Karbon Fiber Güçlendirme

1. Proje Genel Bakışı

Zhuanghe Xintiandi Ticari Şehir projesi, 49.606 metrekarelik bir inşaat alanına ve betonarme bir çerçeve yapısına sahip, zemin üstünde üç kattan oluşmaktadır. Tasarım Ekim 2006'da başladı ve inşaat Mart 2007'de başladı. Ana yapısal projenin inşaatı Ağustos 2007'de tamamlandı. Ekim 2007'de, yatırım teşviki süreci sırasında, mal sahibi kullanım işlevini değiştirdi. Üçüncü kattaki yaklaşık 5000 metrekarelik kullanım yükü, orijinal tasarım 5KN/m2'den 7KN/m2'ye çıktı.

Orijinal proje birimi tarafından yapılan kontrol ve hesaplamalar sonucunda, temel ve kolonların taşıma gücünün yeterli olduğu, kiriş ve döşemelerin ise eğilme ve kesme kapasitelerinin yetersiz olduğu, dolayısıyla güçlendirme yapılması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Projede yer alan tüm taraflarca yapılan görüşmeler ve araştırmalar sonucunda, orijinal ikinci katın kiriş ve döşemelerinin geniş bir alanda güçlendirilmesinde karbon fiber güçlendirme teknolojisinin kullanılmasına karar verildi.

2. Malzeme performansı

Karbon fiber, dünyada bilinen mühendislik malzemeleri arasında en yüksek mukavemete sahiptir ve özellikle son derece yüksek çekme mukavemetine ve elastik modülüne sahip olmasıyla dikkat çekmektedir. Kompozit malzemeden üretilen karbon fiber kumaşın özgül ağırlığı çeliğin beşte birine düşürülmüştür. Çok hafif bir malzemedir ve aynı zamanda mükemmel mekanik özelliklere sahip yeni bir malzemedir. Mühendislikte kullanılan karbon fiber, hammadde olarak yüksek saflıkta poliakrilonitrilden (PAN) yapılır ve yüksek sıcaklıkta karbonizasyon gibi özel işlemlerle çok ince elyaf filamentlere işlenir, bu da belirli miktarda elyafın yüzey alanını büyük ölçüde artırır ve sakızla bağı güçlendirmeye daha elverişlidir. İnşaat sırasında reçine tutkalı, her bir elyaf filamentini tamamen sararak mükemmel fiziksel özelliklere sahip bir kompozit malzeme oluşturmak için elyafların arasına tam olarak nüfuz eder. Testler, karbon fiberin çekme mukavemetinin 4500N/mm'den fazla olabileceğini ve kompozit bir malzeme oluşturulduktan sonra 3500N/mm'den fazla olduğunu, bunun da sıradan alaşımlı yapısal çeliğin yaklaşık 9 ve 7 katı olduğunu kanıtlamıştır. Karbon fiber kompozitin elastiklik modülü sıradan çeliğe göre biraz daha yüksektir ve ayrıca mükemmel korozyon direncine sahiptir. Özellikle havada yüksek klorür iyon içeriği olan kıyı bölgelerindeki yapısal güçlendirme projeleri için uygundur.

3. İlkeler

3.1 Karbon fiber tasarımının genel prensipleri

(1) Tasarım sırasında karbon fiber kumaş, dayanıma göre çelik çubuk miktarına dönüştürülür ve sentezlenen kesit, tasarım dış kuvvetinin neden olduğu dinamik yüke ve artan statik yüke birlikte direnmek için betonarme elemanların eğilme hesabında kullanılan yönteme göre hesaplanır;

(2) Hesaplama teorisi, taşıma kapasitesi sınır durumunu ve hizmet verebilirlik sınır durumunu hesaplamak için sınır durum yöntemini benimser:

(3) Karbon fiber, betonarme elemanın mukavemetinin yetersiz olduğu ana takviyenin yönü boyunca düzenlenir;

(4) Kesme takviyesi için kapalı tip, U-şekli veya yan yapışma kullanılabilir; elyaf yönü eksen yönüne dik olmalıdır.

