Čelična konstrukcija nebodera: objašnjenje stupnjeva, sustava i troškova

Moderni neboder stoji na a čelična konstrukcija iz jednog jednostavnog razloga: čelik pruža najveći omjer čvrstoće i težine od bilo kojeg uobičajenog građevinskog materijala, što inženjerima omogućuje podizanje podova više, dok okvir održava lakšim od ekvivalentnog armiranobetonskog sustava. U tipičnom tornju od 200 do 300 metara, sustav cijevi od čeličnog okvira i jezgre koji kombinira čelične stupove visoke čvrstoće s betonskom ili kompozitnom jezgrom može dovršiti glavnu strukturu poslovne zgrade od 30 katova za otprilike 180 dana, u usporedbi s više od godinu dana za čisto betonsko rješenje.

90% tipična stopa prefabrikacije za čelične stupove i komponente jezgre

50% kraće vrijeme montaže na licu mjesta u odnosu na lijevani beton

18% niži sveobuhvatni trošak u scenarijima visokih zgrada u odnosu na čisti beton

Ovaj članak objašnjava kako točno konstrukcijski čelik Specificiran je, sastavljen i zaštićen u projektima visokih zgrada i gdje stalno nadmašuje ili gubi od alternativa na bazi betona.

Vrste čelika koje se koriste u visokogradnji Čelična konstrukcija Dizajn

Nije svaki konstrukcijski čelik međusobno zamjenjiv. Projektantski tim nebodera odabire stupnjeve na temelju putanje opterećenja, putanje izrade i nacionalnog kodeksa koji upravlja projektom. Tri skupine standarda dominiraju globalnim radovima na visokim zgradama: američki ASTM/AISC sustav, europski EN sustav i kineski GB sustav, s japanskim JIS i australskim AS 4100 klasama koje se pojavljuju na regionalnim projektima.

U američkom sustavu, A992 je zadana razina za široke grede i stupove u komercijalnim tornjevima, dok A572 Stupanj 50 ostaje najbolja opcija niske legure visoke čvrstoće jer pruža jaku ravnotežu granice razvlačenja, obradivosti i zavarljivosti. A500 Ocjena B pokriva hladno oblikovane šuplje strukturne dijelove koji se koriste u kompozitnim stupovima, a A588 otporan na vremenske uvjete čelik je odabran tamo gdje je izloženom čeliku potrebna ugrađena otpornost na koroziju bez obojenog premaza. U Europi, S355 je zadani optimalni stupanj za grede gdje krutost i progib kontroliraju dizajn, budući da se prekoračenjem S355 rijetko smanjuje veličina presjeka dovoljno da bi se opravdao dodatni trošak materijala za elemente kraćeg raspona. Kineski tornjevi s okvirnom jezgrom cijevi obično navode Q355B, ponekad uparen s uvezenim S355JR, A572 ili SM490A dijelovima na međunarodnim zajedničkim projektima.

Uobičajene vrste konstrukcijskog čelika navedene u dizajnu stupova i greda nebodera
Standardno	Grade	Minimalna granica razvlačenja	Tipična uporaba u tornjevima
ASTM (SAD)	A992	345 MPa (50 ksi)	Široke grede i stupovi
ASTM (SAD)	A572 Stupanj 50	345 MPa (50 ksi)	Niskolegirani okvir visoke čvrstoće
ASTM (SAD)	A500 Razred B	290 MPa	Šuplji i kompozitni stupovi
EN (Europa)	S355	355 MPa	Grede, stupovi, opći okviri
EN (Europa)	S460 i noviji	460 MPa	Teško opterećeni sandučasti profili, rešetke velikog raspona
GB (Kina)	Q355B	355 MPa	Stupovi i grede okvirnih cijevi
JIS (Japan)	SM490A	325 MPa	Zavareni pločasti nosači i stupovi

Ocjene većeg razvlačenja u rasponu od 500 do 550 MPa sada su dostupne kao standardni vruće valjani profili u Europi i Sjedinjenim Državama, a metalurška istraživanja su pokazala da povećanje granice razvlačenja prema gore ne povećava proporcionalno utjelovljeni ugljik u presjeku, što čelik visoke čvrstoće čini jednim od pristupačnijih načina za smanjenje tonaže materijala bez odgovarajućeg skoka u utjecaju na okoliš. Kompromis koji inženjeri odmjeravaju je jedinični trošak: stup čelične konstrukcije višeg stupnja košta više po toni, tako da se ušteda isplati tek kada smanjenje težine i rada nadmaši tu premiju, što se obično događa na jako opterećenim kompresijskim elementima, prijenosnim nosačima i podupiračima velikog raspona, a ne na običnim podnim gredama.

