การเสริมความแข็งแกร่งของสะพาน

คำนำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุบัติเหตุไฟไหม้มักพบความเสียหายของสะพานอย่างต่อเนื่อง โดยทั่วไปแล้ว การแตกร้าวของคอนกรีตบนคานพื้น คานหัวเสา และเสาเข็ม จะทำให้โครงสร้างสะพานมีขนาดเล็กลง ในกรณีที่รุนแรง เหล็กเส้นเปลือย การสูญเสียแรงอัดของเหล็กเส้นอัดแรง และการโก่งตัวของคานแผ่นจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวจากแรงดึงที่ฐานคานแผ่น และอื่นๆ หลังจากเกิดอุบัติเหตุ สิ่งสำคัญอันดับแรกคือการวิเคราะห์ระยะเวลาและอุณหภูมิของเพลิงไหม้ ประเมินความเสียหายของสะพานและความสามารถในการรับน้ำหนักที่ลดลง เพื่อเสริมความแข็งแรงของสะพานและลดความสูญเสียจากเพลิงไหม้ให้น้อยที่สุด

การวิเคราะห์ความเสียหายของสะพานหลังเกิดเพลิงไหม้

1.1 ความเสียหายของคอนกรีต

ในกรณีไฟไหม้ ความเสียหายแรกสุดคือคอนกรีต ความแข็งแรงของคอนกรีตจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูง พบว่าเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 300 องศาเซลเซียส ผลึกหินซีเมนต์จะไม่เปลี่ยนแปลง มีเพียงน้ำที่ไม่จับตัวกันภายในเท่านั้นที่ระเหยไป และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของมวลรวมและหินซีเมนต์จะแตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวขนาดเล็ก และความแข็งแรงของคอนกรีตจะลดลงเล็กน้อย เมื่ออุณหภูมิอยู่ระหว่าง 300 ถึง 600 องศาเซลเซียส แคลเซียมไฮดรอกไซด์ในซีเมนต์เพสต์จะสูญเสียน้ำและสลายตัว ผลึกจะเสียหายเล็กน้อย ซีเมนต์เพสต์จะเริ่มคลายตัวและความแข็งแรงของคอนกรีตจะลดลง โดโลไมต์และแคลเซียมคาร์บอเนตในคอนกรีตจะเริ่มสลายตัวเมื่ออุณหภูมิอยู่ระหว่าง 600 ถึง 800 องศาเซลเซียส มวลรวมจะไม่เสถียรอีกต่อไป และกำลังอัดของคอนกรีตจะลดลงอย่างรวดเร็ว เมื่อซีเมนต์เพสต์สัมผัสกับอุณหภูมิสูงกว่า 800 องศาเซลเซียส ซีเมนต์เพสต์จะกลายเป็นก้อนกรวดที่ไม่ต่อเนื่อง และความแข็งแรงของคอนกรีตจะลดลง แผนภาพแสดงผลกระทบของอุณหภูมิต่อความแข็งแรง

ในความเป็นจริง เมื่ออุณหภูมิไม่สูงเกินไป คอนกรีตอาจแตกและแตกออกเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อน เมื่อใช้น้ำดับไฟ พื้นผิวคอนกรีตที่ร้อนจะถูกน้ำระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของแรงเค้นภายในและภายนอกของโครงสร้างคอนกรีต ซึ่งจะยิ่งทำให้โครงสร้างคอนกรีตแตกออกมากขึ้น ดังนั้น ความเสียหายหลักของสะพานที่เกิดเพลิงไหม้คือการระเบิดและการแตกออกของคอนกรีต ส่งผลให้ความหนาของชั้นป้องกันลดลง และอาจรวมถึงเหล็กเสริมเปลือยด้วย ในขณะเดียวกัน พื้นที่หน้าตัดของโครงสร้างก็ลดลง สำหรับคานแผ่น ความแข็งในการดัดจะลดลง การโก่งตัวจะเพิ่มขึ้น และรอยแตกร้าวจากแรงดึงจะปรากฏที่ด้านล่างของแผ่น คอนกรีตที่ยังไม่แตกเป็นแผ่นอาจหลวมได้เนื่องจากอุณหภูมิสูง ความแข็งแรงและความทนทานลดลง การกัดกร่อนของเหล็กภายในง่าย และผลกระทบด้านลบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง

1.2 ความเสียหายจากเหล็กเส้น

เมื่อเวลาผ่านไประหว่างการเผาไฟ เหล็กเส้นจะค่อยๆ ร้อนขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจากที่ชั้นป้องกันถูกลอกออก ความแข็งแรงของเหล็กเส้นเสริมแรงจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส จากนั้นจะลดลง ความแข็งแรงสูงสุด ความแข็งแรงคราก และโมดูลัสยืดหยุ่นของเหล็กเส้นเสริมแรงจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของไฟเพิ่มขึ้น และอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิ 450 องศาเซลเซียส เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 600-700 องศาเซลเซียส โครงสร้างผลึกภายในของเหล็กเส้นเสริมแรงจะเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้ความแข็งแรงและโมดูลัสยืดหยุ่นลดลงอย่างมาก และสูญเสียความแข็งแรงไปประมาณครึ่งหนึ่ง หลังจากเย็นตัวลง ความแข็งแรงของเหล็กจะกลับคืนมาบางส่วน แต่การจัดเรียงตัวของผลึกภายใน ความแข็งแรงคราก และความแข็งแรงสูงสุดจะลดลง ทำให้ความเหนียวเพิ่มขึ้น หากใช้น้ำดับไฟ เหล็กเส้นจะผ่านกระบวนการดับไฟและเปราะ เหล็กเส้นเสริมแรงและบานพับเหล็กเสริมแรงมีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าและได้รับผลกระทบจากไฟมากกว่าเหล็กเส้นทั่วไป การคลายตัวที่อุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดการสูญเสียแรงอัดล่วงหน้าอย่างมาก หากชั้นป้องกันถูกลอกออกจนหมด เหล็กเส้นจะถูกไฟเผาโดยตรง และพื้นผิวจะเกิดออกซิเดชันและเกิดสนิม หากไม่รีบแก้ไข การกัดกร่อนของเหล็กเส้นจะรุนแรงขึ้นอย่างรวดเร็วและส่งผลกระทบต่อความแข็งแรง

