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