Влияние предварительного давления на время строительства и эффективность затрат

Престрессовая сталь коренным образом изменила то, как современные конструкции проектируются и строятся, предлагая инженерам мощный инструмент для достижения более длинных пролетов, более тонких секций и более быстрых графиков строительства. Вводя преднамеренные, контролируемые сжимающие напряжения в бетон, предварительно напряженная сталь позволяет полученному композитному материалу превосходить традиционный железобетон почти всеми измеримыми способами. В этой статье рассматривается глубокое влияние предварительного стресса на время строительства и экономическую эффективность, исследуя механизмы, лежащие в основе его преимуществ, и предоставляя практическую информацию для проектных групп, оценивающих его использование.

Что такое стрессовая сталь?

Престрессовая сталь состоит из высокопрочных стальных нитей, проводов или стержней, которые напрягаются для приведения в действие постоянной силы сжатия к бетонному элементу. Сталь обычно имеет прочность на растяжение в диапазоне от 1860 до 2000 МПа, что значительно выше, чем 400-500 МПа обычного армирующего стержня (арматура). Эта более высокая прочность необходима, потому что сталь должна оставаться эластичной, сохраняя высокие уровни напряжения, необходимые для компенсации сил на растяжение, вызванных рабочими нагрузками.

Претензия против посттенсионизма

Престрессирование применяется двумя основными способами, каждый из которых имеет различные последствия для времени и стоимости строительства:

Материалы и производство

Наиболее распространенным материалом является низкорасслабленная, снимаемая напряжением сталь, которая демонстрирует минимальную потерю напряжения с течением времени. Стрэнды обычно представляют собой семипроводные конструкции (шесть наружных проводов, спирально обернутых вокруг центрального провода). Бары используются в более коротких приложениях и для несвязанных систем после натяжения. Производственный процесс включает в себя холодное натяжение, термообработку и стабилизацию для достижения требуемых механических свойств. Контроль качества имеет решающее значение, потому что любой дефект может привести к катастрофическому сбою.

Влияние на время строительства

Использование подвесной стали может резко сократить общие графики строительства. Несколько факторов способствуют этому ускорению:

На месте сборка сборных предварительно напряженных элементов

Предустановленные компоненты изготавливаются в контролируемой производственной среде, в то время как работа на площадке, такая как фундаменты и земляные работы, продолжается параллельно. Как только сборные элементы прибывают на место работы, они могут быть быстро установлены и соединены, часто без необходимости обширной опалубки или временных опор. Например, типичная сборная конструкция гаража может быть возведена в течение недель, а не месяцев, если использовались методы литья на месте. Эта параллельная обработка является основным фактором сжатия графика.

Уменьшенная форма и шор

Подстрессовые бетонные элементы, поскольку они уже находятся под сжатием, могут нести вес намного раньше, чем неподстрессированные элементы. Постнапряженные плиты среднего пролета (от 8 до 12 м) требуют гораздо меньше реквизита и меньше опор, чем железобетонный плита аналогичной глубины. Во многих случаях опалубку можно раздевать и повторно использовать в течение нескольких дней после постнатяжения, ускоряя цикл для многоэтажных зданий. Это сокращение опалубки также снижает риск задержки на укорочение и упрощает логистику на ограниченных участках.

Меньше структурных элементов и соединений

Поскольку престрессинг позволяет увеличить пролеты и более мелкие глубины, количество колонн, балок и расширительных соединений, необходимых в конструкции, уменьшается. Меньшее количество элементов означает меньше соединений для заливки, осмотра и отделки. Для мостов, устраняя промежуточные пирсы, используя более длинные предстрессовые балки, не только ускоряет эрекцию, но и удаляет дорогостоящие работы фундамента. Для зданий меньшее количество колонн улучшает гибкость плана этажа и уменьшает количество решоров, необходимых при затвердевании бетона.

Ускоренное лечение и ранняя сила

Подстрессовые элементы, особенно те, что находятся на сборном заводе, могут быть подвергнуты ускоренному отверждению с использованием пара или горячей воды, что позволяет им достичь прочности переноса (обычно 28 МПа или более) в течение 12-24 часов. Эта же способность существует для плит с натяжением, если бетонная смесь предназначена для быстрого развития прочности. В результате палубные заливки или размещение плит могут происходить на более быстром еженедельном цикле по сравнению с обычным железобетоном, где полоскание формы часто ждет три-семь дней.