Osnovni strukturni sustavi za čelične nebodere

Gotovo svaka supervisoka čelična konstrukcija rješava se sve do jedne od četiri strategije bočnog opterećenja, ponekad kombinirane unutar jednog tornja. Odabir ovisi o visini, tlocrtnom obliku i tome koliki dio podne ploče dizajn može priuštiti prepustiti strukturi.

Čelični okvir - jezgra cijevi

Obodna rešetka čeličnog stupa radi zajedno sa središnjom armiranobetonskom ili kompozitnom čeličnom jezgrom kako bi se oduprla gravitaciji i bočnim opterećenjima vjetra. Ovo ostaje zadani izbor za tornjeve u rasponu od 200 do 300 metara jer daje standardni razmak stupova od oko 10 metara, gura korisnu podnu površinu na 78 do 82 posto bruto površine i savršeno se integrira s naknadno zategnutim ili čeličnim kompozitnim podnim pločama.

Dijagonalna mreža (dijagonalna mreža)

Dijagonalni čelični elementi na obodu zgrade nose i gravitacijska i bočna opterećenja kroz trokutastu geometriju, uklanjajući potrebu za unutarnjim kutnim stupovima i oslobađajući fasadu za neprekinuto ostakljenje. Pramac u Calgaryju, na 236 metara, dobro je dokumentiran primjer vanjske dijamreže izgrađene od čeličnih dijelova visoke čvrstoće tipa Histar, odabranih posebno da odgovore na ciljeve vjetra i solarne učinkovitosti, a ne samo na visinu.

Sustavi potpora i pojasnih nosača

Potporni nosači povezuju središnju jezgru s obodnim stupovima na odabranim mehaničkim podovima, angažirajući te stupove u otporu momentu prevrtanja slično kao što skijaški štapovi produžuju svoju bazu oslonca. Pojasne rešetke raspoređuju isto opterećenje preko šireg pojasa stupova, smanjujući pojedinačne veličine elemenata. Ovi sustavi su učinkoviti za tornjeve gdje sama jezgra ne može kontrolirati pomicanje izazvano vjetrom unutar granica upotrebljivosti.

Kompozitna potporna jezgra

Korišten na najvišim tornjevima na svijetu, ovaj sustav raspoređuje više krila, svako sa svojom vlastitom jezgrom i obodnim stupovima, oko središnjeg središta tako da krila podupiru jedno drugo i smanjuju torzijski odziv. Dok se najpoznatiji primjer, Burj Khalifa, prvenstveno oslanja na armirani beton, kompozitne čelično-betonske inačice ove geometrije sve su češće gdje je brzina izgradnje važna jednako kao i krajnja visina.

Sustavi prijenosnih greda pojavljuju se gdje god se rešetka stupova mora pomaknuti između predvorja ili podija širokog raspona i čvršće rešetke tornja iznad. Prijenosna konstrukcija redistribuira opterećenja s gornjih stupova prema dolje na manje, veće stupove ispod, a budući da prijenosne rešetke nose ogromna koncentrirana opterećenja, gotovo su uvijek izrađene od čelika višeg stupnja kako bi se dubina elementa zadržala unutar dostupne visine od poda do poda.

Prefabrikacija i slijed gradnje

Prednost u brzini izgradnje a čelična konstrukcija dolazi gotovo u potpunosti od tvorničke prefabrikacije. Stupovi, grede i jezgra od čelika režu se, zavaruju i provjeravaju kvalitetu izvan gradilišta, a zatim se isporučuju kao gotove komponente za vijčane ili zavarene spojeve na terenu. Na dobro vođenom projektu ovaj tijek rada prolazi kroz četiri faze koje se preklapaju.

