Жоғары ғимараттар үшін болат құрылымы: Қиындықтар мен шешімдер

Бүйірлік жүктемелердің әсерінен болат құрылымдардың структуралық тұрақтылығы

Моментке қарсы қабырғалар мен армияланған болат өзектердің жел мен сейсмикалық күштерге қарсы тұруы

Бұрышты күштерге қарсы тұратын болат ғимараттар қозғалуға жеткілікті иілгіштік пен пішінін сақтауға жеткілікті қаттылық арасында дәл осындай теңдестіруді табады. Моментке қарсы қабырғалы каркастар үшін негізгі сыры — берік арқалықтар мен бағандардың қосылу орындарында жасырылған. Жер сілкінісі кезінде бұл қосылыстар бақыланатын тәртіппен айналады, сондықтан болат қатты сынбай, бірақ иіліп және бұралып отырады. Көлденең қосымша қолдау элементтері бар («braced core») жүйелер басқаша, бірақ тиімді де жұмыс істейді. Олар диагональды қолдау элементтері арқылы үшбұрышты пішіндер құрады, сондықтан көлденең күштер қолдау элементтері бойынша қарапайым созылу мен қысу әрекеттеріне айналады. Ал жел туралы не айтуға болады? Бұл жағдайда инженерлер ғимараттардың алға-артқа қаншалықты тербелетінін өте көп ойланады. ASCE 7-22 стандарты сияқты нормативті құжаттар қабаттардың биіктігіне қатысты ығысу шектерін белгілейді, әдетте бұл шама 1/500-ге тең. Бұл ішкі кеңістіктегі адамдардың ыңғайлылығын қамтамасыз етеді және таван мен перегородкалар сияқты элементтердің зақымдануын болдырмауға көмектеседі. Жер сілкінісіне төзімділік негізінен «пластикалықтық» (ductility) деп аталатын қасиетке негізделген. Болаттың бұл қасиеті — толықтай сынғанша қатты созылуға қабілеттілігі. Бұл инженерлерге AISC 341 құжатында көрсетілген қосылыстарды дұрыс орындау бойынша нұсқауларды сақтай отырып, бақыланатын иілу аймақтарын алдын ала жобалауға мүмкіндік береді. Барлық бұл факторлар бірігіп, болат конструкциялары ғимараттардың құрылыс нормаларына сай келуін қамтамасыз етеді және қатты көлденең күштер әсерінде де берік тұруын қамтамасыз етеді.

Жағдай-зерттеу: Шанхай ғимаратының болат диагриді мен реттелетін массалық сақтандырғыш – болат құрылымының өнімділігі бойынша эталон

Шанхай ғимараты — ғимараттардың ақылды дизайн және белсенді басқару жүйелері арқылы бүйірлік күштерге қарсы тұра алатынын көрсететін негізгі мысал болып табылады. Бұл ғимаратты ерекшелейтін нәрсе — оның сыртқы қабырғалары бойынша жел қысымын тарататын, бірақ ішкі кеңістікті тіректерсіз толығымен ашық ұстайтын үшбұрышты «мега-бағандардан» тұратын болат диағрид экзоскелеті. 125-қабатта да қызықты нәрсе орналасқан: 1000 тонналық үлкен салмақ — бұл «демпферленген масса», ол күшті желдер кезінде ғимаратқа қарсы «би биледі», соның нәтижесінде қозғалыс қуатты тайфундар кезінде де шамамен 40 пайызға азаяды. Инженерлер ғимараттың конустық пішіні мен диағрид өрнегін қалыптастыру үшін CFD моделдері деп аталатын алғыс компьютерлік симуляцияларды қолданды. Бұл есептеулер ғимараттың 2500 жылда бір рет болатын экстремалды ауа-райы жағдайларына төтеп беруін қамтамасыз етті, барлығы бүйірлік ығысу 1,5 метрден аспайтындай етіп. Жоғары беріктіктегі болат компоненттері мен дәл реттелген демпферлеу механизмдерінің өзара әсерлесуі өте биік ғимараттардың табиғи күштерге төтеп беру қабілетін арттыру бойынша әлемдік жаңа стандарттар орнатты. Бұл бізге архитекторлар материалдарды, пішіндерді және құрылымдардың қозғалысқа қалай реакция беретінін бастапқы кезеңнен-ақ ескерсе, таңғалдырарлық нәтижелерге қол жеткізуге болатынын көрсетеді.

