เสริมกำลังโครงสร้างอาคาร เปลี่ยนแปลงจากพื้นที่สำนักงาน (Post tension) เป็นพื้นที่ Data center ด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP)

2.ความต้องการของลูกค้า คือ 
1. ต้องการเปลี่ยนแปลงการใช้พื้น Post tension ที่จากเดิมรับน้ำหนักได้ที่ 300 kg/m² ให้สามารถรับน้ำหนักได้ 1,000kg/m² เพื่อวาง Sever และกั้นห้องเพื่อจัดทำเป็น Data Center ขนาดใหญ่ โดยการออกแบบเสริมกำลังโครงสร้างพื้น Post tension ดังกล่าว จะต้องสามารถรองรับการติดตั้งตู้ Sever  ซึ่งจะวางกระจายตัวตามแบบที่กำหนดทั่วทั้งพื้นที่ โดยที่เครื่อง Sever ที่ถูกออกแบบไว้เพิ่มเติมจำนวนหลายจุด จะมีน้ำหนักเครื่อง Sever ที่กระทำกับโครงสร้างพื้นอาคารมีค่ามากกว่าน้ำหนักที่ใช้ออกแบบโครงสร้างเดิม (300 kg/m²) ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการออกแบบการรับกำลังของพื้น Post tension ใหม่ทั้งหมด
2. ต้องการให้การเสริมกำลังเป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยคำนึงถึงลักษณะการทำงานที่เป็นอาคารเก่าที่สร้างเสร็จเรียบร้อยแล้ว การเสริมกำลังและการติดตั้งวัสดุเสริมกำลังด้วยโครงสร้างเหล็กจำนวนมากจึงกระทำได้ยาก เนื่องจากติดปัญหาในการขนส่ง ความยุ่งยากในการติดตั้งและที่สำคัญคือ การเสริมกำลังด้วยโครงสร้างเหล็กนั้น จะทำให้พื้นที่การใช้งาน (Floor to floor) จากเพดานถึงพื้นแคบลง จึงทำให้คุณลักษณะของพื้นที่เปลี่ยนแปลงไป
3. เนื่องจากเจ้าของอาคารมีความกังวลในเรื่องการเกิดเพลิงไหม้ จึงไม่ต้องการให้มีงานเชื่อมเหล็กจำนวนมากในอาคาร การเลือกใช้การเสริมกำลังโครงสร้างอาคารด้วย CFRP จึงเป็นทางออกที่เหมาะสม 
4. ระยะเวลาการทำงานมีช่วงเวลาที่สั้นมาก การออกแบบเสริมกำลังและติดตั้งด้วยโครงสร้างเหล็กใช้เวลาที่ยาวนาน อีกทั้งเกิดความยุ่งยากมากกว่า โดยเฉพาะตำแหน่งเสาที่จะยึดคานเหล็กด้วย Chemical Bolt จะพบอุปสรรค์ในการเจาะเสามาก เพราะการเจาะเสาจะติดเหล็กเสริมที่อยู่ในโครงสร้างเสาคอนกรีตเสริมเหล็ก
5. การเสริมเหล็กในบริเวณด้านใต้พื้น Post tension เพื่อรับน้ำหนัก Sever ที่เกิดขึ้นติดปัญหาในตำแหน่ง Band Beam ที่จะทำให้ Floor to floor ยิ่งมีพื้นที่ลดลง 

จากความต้องการดังกล่าว ผู้ออกแบบ, เจ้าของงานและเจ้าของอาคาร ได้พิจารณาร่วมกัน และมีข้อสรุปทางเลือกที่เหมาะสมที่สุด เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับกำลังโครงสร้างอาคาร และไม่ส่งผลกระทบต่อความสูงของอาคาร คือ การใช้การเสริมกำลังด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon fiber reinforced polymer) หรือที่เรียกกันว่า เสริมกำลังด้วย CFRP 

โดยวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon Fiber) การเสริมกำลังด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมและได้รับการยอมรับในอุตสาหกรรมงานก่อสร้างในปัจจุบันเป็นอย่างมาก อีกทั้งมีมาตรฐานรับรองทั้งในประเทศและต่างประเทศ เช่น ACI (American concrete institute) และกรมโยธาธิการและผังเมือง เป็นต้น ซึ่ง CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) จึงเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในการเสริมกำลังโครงสร้างอาคารเพื่อแก้ปัญหาของโครงการนี้

ก่อนการออกแบบเสริมกำลังด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon fiber) รุ่น Smartfiber Sheet UT70-30 ผู้ออกแบบได้ดำเนินการตรวจสอบความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเดิมว่า สามารถรับกำลังได้เพียงพอตามที่ต้องการหรือไม่ ผลสรุปที่ได้ คือ พื้น Post tension เดิมไม่สามารถรับน้ำหนักเครื่อง Sever จำนวนมากได้ ผู้ออกแบบจึงเริ่มดำเนินการออกแบบการเสริมกำลังด้วย CFRP โดยผู้ออกแบบได้ทำการออกแบบ CFRP ให้รับกำลังส่วนต่างจากพื้นเดิมจำนวน 700 kg/m²  ทั้งด้านบนพื้น ด้านใต้ท้องพื้น  และบริเวณ Band Beam ด้วย CFRP อีกด้วย

