Жоғары ғимараттарда болат құрылымды қолданудың артықшылықтары

Жоғары беріктік-салмақ қатынасы мен конструкциялық тиімділік

Стальдың жоғары беріктік-салмақ қатынасы арқасында фундаментке түсетін жүктемелер азаяды және құрылатын ғимараттардың биіктігі артады

Балалық құрылымдардың салмағына қатынасы болаттың әлдеқайда биік ғимараттар салуға мүмкіндік береді, ол үшін ауыр тірек жүйелеріне деген қажеттілік төмендейді. Болат өзінің салмағынан шамамен сегіз есе көп жүкті көтере алады, бірақ әдеттегі темірбетонды каркастармен салыстырғанда 30–50 пайызға жеңіл болады. CTBUH-тың 2024 жылғы деректеріне сүйенсек, болатты қолданған кезде фундаменттің талаптары шамамен 25–40 пайызға төмендейді. Әсіресе өте биік ғимараттар туралы сөз болғанда, бұл көрсеткіштер материалдар мен құрылыс уақыты бойынша нағыз үнемге айналады. Биік ғимараттарды жобалаған кезде архитекторлар мен инженерлер олардың осындай қиындықтарға жақсы қолданылатынын ескере отырып, жиі болатты таңдайды.

• Тереңдігі аз фундаменттер (қазып алу шығындарын шамамен 18% төмендетеді)
• Бар болатын топырақтың тасымалдау қабілеті шегінде жетуге болатын биіктіктің артуы
• темірбетондық негізге қарағанда 15–20% материал үнемі

Бұл тиімділік архитекторларға бүтіндікті сақтамай-ақ вертикаль қашықтықты кеңейтуге мүмкіндік береді — қазір құрылыс арматурасымен құрылған ғимараттар әдетте 100-ден астам қабаттан тұрады, ал темірбетонды ядролар әдетте фундаментке қойылатын өте жоғары талаптарға байланысты практикалық биіктік шегіне жетеді.

Суперталл ғимараттардағы құрылымдық болат пен темірбетонды ядро жүйелері: Шанхай ғимараты мен басқа 50-ден астам қабатты негізгі көрсеткіштері бойынша өнімділік талдауы

Шанхай ғимараты — 128 қабатты — осы рекордты биіктікті қол жеткізу үшін темірбетонды ядроға қарағанда 34% жеңіл болатты моменттік рама қолданып жүзеге асырды. Әлем бойынша 50-ден астам қабатты негізгі көрсеткіштер бойынша өнімділік деректері болаттың құрылымдық артықшылығын растайды:

Салмағы мен қаттылығы бойынша артықшылықтарына байланысты Шанхай ғимаратында бетондық нұсқалар үшін белгіленген негізінің ауданын сақтай отырып, 18 қосымша пайдаланылатын қабат қосуға болды. Сонымен қатар, болаттың жанама жүйесінің икемділігі қатты бетондық ядроларға қарағанда (NCSE 2023) жер сілкінісінің массасын 22%–ға азайтады, бұл оның төзімділігін және жоғары қаупті аймақтардағы биіктік потенциалын арттырады.

Икемділік пен динамикалық жауап арқылы жақсартылған жер сілкінісіне және желге төзімділік

Нақты жер сілкіністері кезіндегі болат құрылымының икемділігі: Тохоку (2011) және Мексика Қаласы (2017) мысалдары

Балқытуға ұшырайтын болаттың бақыланатын иілгіштігі — негізінде оның сынбас бұрын қатты иілуі мен созылуына қабілеттілігі — әлем бойынша үлкен жер сілкіністері кезінде сынақтан өткен. Мысалы, 2011 жылғы Тохоку жер сілкінісін қарастырайық. Сол жердегі болаттан жасалған ғимараттар өзінің арқалықтарының иілуі мен қосылыстарының иілуі арқылы сол қатты тербеліс энергиясын толығымен сіңірген, сондықтан жер бетінің үдеуі жердің табиғи тартылысынан екі еседен аса болған кезде де олар тұрақты қалған. Содан кейін 2017 жылы Мексика қаласындағы жер сілкінісі болды, онда қайта құрылған болат ғимараттары құрылыстың шаңы түскеннен кейін жүргізілген толық тексерістерге сәйкес ескі темірбетон ғимараттарымен салыстырғанда шамамен 40% аз зақымданған. Бұл қалай болады? Бұл инженерлердің осы құрылымдарды экстремалды күштерді төтеп беруге қабілетті етіп, бірақ әлі де бүтіндігін сақтай отырып, белгілі бір сипаттамалармен мақсатты түрде жобалауына байланысты.

