Penguatan Serat Karbon

1. Ikhtisar Proyek

Proyek Kota Komersial Zhuanghe Xintiandi memiliki tiga lantai di atas tanah, dengan luas bangunan 49.606 meter persegi, dan struktur rangka beton bertulang. Desain dimulai pada Oktober 2006, dan konstruksi dimulai pada Maret 2007. Pembangunan proyek struktur utama selesai pada Agustus 2007. Pada Oktober 2007, dalam proses promosi investasi, pemilik mengubah fungsi penggunaan. Beban penggunaan sekitar 5.000 meter persegi di lantai tiga meningkat dari desain awal 5KN/m2 menjadi 7KN/m2. 

Setelah dilakukan pengecekan dan perhitungan oleh unit perencana asli, diketahui bahwa pondasi dan kolom mempunyai daya dukung yang cukup, sedangkan balok dan pelat tidak mempunyai daya lentur dan geser yang cukup, sehingga perlu dilakukan perkuatan.

Setelah diskusi dan penelitian oleh semua pihak yang terlibat dalam proyek, diputuskan untuk menggunakan teknologi penguatan serat karbon untuk memperkuat balok dan pelat lantai dua asli di area yang luas.

2. Kinerja material

Serat karbon memiliki kekuatan tertinggi di antara material rekayasa yang dikenal di dunia, dan sangat menonjol karena memiliki kekuatan tarik dan modulus elastisitas yang sangat tinggi. Berat jenis kain serat karbon yang terbuat dari material komposit berkurang menjadi seperlima dari baja. Ini adalah material yang sangat ringan dan pada saat yang sama, merupakan material baru dengan sifat mekanik yang sangat baik. Serat karbon yang digunakan dalam rekayasa terbuat dari poliakrilonitril (PAN) dengan kemurnian tinggi sebagai bahan baku, diproses menjadi filamen serat yang sangat halus melalui proses khusus seperti karbonisasi suhu tinggi, yang sangat meningkatkan luas permukaan sejumlah serat dan lebih kondusif untuk memperkuat ikatan dengan getah. Selama konstruksi, lem resin sepenuhnya menembus di antara serat untuk membungkus sepenuhnya setiap filamen serat untuk membentuk material komposit dengan sifat fisik yang sangat baik. Pengujian telah membuktikan bahwa kekuatan tarik serat karbon dapat mencapai lebih dari 4500 N/mm, dan setelah membentuk material komposit, kekuatannya mencapai lebih dari 3500 N/mm, yaitu sekitar 9 kali dan 7 kali lipat kekuatan tarik baja struktural paduan biasa. Modulus elastisitas komposit serat karbon sedikit lebih tinggi daripada baja biasa, dan juga memiliki ketahanan korosi yang sangat baik. Komposit ini sangat cocok untuk proyek perkuatan struktur di wilayah pesisir dengan kandungan ion klorida yang tinggi di udara.

3. Prinsip

3.1 Prinsip umum desain serat karbon

(1) Selama perancangan, kain serat karbon diubah menjadi jumlah batang baja sesuai dengan kekuatannya, dan penampang yang disintesis dihitung dengan metode yang sama seperti perhitungan lentur komponen beton bertulang untuk menahan beban dinamis yang disebabkan oleh gaya eksternal perancangan dan peningkatan beban statis secara bersamaan;

(2) Teori perhitungan menggunakan metode keadaan batas untuk menghitung keadaan batas daya dukung dan keadaan batas kelayanan:

(3) Serat karbon disusun sepanjang arah tulangan utama di mana kekuatan komponen beton bertulang tidak mencukupi;

(4) Tipe tertutup, bentuk U atau penempelan samping dapat digunakan untuk tulangan geser; arah serat harus tegak lurus terhadap arah sumbu.

