งานเสริมกำลังคอนกรีต,โครงสร้าง,เสา,คาน,พื้นคสล. (Structural Strengthening) ด้วย Carbon Fiber

งานเสริมกำลังคอนกรีต,โครงสร้าง,เสา,คาน,พื้นคสล. ด้วย Carbon-Fiber Reinforced Polymer (CFRP)

อาคารเก่าๆ ในหลายประเภท มีความจำเป็นที่ต้องทำการ เสริมกำลังโครงสร้าง เพื่อให้สามารถใช้สอยได้อย่างปลอดภัย โดยการออกแบบจากวิศวกรผู้เชี่ยวชาญและมีประสบการณ์ ดังนั้น การตรวจสอบหาสาเหตุที่ทำให้เกิดความเสียหาย ควรกระทำโดยผู้เชี่ยวชาญ เพื่อการแก้ไขปัญหาที่สาเหตุ และซ่อมแซมผลที่เกิดจากสาเหตุต่างๆ เหล่านั้น

การหุ้มเสาด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ เป็นเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดที่เพิ่งมีไม่นานมานี้ เหมาะสำหรับเสาในอาคารที่มีขนาดใหญ่ เช่น เสาสะพาน อพาร์ทเมนต์ คอนโดมีเนียม อาคารสูง เช่นเดียวกับการหุ้มเสาด้วยแผ่นเหล็ก

สำหรับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ เป็นแผ่นที่เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอน ที่มีกำลังรับน้ำหนักสูงมาก คือมากกว่าเหล็กแผ่นทั่วไปถึง 10 เท่า แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มีความบางสามารถนำไปพันรอบเสาได้โดยใช้กาวอีพอกซีเป็นตัวยึด ให้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ติดกับเสา เมื่อพันเสร็จเรียบร้อยแล้ว จะได้เสาที่มีกำลังรับน้ำหนักสูงมาก สามารถต้านแผ่นดินไหวได้เป็นอย่างดี แต่มีข้อเสียคือแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ยังมีราคาแพงอยู่ แต่มีข้อดีคือการก่อสร้างทำได้สะดวก และรวดเร็วกว่าการใช้แผ่นเหล็กหุ้มมาก

สำหรับการหุ้มเสาด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์นั้น พบว่ามีประสิทธิภาพเป็นอย่างดี จากผลการทดสอบพบว่า เมื่อเปรียบเทียบระหว่างเสาที่ไม่ได้หุ้มด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ พบว่ามีความเสียหายอย่างรุนแรงที่บริเวณโคนเสา แต่เมื่อหุ้มเสาด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์แล้ว พบว่าเสาแข็งแรงขึ้นอย่างมาก

ทางบริษัท ไลท์ อินโนวา จำกัด จึงขอนำเสนอระบบ การเสริมกำลังด้วยวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) โดยวัสดุเสริมกำลังภายนอกที่ใช้กับชิ้นส่วนคอนกรีต เช่น เสา คาน พื้น หรือ ผนัง เพื่อเพิ่มกำลังในการรับแรงแนวแกน แรงดัด แรงเฉือน แรงบิด หรือเพื่อเพิ่มความเหนียว (Ductility) อาจจะมีลักษณะเป็นเส้นหรือแผ่นที่ยึดติดกับผิวคานด้วยอีพอกซี่เรซิน นอกจากนั้นยังสามารถเสริมกำลังให้โครงสร้างเสาพื้นและผนังได้อีกด้วย

แนวทางเบื้องต้นและปัจจัยที่ควรพิจารณาในการเสริมกำลังโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็ก

  1.  ศึกษาปัญหาและสำรวจสาเหตุของรอยร้าวและการเสื่อมสภาพ
  2. ประเมินกำลังรับน้ำหนักของโครงสร้างเดิม
  3. สร้างแบบจำลองไฟล์ไนต์เอลิเมนต์ของโครงสร้างอาคาร
  4. วิเคราะห์โครงสร้างเพื่อดูการกระจายตัวของแรงภายใน
  5. ออกแบบงานเสริมกำลังด้วยการใช้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
  6. ให้คำแนะนำการทดสอบการรับน้ำหนักบรรทุก

การเสริมกำลังโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กด้วยวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใย

Carbon-Fiber Reinforced Polymer (CFRP)  

คาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เป็นวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใย มีอัตราส่วนกำลังรับแรงต่อน้ำหนักสูง สามารถทนทานต่อการกัดกร่อน ไม่เป็นสนิม มีความคงทนเป็นเลิศ และสะดวกในการติดตั้งและใช้งาน กำลังรับแรงดึงเชิงกลของ CFRP มีค่าสูงถึง10 เท่าของเหล็กเสริมธรรมดา นอกจากนี้การใช้เหล็กเสริมธรรมดายังเสี่ยงต่อการเกิดสนิมได้ง่าย แต่ CFRP ไม่ใช่เหล็กจึงไม่เกิดสนิมตามมาในอนาคต

ขั้นตอนการเสริมกำลังโครงสร้างด้วย Carbon-Fiber Reinforced Polymer (CFRP) 

ก่อนทำการซ่อมแซมเพื่อเสริมกำลังโครงสร้างนั้น เราควรทำการวิเคราะห์องค์อาคารนั้นเสียก่อน ว่ามีการใช้งานเกินพิกัดหรือออกแบบมาแข็งแรงไม่พอ ที่จะรองรับน้ำหนักใช้งานตามปกติหรือไม่

การวิเคราะห์นั้นสามารถกระทำได้ ทั้งวิธีหน่วยแรงใช้งานหรือวิธีกำลังอัดประลัย พร้อมทั้งควรหาสาเหตุที่ทำให้โครงสร้างวิบัติหรือเสื่อมสภาพ หลังจากได้ทำการสรุปผลการวิเคราะห์แล้ว วิศวกรควรประเมินว่าสมควรจะดำเนินการเฉพาะการซ่อมแซมเท่านั้น หรือต้องทั้งซ่อมแซมและเสริมกำลังโครงสร้างด้วย

โดยทุกๆ กรณีมีวัตถุประสงค์ที่จะเสริมวัสดุเสริมกำลังใหม่ เพื่อต้านทานแรงดึง แรงดัด แรงเฉือน แรงบิด และแรงตามแนวแกน เพื่อให้โครงสร้างที่เสริมกำลังแล้ว ได้มาตรฐานในเรื่องของกำลังและสภาพการใช้งาน ตามมาตรฐานวิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปถัมภ์ มาตรฐาน ACI 318 และมาตรฐานอาคารอื่นๆ

ขั้นตอนการดำเนินงาน การติดตั้งระบบคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP)

1. การซ่อมแซมพื้นผิว

ทำการรื้อวัสดุตกแต่งและปูนทรายที่ฉาบอยู่ออกให้หมด และต้องทำความสะอาดผิวคอนกรีตและเตรียมผิวให้อยู่ในสภาพที่เหมาะสม ก่อนทำการติดตั้งระบบ CFRP ประสิทธิภาพของระบบ CFRP ขึ้นอยู่กับสภาพของผิวที่เป็นคอนกรีตเดิม สภาพคอนกรีตเดิมต้องสะอาดและมีสภาพที่ดี เพื่อให้ระบบ CFRP มีกำลังตามที่ได้ออกแบบ และมีพฤติกรรมเป็นไปตามจุดประสงค์ของการออกแบบ

ต้องทำการรื้อคอนกรีตส่วนที่มีความเสียหายตาม มยผ. 1901-51 หรือ ACI546R ถ้าสังเกตเห็นการเสื่อมสภาพของคอนกรีตในบริเวณที่ซ่อม ต้องหาสาเหตุการเสื่อมสภาพ และทำการแก้ไขตามหลักวิศวกรรม ก่อนที่จะทำการซ่อมแซมหน้าตัด

