Kết cấu bê tông đúc sẵn là gì và tại sao chúng chiếm ưu thế trong xây dựng hiện đại
Kết cấu bê tông đúc sẵn là các bộ phận của tòa nhà - tường, dầm, cột, tấm, v.v. - được sản xuất trong điều kiện nhà máy được kiểm soát trước khi vận chuyển và lắp ráp tại chỗ. Kết quả là một phương pháp xây dựng luôn vượt trội so với bê tông đúc tại chỗ truyền thống về tốc độ, chất lượng và khả năng dự đoán chi phí. Hơn 60% dự án cơ sở hạ tầng quy mô lớn ở Châu Âu và Bắc Mỹ hiện chỉ định bê tông đúc sẵn làm hệ thống kết cấu chính , và con số đó tiếp tục tăng lên khi thời gian của dự án bị thu hẹp và chi phí lao động tăng lên.
Lý do khiến kết cấu bê tông đúc sẵn trở thành xương sống của nhà kho, gara đỗ xe, cầu, sân vận động và các tòa nhà dân cư nhiều tầng rất đơn giản: khi bê tông xử lý trong nhà máy dưới sự kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm chính xác, cường độ nén của nó thường xuyên đạt tới 5.000 đến 8.000 psi - cao hơn nhiều so với mức 3.000 đến 4.000 psi điển hình của bê tông đổ tại hiện trường. Mọi bộ phận giữ các bộ phận đó vào đúng vị trí, mọi tấm nhúng, bu lông neo, vòng chèn và thiết bị nâng đều thuộc danh mục rộng rãi các phụ kiện bê tông đúc sẵn và việc chọn đúng phụ kiện cũng quan trọng như bản thân thiết kế hỗn hợp.
Bài học rút ra: Do nhà máy sản xuất = dung sai chặt chẽ hơn, tiến độ nhanh hơn, cấu trúc cuối cùng chắc chắn hơn.
Cấu trúc bê tông đúc sẵn được sản xuất như thế nào
Việc sản xuất các kết cấu bê tông đúc sẵn tuân theo một trình tự kỷ luật giúp loại bỏ hầu hết các biến số gây ảnh hưởng đến bê tông đổ tại công trường. Hiểu từng giai đoạn sẽ làm rõ lý do tại sao phương pháp này tạo ra kết quả nhất quán như vậy và tại sao việc lựa chọn các phụ kiện bê tông đúc sẵn ở giai đoạn thiết kế - không phải trong quá trình xây dựng - là không thể thương lượng.
Giai đoạn 1 - Chuẩn bị khuôn và bố trí cốt thép
Các dạng thép, thường được gia công với dung sai ±1/16 inch, được làm sạch, tra dầu và lắp ráp. Lồng thép gia cố được chế tạo sẵn và đặt bên trong. Ở giai đoạn này, tất cả được nhúng phụ kiện bê tông đúc sẵn — các neo nâng, các miếng đệm kết nối, các ống dẫn điện và các tấm hàn kết cấu — được định vị và cố định trước khi đổ bê tông. Bất kỳ mục nào cần có trong phần tử đã hoàn thiện phải được đặt ngay bây giờ; việc thêm nó sau đó đòi hỏi phải lấy lõi hoặc cắt, làm hỏng tính toàn vẹn của cấu trúc.
Giai đoạn 2 - Trộn và đổ bê tông
Thiết kế hỗn hợp bê tông cho các nhà máy đúc sẵn thường sử dụng tỷ lệ nước-xi măng từ 0,35 đến 0,45 - thấp hơn đáng kể so với hỗn hợp tại hiện trường - để đạt được cường độ ban đầu cao. Rung động bên trong củng cố bê tông xung quanh lồng cốt thép và các phụ kiện đi kèm. Một số nhà máy sử dụng bàn rung bên ngoài cho các tấm kiến trúc mỏng để loại bỏ các khoảng trống trên bề mặt mà không có máy rung bên trong có thể dịch chuyển lớp bê tông phủ mỏng.
Giai đoạn 3 - Chữa bệnh
Các nhà máy đúc sẵn sử dụng các loại chăn bảo dưỡng bằng hơi nước, xử lý nhiệt hoặc tăng tốc để đạt được 70% cường độ thiết kế trong vòng 18 đến 24 giờ . Khả năng tăng cường độ nhanh chóng này cho phép các cấu kiện được tách ra khỏi ván khuôn và xếp chồng lên nhau trên sân chỉ trong một ca sản xuất - một chu trình không thể thực hiện được với bê tông đổ tại chỗ và phải mất 28 ngày để đạt được cường độ thiết kế tối đa trong điều kiện môi trường xung quanh.
