repair of concrete structures by carbon fiber method

Repair of Concrete Structures by Carbon Fiber Method

Asst. Prof Dr. Kittipoom RodsinKing Mongkut’s University of Technology North Bangkok

What is FRP ?Fiber reinforced polymer นำ�เสนใยโพลเมอรม�

ถกทอกนอย�งเปนระบบ

ก�รเสรมกำ�ลงดวยวสดเสรมเสนใย มพนฐ�นของวสดอย 3 ประเภทหลกๆ ไดแก

1. ค�รบอน (Carbon) เรยกว� CFRP2. อะร�มด (Aramid) เรยกว� AFRP3. แกว (Glass) เรยกว� GFRP

โดยวสดทงส�มมคณสมบตท�งด�นกำ�ลงคว�มคงทน และร�ค�แตกต�งกนขนอยกบวตถประสงคก�รใชง�น

• เสนใยทใชนยมใชในการเสรมกำาลงม เสนใยคารบอน เสนใยแกว เสนใยอะรามด

“ความสมพนธระหวางความเคนและเครยดของเสนใยชนด ”ตาง ๆ

ขอด1. มนำ�หนกเบ�เมอเทยบกบขน�ด2. ตดตงง�ย3. ทนท�นตอสภ�พแวดลอม

รปแบบของ CFRP

ขอเสย1 .มร�ค�แพง2. ไมทนไฟ3. ตองใชผชำ�น�ญก�รใน

ก�รตดตง

RODPLATE

SHEET

Strengthening Method

Material Properties & Design Concepts

Strain

Stress 35000

ksc

4000 ksc

Design Stress Limit for CFRP(strain = 0.004)

รปแบบก�รวบตของค�นทเสรม FRP

ก�รเสยรปทไมสอดคลองกนระหว�งแผนค�รบอนไฟเบอรกบค�นคสล.

แนวทางปองกนการหลดลอกของ FRP1. ทำ�ก�รยดปล�ยแผนโดยใชนอตยดหรอใช FRP

Sheet พนทปล�ยเปนรปตว U2. ใชก�ว Epoxy ทมคว�มยดหยนตวสง3. ปล�ยแผน FRP ควรหยดใหใกลเส�หรอทรองรบอนๆใหม�กทสด

การออกแบบเสรมกำาลงดวย CFRP เบองตน

Design Guideline

STEP 1 ลดกำ�ลงของ FRP ทใชสำ�หรบก�รออกแบบ

• ก�รวเคร�ะหหน�ตดรบแรงดดจะคำ�นวณต�มวธทแนะนำ�โดย ACI440.2 R08 : Guide for design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures

• ก�รวเคร�ะหจะใชพนฐ�นของวธกำ�ลงต�มม�ตรฐ�น ACI318-08

• นนคอ

เมอ คอ แรงประลยคอ กำ�ลงของหน�ตด และ คอ ตวคณลดกำ�ลง

𝑅𝑢≤∅ 𝑅𝑁

STEP 2 วเคร�ะหหน�ตดทเสรมกำ�ลงดวย FRP

• ตองตรวจสอบคว�มเครยดใน FRP ไมใหมค�สงม�ก เนองจ�กจะทำ�ใหเกดก�รหลดลอก (Delimitation) ได

• นนคอ

เมอ คอ Effective Strain ใน FRP ทเกดจ�กนำ�หนกบรรทกประลย และ คอ Debonding Strain ของ FRP

𝜀 𝑓𝑒≤𝜀 𝑓𝑑

STEP 3 ตรวจสอบ Debonding Strain

การออกแบบองคอาคารตานทานแรงดด

=

= =

= =

𝜀𝑠=(𝜀 𝑓𝑒+𝜀𝑏𝑖)( 𝑑−𝑐h−𝑐 )≤ 𝜀𝑦𝑓 𝑠=𝐸𝑠 𝜀𝑠≤ 𝑓 𝑦

𝑐=𝐴𝑠 𝑓 𝑠+ 𝐴 𝑓 𝑓 𝑓𝑒

0 .85 𝑓 ′𝑐 𝛽1𝑏

สมก�รออกแบบ

เมอ 0.85

ตองทำ�ก�รตรวจสอบ

โดยค� คว�มเครยดคงค�ง (Dead Load Strain) คำ�นวณจ�ก

𝜀 𝑓𝑒=0 .003( h−𝑐𝑐 )−𝜀𝑏𝑖≤ 𝜀 𝑓𝑑

𝜀𝑏𝑖=𝑀𝐷𝐿 (h−𝑘𝑑 )

