การเสริมความแข็งแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

1. ภาพรวมโครงการ

โครงการ Zhuanghe Xintiandi Commercial City ประกอบด้วยอาคารสามชั้นเหนือพื้นดิน พื้นที่ก่อสร้าง 49,606 ตารางเมตร โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก เริ่มออกแบบในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2549 และเริ่มก่อสร้างในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2550 การก่อสร้างโครงสร้างหลักแล้วเสร็จในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2550 ในเดือนตุลาคม พ.ศ. 2550 ระหว่างกระบวนการส่งเสริมการลงทุน เจ้าของโครงการได้ปรับเปลี่ยนรูปแบบการใช้งาน โดยพื้นที่ใช้งานบนชั้นสามประมาณ 5,000 ตารางเมตร เพิ่มขึ้นจากเดิมที่ออกแบบไว้ 5KN/m2 เป็น 7KN/m2. 

หลังจากตรวจสอบและคำนวณโดยหน่วยออกแบบเดิมแล้ว พบว่าฐานรากและเสามีความสามารถในการรับน้ำหนักเพียงพอ ส่วนคานและพื้นมีความสามารถในการดัดและเฉือนไม่เพียงพอ จึงจำเป็นต้องเสริมเหล็ก. 

ภายหลังการหารือและวิจัยโดยทุกฝ่ายที่เกี่ยวข้องกับโครงการ จึงได้ตัดสินใจใช้เทคโนโลยีเสริมความแข็งแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับคานและพื้นของชั้นสองเดิมในพื้นที่ขนาดใหญ่

2. ประสิทธิภาพของวัสดุ

คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงสูงสุดในบรรดาวัสดุวิศวกรรมที่รู้จักในโลก และมีความโดดเด่นเป็นพิเศษคือมีความต้านทานแรงดึงและโมดูลัสยืดหยุ่นสูงมาก ความถ่วงจำเพาะของผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทำจากวัสดุคอมโพสิตลดลงเหลือเพียงหนึ่งในห้าของเหล็ก คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบามากและในขณะเดียวกันก็เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม คาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ในงานวิศวกรรมทำจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ความบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบ ผ่านกระบวนการพิเศษ เช่น การคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิสูง เส้นใยคาร์บอนจะถูกนำไปผ่านกระบวนการพิเศษต่างๆ เช่น การคาร์บอไนเซชันด้วยความร้อนสูง ซึ่งช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวของเส้นใยในปริมาณหนึ่งได้อย่างมาก และเอื้อต่อการเสริมความแข็งแรงให้กับพันธะกับยาง ในระหว่างการก่อสร้าง กาวเรซินจะแทรกซึมเข้าไประหว่างเส้นใยอย่างเต็มที่ เพื่อห่อหุ้มเส้นใยแต่ละเส้นให้แน่นหนา ก่อให้เกิดวัสดุคอมโพสิตที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ดีเยี่ยม การทดสอบพิสูจน์แล้วว่าความแข็งแรงดึงของคาร์บอนไฟเบอร์สามารถสูงถึง 4,500 นิวตัน/มม. และเมื่อขึ้นรูปเป็นวัสดุคอมโพสิตแล้ว ความแข็งแรงจะสูงกว่า 3,500 นิวตัน/มม. ซึ่งสูงกว่าเหล็กโครงสร้างโลหะผสมทั่วไปประมาณ 9 และ 7 เท่า โมดูลัสความยืดหยุ่นของคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตสูงกว่าเหล็กทั่วไปเล็กน้อย และยังมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการเสริมแรงโครงสร้างในพื้นที่ชายฝั่งที่มีปริมาณคลอไรด์ไอออนในอากาศสูง

3. หลักการ

3.1 หลักการทั่วไปของการออกแบบคาร์บอนไฟเบอร์

(1) ในระหว่างการออกแบบ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกแปลงเป็นปริมาณแท่งเหล็กตามความแข็งแรง และส่วนที่สังเคราะห์จะถูกคำนวณตามวิธีเดียวกับการคำนวณการดัดของชิ้นส่วนคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อต้านทานภาระแบบไดนามิกที่เกิดจากแรงภายนอกในการออกแบบและภาระคงที่ที่เพิ่มขึ้นร่วมกัน

(2) ทฤษฎีการคำนวณใช้หลักการสถานะขีดจำกัดในการคำนวณสถานะขีดจำกัดความสามารถในการรับน้ำหนักและสถานะขีดจำกัดความสามารถในการให้บริการ:

(3) คาร์บอนไฟเบอร์ถูกจัดเรียงตามทิศทางของการเสริมแรงหลักในกรณีที่ความแข็งแรงของชิ้นส่วนคอนกรีตเสริมเหล็กไม่เพียงพอ

(4) สามารถใช้ชนิดปิด รูปตัว U หรือติดด้านข้างสำหรับการเสริมแรงเฉือน ทิศทางของเส้นใยควรตั้งฉากกับทิศทางแกน

3.2 สมมติฐานพื้นฐานสำหรับการคำนวณความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดของชิ้นส่วนดัด

(1) ผลกระทบของคอนกรีตในโซนแรงดึงจะถูกละเลย

(2) หลังจากที่คานถูกดัดแล้ว ความเครียดของคอนกรีต เหล็ก และคาร์บอนไฟเบอร์จะสอดคล้องกับสมมติฐานของส่วนแบน

