คาร์บอนไฟเบอร์ได้ผลจริงหรือในการเสริมกำลังเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก

การทดสอบแรงอัดตามแนวแกนแบบเปรียบเทียบ ณ ห้องปฏิบัติการ Horse Construction: ทรงกระบอกคอนกรีตเปลือย เทียบกับการหุ้ม CFRP ตามแนวเส้นรอบวง 1 ชั้นและ 2 ชั้น — น้ำหนักบรรทุกสูงสุด รูปแบบการวิบัติ และหลักการกักรัดที่อยู่เบื้องหลังตัวเลขเหล่านั้น โดยอ้างอิงแนวปฏิบัติการออกแบบ ACI 440.2R

ภาพรวมการทดสอบ

การเสริมกำลังเสาเป็นการใช้งาน CFRP ที่พบบ่อยที่สุดประเภทหนึ่ง — และเป็นประเภทที่ถูกเข้าใจผิดมากที่สุด — ในการปรับปรุงโครงสร้าง เนื่องจากผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แข็งแรงเฉพาะในทิศทางของเส้นใยและไม่รับแรงใด ๆ เมื่อถูกอัด วิศวกรนอกสาขา FRP จึงมักถามคำถามที่สมเหตุสมผลว่า ผ้าบาง ๆ ที่พันรอบเสาจะทำให้เสารับน้ำหนักได้มากขึ้นได้อย่างไร

เพื่อตอบคำถามนี้ด้วยข้อมูลแทนทฤษฎี ห้องปฏิบัติการ Horse Construction จึงทำการทดสอบแรงอัดตามแนวแกนแบบเปรียบเทียบบนชิ้นทดสอบคอนกรีตที่เป็นตัวแทนชิ้นส่วนโครงสร้างรับน้ำหนักตามแนวแกน โดยทดสอบสามกลุ่ม:

กลุ่มควบคุม — คอนกรีตเปลือย (ไม่เสริมกำลัง);

กลุ่มหนึ่งชั้น — คอนกรีตที่หุ้มด้วย CFRP ตามแนวเส้นรอบวงหนึ่งชั้น;

กลุ่มสองชั้น — คอนกรีตที่หุ้มด้วย CFRP ตามแนวเส้นรอบวงสองชั้น

เป้าหมายคือทำให้ผลของการกักรัดจากผ้าหุ้ม CFRP ตามแนวเส้นรอบวงมองเห็นได้โดยตรง ทั้งผลต่อกำลังรับน้ำหนัก การเปลี่ยนรูป พฤติกรรมการแตกร้าว และกำลังรับแรงอัดสูงสุด

การติดตั้งการทดสอบและการเตรียมชิ้นทดสอบ

ใช้ชิ้นทดสอบคอนกรีตรูปทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 150 มม. และสูง 450 มม. ให้สัดส่วนความสูงต่อเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับ 3 — รูปแบบเสาสั้นที่แยกพฤติกรรมของวัสดุและการกักรัดออกจากผลของความชะลูดโดยรวม

สำหรับกลุ่มที่เสริมกำลัง ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ถูกตัดตามข้อกำหนดโดยมีความยาวทาบตามแนวเส้นรอบวงเพียงพอ สอดคล้องกับแนวปฏิบัติมาตรฐานในการติดตั้ง FRP (ความต่อเนื่องของการทาบคือสิ่งที่ทำให้ผ้าหุ้มทำงานเป็นห่วงปิดแทนที่จะเป็นแถบเปิด) กาวอีพอกซีสำหรับชุบเส้นใยที่เข้ากันได้รับการจัดเตรียมและทาอย่างสม่ำเสมอ โดยรีดฟองอากาศออกในทิศทางเดียวเพื่อหลีกเลี่ยงบริเวณที่มีเรซินมากเกินไปหรือบริเวณแห้ง ในกรณีที่ต้องทาชั้นที่สอง จะทาเมื่อชั้นแรกแห้งไม่ติดมือแล้วเท่านั้น — ซึ่งเป็นจังหวะเวลาระหว่างชั้นเดียวกับที่ต้องใช้ในหน้างานจริง

