เสริมกำลังเสาด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber Reinforce Polymer : CFRP)

เสาเป็นองค์ประกอบของอาคารที่สำคัญที่สุด ในประเภทโครงต้านทานแรงดัดแบบปกติ ซึ่งจะเป็นส่วนที่ทำหน้าที่รับน้ำหนักบรรทุกในแนวดิ่งและแรงด้านข้างจากแรงลมและแผ่นดินไหว 
‍
โครงการนี้เป็นอาคาร คสล.  3ชั้น อายุเกือบ 40 ปี ไม่มีแบบก่อสร้าง (ไม่มีแบบโครงสร้างอาคารเดิม) และคอนกรีตเสื่อมสภาพทำให้ไม่ปลอดภัยในการใช้งาน จึงจำเป็นต้องทำการเสริมกำลังโครงสร้างทั้งหมด โดยในบทความนี้จะขอเน้นไปที่เสาเป็นหลักก่อน 
‍
เสาของอาคารมีขนาด 30x30 เซนติเมตร โดยมีระยะช่วงเสาประมาณ 4-5 เมตร โดยมีวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงอาคารให้สามารถกลับมาใช้งานเป็นอาคารพาณิชย์ได้ตามปกติ และมีการวางแทงค์น้ำบริเวณชั้นดาดฟ้าเพิ่มเติม จึงทำให้น้ำหนักบรรทุกเพิ่มมากขึ้น จึงจำเป็นต้องเสริมกำลังโครงสร้างอาคาร ในเคสนี้เลือกการเสริมกำลังฯ ด้วย Carbon Fiber Reinforce Polymer (CFRP) UT70-30 

ข้อดีของการเสริมกำลังเสาด้วย CFRP
1. CFRP เป็นวัสดุกำลังสูงกว่าเหล็ก 10 เท่า
2. มีน้ำหนักเบาติดตั้งได้ง่ายประหยัดเวลาในการทำงาน ทำให้ช่วยลดค่าขนส่งและติดตั้ง
3. CFRP มีความยาวไม่จำกัดซึ่งแตกต่างจากแผ่นเหล็กที่จะมีความยาวทั่วไปที่ 6 เมตร ทำให้ลดปัญหาเรื่องรอยต่อแผ่น
4. การผลิตแผ่น CFRP ใช้พลังงานในการผลิตน้อยกว่าเหล็กและปูน ซึ่งเป็นการลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
5. ไม่เพิ่มน้ำหนักบรรทุกให้กับโครงสร้างเก่าเพราะแผ่น CFRP UT70-30 มีความบางแค่ 0.167 mm 

ซึ่งการเสริมกำลังโดยการพันด้วย CFRP UT70-30 รอบเสาเพื่อเพิ่มพฤติกรรมการโอบรัดแบบเหล็กปลอก (confinement) จะช่วยทำให้สามารถเพิ่มกำลังรับแรงอัด ความเหนียว กำลังต้านทานโมเมนต์ กำลังต้านทานแรงเฉือน ตามในมาตรฐาน ACI 440.2R 

ขั้นตอนและแนวทางการตรวจสอบเสริมกำลัง
หากอาคารใด ไม่มีแบบโครงสร้างอาคารมาเพื่อใช้ในการวิเคราะห์ออกแบบ การเข้าสำรวจและวิเคราะห์โครงสร้างเพื่อให้ได้ข้อมูลขั้นต้น เพื่อนำข้อมูลเหล่านี้ไปออกแบบเสริมกำลงด้วย CFRP ได้อย่างถูกต้อง แม่นยำ และเหมาะสมต่อการใช้งานของอาคารจึงเป็นสิ่งจำเป็น