1. faza Radnički crteži i parametarsko modeliranje definiraju svaki element, vezu i rupu za vijke prije početka izrade, što omogućuje petoosno CNC rezanje za proizvodnju složenih oblika kao što su upletene fasade ili hiperbolične površine bez probnog uklapanja na licu mjesta.
Faza 2 Izrada izvan gradilišta i tvornička montaža obično dostižu stopu dovršenosti od 90 posto za jezgre čeličnih stupova i kutijastih presjeka prije nego što dijelovi ikada stignu na gradilište.
Faza 3 Montaža na licu mjesta odvija se kat po kat, pri čemu ekipe za montažu čelika obično dva do tri kata prije postavljanja betonske ili metalne palube, a zavjesni zid ili mehanički i električni grubi radovi slijede odmah iza, umjesto da čekaju potpuni dovršetak konstrukcije.
Faza 4 Završni radovi i zatvaranje fasade odvijaju se paralelno s montažom gornjeg kata od čelika, što je glavni razlog zašto 200-metarski čelični uredski toranj može postići značajnu dovršenost za oko 12 mjeseci u odnosu na otprilike 30 do 36 mjeseci za ekvivalentnu betonsku zgradu od livenog betona, uključujući vrijeme stvrdnjavanja.

Ovaj redoslijed sažima sveobuhvatno razdoblje izgradnje za čelični neboder srednje visine na manje od 24 mjeseca u mnogim slučajevima, što značajno mijenja vremenski raspored financiranja i zakupa investitora u usporedbi sa strategijom koja se temelji samo na betonu.

Inženjering vjetra i seizmika za visoke čelične okvire

Svaka visoka zgrada je, u konstruktivnom smislu, okomita konzola pričvršćena za tlo, pa kako se visina povećava, bočne sile vjetra i potresa rastu daleko brže od gravitacijskih opterećenja. Čelična konstrukcija na to reagira na tri načina: kroz geometriju, kroz prigušivanje i kroz detalje vezanja.

Geometrijsko sužavanje ili uvijanje smanjuje opterećenje vjetrom sprječavajući stvaranje vrtloga u koordiniranom uzorku do visine tornja; Zakrivljeni oblik Šangajskog tornja naširoko je citiran primjer ovog pristupa osmišljenog posebno za smanjenje opterećenja izazvanih vjetrom. Tamo gdje sama geometrija ne može kontrolirati pomicanje, inženjeri dodaju podešeni prigušivač mase, veliki pokretni protuuteg blizu vrha zgrade koji oscilira izvan faze s njihanjem tornja; Zaklopka Taipeija 101 jedan je od najvidljivijih primjera ove tehnologije i ostaje dio javnog obilaska zgrade.

Seizmički detalji za čelične okvire oslanjaju se na duktilne spojeve dizajnirane da popuštaju na kontrolirani način tijekom ekstremnog potresa umjesto da se iznenada lome. Spojevi momentnog okvira, podupirači koji su ograničeni na izvijanje i stupovi od čeličnih cijevi ispunjeni betonom tri su najčešća alata za to, a svaki od njih zahtijeva od proizvođača da kontrolira kvalitetu zavara i žilavost daleko strože nego na elementu koji nosi samo gravitaciju.

Čelična konstrukcija u odnosu na betonsku konstrukciju: izravna usporedba

Nijedan materijal ne pobjeđuje u svakoj kategoriji. Usporedba u nastavku odražava tipične rezultate za tornjeve u rasponu od 150 do 350 metara, gdje su oba sustava realne opcije.

Tipična usporedba performansi između konstrukcijskih sustava od čelika i armiranog betona za srednje do visoke tornjeve
Kategorija	Čelična konstrukcija	Betonska konstrukcija
Trajanje glavne strukture (toranj od 30 katova)	Oko 180 dana	12 mjeseci ili više
Omjer neto korisne podne površine	78% do 82%	65% do 70%
Trošak izgradnje jedinice	1200 do 1500 USD po kvadratnom metru	Često 15% do 20% više u scenarijima visokih zgrada
Potencijal razmaka stupaca	Standardni otvor do 10 metara	Obično čvršće zbog ograničenja raspona ploča
Godišnji trošak održavanja	3% do 8% početnih troškova izgradnje	Općenito manje tekuće održavanje premaza

