Стальная конструкция небоскреба: объяснение марок, систем и затрат

Контент

1 Марки стали, используемые в высотных зданиях Стальная конструкция Дизайн
2 Основные структурные системы для стальных небоскребов
3 Последовательность изготовления и строительства
4 Ветровая и сейсмическая инженерия для высоких стальных каркасов
5 Стальная конструкция и бетонная конструкция: прямое сравнение
6 Противопожарная защита и борьба с коррозией
7 Устойчивость стальных конструкций в высотных зданиях
8 Стальная конструкция в известных проектах небоскребов
9 Часто задаваемые вопросы о стальной конструкции небоскреба

Современный небоскреб стоит на стальная конструкция по одной простой причине: сталь обеспечивает самое высокое соотношение прочности и веса среди всех основных строительных материалов, что позволяет инженерам поднимать полы выше, сохраняя при этом каркас легче, чем эквивалентная железобетонная система. В типичной башне высотой от 200 до 300 метров система труб со стальным каркасом и сердечником, сочетающая высокопрочные стальные колонны с бетонным или композитным сердечником, может завершить основную конструкцию 30-этажного офисного здания примерно за 180 дней, по сравнению с более чем годом для чисто бетонного решения.

90% типичная скорость изготовления стальных колонн и основных компонентов

50% более короткое время сборки на месте по сравнению с монолитным бетоном

18% более низкая совокупная стоимость в сценариях высотных зданий по сравнению с чистым бетоном

В этой статье подробно описано, как конструкционная сталь специфицируется, собирается и защищается в проектах высотных зданий, а также там, где он постоянно превосходит или проигрывает альтернативам на основе бетона.

Марки стали, используемые в высотных зданиях Стальная конструкция Дизайн

Не вся конструкционная сталь взаимозаменяема. Команда проектировщиков небоскребов выбирает классы в зависимости от пути нагрузки, маршрута изготовления и национальных норм, регулирующих проект. В мировом высотном строительстве доминируют три семейства стандартов: американская система ASTM/AISC, европейская система EN и китайская система GB, при этом японские стандарты JIS и австралийские стандарты AS 4100 используются в региональных проектах.

В американской системе А992 является маркой по умолчанию для широкополочных балок и колонн в коммерческих башнях, а А572 Класс 50 остается «рабочей лошадкой» высокопрочного низколегированного сплава, поскольку он обеспечивает хороший баланс предела текучести, обрабатываемости и свариваемости. A500 класса B охватывает холодноформованные полые конструкционные профили, используемые в композитных колоннах, а атмосферостойкая сталь A588 выбирается там, где открытая сталь требует встроенной коррозионной стойкости без окрашенного покрытия. В Европе С355 является оптимальной маркой по умолчанию для балок, конструкция которых определяется жесткостью и прогибом, поскольку выход за пределы S355 редко уменьшает размер сечения настолько, чтобы оправдать дополнительные затраты на материал для элементов с более короткими пролетами. В китайских трубчатых башнях с рамным сердечником обычно используется Q355B, иногда в сочетании с импортными секциями S355JR, A572 или СМ490А в международных проектах совместных предприятий.

Распространенные марки конструкционной стали, используемые при проектировании колонн и балок небоскребов
Стандартный	Оценка	Минимальный предел текучести	Типичное использование в башнях
АСТМ (США)	А992	345 МПа (50 фунтов на квадратный дюйм)	Широкополочные балки и колонны
АСТМ (США)	А572 Класс 50	345 МПа (50 фунтов на квадратный дюйм)	Высокопрочный низколегированный каркас
АСТМ (США)	А500 Класс Б	290 МПа	Полые и композитные колонны
RU (Европа)	S355	355 МПа	Балки, колонны, общий каркас
RU (Европа)	S460 и выше	460 МПа	Тяжелонагруженные коробчатые секции, длиннопролетные фермы
ГБ (Китай)	Q355B	355 МПа	Каркасные трубчатые колонны и балки
ДЖИС (Япония)	SM490A	325 МПа	Сварные пластинчатые балки и колонны