3.2 Asumsi dasar untuk perhitungan daya dukung ultimit anggota lentur

(1) Pengaruh beton pada zona tegangan diabaikan;

(2) Setelah balok dibengkokkan, regangan beton, baja, dan serat karbon sesuai dengan asumsi penampang datar;

3.3 Persyaratan konstruksi umum

(1) Serat karbon harus direkatkan pada tepi bawah zona tegangan balok. Jika perlu direkatkan pada sisi balok, sebaiknya dibatasi hingga 1/4 dari tinggi balok. Luas serat karbon pada sisi tersebut harus dikalikan dengan faktor tersebut;

(2) Jumlah lapisan pengikat serat karbon tidak boleh lebih dari lima; untuk serat karbon multi-lapis, pengurangan koefisien kerja sama harus dipertimbangkan. Terlalu banyak lapisan serat karbon akan menyebabkan kegagalan getas pada struktur beton;

(3) Efek ikatan strip dan penguatan serat karbon lebih baik daripada ikatan lebar penuh;

(4) Pasta serat karbon harus dijangkarkan dengan andal, dan panjang penjangkaran harus ditentukan dengan perhitungan, dan fasilitas penjangkaran tambahan dapat ditambahkan bila diperlukan;

(5) Bagian tempat kain serat disambung (diperpanjang) menggunakan struktur tumpang tindih. Panjang bagian tumpang tindih adalah panjang tumpang tindih kain serat karbon sepanjang arah serat tidak boleh kurang dari 150 mm. Ujung-ujung kain serat karbon harus diikat dengan serat karbon melintang atau baja yang dilem.

4. Perbandingan teknis dan ekonomi

Dibandingkan dengan bahan penguat lainnya, bahan serat karbon memiliki keunggulan sebagai berikut:

4.1. Kekuatan tinggi dan efisiensi tinggi. Kekuatan tarik material komposit serat karbon melebihi 3500 mMpa, kekuatan tariknya sekitar 10 kali lipat baja, dan modulus elastisitas tariknya melebihi 2,35×105Mpa, yang serupa dengan batang baja, sehingga cocok untuk perkuatan dan perbaikan struktur beton. Material ini menghambat pertumbuhan retak, meningkatkan dan mengoptimalkan kekuatan dan ketangguhan beton, serta memperpanjang masa pakai.

4.2. Ketahanan korosi. Material serat karbon stabil secara kimia dan tidak bereaksi secara kimia dengan asam dan alkali. Oleh karena itu, komponen beton bertulang yang terbuat dari material serat karbon memiliki ketahanan korosi dan daya tahan yang baik.

4.3. Tanpa menambah berat dan volume komponen, berat jenis serat karbon hanya 1/4 dari baja. Ketebalannya kurang dari 0,5 mm, sehingga dapat memberikan efek perkuatan yang kuat tanpa menambah berat dan ukuran penampang struktur asli.

4.4. Ketahanan lelah yang baik. Kekuatan fatik komposit serat karbon lebih tinggi daripada kawat berkekuatan tinggi. Di bawah pengaruh tegangan variabel komunikatif, batas fatik material logam hanya 30%-40% dari kekuatan beban statis. Karena serat dan komposit dasar dapat mengurangi pertumbuhan retak dan kemungkinan redistribusi gaya internal serat, batas fatik material komposit relatif tinggi, sekitar 70%-80% dari kekuatan beban statis, dan terdapat tanda-tanda deformasi yang signifikan sebelum kegagalan.

4.5. Aplikasi luas. Dapat digunakan secara luas dalam perkuatan struktural dan perkuatan seismik balok, kolom, pelat, dinding, dan komponen lain dari bangunan industri dan sipil serta rel kereta api, jembatan jalan raya, terowongan, jalan layang, cerobong asap, dan struktur lainnya. Dapat digunakan untuk memperkuat struktur kompleks seperti permukaan lengkung dan simpul.

4.6. Mudah dibangun. Dalam proyek perkuatan kain serat karbon, proses konstruksi tidak memerlukan mesin konstruksi besar, dan lokasi konstruksi kecil, tidak ada pekerjaan basah, dan efisiensi kerja tinggi.

Balok dan pelat lantai dua Kota Komersial Zhuanghe Xintiandi telah diperkuat dengan serat karbon untuk memenuhi persyaratan pemilik. Karena validitas ekonomi dan teknisnya, balok dan pelat tersebut akan digunakan secara luas dalam proyek-proyek aktual.