Transcript Presentation ดร.กิตติภูมิ รอดสิน#1

Repair of Concrete Structures by Carbon
Fiber Method
Asst. Prof Dr. Kittipoom Rodsin
King Mongkut’s University of Technology North Bangkok
What is FRP ?
Fiber reinforced polymer นำเส้นใยโพลีเมอร์ มำถักทอกันอย่ำงเป็ นระบบ
กำรเสริ มกำลังด้วยวัสดุเสริ มเส้นใย มีพ้นื ฐำนของวัสดุอยู่ 3 ประเภทหลักๆ ได้แก่
1. คำร์บอน (Carbon) เรี ยกว่ำ CFRP
2. อะรำมิด (Aramid) เรี ยกว่ำ AFRP
3. แก้ว (Glass)
เรี ยกว่ำ GFRP
โดยวัสดุท้ งั สำมมีคุณสมบัติทำงด้ำนกำลัง
ควำมคงทน และรำคำแตกต่ำงกันขึ้นอยูก่ บั
วัตถุประสงค์กำรใช้งำน
• เส้ นใยที่ใช้ นิยมใช้ ในการเสริมกาลังมี เส้ นใยคาร์ บอน เส้ นใยแก้ ว เส้ นใยอะ
รามิด
“ความสัมพันธ์ ระหว่ างความเค้ นและเครี ยดของเส้ นใยชนิดต่ าง ๆ”
รูปแบบของ CFRP
SHEET
ข้อดี
1. มีน้ ำหนักเบำเมื่อเทียบกับขนำด
2. ติดตั้งง่ำย
3. ทนทำนต่อสภำพแวดล้อม
PLATE
ROD
ข้อเสี ย
1. มีรำคำแพง
2. ไม่ทนไฟ
3. ต้องใช้ผชู้ ำนำญกำรในกำรติดตั้ง
Strengthening Method
Material Properties & Design Concepts
Stress
35000 ksc
Design Stress Limit for
CFRP(strain = 0.004)
4000 ksc
Strain
รู ปแบบกำรวิบตั ิของคำนที่เสริ ม FRP
กำรเสี ยรู ปที่ไม่สอดคล้องกันระหว่ำงแผ่นคำร์บอนไฟเบอร์กบั คำนคสล.
แนวทางป้องกันการหลุดลอกของ FRP
1. ทำกำรยึดปลำยแผ่นโดยใช้น็อตยึดหรื อใช้ FRP Sheet พันที่ปลำยเป็ นรู ปตัว U
2. ใช้กำว Epoxy ที่มีควำมยืดหยุน่ ตัวสูง
3. ปลำยแผ่น FRP ควรหยุดให้ใกล้เสำหรื อที่รองรับอื่นๆให้มำกที่สุด
การออกแบบเสริมกาลังด้ วย CFRP เบือ้ งต้ น
Design
Guideline
STEP 1 ลดกำลังของ FRP ที่ใช้สำหรับกำรออกแบบ
STEP 2 วิเครำะห์หน้ำตัดที่เสริ มกำลังด้วย FRP
• กำรวิเครำะห์หน้ำตัดรับแรงดัดจะคำนวณตำมวิธีที่แนะนำโดย ACI440.2 R08 :
Guide for design and construction of externally bonded FRP systems for
strengthening concrete structures
• กำรวิเครำะห์จะใช้พ้ืนฐำนของวิธีกำลังตำมมำตรฐำน ACI318-08
• นัน่ คือ
𝑅𝑢 ≤ ∅𝑅𝑁
เมื่อ 𝑅𝑢 คือ แรงประลัย
𝑅𝑁 คือ กำลังของหน้ำตัด และ