หลังการรื้อคอนกรีตส่วนที่เสียหาย ต้องทำความสะอาดผิวของคอนกรีตที่เตรียมเสร็จแล้วให้ปราศจากฝุ่น คราบน้ำปูน จารบี น้ำมัน ราหรือตะไคร่ น้ำ สีทา ขี้ผึ้ง สารบ่มคอนกรีต สิ่งแปลกปลอม และวัสดุอื่นๆ จากนั้นทำการซ่อมแซมคอนกรีตที่เสียหายและรอยแตกร้าวตาม ACI 224.1R และ ACI546R

ภายหลังทำความสะอาดเสร็จสิ้น ต้องป้องกันไม่ให้วัสดุต่างๆ ที่มีผลกระทบต่อการยึดเหนี่ยว เข้าไปเปื้อนบริเวณที่ทำความสะอาดเสร็จแล้ว และต้องปล่อยให้วัสดุที่ใช้ซ่อมแซมบ่มจนได้กำลังตามที่กำหนด และต้องแห้งก่อนที่จะทำการติดตั้งระบบ CFRP

2 การขัดเตรียมพื้นผิว

ต้องทำการขัดผิวส่วนที่ขรุขระ ไม่สม่ำเสมอ และส่วนที่ยื่นจากพื้นผิว ให้เรียบ โดยมีส่วนที่ยื่นจากผิวไม่เกิน 1 มิลลิเมตร ให้ใช้เครื่องขัดแบบจานหมุน หรืออุปกรณ์อื่นๆที่มีลักษณะเดียวกันในการกำจัดรอยเปื้อน สี หรือ สิ่งอื่นใดบนพื้นผิวที่อาจมีผลต่อแรงยึดเหนี่ยว สำหรับบริเวณที่เป็นรู หรือบริเวณที่เว้าที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 13 มิลลิเมตร หรือลึกกว่า 3 มิลลิเมตร เมื่อวัดจากสันแนวตรงยาว 300 มิลลิเมตร (ตัวอย่างเช่น ใช้ไม้บรรทัดยาว 1 ฟุต วางบนผิวคอนกรีต)

รวมถึงความเบี่ยงเบนจากระนาบ ครีบ หรือส่วนยื่น รูตามด (Bug Hole) ผิวที่เป็นแอ่ง และมุมที่ขรุขระ โดยใช้วัสดุฉาบซ่อมที่ทำจากปูนทราย ชนิดอีพอกซีเรซิน หรือพอลิเมอร์คอนกรีต ที่มีกำลังไม่น้อยกว่ากำลังของคอนกรีตเดิม หลังจากฉาบแล้ว ต้องบ่มส่วนที่ฉาบเป็นเวลาอย่างน้อย 7 วัน ก่อนจะทำการติดตั้งระบบ CFRP

3. การติดตั้ง CFRP (แผ่นใยคาร์บอนไฟเบอร์)

  • ผสมวัสดุยึดผสานกาวอีพ๊อกซี่ ส่วนผสม A และ B เข้าด้วยกันด้วยสว่านติดใบกวน ความเร็วรอบต่ำ (น้อยกว่า 500 rpm) และต้องใช้วัสดุที่ผสมแล้วภายในเวลา 30 นาที หรือตามเอกสารวัสดุกำหนด
  • ทาวัสดุยึดผสานกาวอีพ๊อกซี่ที่ผสมแล้ว ลงบนบริเวณพื้นผิวที่ความหนาประมาณ 1 mm.
  • รีดวัสดุยึดผสานกาวอีพ๊อกซี่เข้าที่ด้านหนึ่งของแถบ CFRP โดยใช้แท่นรีดที่ติดตั้งพาย (Spatula) ไว้แล้ว
  • ติดแผ่น CFRP ในบริเวณที่เตรียมพื้นผิวแล้วด้วยใช้ลูกกลิ้งยางในการกดวัสดุให้แนบสนิท ทิ้งไว้ให้กาวอีพ๊อกซี่เซทตัวก่อนติดตั้ง CFRP ชั้นต่อไป
  • ระยะซ้อนทับต้องไม่น้อยกว่า 150 mm. ขึ้นอยู่กับวัสดุ
  • หลังทำเสร็จทิ้งให้วัสดุ CFRP บ่มตัว 24-36 ชม. แล้วแต่สภาพอุณหภูมิและอากาศ