ในการตรวจสอบโครงสร้างจะต้องทำการสำรวจความเสียหายและเก็บข้อมูลพื้นฐานเพื่อนำมาใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้าง เช่น การหาตำแหน่งเหล็กโดยใช้เครื่อง Ferro Scan, การหาค่ากำลังอัดคอนกรีตด้วย Schmidt Rebound Hammer, การทดสอบหาค่าปฏิกิริยายาคาร์บอเนชั่นในเนื้อคอนกรีตซึ่งทำให้ค่าความเป็นด่างลดลงและมีโอกาสทำให้เหล็กเป็นสนิม Carbonation test ฯลฯ เมื่อได้ค่าคุณสมบัติของวัสดุแล้วจึงสามารถนำข้อมูลเหล่านี้ไปใช้ในวิเคราะห์โครงสร้างต่อไป

ขั้นตอนการสำรวจ ตรวจสอบ ความมั่นคงแข็งแรงของอาคารเชิงลึก

เนื่องจากโครงการนี้ไม่มีแบบเก่าจึงจำเป็นต้องทำการสำรวจโครงสร้างเพื่อประเมินหากำลังคอนกรีต โดยการทดสอบด้วย Schmidt Rebound Hammer ซึ่งจากการทดสอบได้ค่าตามตาราง ดังนี้ 

หลังจากที่ได้ผลการทดสอบ พบว่าค่ากำลังอัดคอนกรีตมีค่าค่อนข้างต่ำ จึงจำเป็นต้องทำการเสริมกำลังโครงสร้างอาคาร 
‍
ขั้นตอนการวิเคราะห์โครงสร้างด้วยโปรแกรม Finite Element 3D
ขั้นตอนและขอบเขตของการวิเคราะห์นี้ จะทำการวิเคราะห์โครงสร้างอาคารตามรูปแบบของโครงสร้างที่มีการปรับปรุงใหม่ด้วยโปรแกรม Finite Element 3D ดังรูปที่ 2-4 เพื่อหาค่าหน่วยแรงต่างๆ เช่น ค่าแรงเฉือน โมเมนต์ดัด ที่เกิดขึ้นจริง 

จากนั้นจึงนำมาตรวจสอบเปรียบเทียบกับโครงสร้างหลักจริง เข่น พื้น เสา คาน ตามแบบ โดยใช้ค่ากำลังรับแรงอัดคอนกรีต fc’ที่ได้จากการตรวจสอบ ณ ปัจจุบัน หากตำแหน่งของโครงสร้างหลักใดมีกำลังรับน้ำหนักของโครงสร้างหลักที่ยอมให้ มีค่าน้อยกว่าหน่วยแรงที่เกิดขึ้นจริงจะต้องมีการเสริมกำลังของโครงสร้างในตำแหน่งดังกล่าว

ขั้นตอนการออกแบบเสริมกำลังด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber Reinforce Polymer : CFRP)
การออกแบบเสริมกำลังโครงสร้างอาคารโดยคาร์บอนไฟเบอร์ Carbon-Fiber Reinforced Polymer (CFRP) ซึ่งเป็นวัสดุที่ทำจากเส้นใยที่
1. มีความแข็งแรงสูง (High strength fibers) 
2. มีกำลังรับแรงมากกว่าเหล็กถึง 10 เท่า โดย ปกติ CFRP ที่นิยมใช้ในประเทศสำหรับเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างจะมีอยู่ 2 แบบ ได้แก่แบบแผ่น (Sheet) หนาประมาณ 0.167 มม. แบบสทริป (Strip) ความหนาประมาณ 1.2 มม.

