То, как сталь гнётся, а не ломается под нагрузкой, делает её отличным выбором для районов, подверженных землетрясениям. Бетон склонен легко трескаться и разрушаться под давлением, тогда как стальные конструкции фактически прогибаются и распределяют усилие по всему каркасу. Здания из стали могут перемещаться из стороны в сторону примерно на 10–15 процентов от своей высоты во время толчков, прежде чем произойдёт что-либо критическое. Эта гибкость спасает жизни, поскольку предотвращает внезапное разрушение целых сооружений, когда земля начинает двигаться вокруг них.
Современные стальные конструкции используют системы рассеивания энергии, такие как демпферы с пластическим деформированием и распорки с ограничением потери устойчивости. Эти компоненты действуют как жертвенные элементы, поглощая до 70% сейсмических сил, прежде чем они достигнут основных несущих элементов. Концентрируя повреждения в заменяемых частях, такие конструкции обеспечивают сохранность общей структуры даже при возникновении остаточной деформации.
Стальным конструкциям дополнительную защиту обеспечивают такие методы, как раскосные рамы и системы сейсмической изоляции фундамента, которые по сути отсоединяют здание от движений грунта. На практике инженеры часто устанавливают так называемые эластомерные опоры или фрикционные маятниковые изоляторы, позволяющие зданиям двигаться независимо от происходящих под ними колебаний. Согласно большинству исследований, это может снизить боковые нагрузки во время землетрясений примерно на половину — до трех четвертей. Также существуют гибридные подходы, при которых комбинируют различные методы, например эксцентричные раскосные рамы, которые находят баланс между достаточной жесткостью для устойчивости и возможностью некоторой деформации при необходимости. Эти системы помогают контролировать степень повреждений при очень сильных толчках.
Землетрясение в Нортридже в 1994 году продемонстрировало устойчивость стали — здания с усиленными стальными рамами показали значительно лучшие результаты по сравнению с бетонными конструкциями. Аналогично, 346-метровая башня Тораномон Хиллз в Токио пережила землетрясение Тохоку в 2011 году без повреждений благодаря своей стальной диагональной решётке и настроенным демпферам колебаний, несмотря на смещение грунта на 6,5 метра.
Исследование сейсмостойкости 2023 года показало, что стальные конструкции восстанавливаются в три раза быстрее, чем бетонные, после сильных землетрясений. Хотя дерево обладает некоторой гибкостью благодаря малому весу, оно не имеет постоянной прочности на текучесть (275–450 МПа), как у стали, что делает сталь на 40 % более эффективной при восприятии комбинированных осевых и поперечных нагрузок в многоэтажных зданиях.
Соотношение прочности к весу стали позволяет зданиям выдерживать ветер со скоростью более 150 миль в час, что соответствует примерно тому, что наблюдается во время ураганов четвёртой категории, не нанося при этом существенного ущерба самой конструкции. Особенность стали заключается в том, что под действием давления она гнётся, а не ломается сразу. Это изгибание помогает поглощать часть нагрузки и предотвращает полный разрушение соединений. Согласно исследованию, опубликованному Институтом безопасности от ветровых нагрузок в 2022 году, стальные панели на 72 процента лучше сопротивляются проникновению летящих обломков по сравнению с другими распространенными строительными материалами. Для людей, живущих в регионах, где штормы являются частыми гостями, такая разница в защите имеет большое значение для безопасности.
После урагана Майкл (2018) 92% зданий со стальным каркасом в Панама-Сити, штат Флорида, оставались эксплуатационно пригодными, несмотря на ветер со скоростью 160 миль в час и масштабные разрушения. В районах, подверженных торнадо, таких как округ Мур, штат Оклахома, у зданий со стальным каркасом на 40% реже случаются повреждения кровли по сравнению с деревянными конструкциями, согласно оценке эффективности строительства FEMA 2021 года.