Басқарылатын құрылымдарды орнату кезіндегі құрылымдылықтың оптимизациясы

Тар қалалық алаңдарда крандық логистиканы, дәнекерлеуге қол жеткізуді және қабаттар циклын қысуға кедергі келтіретін факторларды жеңу

Тығыз қалалық аймақтарда болат құрылымдарды салу барлық қозғалыстағы бөліктердің нақтылы координациясын талап етеді. Құрылыс крандарын орнатқан кезде жұмысшылар жақсы қамту аймағын қамтамасыз етуге тырысады, бірақ бір уақытта жанасқан ғимараттар мен көшелерге зиян келтірмеуге де ұмтылады. Кейде бұл арнайы көтергіш жүйелерді немесе кеңістікті үнемдейтін, бірақ қосымша шығындар тудыратын ішкі өсу қондырғыларын таңдауды қажет етеді. Жер бетіндегі кеңістік әрқашан тапшы болғандықтан, материалдар қажет болған уақытта және дәл қажет ретпен келуі керек. BIM бағдарламалық қамтамасыз етуі металлды кесуді бастамас бұрын мәселелерді анықтауға көмектеседі, бұл кейінірек уақыт пен көптеген қиындықтарды үнемдейді. Дәлелденбеген орындарға дәнекерлеушілерді орналастыру көптеген жобалар үшін әлі де қиындық туғызады. Кейбір компаниялар жақсы жұмыс істейтін, сынақтан өткен біріктіру дизайнын қолданады, басқалары – жақсы қол жетімділік қамтамасыз ету үшін AWS D1.8 нұсқаулығын ұстанады, ал соңғы кездері имкансыз бұрыштарды дәнекерлеу үшін роботтандырылған дәнекерлеу технологиялары барынша кеңінен қолданыла бастады. Құрылыс бригадалары қабаттарды жинау графигін жылдамдатқан сайын, су шаруашылығы, электр және желдету-жылыту мамандарымен бірінші күннен бастап координациялау қысымы артады. Цифрлық модельдерді ерте кезеңде бөлісу барлық қатысушылардың жұмысын жеңілдетеді. Сала бойынша есептерге сәйкес, 4D-симуляцияларды алдын ала қолданатын жобалар орнату кезіндегі қателерді шамамен 40% азайтады. Мұндай азаю нәтижесінде кешігулер азаяды және жалпы алғанда еңбек ету жағдайлары қауіпсіз болады.

Дайындалған және модульді болат құрылымдық жүйелер: уақыт кестесін қысқарту және сапаны бақылауды жақсарту