ในการเสริมกำลังเสาด้วยแผ่น CFRP จะอ้างอิงมาตรฐาน ACI318-99 และ ACI 440.2R-08 วัสดุ CFRP ที่เลือกใช้คือรุ่น SmartFiber-Sheet UT70-30 หนา 0.167 มม. สามารถเสริมกำลังการรับแรงดัด (Flexural Strengthening) เแรงเฉือน (Shear Strengthening) และเพิ่มความเหนี่ยวให้กับชิ้นส่วนของโครงสร้าง โดยการคำนวณ และออกแบบ เพื่อเสริมกำลัง ของโครงสร้างตามหลักทางวิศวกรรม มีกำลังรับแรงดึงประลัย 35,000 กก./ซม.2 ใช้ร่วมกับพื้น Epoxy resinเป็นตัวประสานให้วัสดุสามารถยึดเกาะกับพื้นผิวคอนกรีตได้ดี 

ขั้นตอนการติดตั้งคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อเสริมกำลังโครงสร้าง (Carbon Fiber Reinforce Polymer : CFRP)
ในการติดตั้งระบบ CFRP ต้องให้ผู้ที่มีประสบการณ์ ความเชี่ยวชาญและเข้าใจในขั้นตอนการติดตั้งเป็นผู้ดำเนินการติดตั้ง โดยทำตามคำแนะนำของบริษัทผู้ผลิตเพื่อความปลอดภัยในการใช้งาน
‍
1. ขัดเตรียมผิวด้วยเครื่อง Hand Grinding
2. ตัดแผ่น SmartFiber-Sheet UT70-30 เตรียมไว้ตามแบบที่กำหนดด้วยความระมัดระวังและต้องใช้ความชำนาญของช่างผู้ติดตั้ง
3. หากพบเห็นรอยร้าวที่มีความกว้างมากกว่า 2 มิลลิเมตรขึ้นไป ให้ทำการซ่อมด้วย Epoxy Injection ก่อนทำการติดตั้ง
4. ก่อนติดตั้ง CFRP จะต้องทำการลบมุมโครงสร้างให้ได้ขนาดไม่น้อยกว่า 20 มิลลิเมตรก่อน
5. จากนั้นเคลือบรองพื้นด้วย Smart CF-Resin (Epoxy Resin)
6. ติดตั้ง SmartFiber-Sheet UT70-30 โดยใช้ Smart CF-Rresin เป็นตัวประสาน CFRP กับคอนกรีต ด้วยลูกกลิ้งในการกดวัสดุให้แนบสนิทและทิ้งไว้จนกว่ากาว Epoxy เซทตัว จึงติดตั้งชั้นต่อไป
7. หลังจากติดตั้งแผ่น CFRP ทั้งหมดแล้ว ทิ้งระยะเวลาให้แผ่น CFRP บ่มตัว 24-36 ชม. ขึ้นอยู่กับสภาพอุณหภูมิและอากาศ เพื่อให้วัสดุสามารถยึดติดกับโครงสร้างและสามารถรับกำลังได้ตามมาตราฐานผู้ผลิตไว้
8. ในขณะที่พื้นผิวของเสายังเปียกชุ่มด้วยพื้น Epoxy ให้โรยทรายก่อนฉาบจากนั้นถึงทำการจับเซี้ยมและฉาบปิดผิว
9. ทาสีและเก็บรายละเอียดให้เสามีสภาพที่พร้อมใช้งานและกลมกลืนกับเสาต้นอื่นๆ

ภาพแสดงขั้นตอนการติดตั้ง CFRP เพื่อเสริมกำลังเสา

สำหรับประสิทธิภาพการรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของเสาที่เสริมกำลังด้วย CFRP สามารถยืนยันและได้มีการทดสอบเปรียบเทียบกำลังเสาที่พันด้วย CFRP และเสาที่ไม่ได้พัน จะพบว่าเสาที่ไม่ได้เสริมกำลังมีลักษณะการวิบัติอย่างชัดเจน คอนกรีตกะเทาะออกและเหล็กแกนในเสาคดและเสียรูป ส่วนเสาที่เสริมกำลังด้วย CFRP ไม่พบความเสียหายของคอนกรีต ดังรูปที่1 และจากรูปที่ 2 ค่ากราฟการเสียรูปและแรงกระทำด้านข้างซึ่งพื้นที่ใต้กราฟคือการสลายพลังงาน จะพบว่าเสาที่ไม่ได้พัน CFRP จะมีพื้นที่ใต้กราฟน้อยกว่าเสาที่พันด้วย CFRP ซึ่งก็หมายถึงว่าเสาที่ทำการเสริมกำลังด้วย CFRP มีความสามารถในการสลายพลังงานได้มากกว่า