Giai đoạn 4 - Kiểm soát chất lượng, hoàn thiện và lưu kho tại sân
Trước khi bất kỳ bộ phận nào rời khỏi bệ đúc, việc kiểm tra kích thước, kiểm tra bề mặt và kiểm tra phần cứng sẽ xác nhận rằng mọi phụ kiện bê tông đúc sẵn đều có mặt, được đặt đúng vị trí và không bị hư hại. Sau đó, các cấu kiện được cất giữ trên các tấm lót gỗ trong sân, sắp xếp theo trình tự giao hàng, chờ thời gian vận chuyển và lắp dựng.
Các loại cấu kiện bê tông đúc sẵn chính và ứng dụng của chúng
Kết cấu bê tông đúc sẵn bao gồm nhiều loại phần tử, mỗi loại được thiết kế cho một vai trò kết cấu cụ thể. Dưới đây là tổng quan về các danh mục phổ biến nhất, các tòa nhà và cơ sở hạ tầng mà chúng phục vụ cũng như các nhịp điển hình hoặc xếp hạng tải trọng liên quan.
Tấm Tee đôi
Được sử dụng cho kết cấu bãi đỗ xe và sàn nhà kho. Nhịp tiêu chuẩn từ 40 đến 80 feet với độ sâu từ 24 đến 34 inch. Khả năng tải thường là 40 đến 100 psf tải trực tiếp chồng lên nhau.
Ván lõi rỗng
Đặc điểm của hệ thống sàn nhà ở và văn phòng. Chiều rộng tiêu chuẩn là 4 và 8 feet, độ sâu từ 6 đến 16 inch, nhịp từ 20 đến 50 feet. Khoảng trống làm giảm tải trọng chết trong khi vẫn bảo toàn được chiều sâu kết cấu.
Cột và dầm đúc sẵn
Cột hình chữ nhật và chữ L có kích thước từ 12×12 đến 24×24 inch. Dầm chữ T ngược, dầm hình chữ nhật và dầm spandrel tạo thành khung mô men hoặc hệ trọng lực được hỗ trợ đơn giản.
Tấm tường đúc sẵn
Bánh sandwich chắc chắn, cách nhiệt và các tấm kiến trúc dày từ 5 đến 12 inch. Được sử dụng làm tường chịu lực hoặc tấm ốp phi kết cấu. Đạt được giá trị R từ 20 đến 30 với lõi cách nhiệt bằng bọt.
Dầm cầu
Dầm chữ I và dầm chữ T AASHTO cho cầu đường cao tốc. Trải dài từ 60 đến 160 feet. Hỗn hợp bê tông hiệu suất cao từ 8.000 đến 12.000 psi là tiêu chuẩn cho các ứng dụng cầu nhịp dài.
Cầu thang và chiếu nghỉ đúc sẵn
Các chuyến bay cầu thang hoàn chỉnh được đúc thành các đơn vị duy nhất có phần hạ cánh tích hợp. Loại bỏ ván khuôn phức tạp và giảm thời gian lắp đặt cầu thang từ vài ngày đến vài giờ chỉ bằng cần cẩu và các phụ kiện bê tông đúc sẵn để kết nối.
Phụ kiện bê tông đúc sẵn: Phần cứng tạo nên kết cấu khả thi
Cho dù một phần tử bê tông được thiết kế và đúc chính xác đến đâu thì chính các phụ kiện bê tông đúc sẵn được gắn bên trong nó sẽ quyết định cách phần tử đó có thể được nâng lên, vận chuyển, kết nối và tích hợp vào một cấu trúc hoàn chỉnh. Các phụ kiện bê tông đúc sẵn trải rộng trên nhiều loại phần cứng và mỗi loại có xếp hạng tải trọng cụ thể, yêu cầu lắp đặt và các cân nhắc về khả năng tương thích.