หลังการบ่มเต็มที่ ชิ้นทดสอบทั้งหมดถูกทดสอบรับแรงอัดตามแนวแกนด้วยอัตราการให้แรงคงที่ โดยบันทึกการตอบสนองทั้งหมด — ตั้งแต่การแตกร้าวเริ่มต้นและการเปลี่ยนรูปจนถึงการวิบัติสุดท้าย — สำหรับทุกกลุ่ม

ผลการทดสอบแรงอัด

คอนกรีตเปลือย (กลุ่มควบคุม)

CFRP หนึ่งชั้น

CFRP สองชั้น

*กำลัง = น้ำหนักบรรทุกสูงสุด ÷ พื้นที่หน้าตัดรวม (π × 75² = 17,671 มม²)

กระบวนการวิบัติแตกต่างกันพอ ๆ กับตัวเลข ชิ้นทดสอบคอนกรีตเปลือยแสดงขีดจำกัดของตนตั้งแต่เนิ่น ๆ: รอยร้าวแนวดิ่งเกิดขึ้น ผิวหลุดร่อน และทรงกระบอกถูกบดขยี้อย่างเปราะเมื่อแกนกลางที่ไม่ถูกกักรัดไม่สามารถรับน้ำหนักได้อีก ส่วนชิ้นทดสอบที่หุ้มมีพฤติกรรมต่างออกไปตั้งแต่รอยร้าวแรก — เกิดเสียงแตกร้าวภายในคอนกรีต แต่ปลอก CFRP ยึดหน้าตัดให้อยู่ในสภาพเดิม การขยายตัวด้านข้างถูกจำกัด และชิ้นทดสอบยังคงรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นต่อเนื่องไกลเกินขีดจำกัดของกลุ่มควบคุม การวิบัติของชิ้นทดสอบที่หุ้มเกิดขึ้นเมื่อผ้าคาร์บอนเองฉีกขาดในแนวเส้นรอบวงเท่านั้น — การฉีกขาดที่ดังกะทันหันอันเป็นลักษณะเฉพาะของปลอกกักรัดที่ถูกยืดจนถึงขีดจำกัดแล้ว

ตัวเลขบอกอะไร

มีสองผลลัพธ์ที่ควรค่าแก่การพิจารณา:

การกักรัดได้ผล และเพิ่มขึ้นตามจำนวนชั้น CFRP หนึ่งชั้นเพิ่มกำลังรับแรงอัดขึ้น 24% ชั้นที่สองดันให้เพิ่มขึ้นถึง 93% ประสิทธิภาพการกักรัดเพิ่มขึ้นตามความแข็งเกร็งของปลอก — เส้นใยตามแนวเส้นรอบวงที่มากขึ้นหมายถึงแรงยึดด้านข้างต่อหน่วยการขยายตัวของคอนกรีตที่มากขึ้น

ผ้าไม่ได้รับน้ำหนักในแนวดิ่งเลย — แต่ก็ยังทำงานของมัน แรงตามแนวแกนทั้งหมดถูกรับโดยแกนคอนกรีต CFRP ทำหน้าที่เพียงเป็นตัวจำกัดการเปลี่ยนรูปด้านข้างของคอนกรีต แต่กลับทำให้กำลังรับน้ำหนักเพิ่มขึ้นเกือบสองเท่าเมื่อหุ้มสองชั้น นี่คือกลไกสำคัญของการเสริมกำลังเสาด้วย FRP

หลักการเบื้องหลัง: การกักรัดแบบพาสซีฟ

ภายใต้แรงอัดตามแนวแกน คอนกรีตไม่ได้เพียงหดสั้นลง แต่ยังขยายตัวด้านข้างด้วย หากไม่ถูกจำกัด การขยายตัวนี้จะเปิดรอยร้าวแนวดิ่ง แยกเปลือกหุ้มคอนกรีตออก และกระตุ้นการบดขยี้อย่างเปราะที่กำลังตามแนวแกนเดียวของคอนกรีต

