การเสริมกำลังคลังสินค้า

ภาพรวมโครงการ

โกดังอุตสาหกรรมเกลือแห่งหนึ่งในเมืองฉงจั่ว มณฑลกว่างซี เป็นอาคารโครงสร้างแบบโครงชั้นเดียว มีช่วงกว้าง 15 เมตร หลังคาเดิมเป็นหลังคาแบบไม่มีคานยึด จำเป็นต้องเปลี่ยนการใช้งานหลังคา หลังจากคำนวณโครงสร้างแล้ว พบว่าคานโครงมีความแข็งแรงน้อยเกินไป ทำให้คานหลังคาเดิมรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นไม่ได้ จึงจำเป็นต้องเสริมความแข็งแรง

การเปรียบเทียบและการเลือกใช้เทคโนโลยีการเสริมแรงโครงสร้าง

ขึ้นอยู่กับสถานการณ์จริงของโครงการ สามารถเลือกวิธีการเสริมแรงแบบดั้งเดิมได้หลายวิธี เช่น วิธีการเสริมแรงแบบขยายส่วน วิธีการเสริมแรงด้วยเหล็กภายนอก และวิธีการเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ วิธีการเสริมแรงแบบขยายส่วนนี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่าวิธีการเสริมแรงด้วยคอนกรีตภายนอก ซึ่งส่วนใหญ่จะขยายและยกส่วนคานและเสาให้สูงขึ้นเพื่อรองรับการเสริมแรงใหม่ วิธีการเสริมแรงแบบขยายส่วนนี้มีประสิทธิภาพในการเสริมความแข็งแรงโครงสร้าง แต่จะเพิ่มปริมาตรและน้ำหนักของโครงสร้าง ส่งผลให้เกิดคานและเสาที่มีน้ำหนักมาก นอกจากนี้ ยังมีขั้นตอนการก่อสร้างมากมาย ระยะเวลาการก่อสร้างที่ยาวนาน และเครื่องจักรจำนวนมาก ซึ่งต้องใช้พื้นที่ก่อสร้างและพื้นที่ก่อสร้างขนาดใหญ่ วิธีการเสริมแรงด้วยเหล็กภายนอกยังเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าวิธีการเสริมแรงด้วยเหล็กแท่ง (stick steel reinforcement method) วิธีการเสริมความแข็งแรงด้วยแผ่นเหล็กแท่ง (stick steel plate) มีประสิทธิภาพดีกว่า แต่กระบวนการก่อสร้างค่อนข้างซับซ้อน นอกจากนี้ กระบวนการก่อสร้างยังต้องการความเรียบสูงระหว่างชั้นฐานโครงสร้างและแผ่นเหล็ก ทำให้แผ่นเหล็กมีความแข็งแรงและใช้งานยาก เมื่อนำแผ่นเหล็กมาติดกาว แผ่นเหล็กจะเกิดการกลวงได้ง่ายและไม่ทนต่อการกัดกร่อน จึงต้องป้องกันสนิมอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นการใช้วิธีการเสริมแรงแบบดั้งเดิมดังกล่าวข้างต้นจึงอาจมีข้อจำกัดต่างๆ ในการใช้งานจริง

วิธีการเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนคือการใช้วัสดุยึดติดสูตรพิเศษที่จับคู่กันเพื่อยึดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ที่ประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องที่มีความแข็งแรงสูงหรือโมดูลัสยืดหยุ่นสูงเข้าด้วยกันเป็นมัดแบบทางเดียวหรือหลายทิศทางตามแนวซี่โครงรับแรงบนพื้นผิวรับแรงดึงของโครงสร้าง หลังจากวัสดุยึดติดแข็งตัวแล้ว จะมีการประสานเข้ากับโครงสร้างเดิมโดยการเสียรูปเพื่อสร้างโครงสร้างคอมโพสิตรับแรงใหม่ เพื่อให้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์และโครงสร้างเดิมรับแรงดึงเข้าด้วยกัน ความต้านทานแรงดึงของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ความแข็งแรงสูงสามารถสูงถึง 3400 นิวตัน/ตร.มม. ซึ่งสูงกว่าเหล็กในโครงสร้างเดียวกันถึง 8-10 เท่า และโมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ระหว่าง 2.35×105 นิวตัน/ตร.มม. ถึง 3.8×105 นิวตัน/ตร.มม. ซึ่งสูงกว่าเหล็กเส้นเล็กน้อย และอัตราการยืดตัวของเส้นใยคาร์บอนความแข็งแรงสูงจะน้อยกว่าเหล็กเส้นเมื่ออยู่ภายใต้แรงดึง ดังนั้นเมื่อโครงสร้างอยู่ภายใต้แรงดึง โครงสร้างจะได้รับแรงดึงก่อน เมื่อน้ำหนักบรรทุกเพิ่มขึ้นทีละน้อย การเสียรูปของทั้งสองส่วนจะประสานกัน และแรงจะถูกแบ่งปันและกระจายไปตามสัดส่วนที่กำหนด ประสิทธิภาพการทำงานกับเหล็กเส้นนั้นดีมาก เนื่องจากวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์เสริมแรงมีแรงดึงร่วมกันบางส่วน จึงช่วยลดแรงดึงของเหล็กเส้นโครงสร้างเดิมได้อย่างมาก โครงสร้างจึงแข็งแรงขึ้น และเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนัก นอกจากนี้ คาร์บอนไฟเบอร์ยังมีน้ำหนักเบาและนุ่ม ติดตั้งง่าย ไม่ต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่หรือวิธีการยึดอื่นๆ น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของโครงสร้างหลังการเสริมแรงแทบจะไม่มีนัยสำคัญ มีความแข็งแรงทนทานต่อความล้าสูง ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี ทำให้งานเสริมแรงเสร็จสิ้นได้ในเวลาอันสั้น 

