่กว่า 90 ซม. (พื้นที่โอบรัดประสิทธิผล) พื้นที่ประสิทธิผลประมาณ ดังนี้ เพื่อคำนวณแรงโอบรัด ในเสาเหลี่ยมให้ใช้

30. รูปแบบการเสริมกำลังแบบอื่น • NSM bar (near surface mounted) • Effective when small beam width • More installation skill is needed

31. กรณีศึกษาการเสริมกำลังโครงสร้างด้วย CFRP

32. ขั้นตอนการออกแบบเสริมกำลังด้วย CFRP • วิเคราะห์โครงสร้างเดิม • ออกแบบปริมาณแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตาม ACI440 • จัดทำแบบการเสริมกำลัง • ทดสอบกำลังรับน้ำหนักบรรทุกของโครงสร้างหลังเสริมกำลัง

33. โครงการที่ 1 การเสริมกำลังสะพานอนุรักษ์ สะพานที่ต้องเสริมกำลังมีทั้งหมด 7 แห่ง สะพานสมมตอมรมารค สะพานเจริญศรี 34 สะพานเจริญราษฎร์ 32 สะพานมอญ สะพานวรเศรษฐ สะพานมัฆวาน สะพานดำรงสถิต

34. สะพานเจริญศรี 34

35. สะพานเจริญศรี 34

36. ภาพตัดสะพาน

38. วิเคราะห์โครงสร้างด้วย FE Program ผลการวิเคราะห์โครงสร้าง แบบจำลองโครงสร้าง

39. ประเมิน Rating Factor • เสริมกำลังด้วย CFRPเพื่อเพิ่ม Rating Factor ให้มากกว่า 1