Алдын ала дайындалған және модульді болат жүйелердің дамуы биік ғимараттарды салу тәсілін өзгертуде – негізінде күрделі жұмыстардың көпшілігін құрылыс алаңынан зауытқа, яғни жұмыстарды тиімдірек орындауға болатын орынға көшіру. Бұл көлемдік модульдер мен панельді рамалар қажетті барлық компоненттері (МЕП-каналдары, өртке қарсы қабаттар, сонымен қатар ғимараттың фасадының бір бөліктері) алдын ала орнатылған күйде дайын келеді. Бұл құрылыс алаңындағы жинау уақытын қалыпты құрылыс әдістеріне қарағанда 30–50 пайызға қысқартады. Бақыланатын зауыттық жағдайларда шығарылған бұл жүйелер ±2 миллиметрлік өте таяу допусктерге ие болады. Автоматтандырылған ультрадыбыстық сынау құрылғылары арқылы дәлме-дәл дәнекерлеу сапасы тұрақты түрде қамтамасыз етіледі, ал қорғаныс қабаттары әрбір бетке біркелкі түсіріледі. Әрбір модуль қолданылатын шикізаттарды темір зауытынан бастап соңғы орнатуға дейін барлығын бақылауға мүмкіндік беретін «цифрлық егіз» жүйесі арқылы цифрлық түрде сақталған толық сапа кепілдігінің құжаттарымен жабдықталады. Мүмкін, ең маңыздысы – бұл әдіс құрылыс кестелерін болжанбайтын ауа-райы жағдайларына тәуелділігін азайтады. Сонымен қатар, нақты жинау кезінде құрылыс алаңында аз ғана жұмысшылар қажет болады, бұл еңбек ресурстарын 60 пайызға дейін қысқартуға мүмкіндік береді. Бұл қозғалыс интенсивті көшелердің үстінде немесе қауіпсіздік мәселелері әрқашан басымдықта болатын әлсіз қалалық аймақтарда жұмыс істеу кезінде ерекше маңызды.

Инновациялық ұзын құрылымды болат еден және шатыр жүйелері

Құрама фермалар, ұяшықты арқалықтар және интеграцияланған MEP-дайын болат құрылымды шешімдер

Бүгінгі күннің ұзын қашықтықтағы еден мен төбе жүйелері кеңістікті тиімдірек пайдалануға, барлық инженерлік жабдықтарды дұрыс интеграциялауға және оларды салуға жеңіл болуға бағытталған. Мысалы, композитті фермалар — бұл болаттан жасалған созылуға төзімді пояс пен темірбетон плиталардың қоспасы болып табылады және олар 20 метрден астам қашықтыққа қадаңды болады. Бұл құрылымдардың әдеттегі аркалармен салыстырғанда қаншалықты жұқа болуына таң қаласыз — кейде биіктігі 40% дейін азаяды. Содан кейін, ішінде әдемі дөңгелек тесіктері бар клеткалық аркалар бар. Бұл тесіктер арқылы үлкен диаметрлі инженерлік жабдықтар (МЕП) кедергісіз өте алады, сондықтан құнды биіктікті «жеп» кететін терең төбе кеңістіктеріне қажеттілік туғызбайды. Орнату да әлдеқайда тегіс өтеді. Алдын ала дайындалған МЕП-ке дайын нұсқалар тағы бір қадам алға шығады. Бұл компоненттер зауыттан шығарылған кезде барлық инженерлік коммуникациялардың трассалары, ілу нүктелері және тіпті электр қораптарының қашықтық сақиналары (кондуит гильзалары) алдын ала орнатылған және соқтығысулары тексерілген күйде келеді. Бұл уақыт пен ақшаны үнемдейді, себебі кейіннен объектіде ешкім ешқандай өзгерістер енгізбейді. Skanska және Turner Construction сияқты компаниялардың кейбір салалық көрсеткіштеріне сүйенсек, бұл жүйелер еден циклының уақытын шамамен 25% қысқартады. Сонымен қатар, бұндай жүйелері бар ғимараттар келешекте жалға алушылар құрылымды өзгертуге тілектескен кезде оңай түрлендіріле алады. Сондай-ақ, тұрақты даму мәселесін ұмытпаған жөн: бұл жүйелерде қолданылатын болат өте жоғары — 98% қайта өңделуге жарамды, яғни ғимараттың барлық өмірлік циклы бойынша экологиялық тиімділік қамтамасыз етіледі, бірақ беріктігі мен функционалдығынан айырылмайды.