บทความอื่นๆ

• CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) สามารถแก้ไขปัญหาความบกพร่องต่างๆ ของโครงสร้างเสาคอนกรีต แบบไหนได้บ้าง
  
• CFRP เสริมกำลังพื้นที่มี Topping : ทางออกที่แข็งแกร่งและยั่งยืนจากบริษัท สมาร์ท แอนด์ ไบรท์ จำกัด
  
• CFRP เสริมกำลังเสาใต้ทางเดินเชื่อมของอาคารอำนวยการด้วย SmartFiber-Sheet UT70-30 และการซ่อมรอยร้าวด้วย Epoxy Injection (SmartInjection)
  
• CFRP เสริมกำลังคานเพื่อเปลี่ยนแปลงการใช้งานอาคาร โดยใช้ SmartFiber-Strip TL1012 และ SmartFiber-Sheet UT70-30
  
• การใช้ CFRP ในการซ่อมเสาเยื้องศูนย์จากแรงดันดิน โดยบริษัท สมาร์ท แอนด์ ไบรท์ จำกัด
  
• CFRP คาร์บอนไฟเบอร์เสริมกำลังเสาเยื้องศูนย์
  
• CFRP เสริมกำลังคาร์บอนไฟเบอร์ต้านทานแผ่นดินไหว
  
• คาร์บอนไฟเบอร์ ( Carbon Fiber ) เสริมกำลังเสา เพื่อทดแทนเหล็กยืนผิดขนาด (Column Strengthening with CFRP)
  
• การตรวจสอบหน้างานและเตรียมข้อมูลก่อนการเสริมกำลังโครงสร้างด้วย CFRP
  
• CFRP Corrosion Protection by Salt Spray Test 1,150 hours
  
• ข้อดีและประสิทธิภาพของแผ่น Carbon Fiber Sheet (SmartFiber UT70-30) ในการเสริมกำลังโครงสร้างอาคาร
  
• การออกแบบและติดตั้ง CFRP เพื่อต้านทานแผ่นดินไหวบริเวณเสา
  
• ซ่อมไซโลคอนกรีตร้าวด้วย Smart Injection EP21 โดย บริษัท สมาร์ท แอนด์ ไบร์ท จำกัด
  
• การใช้ Carbon Fiber Reinforce Polymer Sheet (SmartFiber UT70-30) จาก Smart And Bright Co., Ltd.  เพื่อเสริมกำลังแผ่น Hollow-core
  
• การซ่อมแซมรอยร้าวในโครงสร้างคอนกรีต
  
• การเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของสะพานกลับรถโดยใช้ Carbon Fiber (SmartFiber Sheet UT 70-30)
  
• พื้น ESD Floor คืออะไรและติดตั้งอย่างไร
  
• ESD Floor คืออะไร
  
• Concrete Repair และ Carbon Fiber Strengthening  สำหรับการซ่อมแซมคอนกรีตสำหรับคาน เสา และ bottom slab จากความเสียหายที่เกิดจากปฎิกิริยา Carbonation
  
• CFRP Strengthening และ การเสริมบ่าเหล็ก (Steel Bracket) เพื่อป้องกัน แรงเฉือนทะลุ (Punching Shear )
  
• Epoxy Injection สำหรับการซ่อมแซมรอยร้าวของโครงสร้างคอนกรีต
  
• CFRP เสริมกำลังเสาอาคารไฟไหม้ 
  
• Comparison of Mid Strength and Ultra Strength Carbon Fiber: The Superiority of SmartFiber Sheet - US58 by Smart and Bright Co., Ltd.
  