Сплавы с более высоким пределом текучести в диапазоне от 500 до 550 МПа теперь доступны в качестве стандартных горячекатаных профилей как в Европе, так и в Соединенных Штатах, а металлургические исследования показали, что повышение предела текучести не приводит к пропорциональному увеличению содержания углерода в профиле, что делает высокопрочную сталь одним из наиболее доступных способов сокращения тоннажа материала без соответствующего скачка воздействия на окружающую среду. Компромиссные инженеры взвешивают стоимость единицы продукции: колонна стальной конструкции более высокого класса стоит дороже за тонну, поэтому экономия окупается только тогда, когда снижение веса и трудозатрат перевешивает эту премию, что обычно происходит с сильно нагруженными сжимающими элементами, передаточными фермами и выносными опорами с большими пролетами, а не с обычными балками перекрытия.

Основные структурные системы для стальных небоскребов

Почти каждая сверхвысокая стальная конструкция рассчитана на одну из четырех стратегий поперечной нагрузки, иногда объединенных в одной башне. Выбор зависит от высоты, формы плана и того, какую часть плиты пола конструкция может позволить отдать конструкции.

Стальная рама-сердечник трубы

Сетка стальных колонн по периметру работает вместе с центральным железобетонным или композитным стальным сердечником, чтобы противостоять как гравитационным, так и боковым ветровым нагрузкам. Этот вариант остается выбором по умолчанию для башен высотой от 200 до 300 метров, поскольку он обеспечивает стандартное расстояние между колоннами около 10 метров, увеличивает полезную площадь пола до 78–82 процентов от общей площади и аккуратно интегрируется с пост-напряженными или стальными композитными плитами перекрытия.

Диагрид (диагональная сетка)

Диагональные стальные элементы по периметру здания несут как гравитационные, так и боковые нагрузки за счет треугольной геометрии, устраняя необходимость во внутренних угловых колоннах и освобождая фасад для непрерывного остекления. Нос в Калгари высотой 236 метров является хорошо задокументированным примером внешней диарешетки, построенной из высокопрочных стальных секций типа Histar, выбранных специально для обеспечения эффективности ветра и солнца, а не только высоты.

Системы аутригеров и ленточных ферм

Выносные фермы соединяют центральное ядро с колоннами по периметру на некоторых механических этажах, задействуя эти колонны в сопротивлении опрокидывающему моменту, подобно тому, как лыжные палки расширяют свою опорную базу. Ленточные фермы распределяют ту же нагрузку на более широкую полосу колонн, уменьшая размеры отдельных элементов. Эти системы эффективны для башен, где ядро само по себе не может контролировать снос, вызванный ветром, в пределах эксплуатационной пригодности.

Композитный усиленный сердечник

Эта система, используемая на самых высоких башнях в мире, размещает несколько крыльев, каждое из которых имеет свою собственную сердцевину и колонны по периметру, вокруг центральной втулки, так что крылья удерживают друг друга и уменьшают крутильную реакцию. В то время как самый известный пример, Бурдж-Халифа, в основном опирается на железобетон, композитные сталебетонные версии этой геометрии становятся все более распространенными там, где скорость строительства имеет такое же значение, как и предельная высота.

Системы переносных балок появляются везде, где сетка колонн должна смещаться между широким вестибюлем или подиумом и более узкой сеткой башни наверху. Передающая конструкция перераспределяет нагрузки от верхних колонн вниз к меньшему количеству более крупных колонн внизу, а поскольку передающие фермы несут огромные сосредоточенные нагрузки, они почти всегда изготавливаются из стали более высокого качества, чтобы сохранить глубину элементов в пределах доступной высоты от пола до пола.

