การเสริมความแข็งแรงของเสา

ภาพรวมโครงการ

อาคารสำนักงานแห่งหนึ่งในเมืองซิงไถ มณฑลเหอเป่ย มีความยาว 68 เมตร กว้าง 16 เมตร พื้นที่อาคารประมาณ 8,900 ตารางเมตร มีชั้นใต้ดิน 1 ชั้น ความสูงจากพื้นดิน 7 ชั้น โครงสร้างโครงเหล็ก และฐานรากแบบแพ เริ่มก่อสร้างในปี พ.ศ. 2523 และเปิดใช้งานในปีถัดมา เมื่อปรับปรุงอาคารเมื่อปลายปี พ.ศ. 2549 พบว่าบริเวณกลางชั้นสองและสามของอาคาร มีเสากลาง 3 ต้น มีรอยแตกร้าวที่โคนเสา คอนกรีตบริเวณโคนเสามีการลอกร่อนอย่างรุนแรง และเหล็กเส้นตามยาวที่สึกกร่อนสามารถมองเห็นได้ชัดเจน ต่อมาศูนย์ตรวจสอบคุณภาพงานก่อสร้างได้ดำเนินการตรวจสอบและประเมินผล พบว่าเสากลาง 3 ต้นของอาคารดังกล่าวข้างต้นมีรอยแตกร้าวในแนวตั้ง ห่างจากโคนเสาประมาณ 1 เมตร รอยแตกร้าวสูงสุดอยู่ที่ 2.5 มิลลิเมตร เหล็กเสริมหลักและคานค้ำยันถูกกัดกร่อนอย่างหนัก ส่งผลให้พื้นที่ใช้งานจริงของเหล็กเสริมเดิมลดลง และคอนกรีตบริเวณโคนเสาก็หลุดร่อนอย่างรุนแรง ส่งผลให้ส่วนเสาลดลงในระดับที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ คานโครงหลายอันยังมีรอยแตกร้าวอย่างรุนแรง ซึ่งจำเป็นต้องเสริมความแข็งแรง บทความนี้จะแนะนำเฉพาะเสาเหล็กเสริมเท่านั้น

วิธีการเสริมแรง 

ปัจจุบัน วิธีการทั่วไปที่สามารถนำมาใช้เสริมกำลังเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก ได้แก่ วิธีการขยายหน้าตัดเสา วิธีการหุ้มเหล็ก และวิธีการหุ้มด้วยไฟเบอร์กลาสเสริมแรง (FRP) วิธีการหุ้มเหล็กแบบหุ้มมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการขยายหน้าตัดคอนกรีตเสริมเหล็ก เนื่องจากวิธีการขยายหน้าตัดจะเพิ่มน้ำหนักและขนาดของหน้าตัด ทั้งสองวิธีนี้ใช้แรงงานมากกว่าและบางครั้งการก่อสร้างในสถานที่จริงก็ทำได้ยาก นอกจากเหล็กที่หนักกว่าแล้ว โครงสร้างเหล็กภายนอกยังมีความสามารถในการต้านทานการกัดเซาะจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้น้อยกว่า

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การใช้วัสดุ FRP เพื่อเสริมกำลังเสาคอนกรีตเสริมเหล็กได้กลายเป็นวิธีการเสริมแรงรูปแบบใหม่ที่เข้ามาแทนที่เหล็กหุ้มภายนอก และได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมากขึ้นเรื่อยๆ วิธีการนี้มีข้อดีคือมีความแข็งแรงสูง ประสิทธิภาพสูง การก่อสร้างที่สะดวก ความทนทานและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี มีความหนาบาง และน้ำหนักเบา เสา FRP ที่นิยมใช้มากที่สุดคือผ้าหรือแผ่นใยไฟเบอร์ที่ยึดติดภายนอก โครงการนี้จึงเลือกใช้วิธีการเสริมกำลังเสาด้วย FRP

มีกระบวนการที่แตกต่างกันมากมายสำหรับการใช้วัสดุ FRP เพื่อเสริมความแข็งแรงเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก ตามกระบวนการขึ้นรูป วิธีการเสริมแรงสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ การยึดติดแบบเปียก การพันเส้นใยแบบต่อเนื่อง และวิธีการประกอบโครงสำเร็จรูป หนึ่งในวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดคือวิธีการยึดติดแบบเปียก ซึ่งมีข้อดีที่โดดเด่น เช่น ความยืดหยุ่นและความสะดวกในการใช้งานจริง ตัวอย่างนี้เลือกใช้วิธีการนี้ ผ้าใยแก้วแบบทิศทางเดียว (Unidirectional) ห่อหุ้มพื้นผิวเสาด้วยกาวผสมเรซิน เพื่อให้ทิศทางของเส้นใยหลักอยู่ในแนวเส้นรอบวงของเสา เสาสามารถห่อหุ้มเสาทั้งหมดด้วยผ้าใยแก้วชั้นเดียวหรือหลายชั้น หรืออาจห่อหุ้มบางส่วนด้วยผ้าใยแก้วที่ขึ้นรูปเป็นวงเกลียวต่อเนื่องหรือวงเว้นระยะห่าง โครงการนี้เลือกใช้ผ้าใยแก้วแบบคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อห่อหุ้มและเสริมความแข็งแรงอย่างสมบูรณ์