∅ คือ ตัวคูณลดกำลัง
STEP 3 ตรวจสอบ Debonding Strain
• ต้องตรวจสอบควำมเครี ยดใน FRP ไม่ให้มีค่ำสู งมำก เนื่องจำกจะทำให้เกิดกำร
หลุดลอก (Delimitation) ได้
• นัน่ คือ
𝜀𝑓𝑒 ≤ 𝜀𝑓𝑑
เมื่อ 𝜀𝑓𝑒 คือ Effective Strain ใน FRP ที่เกิดจำก
น้ ำหนักบรรทุกประลัย
และ 𝜀𝑓𝑑 คือ Debonding Strain ของ FRP
การออกแบบองค์ อาคารต้ านทานแรงดัด
𝑇𝑠 = 𝐴𝑠 𝜀𝑠 𝐸𝑠
𝑇𝑓𝑟𝑝 = 𝐴𝑓 𝜀𝑓𝑒 𝐸𝑓
𝑀𝑛 = 𝐴𝑠 𝑓𝑠 𝑑 −
𝑎
2
+ 0.85𝐴𝑓 𝐸𝑓 𝜀𝑓𝑑
ℎ
𝑎
−
2
𝜀𝑠 = 𝜀𝑓𝑒 + 𝜀𝑏𝑖
𝑑−𝑐
≤ 𝜀𝑦
ℎ−𝑐
𝑓𝑠 = 𝐸𝑠 𝜀𝑠 ≤ 𝑓𝑦
𝐴𝑠 𝑓𝑠 + 𝐴𝑓 𝑓𝑓𝑒
𝑐=
0.85𝑓′𝑐 𝛽1 𝑏
𝑇𝑠 = 𝐴𝑠 𝜀𝑠 𝐸𝑠
𝑇𝑓𝑟𝑝 = 𝐴𝑓 𝜀𝑓𝑒 𝐸𝑓
สมกำรออกแบบ
ต้องทำกำรตรวจสอบ
เมื่อ ∅ = 0.9
= 0.85
𝜀𝑓𝑒
ℎ−𝑐
= 0.003
− 𝜀𝑏𝑖 ≤ 𝜀𝑓𝑑
𝑐
โดยค่ำ ควำมเครี ยดคงค้ำง (Dead Load Strain) คำนวณจำก
𝜀𝑏𝑖
𝑀𝐷𝐿 ℎ − 𝑘𝑑
=
𝐼𝑐𝑟 𝐸𝑐
การออกแบบองค์ อาคารต้ านทานแรงเฉือน
1. ทำได้โดยกำรติดแผ่น FRP ที่ขำ้ งคำน
2. พัน FRP Sheet ข้ำงคำนในลักษณะ
U-Jacket
Bonded two
sides only
U-Jacket
𝛽
Vertical and Inclined Stripe
Continuous Sheet
กำรวิบตั ิที่เกิดจำกกำรหลุดของ FRP
กำรออกแบบองค์อำคำรต้ำนทำนแรงเฉือน
สมกำรออกแบบแรงเฉื อน
∅ = 0.85
เมื่อ 𝑉𝑛 คือ กำลังต้ำนทำนแรงเฉื อนขององค์อำคำร
𝑉𝑢 คือ แรงเฉื อนประลัย
มำตรฐำน ACI440 กำหนดให้ตำ้ นทำนแรงเฉื อน มำจำก
= 0.95
full wrapped
= 0.85
U/2 sides- wrapped
เมื่อ 𝑉𝑐 คือ กำลังต้ำนทำนแรงเฉื อนจำกคอนกรี ตล้วน
𝑉𝑠 คือ กำลังต้ำนทำนแรงเฉื อนจำกเหล็กเสริ มรับแรงเฉื อน
𝑉𝑓 คือ กำลังต้ำนทำนแรงเฉื อนจำก FRP
กำรออกแบบองค์อำคำรต้ำนทำนแรงเฉือน
𝑓′𝑐 𝑏𝑤 𝑑
6
กำลังของคอนกรี ตล้วน
𝑉𝑐 =
กำลังของคอนกรี ตล้วน
𝐴𝑣 𝑓𝑦 sin 𝛼 + cos 𝛼 𝑑
𝑉𝑠 =
𝑠
กำลังของ FRP
𝐴𝑓𝑣 𝑓𝑓𝑒 sin 𝛽 + cos 𝛽 𝑑𝑓
𝑉𝑓 =
𝑠𝑓
เมื่อ 𝐴𝑓𝑣 = 𝑛 2𝑡𝑓 𝑤𝑓
และ 𝑓𝑓𝑒 = 𝜀𝑓𝑒 𝐸𝑓
Effective Strain
มำตรฐำน ACI ควบคุมมิให้ Effective Strain มีค่ำมำกเกินไป
Full wrapped
3/2 sides-wrapped
เมื่อ
3 sides
และ
2 sides
กำรออกแบบองค์อำคำรต้ำนทำนแรงเฉือน
ระยะเรี ยงของ FRP 𝑆𝑓 กำหนดโดย ACI440 ดังนี้
ถ้ำ 𝑉𝑛 − 𝑉𝑐 ≤ 1/6 𝑓′𝑐 𝑏𝑤 𝑑 แล้ว 𝑠𝑚𝑎𝑥 = 𝑑 ≤ 600มม.
2
ถ้ำ 𝑉𝑛 − 𝑉𝑐 > 1/6 𝑓′𝑐 𝑏𝑤 𝑑 แล้ว 𝑠𝑚𝑎𝑥 = 𝑑 ≤ 300มม.
