Cao đẳng Skyline nằm cách đứt gãy San Andreas 1 dặm về phía tây trên một khu đất rộng 111 mẫu Anh ở phía tây Đại lộ Skyline và phía nam Đường Sharp Park ở San Bruno, California. Trường cao đẳng cộng đồng mở cửa vào năm 1969, và các tòa nhà trong khuôn viên trường là các cấu trúc thấp tầng, chủ yếu được xây dựng bằng bê tông cốt thép theo phong cách kiến trúc “tàn bạo” phổ biến của thời đại đó. Các nhà thiết kế ban đầu của tòa nhà là Isadore Thompson, Kỹ sư kết cấu, và John Carl Warnecke, Kiến trúc sư và Tư vấn Quy hoạch.
Tòa nhà 2 là một cấu trúc bê tông ba tầng, rộng 53.000 foot vuông được đặt trên một sườn đồi ở phía tây, tạo ra một phần tầng hầm. Các tấm sàn nặng và bao gồm sự kết hợp của các tấm phẳng, tấm bánh quế và thanh giằng một chiều chủ yếu trên lưới 18 feet thông thường. Mái nhà có một cửa sổ bật lên trung tâm với dầm bê tông nhịp dài tạo không gian cho chỗ ngồi kiểu nhà hát trong một giảng đường lớn. Tải trọng chết của cột dao động từ 75 đến 300 kips trong đó mỗi cột được hỗ trợ trên một caisson bê tông duy nhất. Tải trọng tác dụng lên các cột đỡ mái bật lên có tải trọng trọng lớn hơn nhiều so với các cột khác. Các caisson được kết nối với nhau bằng các dầm bê tông nhỏ, cốt thép nhẹ, với một số trên các đường chéo giữa các cột để phân phối áp lực đất từ các bức tường tầng hầm sườn đồi khắp nền móng.
Dự án
Việc trang bị thêm địa chấn là cần thiết để giải quyết nhiều thiếu sót về địa chấn bao gồm các tấm tường cắt bê tông đúc sẵn bên ngoài không dẻo và tường cắt bên trong không liên tục. Là một trường cao đẳng cộng đồng ở California, dự án thuộc thẩm quyền của Bộ phận Kiến trúc sư Tiểu bang và việc trang bị thêm địa chấn toàn diện đòi hỏi phải tuân thủ hai mức hiệu suất dựa trên phương pháp Cấp 3 được mô tả trong ASCE 41-17 cho tòa nhà Loại Rủi ro III. Phương pháp Cấp 3 này liên quan đến đánh giá có hệ thống chi tiết về hiệu suất địa chấn của tòa nhà bằng cách sử dụng cả quy trình phân tích tuyến tính và phi tuyến.
Do sự gần gũi với đứt gãy San Andreas và khối lượng địa chấn nặng của kết cấu bê tông hiện có, thiết kế trang bị thêm liên quan đến việc bổ sung các bức tường phủ bê tông phun bê tông trên các bức tường đúc sẵn chu vi hiện có cũng như các bức tường lấp đầy bê tông bên trong để loại bỏ sự gián đoạn theo chiều dọc trong hệ thống bên hiện có. Các móng caisson hiện có đủ cho các nhu cầu địa chấn cao hơn nhiều cần thiết, miễn là tải trọng bên có thể được phân phối theo cách cho phép tất cả các caisson hoạt động cùng nhau. Hệ thống dầm cấp ban đầu quá nhỏ và không cung cấp một đường tải liên tục cho tất cả các caisson hiện có, vì vậy một hệ thống dầm cấp bê tông mới được yêu cầu để hỗ trợ theo chiều dọc các bức tường cắt bê tông mới đồng thời hoạt động như một giàn để phân phối đồng đều tải trọng ngang cho tất cả các caisson hiện có. Để kết nối trực tiếp các caisson hiện có với các dầm cấp mới, sáu feet trên cùng của các caisson sẽ được loại bỏ trong khi vẫn duy trì cốt thép hiện có. Cách tiếp cận này là cần thiết để tránh bổ sung nền móng hiện có với các yếu tố móng sâu bổ sung bị hạn chế bởi hạn chế về mặt bằng và tòa nhà.