Stavka održavanja zaslužuje detaljniji pregled. Čelična konstrukcija treba obnoviti antikorozivni premaz otprilike svakih 10 do 15 godina, po uobičajenoj cijeni od 20 do 30 američkih dolara po četvornom metru obložene površine, plus periodični strukturni pregled. Zgrade koje instaliraju kontinuirani strukturni nadzor zdravlja, praćenje zamora i performansi veze u stvarnom vremenu, mogu smanjiti troškove hitnog održavanja za otprilike polovicu hvatanjem propadanja prije nego to postane skupi reaktivni popravak. Tijekom punog životnog ciklusa, kombinacija brže izgradnje, veće površine koja se može unajmiti i predvidljivih ciklusa premaza obično je ono što čeličnu konstrukciju čini troškovno konkurentnijim izborom nakon što se uračunaju rokovi financiranja i leasinga, iako troškovi pojedinačnog održavanja sirovina i premaza mogu biti veći od betona.

Zaštita od požara i kontrola korozije

Nezaštićeni konstrukcijski čelik gubi otprilike polovicu svoje čvrstoće nakon što dosegne oko 550 stupnjeva Celzijevih, što požar u zgradi može premašiti u roku od nekoliko minuta, tako da zaštita od požara nikada nije izborna na naseljenom čeličnom neboderu. Tri pristupa dominiraju trenutnom praksom.

Zaštita od požara nanesena raspršivanjem

Prevlaka od cementnih ili mineralnih vlakana raspršena izravno na grede i stupove, veličine prema debljini kako bi se postigla potrebna ocjena otpornosti na vatru, obično jedan do tri sata, ovisno o ulozi člana i klasifikaciji zauzetosti zgrade.

Intumescentni premazi

Tanak premaz nalik na boju koji se širi u izolacijski pougljeni sloj kada je izložen toplini vatre, a preferira se na izloženom arhitektonskom čeliku gdje raspršena tekstura vizualno nije prihvatljiva.

Stupovi od čeličnih cijevi ispunjeni betonom

Ispunjavanje šupljeg čeličnog dijela betonom daje stupu unutarnji hladnjak i sekundarni put opterećenja ako vanjska čelična ljuska omekša, zbog čega su cijevni stupovi ispunjeni betonom sve češći na supervisokim kompozitnim jezgrama.

Kontrola korozije slijedi sličnu slojevitu logiku: temeljni premaz koji se nanosi u radnji, završni sloj na terenu, au obalnim ili industrijskim okruženjima, vrsta čelika otpornog na vremenske utjecaje ili vruće pocinčavanje za elemente koji se ne mogu lako ponovno obojiti nakon postavljanja. Detalji koji izbjegavaju zadržavanje vode, kao što su nagnute gornje prirubnice i drenažni otvori u kutijastim dijelovima, sprječavaju male rupičaste kvarove koji na kraju prisiljavaju puni ciklus ponovnog premazivanja.

Održivost čelične konstrukcije u visokim zgradama

Konstrukcijski čelik je blizu mogućnosti potpunog recikliranja na kraju životnog vijeka zgrade, a većina proizvedenih dijelova već sadrži znatan udio recikliranog otpada, ovisno o proizvodnoj ruti. Međutim, veća poluga održivosti za neboder je ukupna tonaža: istraživanje usvajanja čelika visoke čvrstoće otkrilo je da prelazak na višu kvalitetu prinosa jedva povećava utjelovljeni ugljik po toni čelika, tako da se uštede težine od upotrebe jače klase gotovo izravno pretvaraju u manji ugljični otisak za gotovu strukturu. To je značajan nalaz, jer znači da projektanti ne moraju mijenjati strukturnu učinkovitost u odnosu na ekološku učinkovitost kao što ponekad čine s drugim zamjenama materijala.

Osim odabira materijala, prednosti čelične konstrukcije u fazi izgradnje imaju vlastitu težinu održivosti. Izrada izvan gradilišta smanjuje otpad na gradilištu, skraćuje građevinske okvire koji stvaraju buku i emisije oko gusto naseljene urbane lokacije i omogućuje ekipama za rušenje da oporave i preprodaju strukturne dijelove mnogo lakše nego što mogu povratiti armirani beton.

Čelične konstrukcije u značajnim projektima nebodera

Stvarni projekti pokazuju kako se ti principi odvijaju na razini. Primjeri u nastavku obuhvaćaju različite strukturne strategije, a ne jedan "najbolji" pristup.