| Danh mục phụ kiện | chức năng | Tải làm việc điển hình | Chất liệu |
|---|---|---|---|
| Neo nâng (ống sắt, vòng, cuộn) | Nâng tạm thời trong quá trình tước và lắp dựng | 1 đến 60 tấn mỗi neo | Sắt dễ uốn, thép rèn |
| Tấm nhúng và tấm hàn | Kết nối cấu trúc vĩnh viễn giữa các yếu tố | 10 đến 200 kips mỗi đĩa | Thép A36/A572, mạ kẽm nhúng nóng hoặc không gỉ |
| Thanh cuộn và bu lông cuộn | Kết nối có thể điều chỉnh tại hiện trường, phụ kiện ốp | 5 đến 30 kips mỗi thanh | Mạ kẽm hoặc thép không gỉ |
| Miếng đệm chịu lực | Truyền tải và hấp thụ dung sai tại các ghế chịu lực | Ứng suất nén 800 đến 1.500 psi | Neoprene, HDPE, chất đàn hồi được gia cố bằng sợi |
| Chèn vòng và chèn hình nón loe | Điểm neo cho phần đính kèm thứ cấp, phần cứng mặt tiền | 500 lbs đến 5 tấn | Dây sắt, thép dễ uốn |
| Phần cứng dự ứng lực và dự ứng lực | Nén trước bê tông để chống lại ứng suất uốn | Sợi 270 ksi, được kích tới 70–75% UTS | Sợi thư giãn thấp cấp 270 |
Neo nâng: Các yếu tố kích thước và an toàn
Neo nâng là một trong những phụ kiện được xem xét kỹ lưỡng nhất trong số tất cả các phụ kiện bê tông đúc sẵn vì nếu hư hỏng trong quá trình tước hoặc lắp dựng sẽ gây ra thảm họa ngay lập tức. Giới hạn tải trọng làm việc (WLL) của bất kỳ neo nâng nào phải tính đến hệ số tác động động trong quá trình gắp cần trục - thường là hệ số an toàn tối thiểu là 4:1 áp dụng cho các chế độ phá hoại bê tông và phá hoại kéo thép. Đối với tấm tường đúc sẵn 20 tấn, điều đó có nghĩa là hệ thống neo phải được thiết kế để chịu được tải trọng tối thiểu 80 tấn, không chỉ trọng lượng tấm tĩnh. Góc treo cũng làm giảm công suất: góc treo 60 độ so với phương thẳng đứng làm giảm tải trọng cho phép trên mỗi chân xuống khoảng 87% khả năng tải thẳng đứng định mức, trong khi góc 30 độ giảm tải trọng cho phép xuống 50%.
Tấm nhúng: Triết lý kết nối trong khung đúc sẵn
Các kết nối kết cấu giữa các phần tử bê tông đúc sẵn hầu như phụ thuộc hoàn toàn vào các tấm nhúng được hàn vào các neo cốt thép hoặc đinh tán nelson. Thiết kế của các tấm này tuân theo các nguyên tắc của AISC và PCI, đặc biệt chú ý đến hành động cạy trong các kết nối căng và ma sát cắt ở các mặt phẳng giao diện. Một kết nối tấm hàn được thiết kế phù hợp trong kết cấu đỗ xe đúc sẵn có thể truyền 150 kips lực cắt qua mối nối dầm-cột với một tấm nhỏ khoảng 8×8 inch - với điều kiện là miếng chêm, túi vữa và mối hàn hiện trường được thực hiện theo thông số kỹ thuật. Mạ kẽm các tấm này theo tiêu chuẩn ASTM A123 (tối thiểu 3,9 oz/ft2) sẽ tăng thêm tuổi thọ ăn mòn có thể đo được trong môi trường lộ thiên hoặc môi trường biển.
Miếng đệm vòng bi: Dung sai và hiệu suất lâu dài
Mỗi dầm đúc sẵn, tấm chữ T đôi và tấm lõi rỗng đều nằm trên một tấm đệm chịu lực đồng thời truyền tải trọng thẳng đứng và điều chỉnh các chuyển động nhiệt và co ngót xảy ra trong suốt vòng đời của kết cấu. Các miếng cao su tổng hợp có độ cứng từ 50 đến 60 độ cứng của máy đo độ cứng là lựa chọn phổ biến nhất, với kích thước tiêu chuẩn từ 4 × 6 inch đến 8 × 12 inch và độ dày từ 3/8 đến 3/4 inch. Các bảng Sổ tay Thiết kế PCI cho thấy một miếng đệm cao su tổng hợp 6×9 inch, 1/2 inch có thể chứa tới 0,5 inch chuyển động ngang trong khi vẫn duy trì độ cứng nén thích hợp. Các tấm lót HDPE ngày càng được chỉ định cho các ứng dụng cầu, nơi cần ma sát thấp để cho phép giãn nở nhiệt mà không tạo ra lực cản trong cấu trúc thượng tầng.
Kết nối kết cấu trong kết cấu bê tông đúc sẵn
Hệ thống kết nối là nơi các kết cấu bê tông đúc sẵn hoạt động hoặc bị hỏng. Không giống như khung thép, nơi các kết nối được thực hiện bằng bu lông và mối hàn ngoài trời, kết nối bê tông đúc sẵn thường liên quan đến không gian hạn chế, túi vữa và phần cứng nhúng không thể kiểm tra sau khi phun vữa. Do đó, việc kết nối đúng ngay lần đầu tiên là điều không thể thương lượng.
Ba triết lý rộng chi phối việc thiết kế kết nối đúc sẵn:
- Hệ thống trọng lực được hỗ trợ đơn giản - Dầm tựa vào các tay đỡ hoặc các góc của sổ cái, chỉ truyền tải trọng thẳng đứng. Đơn giản, thi công nhanh và có khả năng chịu được độ lún khác nhau. Được sử dụng trong phần lớn các tòa nhà công nghiệp một tầng và các công trình đỗ xe.