Dự án là một dự án công trình công cộng “đấu thầu cứng” truyền thống, vì vậy điều tối quan trọng là nhà thầu phải phát triển một giải pháp chống đỡ an toàn nhưng tiết kiệm. Sơ đồ chống đỡ cột cũng cần cho phép công việc diễn ra đồng thời trong toàn bộ tòa nhà.
Đánh giá các lựa chọn thay thế
Một cách tiếp cận phổ biến để chống đỡ cột liên quan đến dầm kim tải trọng điểm về cơ bản là hai dầm thép cách nhau gần nhau được gắn vào hai bên cột, với dầm đơn giản kéo dài giữa hai giá đỡ tạm thời. Khi cột là thép, có thể dễ dàng hàn các dầm ngang ngắn vào các cột sau đó phân phối tải trọng cho dầm kim thép. Sau khi nhóm xây dựng tính toán tải trọng chết trọng lực cột gần đúng (bao gồm cả phụ cấp tải trọng sống xây dựng nhỏ), rõ ràng là việc gắn vấu thép hoặc bu lông vào cột bê tông sẽ không hoạt động do tải trọng cao. Trường đại học cũng muốn có thể tiết lộ các cột trong tương lai, vì vậy một cái nhìn phô mai Thụy Sĩ, được vá không phải là điều mà họ sẽ đồng ý.
Suy nghĩ tiếp theo là sử dụng trụ chống đỡ thông thường tại mỗi vị trí cột trên ba tầng của tòa nhà. Do sự kết hợp của các hệ thống tải trọng trọng lực trong một tầng và theo chiều dọc giữa các tầng, rõ ràng là một hệ thống dầm rải xếp chồng lên nhau và bốn trụ ở mỗi cột sẽ khó thiết kế và tốn thời gian để xây dựng. Một kỹ sư giàu kinh nghiệm đã mất hơn bốn giờ để thiết kế một hệ thống chỉ cho một cột. Tòa nhà có 70 cột / vị trí tường được hỗ trợ trên caisson, và hầu hết đều độc đáo về cấu hình của các hệ thống trọng lực mà chúng hỗ trợ.
Complicating the post shoring approach was the width and layout of the new grade beams. It was not possible to post down through the grade beams (too much reinforcing steel), so it was necessary to find open spots away from the columns. Unfortunately, putting posts farther away from the columns put them at or near the quarter span locations in the slabs where there is typically little negative steel. If the spreader beams were located there, the floors might be damaged or collapse. Stacked spreader beams were considered, with one set near the columns spanning to another set farther away. But doing this at three levels at each column just did not seem like the right approach: too costly to design and build. Another approach was required.
The design team reached out to colleagues who design construction means and methods for contractors and asked if they had ever been faced with similar challenges. One colleague provided information about a project in which the means and methods engineer had clamped the concrete column tightly with two short wide-flange steel beams stressed with large, high strength bolts that spanned to needle beams. The surface of the steel that would contact the concrete was “roughened” with parallel beads of weld, to create what might be called shear keys—basically a load transfer mechanism akin to shear friction in ACI 318.
This sounded a bit crazy at first, but after some thought it made more sense technically and showed great engineering instincts and innovative thinking. Certainly nothing like this could be found in the building code or other design guidelines. The colleague was able to provide a drawing for the project which showed the column load and the clamping force, and from that it could be determined what the friction per square inch must have been. The project had been successful which provided one data point, but with an unknown coefficient of friction, mu, strength reduction factor, phi, and factor of safety. Anyway, it was a start.
The post approach was abandoned and back came the needle beams. The needle beams needed to span to “something” and this “something” is often drilled micro-piles, installed using low-overhead equipment in a basement. The general contractor client knew this was going to be expensive and asked the team to develop a scheme that was simpler and something they could self-perform. The first thought was timber mats at the existing slab level that would support the ends of the needle beams. The problem with this approach was that the contractor still needed to excavate six feet down to the bottom of the new grade beam. To avoid a slope failure, the needle beams needed to be long. This idea was discarded. It was decided to instead excavate and place the temporary foundations at the lower level. Timber mats (12×12 timbers bolted together) were an obvious solution but some of the mats would need to pass under the new grade beams. Timber was not permitted to be left in place, so this idea was also abandoned. As a result, cast-in-place concrete pads were used.
The Solution?