Последовательность изготовления и строительства

Преимущество в скорости строительства стальная конструкция почти полностью изготавливается на заводе-изготовителе. Колонны, балки и основные стальные конструкции разрезаются, свариваются и проверяются на качество за пределами площадки, а затем отправляются в виде готовых компонентов для болтовых или сварных соединений на месте. В хорошо управляемом проекте этот рабочий процесс проходит через четыре перекрывающихся этапа.

Этап 1 Рабочие чертежи и параметрическое моделирование определяют каждый элемент, соединение и отверстие под болт перед началом изготовления, что позволяет пятиосевой резке с ЧПУ создавать сложные формы, такие как скрученные фасады или гиперболические поверхности, без пробной подгонки на месте.
Этап 2 Изготовление за пределами площадки и заводская сборка обычно достигают 90 процентов готовности основных стальных колонн и коробчатых секций еще до того, как детали попадают на площадку.
Этап 3 Монтаж на месте происходит этаж за этажом, при этом бригады по монтажу стальных конструкций обычно на два-три этажа опережают укладку бетонного или металлического настила, а черновая отделка навесных стен или механическая и электрическая обработка следуют сразу за ними, а не ждут полного завершения строительства.
Этап 4 Отделочные работы и закрытие фасада выполняются параллельно с возведением стального верхнего этажа, что является основной причиной того, что 200-метровая стальная офисная башня может быть полностью завершена примерно за 12 месяцев по сравнению примерно с 30-36 месяцами для аналогичного монолитного бетонного здания, включая время затвердевания.

Такая последовательность во многих случаях сжимает полный период строительства среднеэтажного стального небоскреба до менее чем 24 месяцев, что существенно меняет сроки финансирования и аренды застройщика по сравнению со стратегией, основанной только на бетоне.

Ветровая и сейсмическая инженерия для высоких стальных каркасов

С конструктивной точки зрения каждое высокое здание представляет собой вертикальную консоль, прикрепленную к земле, поэтому с увеличением высоты боковые силы ветра и землетрясений растут намного быстрее, чем гравитационные нагрузки. Стальная конструкция реагирует на это тремя способами: посредством геометрии, демпфирования и детализации соединений.

Геометрическое сужение или скручивание снижает ветровые нагрузки, предотвращая образование вихрей по скоординированной схеме по высоте башни; Извилистая форма Шанхайской башни является широко цитируемым примером такого подхода, разработанного специально для снижения ветровых нагрузок. Там, где геометрия сама по себе не может контролировать снос, инженеры добавляют настроенный демпфер массы, большой движущийся противовес возле верхней части здания, который колеблется в противофазе с покачиванием башни; Демпфер Тайбэя 101 является одним из наиболее ярких примеров этой технологии и остается частью публичной экскурсии по зданию.

Сейсмическая детализация стальных каркасов основана на пластичных соединениях, предназначенных для контролируемого разрушения во время сильного землетрясения, а не для внезапного разрушения. Соединения моментной рамы, раскосы, удерживающие продольный изгиб, и колонны из стальных труб, заполненные бетоном, являются тремя наиболее распространенными инструментами для этого, и каждый из них требует от производителя гораздо более строгого контроля качества и прочности сварных швов, чем в случае элемента, несущего чисто гравитационную нагрузку.

Стальная конструкция и бетонная конструкция: прямое сравнение

Ни один из материалов не выигрывает во всех категориях. Приведенное ниже сравнение отражает типичные результаты для вышек в диапазоне от 150 до 350 метров, где обе системы являются реалистичными вариантами.

Типичное сравнение характеристик стальных и железобетонных конструктивных систем для башен средней и высокой этажности.
Категория	Стальная конструкция	Бетонная конструкция
Продолжительность основного строения (30-этажная башня)	Около 180 дней	12 месяцев или более
Коэффициент чистой полезной площади	от 78% до 82%	от 65% до 70%
Стоимость строительства единицы	От 1200 до 1500 долларов США за квадратный метр.	Часто на 15–20 % выше в сценариях с высотными зданиями.
Потенциальное расстояние между колоннами	Стандартный отсек до 10 метров	Обычно более плотный из-за ограничений по пролету плит.
Стоимость годового обслуживания	От 3% до 8% от первоначальной стоимости строительства	Как правило, более низкий текущий уход за покрытием.