𝐼𝑐𝑟 𝐸𝑐

1. ทำ�ไดโดยก�รตดแผน FRP ทข�งค�น

2. พน FRP Sheet ข�งค�นในลกษณะ U-Jacket

U-Jacke

t

Bonded two

sides only

𝛽

Vertical and Inclined Stripe

Continuous Sheet

ก�รวบตทเกดจ�กก�รหลดของ FRP

การออกแบบองคอาคารตานทานแรงเฉอน

ก�รออกแบบองคอ�ค�รต�นท�นแรงเฉอน

สมก�รออกแบบแรงเฉอน

∅=0.85

เมอ คอ กำ�ลงต�นท�นแรงเฉอนขององคอ�ค�ร

คอ แรงเฉอนประลยม�ตรฐ�น ACI440 กำ�หนดใหต�นท�นแรงเฉอน ม�จ�ก = 0.95 full

wrapped = 0.85 U/2 sides- wrappedเมอ คอ กำ�ลงต�นท�นแรงเฉอนจ�ก

คอนกรตลวนคอ กำ�ลงต�นท�นแรงเฉอนจ�กเหลกเสรมรบแรงเฉอนคอ กำ�ลงต�นท�นแรงเฉอนจ�ก FRP

ก�รออกแบบองคอ�ค�รต�นท�นแรงเฉอนกำ�ลงของ

คอนกรตลวน

กำ�ลงของคอนกรตลวนกำ�ลงของ FRP

เมอ และ

Effective Strain

𝑉 𝑐=√ 𝑓 ′𝑐𝑏𝑤𝑑

6

𝑉 𝑠=𝐴𝑣 𝑓 𝑦 (sin𝛼+cos𝛼 )𝑑

𝑠

𝑉 𝑓=𝐴 𝑓𝑣 𝑓 𝑓𝑒 (sin 𝛽+cos 𝛽)𝑑 𝑓

𝑠 𝑓

ม�ตรฐ�น ACI ควบคมมให Effective Strain มค�ม�กเกนไป

Full wrapped3/2 sides-wrapped

เม อ

แล ะ

3 sides2 sides

ก�รออกแบบองคอ�ค�รต�นท�นแรงเฉอนระยะเรยงของ FRP กำ�หนดโดย

ACI440 ดงนถ�𝑉 𝑛−𝑉 𝑐≤ (1/6 ) √ 𝑓 ′𝑐𝑏𝑤𝑑 แล

วมม.

ถ�𝑉 𝑛−𝑉 𝑐>(1/6 )√ 𝑓 ′𝑐𝑏𝑤𝑑 แลว

มม.

ถ�𝑉 𝑛−𝑉 𝑐>(1/3 ) √ 𝑓 ′𝑐𝑏𝑤𝑑 แลว ควรขย�ยหน�ตด

การออกแบบเสาหมเส�ดวยแผนค�รบอน

ไฟเบอร - เพมกำ�ลงรบแรงอด (Confinement) - เพมคว�มเหนยว - เพมกำ�ลงต�นโมเมนต - เพมกำ�ลงต�นแรงเฉอน

คอนกรตทพนหมดวยแผน CFRP จะมกำ�ลงรบนำ�หนกและคว�มเหนยวม�กกว�คอนกรตทวไป

ตดตงแผนต�มแนวเส� : เพอต�นโมเมนต

ผลของ confinement จะมประสทธภ�พในเส�กลมม�กกว�เส�สเหลยม

ก�รวบตของเส�ทพนรอบดวย FRPคอนกรตไมไดหมดวย

CFRPคอนกรตทหมดวย

CFRP

กำาลงรบแรงอดทเพมขนเมอพน CFRP

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5000 10000 15000 20000

Stre

ss (M

Pa)

Strian (mirco)

Axial load with Horizontal Strian

C4

C5

C6 CFRP 1 Layer

C7 CFRP 2 Layers

C8 GFRP 1 Layer

C9 GFRP 2 Layers

ก�รออกแบบรบแรงอด• สำ�หรบเส�ทเสรมดวยเหลก

ปลอกเกลยว

• สำ�หรบเส�ทเสรมดวยเหลกปลอกเดยว

สำ�หรบ = 0.95 และสมก�ร

ออกแบบ คอ

เมอ

เมอ

∅ 𝑃𝑛≥ 𝑃𝑢

ค� ทแนะนำ�โดย ACI440-08 เปนดงน

+แรงดนทโอบรด

ตวคณเกยวกบรปร�ง

= 0.95

กำ�ลงอดทไมโอบรด

เมอ

และ

𝜀 𝑓𝑒=0 .58 𝜀 𝑓𝑢

ค�ตวคณรปร�ง สำ�หรบหน�ตดกลม/เหลยมเหลยม h/b 2.0 หรอเส�ทใหญกว� 90 ซม.𝐴𝑐

𝐴𝑒

(พนทโอบรดประสทธผล)

พนทประสทธผล ประม�ณ ดงน

เพอคำ�นวณแรงโอบรด ในเส�เหลยมใหใช

รปแบบการเสรมกำาลงแบบอน

NSM bar (near surface mounted)• Effective when small beam width• More installation skill is needed

กรณศกษาการเสรม กำาลงโครงสรางดวย

CFRP

ขนตอนการออกแบบเสรมกำาลงดวยCFRP•วเคร�ะหโครงสร�งเดม• ออกแบบปรม�ณแผนค�รบอนไฟเบอรต�ม

ACI440•จดทำ�แบบก�รเสรมกำ�ลง•ทดสอบกำ�ลงรบนำ�หนกบรรทกของ

โครงสร�งหลงเสรมกำ�ลง

โครงการท 1 การเสรมกำาลงสะพานอนรกษ

สะพ�นทตองเสรมกำ�ลงมทงหมด 7 แหง 1 .สะพ�นสมมตอมรม�รค 2. สะพ�นเจรญศร 343. สะพ�นเจรญร�ษฎร 324. สะพ�นมอญ5. สะพ�นวรเศรษฐ6. สะพ�นมฆว�น7. สะพ�นดำ�รงสถต

สะพานเจรญศร 34

สะพานเจรญศร 34

ภ�พตดสะพ�น

วเคราะหโครงสรางดวย FE Program

แบบจำ�ลองโครงสร�ง

ผลก�รวเคร�ะหโครงสร�ง

• ประเมน Rating Factor

• เสรมกำ�ลงดวย CFRP เพอเพมRating Factor ใหม�กกว� 1