1.3 การสูญเสียแรงยึดเกาะระหว่างคอนกรีตเสริมเหล็ก

เนื่องจากเหล็กเส้นมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนสูง แรงยึดเกาะระหว่างเหล็กเส้นกับคอนกรีตจึงเพิ่มขึ้นในขั้นต้นเนื่องจากแรงยึดเกาะที่แน่นหนาขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อโครงสร้างซีเมนต์เพสต์ได้รับความเสียหายจากไฟไหม้ แรงยึดเกาะจะค่อยๆ ถูกทำลายลง และชั้นป้องกันคอนกรีตที่แตกออกเนื่องจากการระเบิด ซึ่งทำให้แรงยึดเกาะลดลงอย่างมาก

เทคโนโลยีเสริมความแข็งแกร่งให้สะพานหลังเกิดเพลิงไหม้

การเสริมเหล็กคานพื้น

ในกรณีเกิดเพลิงไหม้ คานพื้นมักจะเกิดการแตกร้าวและแตกร้าวของคอนกรีต และหากไม่แตกร้าวก็จะเกิดการหลวม ดังนั้นการเสริมเหล็กคานพื้นจึงจำเป็นต้องตัดคอนกรีตที่หลวมออกก่อน หากเกิดการแตกร้าวอย่างรุนแรงและเหล็กเส้นเปลือย จำเป็นต้องเคลือบสารป้องกันสนิม หลังจากเคลือบชั้นโครงสร้างให้แข็งแรงแล้ว จำเป็นต้องซ่อมแซมความหนาของหน้างานด้วยปูนซ่อมแซม หากการแตกร้าวไม่รุนแรง สามารถซ่อมแซมได้โดยตรงด้วยปูนซ่อมแซม หากความหนาของชั้นที่ลอกล่อนเกิน 3-4 ซม. การซ่อมแซมโดยตรงทำได้ยาก สามารถวางเหล็กเส้นไว้ที่ด้านล่างของแผ่นไม้ จากนั้นจึงแขวนตาข่ายเหล็กหรือลวดตาข่ายเพื่อซ่อมแซมความหนาของหน้างานเดิม หากเหล็กเส้นโผล่พ้นผิว ควรทาน้ำยาขจัดสนิมและสารป้องกันสนิมลงบนเหล็กเส้นก่อน จากนั้นจึงซ่อมแซมให้กลับคืนสู่ความหนาเดิม

เนื่องจากความแข็งแรงของเหล็กเส้นในแผ่นพื้นและคานมักลดลงหลังเกิดเพลิงไหม้ ระดับความแข็งแรงจึงสามารถกำหนดได้ตามอุณหภูมิและระยะเวลาที่เกิดเพลิงไหม้ จากนั้นจึงสามารถออกแบบเหล็กเสริมเพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้ การเสริมแรงคอนกรีตสามารถทำได้โดยการติดแผ่นเหล็กหรือผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ เนื่องจากเหล็กเสริมคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อดีคือมีความแข็งแรงสูง น้ำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อน และมีความคงทน

การเสริมคานคลุม

โมเมนต์ดัดและแรงเฉือนของคานหมวกค่อนข้างสูง และคานหมวกมักถูกยิงจากสามด้าน ดังนั้นความสามารถในการดัดและแรงเฉือนของคานหมวกจึงลดลงอย่างรวดเร็วหลังจากคอนกรีตระเบิดและแตก เพื่อปรับปรุงความสามารถในการดัดของคานหมวก ควรติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์รูปตัว "U" ที่ด้านล่างของคานหมวก คล้ายกับการใช้โกลนเพื่อเพิ่มความสามารถในการเฉือน

การเสริมเสาเข็ม

เสาของสะพานคานมักเป็นเสาทรงกระบอกเสริมแรงตามยาวและคานเหล็กรูปตัวยูแบบเกลียว ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับเสาในกรณีไฟไหม้มากที่สุดคือการแตกของชั้นป้องกัน แม้กระทั่งเหล็กเส้นเปลือย และคอนกรีตในคานเหล็กรูปตัวยูที่แข็งแรงกว่าก็แตกออกเช่นกัน ดังนั้น ความสามารถในการรับน้ำหนักของเสาจึงลดลง และมาตรการเสริมแรงมักจะรวมถึงการคืนขนาดหน้าตัดและเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนัก ปัจจุบัน วิธีการเสริมแรงทั่วไปในด้านวิศวกรรมคือการใช้ผ้าใยสังเคราะห์พันรอบวิธีการเสริมแรงแบบติด เพื่อให้คอนกรีตภายในในสภาวะอัดตัวแบบสามมิติช่วยเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของเสาได้ งานวิจัยอื่นๆ แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพในการป้องกันแผ่นดินไหวของเสาที่เสริมด้วยผ้าใยสังเคราะห์คาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการปรับปรุงอย่างมาก

สรุป

สำหรับการเสริมความแข็งแรงให้กับสะพานทางหลวงที่ได้รับความเสียหายจากไฟไหม้หรือด้วยเหตุผลอื่นๆ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการรับน้ำหนัก วิธีการที่นิยมใช้คือการติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเพิ่มความแข็งแรง