Konstruktivni sustavi korišteni u izboru priznatih visokih zgrada
zgrada	Visina	Primarni strukturni sustav
One World Trade Center, New York	541 m	Jezgra od armiranog betona s perimetralnim čeličnim momentnim okvirom
The Bow, Calgary	236 m	Vanjska čelična dijamreža
Taipei 101, Taipei	508 m	Čelični megastupovi s podešenim prigušivačem mase
Šangajski toranj, Šangaj	632 m	Kompozitna čelično-betonska jezgra s uvijajućom vanjskom oblogom

Novi val predloženih tornjeva dalje gura koncept čelične dijagrama, uključujući planirani supervisoki objekt u New Yorku definiran izloženom vanjskom čeličnom rešetkom koja služi i kao fasada i kao bočni strukturni sustav, a ne kao skriveni strukturni sloj iza stakla. Ovaj trend vidljive strukture odražava rastuće povjerenje u sposobnost čelika visoke čvrstoće da nosi i estetsku i inženjersku odgovornost u isto vrijeme.

Često postavljana pitanja o čeličnoj konstrukciji nebodera

Zašto je čelik bolji od betona za vrlo visoke zgrade?

Omjer čvrstoće i težine čelika omogućuje da toranj nosi isto opterećenje s lakšim okvirom, što smanjuje zahtjeve za temelje, ubrzava konstrukciju kroz prefabrikaciju i oslobađa podnu površinu budući da stupovi mogu biti manji i međusobno udaljeniji. Beton ostaje konkurentan ili poželjan u regijama gdje su kapaciteti proizvodnje čelika ograničeni ili gdje dizajn zahtijeva vrlo krutu jezgru s teškim prigušenjem.

Koja je razlika između konstrukcijskog čelika i čelika visoke čvrstoće?

Konstrukcijski čelik je opća kategorija čeličnih profila koji se koriste u građevinskim okvirima, obično s granicama razvlačenja od oko 235 do 355 MPa. Čelik visoke čvrstoće odnosi se na stupnjeve iznad tog raspona, općenito 460 MPa i više, s nekim toplo valjanim proizvodima koji sada dosežu 500 do 550 MPa uz zadržavanje zavarljivosti potrebne za priključke na terenu.

Koliko je vremena potrebno za izgradnju čeličnog nebodera u usporedbi s betonskim?

Čelični uredski toranj od 200 metara može postići značajnu dovršenost konstrukcije za oko 12 mjeseci korištenjem tvorničke prefabrikacije i paralelnog trgovačkog slijeda, u usporedbi s 30 do 36 mjeseci za ekvivalentnu livenu betonsku konstrukciju, uglavnom zato što beton zahtijeva vrijeme stvrdnjavanja, a čelična erekcija ne.

Treba li čelična konstrukcija više održavanja od betonske?

Za čelik je potreban definiran ciklus održavanja premaza, općenito nanošenje novog sloja svakih 10 do 15 godina po cijeni od oko 20 do 30 američkih dolara po četvornom metru zaštićene površine, plus periodični pregled korozije ili zamora. Beton ima različite potrebe za održavanjem, uglavnom oko pucanja, lomljenja i korozije armature, tako da ukupni troškovi održavanja tijekom životnog ciklusa uvelike ovise o klimi i kvaliteti detalja, a ne samo o izboru materijala.

Može li čelična konstrukcija postići složene ili uvrnute arhitektonske oblike?

Da. Parametarsko modeliranje u kombinaciji s CNC rezanjem s pet osi omogućuje proizvođačima proizvodnju nestandardnih čeličnih elemenata za hiperbolične površine, spiralne oblike ili fasetirane fasade, s konzolama koje se protežu daleko iznad onoga što bi usporedivo betonsko rješenje moglo postići bez teških prijenosnih struktura.

Koja se klasa čelika najčešće koristi u stupovima nebodera?

A572 Stupanj 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.

Language

+86-511-84522866

Vijesti iz industrije

Čelična konstrukcija nebodera: objašnjenje stupnjeva, sustava i troškova

Vrste čelika koje se koriste u visokogradnji Čelična konstrukcija Dizajn