- Khung chịu mômen - các liên kết giữa cột với cột và dầm với cột được thực hiện chịu mômen thông qua các khớp nối cốt thép dự ứng lực, phun vữa hoặc các cụm tấm hàn. Đạt được khả năng kiểm soát độ lệch ngang tương đương với các khung đúc tại chỗ về khả năng chống địa chấn và gió.
- Hệ thống hybrid - tải trọng trọng lực do ổ đỡ đơn giản, tải trọng ngang được chịu bởi một tường chịu cắt riêng biệt hoặc lõi khung mô men. Cách tiếp cận phổ biến nhất dành cho các tòa nhà đúc sẵn và khu dân cư trung tầng từ 5 đến 15 tầng.
Chất lượng của các mối nối vữa đặc biệt phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn và bố trí các phụ kiện bê tông đúc sẵn. Bộ nối ống bọc vữa - dùng để nối hai thanh cốt thép dài qua một mối nối - phải được căn chỉnh trong phạm vi ±1/8 inch để thanh đi vào sạch sẽ trong quá trình lắp dựng. Bất kỳ sai lệch nào được phát hiện tại chỗ thường đòi hỏi phải khắc phục tốn kém bao gồm neo cơ học hoặc phun epoxy, cả hai đều làm giảm độ dẻo của kết nối so với mục đích thiết kế ban đầu.
±1/8" Dung sai sai lệch khớp nối tối đa
4:1 Hệ số an toàn neo nâng tối thiểu
28 ngày Đổ bê tông so với đúc sẵn 18–24 giờ
8.000 psi Cường độ nén HPC đúc sẵn điển hình
Ưu điểm về tiến độ: Cấu trúc bê tông đúc sẵn nén tiến độ dự án như thế nào
Lập luận thuyết phục nhất đối với kết cấu bê tông đúc sẵn trong các dự án thương mại và cơ sở hạ tầng là việc nén tiến độ. Việc chế tạo các cấu kiện diễn ra song song với việc chuẩn bị mặt bằng - trong khi nền móng được đào và đổ, nhà máy đúc sẵn đồng thời sản xuất khung kết cấu. Sự chồng chéo này thường tiết kiệm 4 đến 8 tuần cho một dự án cỡ trung bình so với lịch trình truyền tại chỗ tuần tự.
Tuần 1–4: Phê duyệt thiết kế và bản vẽ cửa hàng
Kỹ sư hồ sơ và kỹ sư đúc sẵn hợp tác về các chi tiết kết nối, vị trí nhúng và lịch trình phụ kiện bê tông đúc sẵn. Mọi phụ kiện đều được vẽ, đo kích thước và chỉ định trong bản vẽ trước khi lắp ráp thành một mẫu duy nhất.
Tuần 5–12: Sản xuất thực vật
Chạy sản xuất đầy đủ. Một nhà máy đúc sẵn cỡ trung bình đúc từ 500 đến 800 mét khối mỗi tuần có thể tạo ra khung kết cấu cho một nhà kho rộng 200.000 mét vuông trong 6 đến 8 tuần. Các phần tử được đánh số thứ tự và sắp xếp theo thứ tự để phân phối.
Tuần 8–14: Nền móng địa điểm (Song song)
Trong khi nhà máy vận hành sản xuất, đội công trường sẽ đổ móng, san nền và trụ cột. Các mẫu bu lông neo lấy từ bản vẽ đúc sẵn tại xưởng đảm bảo rằng các tấm đế cột và các kết nối chốt định vị sẽ thẳng hàng khi các bộ phận đến.
Tuần 13–18: Cương cứng
Một đội lắp dựng được tổ chức tốt với một cần cẩu bánh xích 150 tấn có thể lắp đặt 20 đến 40 bộ phận chính mỗi ngày. Cấu trúc bãi đậu xe 5 tầng với 1.200 chỗ có thể được hoàn thành về mặt cấu trúc trong 10 đến 14 ngày làm việc về thời gian của cần trục - một tốc độ không thể đạt được bằng các phương pháp đúc tại chỗ.
Tuần 18–22: Trát vữa, hàn và hoàn thiện
Đội ngũ hiện trường hoàn thiện các kết nối vữa, mối hàn tại hiện trường ở các tấm nhúng, chất bịt kín mối nối và bất kỳ công việc hoàn thiện kiến trúc nào. Cấu trúc được bao bọc hoàn toàn và chịu được thời tiết sớm hơn nhiều so với công trình đúc tại chỗ tương đương.