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว มีการตัดสินใจที่จะใช้คาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เพื่อการเสริมแรง

การประยุกต์ใช้การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

โครงสร้างเสริมคาน-แผ่น 1 ชิ้น

(1) การเสริมแรงป้องกันการดัด แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกติดไว้ด้านที่รับแรงดึง ได้แก่ ส่วนล่างของคาน ส่วนกลางของคาน และส่วนบนของแผ่นต่อเนื่อง คานต่อเนื่อง แผ่นคานยื่น และส่วนรองรับอื่นๆ แล้วติดตามทิศทางของซี่โครงรับแรง

(2) การเสริมแรงเฉือน ตำแหน่งการเสริมแรงมักจะอยู่ที่ปลายคาน ซึ่งเป็นบริเวณที่มีแรงดึงหลักสูง และมีคานรองหรือแรงกระจุกตัวอยู่ เมื่อเสริมแรง ให้ติดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ในแนวตั้งทั้งสองด้านของคาน หรือทำห่วงรูปตัว U ไว้กับส่วนล่างของคาน ซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มเหล็กเสริมแรงเฉือนเพื่อแบ่งเบาแรงเฉือนจากเหล็กเสริมแรงเดิม

2 การเสริมเสา

(1) การเสริมแรงดัดของเสา เสาอัดแบบนอกรีตถูกยึดด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามแนวแกนตามยาวของแกนเสาที่ด้านข้างของส่วนโค้งรับแรงดึง ซึ่งสามารถเสริมแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

(2) การเสริมแรงอัดของเสา ส่วนกลางของเสาถูกหุ้มด้วยวงแหวนขวางที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อสร้างเอฟเฟกต์จำกัดแรงอัดบนพื้นที่อัด เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับแรงอัดของเสาและลดค่าสัมประสิทธิ์การโก่งงอของเสา การทดลองที่เกี่ยวข้องได้พิสูจน์แล้วว่าความสามารถในการรับแรงอัดของเสาคอนกรีตสามารถปรับปรุงได้ในระดับที่แตกต่างกันโดยการใช้แผ่น CFRP ที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันสำหรับการเสริมแรง

(3) การเสริมแรงเฉือนและแรงแผ่นดินไหวของเสา ภายใต้แรงด้านข้าง โมเมนต์ดัดและแรงเฉือนที่ปลายเสาจะมีขนาดใหญ่มาก หากทำการยึดเสาตามแนวยาวและพันวงแหวนพร้อมกัน จะสามารถปรับปรุงความต้านทานแรงเฉือนด้านข้างของเสาได้ และเพิ่มความยืดหยุ่นของเสาได้อย่างมีนัยสำคัญ เพิ่มความสามารถในการกระจายพลังงานแบบฮิสทีเรีย และเพิ่มประสิทธิภาพในการป้องกันแผ่นดินไหวได้อย่างมีนัยสำคัญ

3 การเสริมแรงผนังรับแรงเฉือน วางแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ตามทิศทางการเสริมแรงเฉือนที่ด้านใดด้านหนึ่งหรือทั้งสองด้านของผนังรับแรงเฉือน

4 การเสริมความแข็งแรงโครงสร้างก่ออิฐ ใช้แผ่น CFRP เพื่อเสริมความแข็งแรงโครงสร้างก่ออิฐทั้งในแนวนอนและแนวทแยง ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพในการป้องกันแผ่นดินไหวได้

นอกจากนี้การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ยังสามารถนำไปใช้ในงานวิศวกรรมโยธาอื่นๆ ได้อย่างกว้างขวาง เช่น สะพาน อุโมงค์ ปล่องไฟ และไซโล

โดยสรุป การเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ถือเป็นวิธีการเสริมโครงสร้างที่เชื่อถือได้และสะดวก และยังมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ที่กว้างขวางมาก