• Comparative Analysis of CFRP and Steel Strengthening
  
• Increasing Load Capacity of U-Turn Bridge using SmartFiber Sheet UT 70-30
  
• การเสริมกำลังพื้นถนนด้วย CFRP เพื่อรับน้ำหนักจรจาก 800 กก เพิ่มเป็น 1,250 กกด้วย SmartFiber-Sheet UT70-30 คาร์บอนไฟเบอร์ชนิดแผ่น
  
• ซ่อมแซมโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กของเสาสะพานข้ามคลอง
  
• รู้จักและเข้าใจพฤติกรรมรอยร้าวของคอนกรีต
  
• เสริมกำลังเสาด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber Reinforce Polymer : CFRP)
  
• เสริมกำลังโครงสร้างอาคาร เปลี่ยนแปลงจากพื้นที่สำนักงาน (Post tension) เป็นพื้นที่ Data center ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP)
  
• เสริมกำลังโครงสร้างคานที่รับกำลังได้ต่ำกว่าที่ออกแบบไว้ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์(CFRP)
  
• มาทำความรู้จัก “ คาร์บอนไฟเบอร์ ” (Carbon Fiber) กันครับ
  
• การแก้ไขปัญหาคานแบน (Band-Beam) ที่ไม่เสริมเหล็กล่างหรือเหล็กปลอก ด้วยวัสดุ CFRP
  
• เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร​
• การพัฒนาและการประยุกต์ใช้งานคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber)​
• เทคนิคการออกแบบงานเสริมกำลังพื้น "ระบบพื้นคอนกรีตอัดแรง" (Post-Tensioned) เพื่อแก้ปัญหาลวดอัดแรงขาด ด้วยวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ (SmartFiber Sheet UT70-30)​
• การซ่อมรอยร้าวพื้นคอนกรีตด้วย Epoxy Injection
• กำแพงกันระเบิด โดย คาร์บอนไฟเบอร์ และ Pure Polyurea Spray
• ประโยชน์ของวัสดุ FRP ในการก่อสร้างและโครงสร้างต้านแผ่นดินไหว​
• การเสริมกำลังโครงสร้างเสาคอนกรีตเสริมเหล็กด้วย CFRP เพื่อต้านทานแผ่นดินไหว​
• รอยร้าวที่เกิดจากโครงสร้างรับน้ำหนักบรรทุกเกินกำลัง ซ่อมแซมเสริมกำลังอย่างไร?​
• การเสริมกำลังรอยร้าวบนพื้นยื่นที่เกิดจากการเสริมเหล็กไม่เพียงพอ ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์และการซ่อมแซมรอยร้าวที่เกิดจากการหดตัวแบบแห้งของคอนกรีต (Dry Shrinkage)
• ความหมายและคำนิยามของคำศัพท์ที่ใช้ในงานเสริมกำลังด้วย คาร์บอนไฟเบอร์(CFRP Strengthening Vocabulary)
  
• กรณีศึกษา : อาคารจอดรถ 8 ชั้น มหาวิทยาลัยแห่งหนึ่ง
  
• ตอนที่ 2 : วิวัฒนาการของคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber)
  
• การเสริมกำลังสะพานคอนกรีตด้วยคาร์บอนไฟเบอร์
  
• การออกแบบเสริมความแข็งแรงของพื้นไร้คานท้องเรียบระบบ Unbonded Post-tensioned ลวดเกลียว(Strand) ขาดและหลุดออกมาจากสมอ
  ยึดลวด (Anchorage) ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber)
  
• การออกแบบเสริมกำลังของพื้นโรงพยาบาลเพื่อรับเครื่องมือแพทย์​
  
• งานเสริมความแข็งแรงพื้น ที่ลวดอัดแรงขาดด้วยคาร์บอนไฟเบอร์( Carbon Fiber ) SmartFiber Strip TL512​