Kết cấu bê tông đúc sẵn và bê tông đúc tại chỗ: So sánh trực tiếp
Việc lựa chọn giữa bê tông đúc sẵn và bê tông đổ tại chỗ không bao giờ đơn giản, nhưng việc so sánh sau đây bao gồm các kích thước quan trọng nhất đối với chủ sở hữu, nhà thầu và kỹ sư kết cấu đưa ra quyết định đó.
| Kích thước | Bê tông đúc sẵn | Bê tông đúc tại chỗ |
|---|---|---|
| cường độ nén | 5.000–12.000 psi điển hình | 3.000–5.000 psi điển hình |
| Kích thướcal Tolerance | ±1/8 đến ±1/4 inch | ±1/4 đến ±3/4 inch |
| Lịch trình (khung kết cấu, kho 200k sf) | 10–14 ngày cương cứng | 8–14 tuần hình thành/đổ |
| Phụ thuộc thời tiết | Thấp - bảo dưỡng thực hiện tại nhà máy | Cao - thời tiết lạnh và nóng cần được bảo vệ |
| Thiết kế linh hoạt | Hình học lặp lại tối ưu; hình dạng tùy chỉnh có thể có giá cao | Tính linh hoạt cao cho hình học phức tạp, cong hoặc không đều |
| Lao động tại công trường | Thấp - chủ yếu là đội cẩu và kết nối | Cao - tạo hình, đặt, hoàn thiện, tước |
| Kiểm soát chất lượng | Chứng nhận nhà máy PCI, kiểm tra QC hàng ngày | Phụ thuộc vào điều kiện hiện trường và sự có mặt của thanh tra |
Bê tông đúc sẵn dự ứng lực: Cách thức hoạt động của dự ứng lực trước và dự ứng lực sau
Sự kết hợp giữa bê tông dự ứng lực và bê tông đúc sẵn là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong kỹ thuật kết cấu. Bằng cách nén trước bê tông trước khi áp dụng tải trọng sử dụng, các kỹ sư có thể loại bỏ hiệu quả hiện tượng nứt do kéo - phương thức suy giảm bê tông chính - và đạt được các nhịp không thể thực hiện được về mặt kết cấu hoặc không thực tế về mặt kinh tế với các phần được gia cố thông thường.
Dự ứng lực: Phương pháp đúc sẵn tiêu chuẩn
Trong bê tông đúc sẵn dự ứng lực, các sợi thép cường độ cao được kéo căng giữa các mố ở hai đầu của bệ đúc trước khi đổ bê tông. Các sợi - thường có độ giãn thấp cấp 270, đường kính 0,5 hoặc 0,6 inch - được cắm vào khoảng 70% độ bền kéo cuối cùng, hoặc khoảng 189.000 psi . Bê tông sau đó được đổ xung quanh các sợi căng. Khi bê tông đạt đủ cường độ, các sợi sẽ được giải phóng và lực nén trước truyền vào phần tử bằng liên kết. Đây là phương pháp được sử dụng để sản xuất ván lõi rỗng, thanh chữ T đôi, dầm cầu và tấm tường dự ứng lực ở hầu hết các nhà máy đúc sẵn trên thế giới.
Dự ứng lực trong các cấu kiện đúc sẵn
Phần cứng dự ứng lực - ống dẫn, neo, khớp nối và tấm kèn - đại diện cho một loại phụ kiện bê tông đúc sẵn chuyên dụng được sử dụng khi phải áp dụng ứng suất trước sau khi phần tử đã được lắp dựng hoặc khi các phần tử từ nhiều phân đoạn đúc sẵn phải được nối vào một đơn vị kết cấu liên tục. Ví dụ, việc xây dựng cầu phân đoạn sử dụng các đoạn đúc sẵn thường dài từ 8 đến 12 feet, được lắp ráp và sau đó dự ứng lực thành các dầm liên tục dài từ 200 đến 400 feet. Mỗi bó cáp dự ứng lực có thể chịu lực dự ứng lực từ 300 đến 1.500 kips tùy thuộc vào số lượng sợi và hình học.
Tổn thất ứng suất dài hạn
Các kỹ sư phải tính đến tổn thất ứng suất trước khi định cỡ các sợi và xác định tải trọng kích ban đầu. Các nguồn tổn thất chính trong thời gian sử dụng của cấu kiện dự ứng lực là:
- Rút ngắn đàn hồi - Tổn thất ngay lập tức khi nhả sợi, thường từ 6 đến 8% ứng suất ban đầu đối với các cấu kiện dự ứng lực
- leo - biến dạng phụ thuộc vào thời gian dưới tác dụng của tải trọng duy trì, chiếm từ 5 đến 12% ứng suất trước hiệu dụng trong tuổi thọ 50 năm
- co ngót — giảm thể tích khi bê tông khô, góp phần tổn thất thêm từ 4 đến 8%
- Thư giãn thép - Sự mất dần ứng suất của sợi ở độ căng không đổi, khoảng 2% đối với sợi có độ giãn thấp trong 50 năm
Tổng tổn thất dài hạn thường dao động từ 15 đến 25% lực kích ban đầu. Điều này có nghĩa là cáp được kích đến 33.000 lbs phải được thiết kế để chịu ứng suất trước hiệu quả từ 25.000 đến 28.000 lbs trong suốt tuổi thọ thiết kế - và thiết kế mặt cắt phải tính đến lực nén trước giảm khi tính toán mômen nứt và độ võng.