สำหรับการเพิ่มการรับน้ำหนักของอาคารนี้ ผู้ออกแบบเลือกใช้ คาร์บอนไฟเบอร์ชนิดแผ่น (Sheet Carbon Fiber) รุ่น Smartfiber Sheet UT70-30 ของบริษัท สมาร์ท แอนด์ ไบรท์ จำกัด ที่สามารถรับแรงดึงได้ตามการทดสอบถึง 40,000 kgf./cm² และผู้ออกแบบได้เลือกใช้วัสดุ Epoxy รุ่น Smart CF-Resin ที่สามารถรับกำลังอัด (Compressive Strength) ได้มากกว่า 900 kgf./cm²

3.มาตรฐานที่ใช้อ้างอิง
ในการคำนวณออกแบบและติดตั้งจะใช้ตามมาตรฐาน ดังนี้  
ACI 318-99 ซึ่งเป็นมาตรฐานการออกแบบอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก·  
ACI 440.2R-08 ซึ่งเป็นแนวทางการออกแบบและก่อสร้าง เสริมกำลังโดยใช้ FRP
มาตรฐานการเสริมกำลังโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กด้วยวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใย มยผ.1508-51

4.ขั้นตอนการวิเคราะห์โครงสร้างด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite Element) 
4.1 การวิเคราะห์โครงสร้างจะใช้โปรแกรมไฟไนต์เอลิเมนต์ ETABS ซึ่งเป็นโปรแกรมสำหรับการออกแบบอาคารที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในวงการวิศวกรรมออกแบบ อีกทั้งตัวโปรแกรมมีความสามารถในการจำลองโครงสร้างพื้นคอนกรีตอัดแรง (Post tensioned floor slab) และแนวลวดอัดแรง (Tendon profile) ซึ่งจะช่วยทำให้สามารถจำลองพฤติกรรมได้ถูกต้องและใกล้เคียงกับพฤติกรรมของโครงสร้างจริงมากยิ่งขึ้น จึงทำให้ได้ค่าผลลัพธ์ที่นำไปออกแบบเสริมกำลังด้วยแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) ได้อย่างถูกต้องแม่นยำมากที่สุด
4.2 ในการสร้างแบบจำลองพื้นคอนกรีตอัดแรงจะจำลองโดยใช้ Shell Element และกำหนดแนวลวดอัดแรงภายในแผ่นพื้นส่วนเสาจะใช้ Line element และกำแพงรับแรงเฉือนใช้ Shell element โดยกำหนดจุดรองรับของเสาและกำแพงรับแรงเฉือนให้เป็น Pin support โดยจำลองแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรง ตามในรูปที่ 1

รูปที่1 แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์

4.3 น้ำหนักบรรทุกที่ใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้าง
1)น้ำหนักพื้นคอนกรีตอัดแรงภายหลัง (Post tensioned slab)และคานแบน (Band beam)
2)น้ำหนักบรรทุกจร 300 kg/m2 ในบริเวณอื่นๆที่ไม่ได้รับเครื่องจักร
3)น้ำหนักเครื่องจักรที่ตำแหน่งต่างๆตามรูปที่ 2

รูปที่2 ตำแหน่งน้ำหนักเครื่องจักร

4.4 เมื่อเหล็กเสริมและลวดอัดแรงในพื้นของโครงสร้างเดิมไม่ตรงตามแบบ 
ในรายการคำนวณจะใช้ขนาดและปริมาณเหล็กเสริมตามแบบก่อสร้างเป็นหลัก ซึ่งจากรายงานการประเมินโครงสร้างพบว่าจำนวนแนวลวดอัดแรงหน้างานไม่ตรงตามแบบ โดยทางแกน Y มีจำนวนคิดเป็น 86% ของจำนวนในแบบและทางแกน X มีจำนวนคิดเป็น 65% จึงได้ทำการจำลองแนวลวดอัดแรงด้วยโปรแกรม ETABS ซึ่งในการจำลองจะกำหนดระยะแนวลวด(Tendon profile) โดยอ้างอิงจากแบบเพื่อตรวจสอบค่าความสามารถในการรับน้ำหนักของแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรง

รูปที่3 การจำลองแนวลวดอัดแรงในพื้น

4.5 การคำนวณกำลังรับแรงอัดคอนกรีต (fc’)จากรายงานการประเมินโครงสร้างและทดสอบหน้างานพบว่ากำลังรับแรงอัดของแผ่นพื้นคอนกรีตอัดแรงมีค่า 343.7 ksc แต่ในแบบระบุค่ากำลังรับแรงอัดคอนกรีตอัดแรงที่ 320 ksc ฉะนั้นในการคำนวณจะลดทอนค่ากำลังลงมาใช้ 310 ksc เท่านั้นเพื่อเพิ่มค่าความปลอดภัย (Safety factor)ให้มากยิ่งขึ้น 

4.6 ผลการวิเคราะห์โครงสร้างจากผลการวิเคราะห์พบว่าค่าโมเมนต์ดัดที่เกิดขึ้นจากน้ำหนักของแผ่นพื้น น้ำหนักบรรทุกจรและน้ำหนักเครื่องจักรซึ่งมีค่ามากกว่าโมเมนต์ที่รับได้ของพื้นคอนกรีตอัดแรง เพราะฉะนั้นจึงจำเป็นต้องมีการออกแบบเสริมกำลังเพื่อรองรับค่าโมเมนต์ส่วนเกินที่เพิ่มขึ้นด้วยแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) ตามบริเวณใต้ท้องพื้นช่วง Middle strip เพื่อรับโมเมนต์บวกและเสริม CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) บริเวณแนวหัวเสา Column strip เพื่อรับโมเมนต์ลบ ซึ่งในการเสริมกำลังจำเป็นต้องเสริมกำลังด้วยแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) ทั้งสองทิศทางทั้งตามแนวขวางและตามแนวยาวของอาคาร โดยในโครงการนี้จะใช้แผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) แบบ Sheet ในการเสริมกำลังพื้นและคาน (Band beam)

รูปที่4 ค่าโมเมนต์ทางแกน Y

รูปที่5 ค่าโมเมนต์ทางแกน X

4.7 การตรวจสอบแรงเฉือนทะลุ (Punching shear)ในการคำนวณต้องตรวจสอบแรงเฉือนทะลุที่พื้นบริเวณหัวเสาทุกต้น ซึ่งพบว่าค่ากำลังรับแรงเฉือนที่หัวเสามีกำลังเพียงพอที่จะสามารถต้านทานแรงเฉือนทะลุได้ ยกเว้นเสาบริเวณริมขอบของอาคารที่มีค่ากำลังรับแรงเฉือนทะลุน้อยกว่าเกณฑ์ที่กำหนด จึงจำเป็นต้องเสริมกำลังเพื่อเพิ่มความสามารถในการต้านทานแรงเฉือนทะลุ โดยจะใช้แผ่นเหล็ก (steel plate jacketing) เจาะยึดด้วย Bolt M20 และน้ำยา HIT-RE500 SD ซึ่งจะทำให้พื้นบริเวณเสาริมอาคารมีกำลังรับแรงเฉือนทะลุได้มากขึ้น ดังรูปที่ 6

รูปที่6 การเสริม Steel plate jacketing ที่เสริมอาคาร

4.8 บทสรุปในการออกแบบเพื่อติดตั้ง CFRP
จากผลการประเมินสภาพโครงสร้างหน้างานและผลการวิเคราะห์โครงสร้างด้วยวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ พบว่า ถ้าต้องการเปลี่ยนแปลงการใช้งานอาคารเป็น Data center ซึ่งจะมีน้ำหนักเครื่องจักรเพิ่มเติมจากน้ำหนักออกแบบ จำเป็นต้องเสริมกำลังแผ่นพื้นด้วยแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) แบบ Sheet ทั้งบริเวณใต้ท้องพื้นในช่วง Middle strip และส่วนบนพื้นช่วง Column strip โดยเสริมแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) ทั้งทางตามแนวขวางและตามแนวยาวของอาคาร เพื่อต้านทานค่าโมเมนต์ที่เพิ่มขึ้นทั้งสองแกน รวมทั้งเสริม Steel plate jacketing ที่เสาริมอาคารเพื่อเพิ่มกำลังต้านทานค่าแรงเฉือนทะลุ (Punching shear) ซึ่งจากการเสริมกำลังด้วยแผ่น CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) และ Steel plate jacketing ทำให้พื้นคอนกรีตอัดแรงมีความแข็งแรงมากยิ่งขึ้นและสามารถรับน้ำหนักเครื่องจักรทั้งหมดที่เพิ่มขึ้นได้อย่างปลอดภัยตลอดอายุการใช้งานของอาคาร

รูปที่7 แปลนเสริมกำลังพื้นด้านบนด้วย CFRP ทางแกน Y

รูปที่8 แปลนเสริมกำลังพื้นด้านล่างด้วย CFRP ทางแกน Y

รูปที่9 แปลนเสริมกำลังพื้นด้านบนด้วย CFRP ทางแกน X

 รูปที่10 แปลนเสริมกำลังพื้นด้านล่างด้วย CFRP ทางแกน X

ภาพประกอบการติดตั้งจริง