Негізгі синергия: Құрылымдық болат конструкцияның төменгі құрылымдық жобалаумен интеграциясы

Биік ғимараттардың уақыт өте келе берік тұруы үшін жер бетіндегі және жер астындағы құрылымдар арасында сапалы байланыс болуы қажет. Инженерлер құрылыс объектілері мен топырақтың өзара әрекеттесуін зерттеу арқылы осы мәселеге қатты назар аударады. Олар құрылыс алаңының нақты жағдайларына негізделген модельдер құрады: мысалы, тіректерді қайда орналастыру керектігін, қабаттың қалыңдығы қандай болуы керектігін және негіздердің қандай қаттылыққа ие болуы керектігін анықтау үшін. Әртүрлі материалдардың бір-бірімен қалай әрекеттесуі де өте маңызды. Мысалы, бетон қысу күштерін жақсы қабылдайды және ғимараттардың таязданып кетуінен сақтайды, ал болат каркастар созылу кернеулерін қабылдайды және температураның өзгеруіне байланысты кеңейеді/сығылады, бұл құрылыс объектілерінің біркелкі емес отыруынан туындайтын проблемаларды болдырмауға көмектеседі. Төменгі плиталар немесе енгізілген болат бөліктеріндегі байланыстарды дұрыс орындау міндетті талап. Бұл ерекшеліктер қозғалыс мүмкіндіктерін, дұрыс анкерлеуді және ACI 318 және AISC 360 сияқты өнеркәсіптік стандарттарға сәйкес тиімді жүктеме берілуін ескеруі тиіс. Барлық бұл элементтер дұрыс ықпалдасқан кезде бірнеше артықшылықтар пайда болады. Біріншіден, ғимараттар жер сілкінісіне төзімді болады, себебі кернеу барлық құрылым бойынша таралады, бір нүктеде шоғырланбайды. Екіншіден, зақымдану басталып, бақылаусыз тарала беретін әлсіз нүктелерді болдырмауға болады. Үшіншіден, барлығы өте тиімді жұмыс істейтіндіктен, негіздерді кішірейтуге болады, бұл ескі әдістерге қарағанда бетон шығынын шамамен 20–25% азайтады, өйткені олар бұл факторларды қолданыстағыдай терең интеграцияламаған.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

1. Бұрғылық кедергілік рамалар дегеніміз не?

Бұрғылық кедергілік рамалар — балкалар мен бағандар арасындағы берік қосылыстарға сүйенетін құрылымдар. Бұл рамалар жер сілкінісі кезінде бақыланатын бұрғылық айналуды қамтамасыз етеді, сондықтан ғимарат сынып кетпей-ақ иілуі мен бұрғылануы мүмкін.

2. Жақсыланған орталық жүйелер қалай жұмыс істейді?

Жақсыланған орталық жүйелер үшбұрыштар құру үшін диагональдық қолдауларды қолданады. Бұл қолдаулар жел немесе жер сілкінісі сияқты бүйірлік күштерді қолдаулар бойынша созылу мен қысу әсерлеріне айналдырады, нәтижесінде құрылымның тұрақтылығы артады.

3. Шанхай ғимаратындағы реттелген массалық сазбалтақтың қызметі қандай?

Шанхай ғимаратындағы реттелген массалық сазбалтақ желден туындайтын тербелістерге қарсы әсер етеді: ол ғимараттың қозғалысына қарама-қарсы бағытта қозғалады және ауыр жел жағдайларында тербелістерді шамамен 40% азайтады.

4. Қалалық құрылыс үшін болат құрылымдарды қалай оптималдауға болады?

Қалалық құрылыстың оптимизациясы крандық логистиканы, дәнекерлеуге қол жеткізуді және уақытты жоспарлауды мұқият жоспарлауды қажет етеді. Тиімділікті арттыру мен кеңістік пен уақыт шектеулерін азайту үшін BIM бағдарламалық жасақтамасы мен алдын ала дайындалған құрылыс әдістері негізгі құралдар болып табылады.