Thiết kế địa chấn của kết cấu bê tông đúc sẵn
Ứng xử của kết cấu bê tông đúc sẵn dưới tải trọng địa chấn đã được nghiên cứu chuyên sâu kể từ trận động đất San Fernando năm 1971 và trận động đất Northridge năm 1994 cho thấy những điểm yếu trong kết cấu bãi đậu xe đúc sẵn sớm. Cộng đồng kỹ thuật đã đáp lại bằng những tiến bộ lớn trong thiết kế kết nối, chi tiết màng ngăn và các chương trình thử nghiệm địa chấn - đáng chú ý nhất là chương trình nghiên cứu PRESSS (Hệ thống kết cấu địa chấn PREcast) diễn ra từ năm 1991 đến 2001.
Chương trình PRESSS đã chứng minh rằng các hệ thống đúc sẵn có độ chi tiết phù hợp có thể phù hợp hoặc vượt quá độ dẻo của khung bê tông đúc tại chỗ. Hệ thống tường nối được phát triển tại PRESSS sử dụng dự ứng lực không liên kết thông qua các tấm tường cắt đúc sẵn để cung cấp hành vi tự cho mình là trung tâm — công trình bị đá ở bề mặt tiếp xúc từ tường tới móng dưới tác dụng của tải trọng địa chấn nhưng trở lại vị trí thẳng đứng khi động đất dừng, với độ trôi còn sót lại ở mức tối thiểu. Cấu trúc đúc sẵn năm tầng đầy đủ đã được thử nghiệm ở tỷ lệ 60% tại Phòng thí nghiệm Kết cấu UC San Diego và chứng minh độ trôi còn lại dưới 0,1% sau khi thử nghiệm ở chuyển động động đất ở cấp độ thiết kế.
Các điều khoản ASCE 7 và ACI 318 hiện tại cho phép kết cấu bê tông đúc sẵn trong Thiết kế chịu động đất loại D (địa chấn cao) với điều kiện là các kết nối và màng chắn được chi tiết hóa để tuân thủ khung mômen đặc biệt đúc sẵn dẻo hoặc hệ thống tường cắt đặc biệt đúc sẵn. Các yêu cầu chính bao gồm:
- Các kết nối ống bọc vữa phải chứng minh được 125% cường độ chảy của thanh trong các thử nghiệm kéo trước khi sử dụng trong xây dựng
- Các kết nối màng đúc sẵn phải được thiết kế sử dụng Phương pháp thiết kế địa chấn màng (DSDM) với hệ số khuếch đại lực từ 1,0 đến 1,5 tùy theo phân loại màng
- Các kết nối dây cung và bộ thu dọc theo mép màng mang lực màng khuếch đại thường xuyên chi phối kích thước của các phụ kiện bê tông đúc sẵn tại các mối nối giữa các tấm với nhau
- Tất cả các phụ kiện bê tông đúc sẵn trong hệ thống chịu lực địa chấn phải được thiết kế với cường độ vật liệu dự kiến và hệ số vượt cường độ omega-0 quy định trong ASCE 7 Bảng 12.2-1
Những sai lầm thường gặp trong quy cách phụ kiện bê tông đúc sẵn và cách tránh chúng
Các kỹ sư và nhà thầu đúc sẵn có kinh nghiệm luôn xác định các loại lỗi giống nhau trong các dự án dẫn đến sự cố tại hiện trường, chi phí khắc phục hoặc chậm trễ tiến độ. Hầu hết chúng đều quay lại các quyết định phối hợp và thông số kỹ thuật của phụ kiện được đưa ra trong quá trình thiết kế - rất lâu trước khi đổ bê tông.
01
Chỉ định phụ kiện mà không kiểm tra vỏ bê tông
Một lỗi phổ biến là chỉ định neo nâng mà ở độ sâu nhúng cần thiết của nó, xung đột với lồng cốt thép hoặc ống dự ứng lực. Phải duy trì lớp phủ bê tông tối thiểu trên bất kỳ phụ kiện bê tông đúc sẵn nào ở mức tối thiểu được chỉ định - thường là 1 inch đối với các bề mặt hình thành khi tiếp xúc bên trong và lên đến 2 inch trong môi trường ăn mòn hoặc biển. Xác minh kích thước phụ kiện so với bố cục cốt thép trong 3D BIM trước khi phát hành bản vẽ thi công để phê duyệt.