Устранение задержек в делении и вскрытии

Поскольку престрессинг вызывает компенсацию декабрьных напряжений и контролирует растягивающие напряжения при эксплуатационных нагрузках, предварительно напряженные участники проявляют гораздо меньше отклонений и трещин с течением времени, чем сопоставимый железобетон. Это означает, что отделочные сделки - архитектурная облицовка, перегородки, механические системы - могут начать работу раньше и без риска последующего бедствия из-за долгосрочных изменений в камбере или дифференциальной усадки. Зависимости последовательности уменьшаются, сжимая общий график.

Преимущества эффективности затрат

Описанная выше экономия времени напрямую влияет на экономию затрат, но предварительное натяжение стали также обеспечивает эффективность использования материалов, труда и долгосрочного обслуживания.

Материальная экономия

Поскольку предварительно напрягающаяся сталь намного прочнее стандартной арматуры, для достижения такой же гибкой и сдвиговой емкости требуется меньше ее. Более того, полученные бетонные секции могут быть тоньше и легче. Типичная плоская плита с натяжением в конструкции парковки может иметь толщину 200 мм, тогда как традиционно усиленная плита того же пролета потребует 300 мм и более. Это сокращение объема бетона имеет трехкратный эффект: более низкая стоимость материала на квадратный метр, уменьшенная мертвая нагрузка (которая, в свою очередь, уменьшает размер фундамента) и менее воплощенный углерод.

Сбережение веса стали также является значительным. Система пола после натяжения может использовать на 50-70% менее растягивающуюся сталь, чем альтернатива железобетона. Экономия на арматуре (которая сама по себе дешевле на тонну, чем предварительно напрягающая нить, но используется в больших количествах) часто компенсирует более высокую стоимость единицы преднапряжённой стали и оборудования для крепления. В целом, стоимость на месте системы предварительно напряжённой плиты обычно конкурирует с или ниже, чем у армированной бетонной системы, особенно когда учитывается превосходная производительность.

Снижение затрат на труд

Более быстрые циклы строительства и более простая опалубка сокращают количество рабочих часов на месте. На сборных заводах автоматизация и повторение позволяют работникам производить элементы с высокой эффективностью. На месте монтажные бригады после натяжения специализированы, но малы - обычно от двух до четырех рабочих на заливку плит. По сравнению с более крупными бандами, необходимыми для размещения и связывания обычных арматурных клеток, экономия затрат на рабочую силу может быть существенной. Кроме того, поскольку требуется меньше грузовых поставок арматуры и бетона, логистика сайта становится проще и менее подвержена задержкам.

Сокращение долгосрочного обслуживания

Стрессовый бетон по своей природе более прочен, чем железобетон, поскольку сжимающие напряжения удерживают трещины плотными при эксплуатационных нагрузках. Жесткие трещины ограничивают проникновение воды, хлоридов и других агрессивных агентов, снижая риск коррозии как предстрессовой стали, так и любого дополнительного армирования. Мосты и гаражи, построенные из посттенсивного бетона, имеют срок службы от 50 до 100 лет с минимальным обслуживанием по сравнению с 30-50 годами для обычных железобетонных конструкций в аналогичных средах.

Более низкое техническое обслуживание означает меньшее количество закрытие дорог, меньшее количество сбоев и снижение стоимости жизненного цикла. Для владельцев и государственных учреждений это преимущество жизненного цикла часто оправдывает более высокую первоначальную стоимость (если таковая имеется), но в большинстве случаев первая стоимость уже является конкурентоспособной.

Общая стоимость владения

При оценке эффективности затрат проницательные проектные группы рассматривают общую стоимость владения, а не только структурные затраты.

Исследование 2019 года, проведенное Институтом предварительного / напряженного бетона (PCI), показало, что сборные предварительно напряженные строительные рамы экономят в среднем 20% общего времени проекта и 15% общей стоимости по сравнению с альтернативами на месте для средних коммерческих зданий.