4
ถ้ำ 𝑉𝑛 − 𝑉𝑐 > 1/3 𝑓′𝑐 𝑏𝑤 𝑑 แล้ว ควรขยำยหน้ำตัด
การออกแบบเสา
ติดตั้งแผ่นตำมแนวเสำ : เพื่อต้ำนโมเมนต์
หุ ม้ เสำด้วยแผ่นคำร์ บอนไฟเบอร์
- เพิ่มกำลังรับแรงอัด (Confinement)
- เพิ่มควำมเหนียว
- เพิ่มกำลังต้ำนโมเมนต์
- เพิม่ กำลังต้ำนแรงเฉื อน
ผลของ confinement จะมีประสิ ทธิ ภำพในเสำกลมมำกกว่ำ
เสำสี่ เหลี่ยม
คอนกรี ตที่พนั หุ ม้ ด้วยแผ่น CFRP จะมีกำลังรับ
น้ ำหนักและควำมเหนียวมำกกว่ำคอนกรี ตทัว่ ไป
กำรวิบตั ิของเสำที่พนั รอบด้วย FRP
คอนกรี ตไม่ได้หุม้ ด้วย CFRP
คอนกรี ตที่หุม้ ด้วย CFRP
กาลังรั บแรงอัดที่เพิ่มขึน้ เมื่อพัน CFRP
Axial load with Horizontal Strian
50
45
40
Stress (MPa)
35
C4
30
C5
25
C6 CFRP 1 Layer
20
C7 CFRP 2 Layers
15
C8 GFRP 1 Layer
10
C9 GFRP 2 Layers
5
0
0
5000
10000
Strian (mirco)
15000
20000
กำรออกแบบรับแรงอัด
• สำหรับเสำที่เสริ มด้วยเหล็กปลอกเกลียว
เมื่อ ∅ = 0.75
• สำหรับเสำที่เสริ มด้วยเหล็กปลอกเดี่ยว
เมื่อ ∅ = 0.70
สำหรับ
= 0.95
และสมกำรออกแบบ คือ
∅𝑃𝑛 ≥ 𝑃𝑢
ค่ำ 𝑓′𝑐𝑐 ที่แนะนำโดย ACI440-08 เป็ นดังนี้
= 0.95
+
ตัวคูณเกี่ยวกับรู ปร่ ำง
กำลังอัดที่ไม่โอบรัด
เมื่อ
แรงดันที่โอบรัด
และ
𝜀𝑓𝑒 = 0.58𝜀𝑓𝑢
ค่ำตัวคูณรู ปร่ ำง สำหรับหน้ำตัดกลม/เหลี่ยม
เหลี่ยม h/b < 2.0 หรื อเสำที่ใหญ่กว่ำ 90 ซม.
𝐴𝑐
(พื้นที่โอบรัดประสิ ทธิผล)
𝐴𝑒
พื้นที่ประสิ ทธิ ผลประมำณ ดังนี้
เพื่อคำนวณแรงโอบรัด (𝑓𝑙 )ในเสำเหลี่ยมให้ใช้
รูปแบบการเสริมกาลังแบบอืน่
NSM bar (near surface mounted)
• Effective when small beam width
• More installation skill is needed
กรณีศึกษาการเสริมกาลังโครงสร้ าง
ด้ วย CFRP
ขัน้ ตอนการออกแบบเสริมกาลังด้ วย CFRP
• วิเครำะห์โครงสร้ำงเดิม
• ออกแบบปริ มำณแผ่นคำร์ บอนไฟเบอร์ตำม ACI440
• จัดทำแบบกำรเสริ มกำลัง
• ทดสอบกำลังรับน้ ำหนักบรรทุกของโครงสร้ำงหลังเสริ มกำลัง
โครงการที่ 1 การเสริมกาลังสะพานอนุรักษ์
สะพำนที่ตอ้ งเสริ มกำลังมีท้ งั หมด 7 แห่ง
1. สะพำนสมมตอมรมำรค
2. สะพำนเจริ ญศรี 34
3. สะพำนเจริ ญรำษฎร์ 32
4. สะพำนมอญ
5. สะพำนวรเศรษฐ
6. สะพำนมัฆวำน
7. สะพำนดำรงสถิต
สะพานเจริญศรี 34
สะพานเจริญศรี 34
ภาพตัดสะพาน
วิเคราะห์ โครงสร้ างด้ วย FE Program
ผลกำรวิเครำะห์โครงสร้ำง
แบบจำลองโครงสร้ำง
•ประเมิน Rating Factor
•เสริ มกำลังด้วย CFRP เพื่อเพิ่ม Rating Factor
ให้มำกกว่ำ 1