3.2 Eğilme elemanlarının nihai taşıma kapasitesinin hesaplanmasına ilişkin temel varsayımlar

(1) Betonun çekme bölgesindeki etkisi göz ardı edilir;

(2) Kiriş büküldükten sonra beton, çelik ve karbon fiberin gerilmeleri düz kesit varsayımına uygundur;

3.3 Genel inşaat gereksinimleri

(1) Karbon fiber, kirişin gerilim bölgesinin alt kenarına yapıştırılmalıdır. Kirişin yan tarafına yapıştırılması gerekiyorsa, kiriş yüksekliğinin 1/4'ü ile sınırlandırılmalıdır. Yan taraftaki karbon fiber alanı faktörle çarpılmalıdır;

(2) Karbon fiber bağlama katmanlarının sayısı beşi geçmemelidir; çok katmanlı karbon fiber için, birlikte çalışma katsayısının azaltılması dikkate alınmalıdır. Çok fazla karbon fiber katmanı, beton yapının gevrek bir şekilde bozulmasına yol açacaktır;

(3) Şerit bağlama ve karbon fiber takviyesinin etkisi, tüm genişlikte bağlamanın etkisinden daha iyidir;

(4) Karbon fiber macunu güvenilir bir şekilde sabitlenmeli ve sabitleme uzunluğu hesaplama ile belirlenmeli ve gerektiğinde ilave sabitleme tesisleri eklenebilmelidir;

(5) Elyaf kumaşın bağlandığı (uzatıldığı) kısım üst üste binen bir yapı benimser. Üst üste binen kısmın uzunluğu, karbon fiber kumaşın elyaf yönü boyunca üst üste binme uzunluğunun 150 mm'den az olmamasıdır. Karbon fiber kumaşın uçları enine karbon fiber veya yapıştırılmış çelik ile sabitlenmelidir.

4. Teknik ve ekonomik karşılaştırma

Karbon fiber malzemelerin diğer takviye malzemeleri ile karşılaştırıldığında aşağıdaki avantajları vardır:

4.1. Yüksek mukavemet ve yüksek verimlilik. Karbon fiber kompozit malzemelerin çekme mukavemeti 3500mMpa'yı aşar, çekme mukavemeti çeliğin yaklaşık 10 katıdır ve çekme elastiklik modülü 2,35×105Mpa'yı aşar, bu da çelik çubuklarınkine benzerdir ve beton yapıların güçlendirilmesi ve onarımı için uygundur. Çatlakların büyümesini engeller, betonun mukavemetini ve tokluğunu iyileştirir ve optimize eder ve hizmet ömrünü uzatır.

4.2. Korozyon direnci. Karbon fiber malzemeler kimyasal olarak kararlıdır ve asitler ve alkalilerle kimyasal olarak reaksiyona girmez. Bu nedenle, karbon fiber malzemelerden yapılmış betonarme elemanlar iyi korozyon direncine ve dayanıklılığa sahiptir.

4.3. Bileşenlerin ağırlığını ve hacmini artırmadan, karbon fiberin özgül ağırlığı çeliğinkinin yalnızca 1/4'üdür. Kalınlığı 0,5 mm'den azdır, bu nedenle orijinal yapının ağırlığını ve kesit boyutunu artırmadan güçlü bir takviye etkisi uygulayabilir.

4.4. İyi yorulma direnci. Karbon fiber kompozitlerin yorulma dayanımı, yüksek dayanımlı telinkinden daha yüksektir. İletişimsel değişken stresin etkisi altında, metal malzemelerin yorulma sınırı, statik yük dayanımının yalnızca %30-%40'ıdır. Lif ve temel kompozit, çatlak büyümesini ve lif iç kuvvetinin yeniden dağıtılma olasılığını azaltabildiğinden, kompozit malzemelerin yorulma sınırı nispeten yüksektir, statik yük dayanımının yaklaşık %70-%80'idir ve arızadan önce önemli deformasyon belirtileri vardır.

4.5. Geniş uygulama alanı. Endüstriyel ve sivil binaların ve demiryolları, karayolu köprüleri, tüneller, yükseltilmiş yollar, bacalar ve diğer yapıların kiriş, kolon, döşeme, duvar ve diğer bileşenlerinin yapısal takviyesinde ve sismik takviyesinde yaygın olarak kullanılabilir. Kavisli yüzeyler ve düğümler gibi karmaşık yapıları güçlendirmek için kullanılabilir.

4.6. Yapımı kolaydır. Karbon fiber kumaş takviye projesinde, inşaat süreci büyük inşaat makineleri gerektirmez ve inşaat alanı küçüktür, ıslak çalışma yoktur ve iş verimliliği yüksektir.

Zhuanghe Xintiandi Ticaret Şehri'nin ikinci katındaki kirişler ve döşemeler, sahibinin gereksinimlerini karşılamak için karbon fiberle güçlendirildi. Ekonomik ve teknik geçerliliği nedeniyle, gerçek projelerde yaygın olarak kullanılacaklar.