Примеры тематических исследований и промышленности

Высокоэтажная жилая башня (пост-напряженные плиты)

В 30-этажном жилом доме на юго-востоке США проектная группа выбрала систему плоской плитной плиты с несвязанными сухожилиями над обычной железобетонной двусторонней плитой. Посттенсионное решение уменьшило толщину плиты с 300 мм до 225 мм, сэкономив 225 м3 бетона на этаж. Что еще более важно, время цикла на этаж сократилось с 7 дней до 5 дней, что позволило завершить строительство на 60 дней раньше. Общая экономия затрат (включая более раннюю заполняемость и уменьшенный объем бетона) составила более 1,2 миллиона долларов США по проекту с общим структурным бюджетом в 8 миллионов долларов США.

Замена моста (удлиненные гирдеры)

В проекте замены моста округа использовались натяжные балки из колбы-чайника длиной 40 м, охватывающие реку в двух сегментах без промежуточных пирсов. Первоначальный план предусматривал четыре железобетонных Т-балки с двумя опорами в реке, что потребовало бы дорогостоящих коффердамов и смягчения последствий для окружающей среды. Предварительное решение полностью устранило подводные пирсы, сократив время строительства в потоке с 6 месяцев до 6 недель. Проект был завершен за 5 месяцев до срока и сэкономил 350 000 долларов только на временных работах.

Дополнительные преимущества предварительного нажатия на сталь

Более длинные вложения и открытые планы этажей

Архитекторы и владельцы присуждают гибкие внутренние пространства. Стрессовый бетон может охватывать до 18 м с помощью неглубоких плит, что позволяет создавать интерьеры без колонн для парковки, офисных полов и аудиторий. Эта свобода дизайна невозможна с железобетоном на разумных глубинах плит. Структурная эффективность предварительного натяжения уменьшает количество колонн и позволяет использовать более крупные окна и улучшенное естественное освещение, добавляя ценность сверх чистой стоимости строительства.

Улучшение сейсмической эффективности

Современные несвязанные рамы и стены с натяжением проявляют эгоцентричное поведение после нагрузок землетрясения. Тенденции остаются эластичными, в то время как бетон может раскачивать и рассеивать энергию через отверстие зазора. Это приводит к структурам, которые испытывают меньший остаточный дрейф и могут быть возвращены в эксплуатацию быстрее после крупного сейсмического события. Преимущество скорости строительства в сейсмических регионах особенно ценно, потому что структурная система может быть построена с меньшим количеством соединительных балок и более простыми деталями соединения по сравнению со специальными железобетонными моментными рамами.

Экологические соображения

Стрессовая сталь способствует более устойчивому строительству несколькими способами:

Поскольку строительные нормы все больше подчеркивают воплощенное сокращение выбросов углерода, эффективность материала для предварительного нажатия стали становится убедительным аргументом для ее использования.

Проблемы и ограничения

Несмотря на многочисленные преимущества, использование подпорной стали не лишено проблем. Проектные команды должны учитывать:

Заключение

Престрессовая сталь занимает уникальное положение в современном строительстве: она обеспечивает ощутимые, измеримые улучшения как в отношении времени строительства, так и в отношении эффективности затрат, а также позволяет создавать более эффективные, долговечные конструкции. Экономия в графике — часто 20-30% по сравнению с железобетонными альтернативами — происходит от параллельного производства, уменьшенной опалубки, меньшего количества элементов и более быстрых циклов отверждения. Эффективность затрат возникает из экономии материалов, более низких трудовых потребностей и снижения технического обслуживания в течение срока службы конструкции. В сочетании с архитектурной гибкостью, сейсмической устойчивостью и экологическими преимуществами, предварительный стресс стал незаменимым инструментом для проектных групп, стремящихся к конкурентному преимуществу.

Инженеры, владельцы и подрядчики, которые инвестируют в понимание и правильное применение подпорной стали, обнаружат, что ее влияние выходит далеко за рамки начальной фазы строительства - оно формирует скорость, стоимость и качество построенной среды на десятилетия вперед.Поскольку строительная отрасль продолжает требовать более быстрой доставки и более низкого содержания углерода, роль подпорной стали будет только возрастать.

Основной вывод: Стрессовая сталь — это не просто альтернатива арматуре — это принципиально другая философия дизайна, которая при правильном применении может сократить время строительства на месяцы, снизить общие затраты на 10-20% и производить конструкции, которые прочнее, легче и долговечнее.

Для дальнейшего чтения, изучите Предварительные / Перенапряженные ресурсы проектирования Института бетона , Образовательный контент Института после напряжённости и ASCE статья об устойчивом дизайне с предварительно напряжённым бетоном .