• Қабілеті қорғалған қосылыстар , яғни арқалықтар бағаналардан бұрын пластикалық деформацияға ұшырайды
• Артық жүктеме жолдары , яғни күштерді бірнеше элемент бойынша таратады
• Созылуға төтеп беретін детальдау , пластиктік шарнирдің пайда болуын болжамды түрде бағыттау

Түзетілген болат иілу рамалары мен арқалықтық ядроларды қолдану арқылы супербиіктіктегі жанама ығысу мен вортекстің ағып кетуін азайту

300 метрден жоғары биіктікте қызмет көрсету мен қауіпсіздік талаптарын сейсмикалық белсенділік емес, жел анықтайды. Бұл жағдайда болат өзінің икемді, жоғары өнімділікті жүйелері арқылы өзін көрсетеді:

• Түзетілген массалық сақтандырғыштар , мысалы Шанхай ғимаратындағы 1000 тонналық маятник, ең жоғарғы үдеуді 30%-ға азайтады
• Арқалықтық ядролық жүйелер , диагональды болат элементтермен қосымша қаттылық-салмақ қатынасын темірбетонға қарағанда 50%-ға жақсартады
• Аэродинамикалық пішіндеу , болаттың пішіндеуге қабілеттілігі арқылы конустық профильдер мен фасадтың кеңістіктік бейнесін қамтамасыз етеді, ол вортекстердің ағып кетуін бұзады

Жел туннеліндегі сынақтар болат иілу рамаларының жанама ығысуын тұрақты түрде H/500-ден төмен ұстайтынын көрсетеді — бұл қатаң тұрғындардың ыңғайлылығының шектік мәндерін қанағаттандырады. Вортекске байланысты тербелістер әрі қарай болат супербағаналарға интеграцияланған түзетілген сұйық бағаны сақтандырғыштары арқылы азайтылады, олар энергияны бақыланатын сұйықтың тербелісі арқылы шашады.

Алдын ала дайындалған болат құрылым арқылы тезірек, болжанатын құрылыс

BIM-негізделген алдын ала дайындау: «The Spiral» (Нью-Йорк) жобасында 30% мерзім қысқартылуы және қалалық биік ғимараттардың тапсырылуына әсері

Білімдік құрылыс модельдеуі (BIM) мен алдын ала дайындалған құрылыс элементтерінің қолданылуы үйлескен кезде, биік ғимараттарды салу процесі әлдеқайда тиімдірек болады, себебі барлық дәл компоненттер ғимараттың нақты салыну орнынан тыс жерде дайындалады. Мысалы, Нью-Йорктегі «Спираль» ғимаратын салу кезінде құрылысшылар дәстүрлі әдістерге қарағанда жалпы құрылыс уақытын шамамен 30% қысқартты. Сонымен қатар, олар құрылыс алаңында 40% кем құрылысшыларды тартуға мәжбүр болды және құрылыс маусымында әрқашан пайда болатын, қиындық туғызатын ауа-райына байланысты кешігулермен күресуге де мұқтаж болмады. Ал егер өндіріс зауыттарда жүргізілсе не болады? Компоненттер миллиметрлік дәлдікпен бір-біріне сай келеді, сондықтан кейіннен қателіктерді түзетуге кететін уақыт шығыны азаяды. Құрама бөліктерді жинау да әлдеқайда тегіс өтеді, себебі бетонның толық қатуын күтіп тұруға тура келмейді. Қалалар да пайдаға ие болады: жеткізу көліктерінің қозғалысы шамамен 25% азаяды, яғни жақын аймақтағы тұрғындар үшін дыбыс ластануы мен автомобильдік тығыздалу азаяды. Сонымен қатар, ғимараттар ерте ашылады, яғни табыс тезірек түседі. Кейбір жобаларда барлығы тезірек және арзанырақ іске асқандықтан, алдын ала дайындалған болат компоненттердің қолданылуы нәтижесінде айлық табыс шамамен 18 000 долларға артады.