Статья «Поддержание» заслуживает более пристального внимания. Стальная конструкция требует обновления антикоррозионного покрытия примерно каждые 10–15 лет, при типичной стоимости от 20 до 30 долларов США за квадратный метр покрытой поверхности, плюс периодический осмотр конструкции. Здания, в которых установлен непрерывный мониторинг состояния конструкций, отслеживающий усталость и производительность соединений в режиме реального времени, могут сократить расходы на экстренное техническое обслуживание примерно вдвое, фиксируя износ до того, как он станет дорогостоящим реактивным ремонтом. В течение всего жизненного цикла сочетание более быстрого строительства, более высокой арендуемой площади и предсказуемых циклов нанесения покрытия обычно делает стальную конструкцию более конкурентоспособным выбором с учетом сроков финансирования и лизинга, даже несмотря на то, что затраты на содержание сырья и покрытия по отдельности могут быть выше, чем у бетона.

Противопожарная защита и борьба с коррозией

Незащищенная конструкционная сталь теряет примерно половину своей прочности, когда ее температура достигает примерно 550 градусов по Цельсию, которую пожар в здании может превысить за считанные минуты, поэтому противопожарная защита никогда не является обязательной для жилого стального небоскреба. В современной практике доминируют три подхода.

Огнезащита, наносимая распылением

Покрытие из цемента или минерального волокна, напыляемое непосредственно на балки и колонны, размер которого определяется по толщине для достижения требуемого уровня огнестойкости, обычно от одного до трех часов в зависимости от роли участника и класса занятости здания.

Вспучивающиеся покрытия

Тонкое лакокрасочное покрытие, которое расширяется в изолирующий слой угля при воздействии тепла от огня. Предпочтительно для открытой архитектурной стали, где напыленная текстура визуально неприемлема.

Колонны из стальных труб, заполненные бетоном

Заполнение полой стальной секции бетоном дает колонне внутренний теплоотвод и вторичный путь нагрузки, если внешняя стальная оболочка размягчается, поэтому заполненные бетоном трубчатые колонны все чаще встречаются в сверхвысоких композитных сердечниках.

Борьба с коррозией следует аналогичной многоуровневой логике: грунтовка, наносимая в цеху, верхний слой в полевых условиях, а в прибрежных или промышленных условиях - атмосферостойкая марка стали или горячее цинкование для элементов, которые нелегко перекрасить после возведения. Детализация, исключающая попадание воды, например, наклонные верхние фланцы и дренажные отверстия в коробчатых секциях, предотвращает появление небольших точечных дефектов, которые в конечном итоге приводят к необходимости полного цикла перекрытия.

Устойчивость стальных конструкций в высотных зданиях

Конструкционная сталь почти полностью пригодна для вторичной переработки в конце срока службы здания, и большинство готовых секций уже содержат значительную долю переработанного лома, в зависимости от маршрута производства. Однако более важным рычагом устойчивости небоскреба является общий тоннаж: исследования по внедрению высокопрочной стали показали, что переход к более высокому классу текучести практически не увеличивает содержание углерода на тонну стали, поэтому экономия веса от использования более прочного сорта практически напрямую приводит к снижению выбросов углекислого газа в готовую конструкцию. Это значимый вывод, поскольку он означает, что проектировщикам не придется жертвовать конструктивной эффективностью экологическими характеристиками, как они иногда делают с заменой других материалов.

Помимо выбора материала, преимущества стальной конструкции на этапе строительства имеют свой собственный вес в плане устойчивости. Производство за пределами площадки сокращает количество отходов на месте, сокращает время строительства, требующее тяжелого оборудования, которое создает шум и выбросы в густонаселенной городской местности, а также позволяет бригадам по сносу восстанавливать и перепродавать секции конструкций гораздо проще, чем они могут восстанавливать железобетон.