การออกแบบเสริมแรง

1 สมมติฐานพื้นฐาน

1) สมมติฐานเกี่ยวกับหน้าตัดเรียบ

2) ไม่มีการลื่นไถลระหว่างผ้าคาร์บอนไฟเบอร์กับคอนกรีต และไม่เกิดความเสียหายจากการลอกล่อน

3) ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ใช้ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้น-ความเครียดแบบยืดหยุ่นเชิงเส้น และสามารถรับแรงดึงได้เท่านั้น

2 จำนวนชั้นของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียว

ในกรณีนี้ จำเป็นต้องพันผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบทิศทางเดียว 3 ชั้นและวางตามแนวความสูงของเสา เมื่อวางผ้า จะต้องเย็บและวางผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แต่ละชั้นสลับกัน

จุดสำคัญของกระบวนการก่อสร้าง FRP

1) หยิบคอนกรีตที่หลุดออก กำจัดสนิมออกจากเหล็กเส้น แล้วเทคอนกรีตกำลังสูง ขั้นแรก หยิบคอนกรีตที่หลุดออกจากเสาเหล็กเสริมด้วยมือ อย่าใช้แรงมากเกินไปเพื่อทำลายคอนกรีตที่มีความหนาแน่นสูง ควรกำจัดสนิมออกจากชิ้นส่วนที่สึกกร่อนของเหล็กเส้นหลักและคานยึด เพื่อเผยให้เห็นความเงางามของโลหะ ซ่อมแซมเหล็กเส้น และทาสีอีพ็อกซี่ จากนั้นเทคอนกรีตกำลังสูงด้วยปูนยาแนว เขย่าและอัดให้แน่น

2) การยาแนวรอยแตกร้าวใช้การอัดแรงดันทางเคมีเพื่ออุดรอยแตกร้าวบนพื้นผิวเสา ขั้นแรก อุดรอยแตกร้าวด้วยปูนอีพ็อกซีเพื่อให้เกิดวงปิด หัวฉีดยาแนวจะถูกฝังไว้ และอัดแรงดันผ่านหัวฉีดยาแนวเพื่อปิดผนึกรอยแตกร้าว

3) เปลี่ยนวิธีการรักษารูปทรงหน้าตัดของเสาสี่เหลี่ยม มุมของเสาเดิมจะถูกลบมุม และใช้ปูนซีเมนต์ที่ขยายตัวเพื่อปรับระดับและซ่อมแซม

4) การเคลือบผิว ขัดผิวคอนกรีตเสาด้วยล้อเจียรเพื่อขจัดคราบน้ำมันและคราบน้ำมันที่หลุดร่อนออกบนพื้นผิวจนกระทั่งพื้นผิวคอนกรีตใหม่หลุดออกหมด และกำจัดฝุ่นผงที่ลอยอยู่บนผิวด้วยลมอัด หลังจากทำให้เปียกแล้ว ให้ทาปูนซีเมนต์แบบขยายตัวให้เป็นรูปวงรี

5) ทาเรซินฐานและผสมให้เข้ากันตามคำแนะนำของผลิตภัณฑ์ จากนั้นใช้แปรงลูกกลิ้งทาให้ทั่วพื้นผิวคอนกรีตเสา

6) การติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ หลังจากเกลี่ยกาวโครงสร้างให้ทั่วแล้ว ให้รีบติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ตัดแล้วให้เข้าที่ และบีบฟองอากาศออกเพื่อให้ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ยึดเกาะกับพื้นผิวคอนกรีตอย่างแน่นหนา ควรระมัดระวังเพื่อให้แน่ใจว่ารอยต่อแน่นหนา มิฉะนั้นความแข็งแรงของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์จะไม่สามารถใช้งานได้อย่างเต็มที่ เมื่อติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แต่ละชั้นควรเย็บแบบสลับกัน

7) การเคลือบผิวและติดผ้าคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเวลาอย่างน้อย 8 ชั่วโมง ให้ทาเรซินฐานลงบนพื้นผิวผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ และเช็ดให้แห้งด้วยปูนซีเมนต์เป็นพื้นผิว

บทสรุป

การก่อสร้างเสริมเหล็กของโครงการแล้วเสร็จในเดือนกันยายน พ.ศ. 2550 หลังจากใช้งานไปมากกว่า 1 ปี ไม่พบสิ่งผิดปกติในส่วนของการเสริมเหล็ก แสดงให้เห็นว่าการใช้ FRP หุ้มเสาคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับเสาเหล็กมีประสิทธิภาพมาก