At this point the team thought they had a solid approach. The columns would be clamped with roughened wide flange beams, with the clamping beams (eventually called “grippers”) bearing on spreader beams spanning to needle beams. The needle beams needed to be placed above the new grade beams, so the needle beams were supported on steel posts bearing on the concrete pads. Although the building is supported on concrete caissons, the soil was found to be reasonably good for bearing based on recommendations from the project geotechnical engineer. Each building column had two pads (mostly 5 feet by 10 feet in plan by 1.5 feet thick), with each pad supporting one or two posts. Given the column loads and what was known about the skin friction that could be developed, it was concluded that two sets of grippers would be required at each building column so that all four column surfaces could be engaged.
To address the economics issue, it was determined that two wide-flange beam sizes, W24x117 and W18x76, would address the range of column loads and needle beam spans. The same grippers, fabricated from W14x159 sections, would be used at each column location regardless of load. Although posts could be re-used, the concrete pads would be left in place.
Where concrete bearing walls existed rather than columns (at stair and elevator cores, the building perimeter and certain interior shear walls), it was possible to punch holes in the walls and support the walls directly on the needle beams through bearing.
Testing the Approach
With only one data point and no solid available data for steel to concrete friction, the design needed to be tested. The general contractor client was reluctant at first but eventually came to understand what was known and what was not with respect to project risks (quite high) relative to the cost of the tests (quite modest).
The test set-up consisted of a concrete pad footing with a concrete column extending upward 8 feet. The column dimensions matched those in the building, and the columns were reinforced so that the column tension strength was twice that of the highest column gravity load that needed to be lifted. The two sets of grippers could theoretically provide more capacity than needed.
Tổng thầu sau đó đã quyết định thuê một nhà thầu phụ chuyên biệt để lắp đặt hệ thống chống đỡ, thực hiện kích cột thực tế và hỗ trợ giám sát. Nhà thầu phụ cũng hỗ trợ thử nghiệm và phát triển quy trình siết chặt bu lông để tạo ra lực bình thường đáng tin cậy, tương tự như siết chặt đai ốc vấu trên bánh xe ô tô. Kích thủy lực được đặt giữa đỉnh của chân và bộ kẹp, sau đó các kích được mở rộng để tải cột, đồng thời theo dõi độ trượt của kẹp. Trượt là một mối quan tâm lớn vì không có hệ thống hỗ trợ thay thế nào cho cột có thể được lắp đặt nhanh chóng. Nhà thầu phụ cũng khuyến nghị đặt một miếng ván ép mỏng, dày 1/4 inch giữa kẹp thép và bề mặt tiếp xúc trên cột bê tông. Lợi ích của ván ép không rõ ràng ngoài việc tạo ra một bề mặt chịu lực đồng đều hơn; ván ép thực sự có thể làm giảm ma sát kẹp.
Thử nghiệm đầu tiên đã thành công vì cột bị hỏng trong lực căng, chứng minh rằng các kẹp có thể truyền lực cần thiết. Tuy nhiên, thử nghiệm này chỉ cung cấp thêm một điểm dữ liệu, vì vậy một thiết lập thử nghiệm khác đã được xây dựng, thử nghiệm này bao gồm cả ván ép. Bài kiểm tra thứ hai cũng thành công.
Sau khi thực tế, người ta biết rằng nhà thầu phụ đã sử dụng phương pháp kẹp cột này trước đây và rất thoải mái với thiết kế được đề xuất. Giá như điều này đã được biết ngay từ đầu! Khi dự án tiến triển, người ta quan sát thấy rằng các hạt hàn đã ép qua ván ép và tự nhúng vào bề mặt của cột, do đó đóng góp rất lớn vào hoạt động của bộ kẹp.
Xây dựng hồ sơ xây dựng
Hỗ trợ toàn bộ tòa nhà, hoặc thậm chí một phần lớn của tòa nhà, cùng một lúc sẽ quá mạo hiểm. Các cân nhắc đối trọng là: 1) sẽ rất tốn kém nếu có đủ thép để thực hiện các phần lớn cùng một lúc; 2) không có đủ không gian để lưu trữ đất đào; 3) việc di chuyển vật liệu xung quanh khu vực làm việc sẽ khó khăn; và 4) không có đủ công nhân.