Стальная конструкция в известных проектах небоскребов

Реальные проекты показывают, как эти принципы действуют в масштабе. Приведенные ниже примеры охватывают различные структурные стратегии, а не один «лучший» подход.

Конструктивные системы, используемые в ряде признанных высотных зданий.
Здание	Высота	Первичная структурная система
Всемирный торговый центр One, Нью-Йорк	541 м	Железобетонное ядро со стальной моментной рамой по периметру
Боу, Калгари	236 м	Внешняя стальная диарешетка
Тайбэй 101, Тайбэй	508 м	Стальные мегаколонны с настроенным демпфером масс
Шанхайская башня, Шанхай	632 м	Составное железобетонное ядро с закрученной внешней оболочкой.

Новая волна предлагаемых башен продвигает концепцию стальной диарешетки дальше, включая запланированное Нью-Йоркское супервысотное здание, определяемое открытой внешней стальной решеткой, которая одновременно выполняет функцию фасада и боковой структурной системы, а не является скрытым структурным слоем за остеклением. Эта тенденция к видимой структуре отражает растущую уверенность в способности высокопрочной стали нести одновременно эстетическую и инженерную ответственность.

Часто задаваемые вопросы о стальной конструкции небоскреба

Почему для очень высоких зданий сталь предпочтительнее бетона?

Соотношение прочности и веса стали позволяет башне выдерживать ту же нагрузку с более легкой рамой, что снижает потребность в фундаменте, ускоряет строительство за счет предварительной сборки и освобождает площадь пола, поскольку колонны могут быть меньше и расположены дальше друг от друга. Бетон остается конкурентоспособным или предпочтительным в регионах, где возможности производства стали ограничены или где конструкция требует очень жесткого, тяжелого демпфирующего сердечника.

В чем разница между конструкционной сталью и высокопрочной сталью?

Конструкционная сталь — это общая категория стальных профилей, используемых в каркасах зданий, обычно с пределом текучести от 235 до 355 МПа. К высокопрочной стали относятся марки выше этого диапазона, обычно 460 МПа и выше, при этом в некоторых горячекатаных изделиях прочность достигает 500–550 МПа, сохраняя при этом свариваемость, необходимую для полевых соединений.

Сколько времени занимает строительство стального небоскреба по сравнению с бетонным?

200-метровая стальная офисная башня может быть полностью завершена примерно за 12 месяцев с использованием заводского изготовления и параллельной последовательности операций по сравнению с 30–36 месяцами для эквивалентной монолитной бетонной конструкции, в основном потому, что бетон требует времени для затвердевания, чего не требует стальной монтаж.

Стальная конструкция требует большего ухода, чем бетонная?

Сталь требует определенного цикла обслуживания покрытия, обычно повторного покрытия каждые 10–15 лет по цене от 20 до 30 долларов США за квадратный метр защищаемой поверхности, а также периодические проверки на предмет коррозии или усталости. Бетон имеет различные потребности в техническом обслуживании, в основном в связи с растрескиванием, растрескиванием и коррозией арматуры, поэтому общие затраты на техническое обслуживание в течение жизненного цикла в значительной степени зависят от климата и качества детализации, а не только от выбора материала.

Может ли стальная конструкция достичь сложных или искривленных архитектурных форм?

Да. Параметрическое моделирование в сочетании с пятиосевой резкой с ЧПУ позволяет производителям изготавливать нестандартные стальные элементы для гиперболических поверхностей, спиральных форм или граненых фасадов, при этом консольные конструкции выходят далеко за рамки того, что можно было бы достичь в сопоставимом бетонном решении без тяжелых передаточных конструкций.

Какая марка стали чаще всего используется в колоннах небоскребов?

А572 Класс 50 and A992 dominate in the United States, S355 is the default in Europe, and Q355B is the standard choice on Chinese frame-core tube towers, with higher grades reserved for heavily loaded transfer members, outrigger trusses, and long-span box sections where the weight savings justify the higher unit cost.