ปลอก FRP ตามแนวเส้นรอบวงเปลี่ยนกลไกนั้น เมื่อคอนกรีตพยายามขยายตัว มันจะดึงปลอกให้ยืดในแนวเส้นรอบวง ปลอกซึ่งมีความแข็งเกร็งและกำลังรับแรงดึงสูงมากจะดันกลับด้วยแรงกักรัดด้านข้าง แกนคอนกรีตจึงเข้าสู่สภาวะความเค้นอัดสามแกน — และคอนกรีตที่ถูกกักรัดสามแกนสามารถรับความเค้นตามแนวแกนที่สูงกว่ามากและความเครียดตามแนวแกนที่มากกว่ามากก่อนวิบัติ

นี่คือพื้นฐานของแบบจำลองการออกแบบที่ใช้กันทั่วโลก ACI 440.2R ซึ่งเป็นคู่มือหลักสำหรับระบบ FRP ที่ติดภายนอก ประเมินกำลังรับแรงอัดแบบกักรัดของคอนกรีตทรงกลมด้วยแบบจำลองประเภท Lam-and-Teng ซึ่งกำลังที่ถูกกักรัดเพิ่มขึ้นตามแรงกักรัดที่ปลอกให้ ส่วนจดหมายข่าว fib ก็ใช้ทฤษฎีคอนกรีตที่ถูกกักรัดเช่นเดียวกัน มีรายละเอียดการออกแบบสองข้อที่ควรทราบ:

ปลอกเป็นแบบพาสซีฟ มันไม่ทำอะไรเลยจนกว่าคอนกรีตจะขยายตัว การมีส่วนร่วมของมันถูกกระตุ้นด้วยการเปลี่ยนรูป — นี่คือเหตุผลที่การกักรัดเพิ่มความเหนียวได้ชัดเจนกว่ากำลังมาก และเป็นเหตุผลที่การสาธิตนี้แสดงการเปลี่ยนพฤติกรรม ไม่ใช่แค่ตัวเลขที่สูงขึ้น

ความเครียดที่จุดฉีกขาดเป็นตัวกำหนด ปลอกทำงานได้เพียงถึงจุดฉีกขาดในแนวเส้นรอบวง ดังนั้นคู่มือการออกแบบจึงจำกัดความเครียดรอบวงที่มีประสิทธิผลให้ต่ำกว่าความเครียดดึงสูงสุดของวัสดุ โดยคำนึงถึงสภาวะความเค้นหลายแกนในเส้นใยที่โค้งงอ ความโค้งที่เส้นรอบหน้าตัด และค่าความคลาดเคลื่อนในการติดตั้ง

สิ่งนี้หมายความอย่างไรกับเสาจริง

เมื่อแปลจากห้องปฏิบัติการสู่โครงสร้างจริง การหุ้ม CFRP ตามแนวเส้นรอบวงให้สามสิ่งที่มีความสำคัญต่อวิศวกรผู้ปฏิบัติงาน:

กำลังรับแรงตามแนวแกนสำหรับเสาที่น้ำหนักเพิ่มขึ้น — การต่อเติมชั้น การเปลี่ยนการใช้งาน เครื่องจักรที่หนักขึ้น — โดยไม่ต้องขยายหน้าตัดหรือเพิ่มน้ำหนักอย่างมีนัยสำคัญ;

ความเหนียว ซึ่งเป็นสมบัติที่กำหนดว่าเสาที่รับน้ำหนักเกินจะเสื่อมสภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไปหรือวิบัติอย่างเปราะและกะทันหัน ในพื้นที่เสี่ยงแผ่นดินไหว นี่มักเป็นเหตุผลหลักที่ต้องหุ้มเสา;

กำลังต้านแรงเฉือน เนื่องจากปลอกรอบวงเดียวกันที่กักรัดแกนกลางยังจำกัดรอยร้าวเฉือนทแยงที่กำหนดการวิบัติจากแรงเฉือนของเสาด้วย

ข้อชี้แจงหนึ่งสำหรับผู้จัดทำข้อกำหนด: การหุ้มตามแนวเส้นรอบวงเป็นมาตรการกักรัดและต้านแรงเฉือน การเสริมกำลังรับโมเมนต์ดัดของเสา — หากนั่นคือสิ่งที่ต้องการ — ต้องใช้เส้นใยตามยาว ซึ่งเป็นรายละเอียดที่แตกต่างเพื่อวัตถุประสงค์ที่แตกต่าง