Sau khi xem xét các giải pháp khác nhau với ý kiến đóng góp từ các kỹ sư kết cấu của họ liên quan đến các tiêu chí thiết kế trong ASCE-37 Tải trọng thiết kế trên các tòa nhà trong quá trình xây dựng (tải trọng gió và địa chấn cho xây dựng tạm thời) và tải trọng áp suất đất từ sườn đồi, tổng thầu đã quyết định cách tiếp cận tám giai đoạn hoạt động xung quanh chu vi và từ bắc xuống nam, kết thúc với giai đoạn thứ tám ở điểm tiếp cận chính ở phía đông của tòa nhà. Điều này cho phép có đủ các thùng xây dựng để chống lại gió và tải trọng địa chấn mọi lúc. Tải trọng gió tạm thời kiểm soát thiết kế lực ngang một cách đáng ngạc nhiên mặc dù tòa nhà chỉ cách đứt gãy San Andreas một dặm. Bức tường tầng hầm phía tây cần chống thấm mới, vì vậy thay vì đào đất phía tây theo các giai đoạn trùng với các giai đoạn chống đỡ, tất cả đất được đào cùng một lúc để loại bỏ hoàn toàn vấn đề áp lực đất. Khi công việc tiến triển, đất đã được thay thế khi khả năng chịu tải bên đã được khôi phục.
Bản vẽ chi tiết và đánh giá thiết kế
Nhà thầu phụ hỗ trợ đặc biệt đã phát triển bản vẽ công trình để các nhà thiết kế xem xét. Họ thường đưa ra các khuyến nghị về những thay đổi nhỏ để cải thiện thiết kế cơ bản hoặc cho phép tái sử dụng vật liệu. Cuối cùng, sự hợp tác giữa nhà thầu, nhà thầu phụ và nhà thiết kế rất xuất sắc và đóng một yếu tố chính trong sự thành công của dự án.
Khả năng trượt kẹp hoặc mất độ bám là một mối quan tâm thường xuyên. Ban đầu, tổng thầu thuê một người khảo sát để theo dõi độ cao cột mỗi ngày. Điều này rất tốn kém và rõ ràng là điều này không thể được thực hiện trong suốt vòng đời của dự án. Nhưng bất kỳ sự trượt giá nào cũng không thể không được chú ý. Sau một số nghiên cứu, tổng thầu đã mua và lắp đặt một hệ thống khảo sát điện tử được liên kết với máy tính của họ cung cấp một bản ghi liên tục về độ cao của cột. Sau khi giải quyết các khúc mắc và trải qua một vài báo động hoảng loạn và sai, hệ thống hoạt động tốt.
Nấc cụt
Không có dự án nào là hoàn hảo, nhưng chỉ có hai trục trặc xảy ra.
Đầu tiên là gãy bu lông kẹp. Cần có bu lông ASTM A193 Lớp B7 đặc biệt để phát triển đủ lực kẹp. Trong một trường hợp, các bu lông sai (cấp thấp hơn) đã vô tình được vận chuyển đến địa điểm và lắp đặt. May mắn thay, các bu lông bị hỏng trong quá trình căng chứ không phải khi tòa nhà được hỗ trợ.
Thứ hai là trượt kẹp trong giai đoạn cuối, ngay khi mọi người nghĩ rằng có thể nhìn thấy phần cuối của đường hầm. Có một lớp thạch cao trên cột đã được để nguyên tại chỗ, vì vậy nó đã được loại bỏ. Trượt lại xảy ra, vì vậy các mặt cột đã bị đập bụi. Đây đã được chứng minh là giải pháp. Tải trọng kẹp và tải trọng kích thẳng đứng đã được áp dụng và để nguyên vào cuối tuần chỉ để chắc chắn, trước khi bắt đầu phá dỡ các cột.
Thành công cuối cùng
Việc lập kế hoạch, thiết kế và thử nghiệm bắt đầu vào tháng 6 năm 2023. Việc xây dựng giai đoạn đầu tiên bắt đầu vào tháng 12 năm 2023, với công việc hoàn thành vào ngày 10 tháng 3 năm 2025, với lần đổ bê tông cuối cùng. Như với tất cả các dự án phương tiện và phương pháp xây dựng, đây là lúc để thư giãn! ■
Giới thiệu về các tác giả
James Enright, SE, là Phó Hiệu trưởng của Element Structural Engineers, Newark và Oakland, California.