3.3 ข้อกำหนดการก่อสร้างทั่วไป

(1) ควรติดคาร์บอนไฟเบอร์ไว้ที่ขอบล่างของโซนแรงดึงของคาน หากจำเป็นต้องติดไว้ที่ด้านข้างของคาน ควรจำกัดให้อยู่ที่ 1/4 ของความสูงของคาน พื้นที่ของคาร์บอนไฟเบอร์ด้านข้างควรคูณด้วยตัวประกอบ

(2) จำนวนชั้นยึดติดของคาร์บอนไฟเบอร์ไม่ควรเกินห้าชั้น สำหรับคาร์บอนไฟเบอร์หลายชั้น ควรพิจารณาการลดค่าสัมประสิทธิ์การทำงานร่วมกัน การมีชั้นคาร์บอนไฟเบอร์มากเกินไปจะทำให้โครงสร้างคอนกรีตเปราะและแตกหักได้

(3) ผลของการยึดติดแบบแถบและการเสริมแรงของเส้นใยคาร์บอนดีกว่าการยึดติดแบบความกว้างทั้งหมด

(4) ควรยึดวางเส้นใยคาร์บอนอย่างน่าเชื่อถือ และกำหนดความยาวในการยึดโดยการคำนวณ และสามารถเพิ่มสิ่งอำนวยความสะดวกในการยึดเพิ่มเติมเมื่อจำเป็น

(5) ส่วนที่ต่อผ้าใยแก้ว (ต่อยาว) จะมีโครงสร้างแบบซ้อนทับ ความยาวของส่วนที่ซ้อนทับคือความยาวซ้อนทับของผ้าใยแก้วตามทิศทางของเส้นใยไม่น้อยกว่า 150 มม. ปลายผ้าใยแก้วต้องยึดด้วยเส้นใยคาร์บอนตามขวางหรือเหล็กเคลือบ

4. การเปรียบเทียบทางเทคนิคและเศรษฐกิจ

เมื่อเทียบกับวัสดุเสริมแรงชนิดอื่น วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อดีดังต่อไปนี้:

4.1. ความแข็งแรงสูงและประสิทธิภาพสูง ความต้านทานแรงดึงของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สูงกว่า 3500 mMpa ความต้านทานแรงดึงสูงกว่าเหล็กประมาณ 10 เท่า และโมดูลัสแรงดึงความยืดหยุ่นสูงกว่า 2.35 × 105 Mpa ซึ่งใกล้เคียงกับเหล็กเส้น เหมาะสำหรับการเสริมแรงและซ่อมแซมโครงสร้างคอนกรีต ยับยั้งการเกิดรอยแตกร้าว ปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพความแข็งแรงและความเหนียวของคอนกรีต และยืดอายุการใช้งาน.

4.2. ทนทานต่อการกัดกร่อน วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์มีความเสถียรทางเคมีและไม่ทำปฏิกิริยากับกรดและด่าง ดังนั้น ชิ้นส่วนคอนกรีตเสริมเหล็กที่ทำจากวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์จึงมีความทนทานและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี.

4.3. โดยไม่เพิ่มน้ำหนักและปริมาตรของส่วนประกอบ แรงโน้มถ่วงจำเพาะของคาร์บอนไฟเบอร์จะเหลือเพียง 1/4 ของเหล็ก ความหนาน้อยกว่า 0.5 มม. จึงสามารถเสริมแรงได้อย่างแข็งแกร่งโดยไม่เพิ่มน้ำหนักและขนาดหน้าตัดของโครงสร้างเดิม.

4.4. ความต้านทานความล้าที่ดี ความแข็งแรงความล้าของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สูงกว่าลวดความแข็งแรงสูง ภายใต้แรงเค้นแปรผัน ขีดจำกัดความล้าของวัสดุโลหะจะอยู่ที่เพียง 30%-40% ของความแข็งแรงรับแรงสถิต เนื่องจากไฟเบอร์และคอมโพสิตพื้นฐานสามารถช่วยลดการเกิดรอยแตกร้าวและการกระจายแรงภายในของเส้นใย ขีดจำกัดความล้าของวัสดุคอมโพสิตจึงค่อนข้างสูง ประมาณ 70%-80% ของความแข็งแรงรับแรงสถิต และพบสัญญาณการเสียรูปอย่างมีนัยสำคัญก่อนเกิดการแตกหัก

4.5. ใช้งานได้หลากหลาย สามารถนำไปใช้งานได้อย่างแพร่หลายในการเสริมแรงโครงสร้างและการเสริมแรงแผ่นดินไหวของคาน เสา แผ่นพื้น ผนัง และส่วนประกอบอื่นๆ ของอาคารอุตสาหกรรมและอาคารโยธา ทางรถไฟ สะพานทางหลวง อุโมงค์ ทางยกระดับ ปล่องไฟ และโครงสร้างอื่นๆ สามารถใช้เสริมความแข็งแรงให้กับโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น พื้นผิวโค้งและโหนด.

4.6. ก่อสร้างง่าย ในโครงการเสริมแรงด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ กระบวนการก่อสร้างไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรก่อสร้างขนาดใหญ่ และพื้นที่ก่อสร้างมีขนาดเล็ก ไม่ต้องใช้น้ำ และประสิทธิภาพการทำงานสูง.

คานและพื้นบนชั้นสองของอาคารพาณิชย์ Zhuanghe Xintiandi ได้รับการเสริมความแข็งแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อตอบสนองความต้องการของเจ้าของอาคาร ด้วยคุณสมบัติเชิงเศรษฐศาสตร์และทางเทคนิค จึงสามารถนำไปใช้ในโครงการจริงได้อย่างแพร่หลาย.