Қазіргі заманғы болат құрылымдардың өрт қауіпсіздігі, тұрақтылығы және жұмыс істеу өмірлік циклінің сенімділігі

Қазіргі кезде болат ғимараттар өртке төзімді болу үшін екі негізгі тәсілге сүйенеді: олардың табиғи отқа төзімділігі мен қосымша қорғаныс шаралары. Температура көтерілген кезде арнайы ісіретін бояулар болат элементтерінің бетінде жылулық барьер қабатын түзіп, құрылымның маңызды бөліктерінің ішіндегі температураның көтерілуін баяулатады. Бұған ғимараттың барлық бөліктерінде дұрыс өртке төзімді изоляциялық материалдар мен ақылды бөлме жобалауын қоссаңыз, авариялық жағдайларда ұзақ уақыт бойы өз беріктігін сақтайтын құрылымдарға ие боласыз. Бұл қонысқа қауіпсіз шығуға жеткілікті уақыт береді, сонымен қатар әдеттегі құрылыстарды жойып жіберетін өте күшті өрттер кезінде де.

Коррозияға төзімді қорытпалар мен заманауи гальванизация әдістерімен салынған болат құрылымдар көптеген жылдар бойы көп қолданысқа тап болмай, теңіз жағалауларында немесе өнеркәсіптік аймақтардың жанында қатал жағдайларға ұшыраған кезде де ұзақ уақыт қызмет ете алады. Көпшілік болат рамалары ретті түрде тексеріліп және дұрыс қолданылса, олар 50 жылдан аса қызмет ете алады, олардың пішіні сақталады және қызмет мерзімі бойы қатты жүктемелерді көтеруге қабілетті болады. Осы материалдардың өте жоғары тұрақтылығы олардың басқа нұсқаларға қарағанда уақыт өте келе қолайлы құнын қамтамасыз етеді. Қалалардың жаңа инфрақұрылымдарын салуы үшін осындай сенімділік қажет, себебі зақымданған құрылымдарды алмастыру қымбатқа түседі және қоғамдарға кедергі келтіреді.

Тұрақты даму бойынша лидерлік: болат құрылымдарда қайта өңдеуге жарамдылық пен төмен қосылған көміртегі

Қайта өңделген материалдардың артықшылығы: негізгі және қабықша жүйелерінде болатта орташа 93% қайта өңделген болатқа қарағанда бетонның сызықтық материал ағысы

Биік ғимараттарды тұрақты дамуға ие ету үшін болат маңызды рөл атқарады, себебі оны шексіз қайта жаңғыртуға болады және басқа материалдармен салыстырғанда оның кіріктірілген көміртегі деңгейі әлдеқайда төмен. Бетон өндірісінде біз ресурстарды бір рет пайдаланып, одан кейін оларды тастап кететін «экстрактивтік» тәсілді қолданамыз. Алайда, осы негізгі және қабырғалы ғимараттық жүйелерде болатты қолданған кезде оның шамамен 90 пайызы қайта жаңғыртылған көздерден алынады. Бұл ескі ғимараттарды түсірген кезде олар сапасы мен өнімділігін жоғалтпай-ақ жаңа құрылыстар үшін құнды компоненттерге айналатынын білдіреді. Бұл циклдық процестің табиғаты таза болат өндіруге қарағанда шамамен үш төрттен біріндей ғана тау-кен қазбаларын өндірудің қажеттілігін азайтады. Сонымен қатар, энергия үнемдеу туралы да ұмытпаған жөн. Зерттеулер көрсеткендей, металл қалдықтарынан болат өндіру темір кентастарынан жаңа болат өндіруге қарағанда шамамен төрттен біріндей ғана энергия жұмсайды. Бұл жоба деңгейіндегі жалпы көміртегі ізін әлдеқайда азайтады. Сондай-ақ, болат бірнеше рет балқытылып, қайта өндірілсе де беріктігі мен бүтіндігін жоғалтпайды. Құрылыс тығыздығын сақтай отырып, қалаларды тұрақты дамуға ие етуге ұмтылатын кез келген адам үшін болат — жасалуынан бастап қайта қолданылуына дейінгі толық өмірлік циклы бойынша расталуға ие болатын сирек материалдардың бірі болып табылады.