02
Sử dụng phần cứng không tương thích từ các nhà cung cấp khác nhau
Hệ thống nâng - neo cộng với ly hợp nâng - được thiết kế theo cặp khớp nhau. Việc sử dụng bộ ly hợp từ Nhà cung cấp A với neo từ Nhà cung cấp B sẽ làm mất hiệu lực định mức tải của cả hai bộ phận. Mỗi thông số kỹ thuật của phụ kiện bê tông đúc sẵn phải yêu cầu hệ thống nâng phải là bộ phù hợp từ một nhà sản xuất duy nhất , kèm theo tài liệu kiểm tra tải được cung cấp cho hồ sơ dự án.
03
Bỏ qua việc bảo vệ chống ăn mòn trong đặc điểm kỹ thuật của dự án
Các tấm nhúng và các tấm hàn được chỉ định là thép A36 trơn sẽ bị ăn mòn nhanh chóng trong mọi ứng dụng lộ thiên hoặc bên ngoài. Mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn ASTM A123 tăng thêm tuổi thọ ăn mòn từ 30 đến 50 năm trong phơi nhiễm ngoài trời điển hình. Trong các khu vực có nước bắn tung tóe trên biển, hãy chỉ định phần cứng bằng thép không gỉ hoặc phủ epoxy Loại 316 có quy trình đảm bảo chất lượng được ghi lại để đảm bảo tính liên tục của lớp phủ.
04
Không phối hợp các phần tiện ích với các phần tử kết cấu
Ống dẫn điện, ống dẫn nước và các lỗ xuyên cơ khí được gắn dưới dạng phụ kiện bê tông đúc sẵn phải được phối hợp với kỹ sư kết cấu trước khi phê duyệt bản vẽ thi công. Khe hở 6 inch xuyên qua bản bụng của chữ T đôi dự ứng lực phải được phân tích để giảm lực cắt; sự xuyên thấu không phối hợp được phát hiện sau khi các bộ phận được đúc thường yêu cầu dây đai gia cố bên ngoài đắt tiền hoặc thay thế bộ phận.
05
Bỏ qua kiểm tra cương cứng chạy thử
Trên các kết cấu đúc sẵn phức tạp - đặc biệt là những kết cấu có kết nối mômen yêu cầu các tấm nhúng hàn tại hiện trường - việc xem xét chạy thử bố cục phụ kiện so với mô hình kết cấu sẽ phát hiện ra các xung đột căn chỉnh trước khi bắt đầu lắp dựng. Việc phát hiện ra độ lệch 1 inch giữa hai tấm hàn trên mặt đất tốn vài phút; Việc phát hiện ra nó ở độ cao 50 feet trên không sẽ tốn nhiều ngày và chi phí làm lại đáng kể.
06
Không tính đến độ bền khi chọn neo
Neo nâng phải được đánh giá dựa trên cường độ bê tông tại thời điểm tước - không phải cường độ thiết kế 28 ngày. Nếu một phần tử bị bong ra sau 16 giờ, cường độ bê tông có thể chỉ từ 2.500 đến 3.000 psi. Bảng công suất neo phải được nhập theo cường độ tuốt thực tế và khả năng đột phá của bê tông giảm tương ứng. Nhiều sự cố neo nâng xảy ra chính xác do công suất neo quy định được tính toán ở mức 5.000 psi trong khi phần tử bị tước sau 18 giờ với bê tông chỉ ở mức 2.200 psi.
Tính bền vững trong kết cấu bê tông đúc sẵn
Tính bền vững của kết cấu bê tông đúc sẵn đã được cải thiện đáng kể trong hai thập kỷ qua, được thúc đẩy bởi cả áp lực pháp lý và sự đổi mới thực sự về vật liệu và phương pháp sản xuất.
Vật liệu xi măng bổ sung (SCM)
Tro bay, xi măng xỉ và khói silic - gọi chung là vật liệu kết dính bổ sung - có thể thay thế 20 đến 50% xi măng portland trong hỗn hợp bê tông đúc sẵn mà không ảnh hưởng đến cường độ hoặc độ bền. Vì sản xuất xi măng chiếm khoảng 8% lượng khí thải CO₂ toàn cầu, hỗn hợp đúc sẵn với 35% xỉ thay thế làm giảm lượng cacbon trong bê tông khoảng 25 đến 30% so với nền xi măng portland 100%, đồng thời cải thiện độ bền lâu dài nhờ giảm độ thấm.
Giảm chất thải vật liệu
Việc sản xuất các cấu kiện đúc sẵn tại nhà máy tạo ra tỷ lệ lãng phí bê tông dưới 2% tổng khối lượng mẻ, so với mức lãng phí 8 đến 12% ở các dự án đổ tại chỗ điển hình, nơi thường xuyên đặt hàng quá mức và đổ bê tông. Tái sử dụng ván khuôn thép - một ván khuôn đúc sẵn có thể tạo ra 300 đến 1.000 chi tiết giống hệt nhau trong suốt thời gian sử dụng của nó - loại bỏ chất thải gỗ liên quan đến hệ thống tạo hình đúc tại chỗ.