ขอบเขตของการสาธิต

การเปรียบเทียบในห้องปฏิบัติการเป็นการสาธิตกลไก ไม่ใช่สิ่งทดแทนการออกแบบ ขอบเขตอย่างตรงไปตรงมาของการทดสอบนี้:

ชิ้นทดสอบขนาด 150 × 450 มม. เป็นเสาสั้น เสาจริงต้องตรวจสอบเพิ่มเติมด้านความชะลูดและผลอันดับสอง ซึ่งการกักรัดไม่ได้แก้ไข

ประสิทธิภาพการกักรัดสูงที่สุดในหน้าตัดทรงกลม เสาสี่เหลี่ยมจะถูกกักรัดได้อย่างมีประสิทธิผลหลังการลบมุมเท่านั้น และความต้องการปลอกคำนวณต่างออกไปตาม ACI 440.2R

การทดสอบใช้การให้แรงแบบเพิ่มค่าเดียว ประโยชน์ด้านความเหนียวที่ทำให้ปลอก FRP มีคุณค่าในการปรับปรุงเพื่อต้านแผ่นดินไหว ตรวจสอบได้ดีที่สุดภายใต้การให้แรงแบบวัฏจักรกลับทิศ

กำลังรับน้ำหนักออกแบบในโครงการจริงต้องมาจากการคำนวณเฉพาะโครงการด้วยสมบัติที่ผ่านการรับรองของวัสดุจริง — เปอร์เซ็นต์ข้างต้นอธิบายชิ้นทดสอบเหล่านี้ ไม่ใช่ตัวคูณที่รับประกันสำหรับเสาใด ๆ

บทสรุป

แล้วคาร์บอนไฟเบอร์ได้ผลหรือไม่ในการเสริมกำลังเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก การทดสอบแรงอัดให้คำตอบที่เป็นรูปธรรม: เมื่อหุ้มตามแนวเส้นรอบวง CFRP หนึ่งชั้นเพิ่มกำลังรับแรงอัดของชิ้นทดสอบขึ้น 24% และสองชั้นเพิ่มขึ้น 93% พร้อมทั้งเปลี่ยนรูปแบบการวิบัติจากการบดขยี้อย่างเปราะเป็นการตอบสนองแบบเหนียวที่ถูกจำกัดไว้ ผ้าไม่ได้รับน้ำหนักตามแนวแกนเอง หน้าที่ของมันคือยึดคอนกรีตให้อยู่ด้วยกัน — และจากการทดสอบแสดงให้เห็น มันทำหน้าที่นั้นได้ดีอย่างน่าทึ่ง

https://www.youtube.com/shorts/wqpDzn-foTU

มีโครงการคล้ายกันหรือไม่? พูดคุยกับเรา

Horse Construction เป็นผู้ผลิตวัสดุเสริมกำลังโครงสร้างจากเซี่ยงไฮ้ มีสองสายผลิตภัณฑ์ที่ครบถ้วนซึ่งได้รับความไว้วางใจในโครงการกว่า 100 ประเทศ — และมีห้องปฏิบัติการของตนเองที่ระบบอย่างข้างต้นถูกทดสอบก่อนส่งถึงหน้างานของคุณ:

ระบบคาร์บอนไฟเบอร์ — ผ้า CFRP, แผ่นลามิเนต CFRP, ระบบแผ่นลามิเนต CFRP อัดแรงล่วงหน้า, เหล็กเส้นและลวดอัดแรงคาร์บอน พร้อมอีพอกซีสำหรับชุบเส้นใยที่เข้ากัน;

กาวโครงสร้าง — กาวติดเหล็ก กาวฝังเหล็กเส้น กาวอัดฉีดและเทรอยร้าว และกาวสำหรับรอยต่อแผ่น

หากโครงการของคุณเกี่ยวข้องกับการเสริมกำลังเสา การปรับปรุงเพื่อต้านแผ่นดินไหว หรืองานในลักษณะเดียวกัน ติดต่อเราได้ — เราจะทำทุกอย่างเท่าที่ทำได้เพื่อสนับสนุนคุณ ตั้งแต่การเลือกวัสดุและข้อมูลการทดสอบจนถึงการส่งมอบตรงเวลา