Khối lượng nhiệt và hiệu suất năng lượng
Các tấm tường bê tông đúc sẵn, đặc biệt là các tấm cách nhiệt, cung cấp khối lượng nhiệt đáng kể giúp làm dịu đi sự dao động nhiệt độ ban ngày trong nội thất tòa nhà. Tấm bánh sandwich đúc sẵn cách nhiệt 6 inch với lõi EPS 2 inch liên tục đạt được khoảng R-13 ở giữa bảng điều khiển — cạnh tranh với cụm tường trụ bằng thép — đồng thời cung cấp các chức năng kết cấu và chống cháy mà tường trụ không thể sánh được nếu không có hệ thống bổ sung.
Những cân nhắc cuối đời
Các phần tử bê tông đúc sẵn có thể được tháo dỡ thay vì bị phá hủy khi các cấu trúc cuối cùng được tháo dỡ, bởi vì các kết nối bắt vít và hàn riêng biệt được sử dụng trong các khung đúc sẵn - bao gồm tất cả các phụ kiện bê tông đúc sẵn tạo thành các kết nối đó - có thể được tháo chốt hoặc cắt bằng ngọn lửa. Các cấu kiện đúc sẵn được thu hồi đã được tái sử dụng trong các kết cấu thứ cấp như tường chắn, rào chắn âm thanh và các công trình xây dựng tạm thời. Khi không thể tránh khỏi việc nghiền nát, cốt liệu bê tông tái chế từ việc phá dỡ đúc sẵn sẽ sạch, được phân loại đồng nhất và phù hợp với nền đường, cốt liệu thoát nước và vật liệu lấp kết cấu.
Đảm bảo chất lượng cho kết cấu và phụ kiện bê tông đúc sẵn
Môi trường kiểm soát chất lượng trong nhà máy đúc sẵn được chứng nhận PCI về cơ bản nghiêm ngặt hơn những gì có thể đạt được ở hầu hết các công trường xây dựng. Hiểu được điều gì xảy ra trong quá trình kiểm tra chất lượng tại nhà máy giúp chủ sở hữu, kỹ sư và nhà thầu đặt ra những kỳ vọng phù hợp về những gì nhà máy có thể và không thể đảm bảo — cũng như khi việc kiểm soát chất lượng tại hiện trường phải giải quyết những thiếu sót.
QC tại nhà máy: Những gì được kiểm tra ở mọi giai đoạn
- Vật liệu đến — Xi măng, cốt liệu, phụ gia và các phụ kiện bê tông đúc sẵn đều yêu cầu kiểm tra đầu vào và đánh giá chứng nhận của nhà máy. Các neo nâng từ mỗi lô thường được kiểm tra bằng chứng ở mức 150% tải trọng làm việc định mức trước khi nghiệm thu.
- Thiết lập biểu mẫu — Xác minh kích thước hình học của khuôn và vị trí phụ kiện trước khi trộn bê tông. Những sai lệch lớn hơn các giá trị trong bảng dung sai PCI đối với loại phần tử đó cần phải được hiệu chỉnh trước khi tiến hành đổ.
- Bê tông tươi — Độ sụt, hàm lượng không khí, trọng lượng đơn vị và nhiệt độ được kiểm tra tại điểm xả cho mỗi mẻ bê tông. Mẫu xi lanh được đúc để kiểm tra cường độ nén 1 ngày, 7 ngày và 28 ngày.
- Các yếu tố đã hoàn thành — Tất cả các phụ tùng bê tông đúc sẵn đều được định vị và đo lường sau khi tước bỏ. Các khuyết tật về bề mặt được ghi lại, sửa chữa theo quy trình sửa chữa đã được phê duyệt và kiểm tra lại trước khi bộ phận được đưa ra bãi.
Kiểm tra của bên thứ ba trong quá trình lắp đặt
Kiểm tra hiện trường quá trình lắp dựng đúc sẵn tập trung vào bốn hạng mục chính: chuẩn bị bệ ổ trục và đặt miếng đệm ổ trục, ứng dụng vữa và vữa không co ngót trong các túi kết nối, mối hàn tại hiện trường tại các kết nối tấm nhúng và lắp đặt chất bịt kín mối nối. Kiểm tra mối hàn tại hiện trường yêu cầu CWI (Thanh tra hàn được chứng nhận) và kiểm tra trực quan cộng với kiểm tra siêu âm đối với các mối hàn xuyên thấu hoàn toàn trong các kết nối cấu trúc chính. Vị trí miếng đệm ổ trục thường không được kiểm tra và xác định dưới mức ở các dự án có giá thầu thấp; một miếng đệm chịu lực bị lệch hoặc bị thiếu có thể gây ra hiện tượng nát cục bộ gờ bê tông trong vòng vài ngày sau khi chịu tải.