Стальная кровля может весить всего около 2,1 фунта на квадратный фут по сравнению с массивными 6,5 фунтами у бетонной, но то, чего она лишена в весе, компенсируется прочностью против сил отрыва. На самом деле, благодаря эффективной передаче нагрузок и надёжному креплению, сталь выдерживает такие воздействия в три раза лучше. Испытания показали, что при использовании современных крепёжных систем соединения на 58 процентов менее склонны к раскрытию при ветровой нагрузке, согласно экспериментам в аэродинамической трубе. Это означает, что здания остаются устойчивыми, даже когда стихия обрушивается с максимальной силой.
Для максимального сопротивления ветровой нагрузке современные стальные здания оснащаются элементами аэродинамического проектирования:
В сочетании с программным обеспечением предиктивного моделирования эти особенности позволяют стальным конструкциям превышать требования ASCE 7-22 к ветровым нагрузкам на 15–25% в прибрежных районах.
Сталь не горит и плавится при температуре около 1300 градусов Цельсия, что является весьма высокой температурой. Это означает, что она не воспламеняется и не выделяет опасные газы при возгорании. Согласно исследованию NIST 2022 года, здания со стальным каркасом сохраняют устойчивость примерно на 42 процента дольше по сравнению с деревянными конструкциями. Это дополнительное время может сыграть решающую роль во время эвакуации в чрезвычайной ситуации. Хотя сталь начинает терять прочность при температуре около 530 градусов Цельсия, современные строительные нормы предусматривают способы решения этой проблемы. Они включают резервные системы и разделение конструкций на отдельные секции, чтобы даже в случае повреждения одной части здания другие участки оставались достаточно устойчивыми для безопасной эвакуации людей.
Эти специальные вспучивающиеся покрытия расширяются при воздействии высоких температур, образуя защитный углеродистый слой, который значительно замедляет нагревание стальных конструкций. В сочетании с огнезащитными материалами на цементной основе несущие элементы, такие как балки и колонны, могут успешно выдерживать строгие испытания на огнестойкость по стандарту ASTM E119 в течение 2–4 часов до начала деформации. Недавние исследования показали, что сталь, правильно обработанная такими покрытиями, сохраняет около 90 процентов своей несущей способности при температурах около 800 градусов Цельсия, тогда как обычная незащищённая сталь теряет прочность до уровня всего лишь 35 % от исходной при тех же условиях, согласно данным, опубликованным в прошлом году в Journal of Fire Protection Engineering.
Когда температура дерева достигает 300 градусов по Цельсию, оно начинает гореть и выделяет горючие газы, которые ускоряют распространение пожара. Эти газы являются причиной примерно двух третей всех смертельных пожаров в зданиях, согласно данным Национальной ассоциации пожарной охраны за прошлый год. Смена материалов здесь имеет большое значение. Сталь не обеспечивает тот же вид топлива, что и дерево, а это значит, что пламя не так легко проходит через конструкции. Испытания показали, что сталь значительно замедляет распространение пожара, сокращая скорость распространения примерно на 83 процента, согласно исследованию Фонда исследований по противопожарной защите. Хотя углеродные деревянные слои могут защищать от непосредственного теплового повреждения в течение некоторого времени, сталь ведет себя гораздо более предсказуемо при воздействии высоких температур. Такая предсказуемость позволяет инженерам-строителям планировать лучшие системы поддержки по всем зданиям. В результате высокие здания, построенные из стальных рамок, в случае сильного пожара не подвергаются большему риску обрушения. Исследования, проведенные Комитетом по противопожарной безопасности ACI, показывают, что такие конструкции сокращают вероятность обрушения почти на 91 процент по сравнению с традиционными деревянными конструкциями.
Благодаря адаптивности стали инженеры могут адаптировать свои конструкции к стихийным бедствиям, которые могут произойти в разных регионах. Возьмем места, подверженные наводнению, например, стальные опоры поднимаются выше, чем обычный уровень наводнения там. В зданиях, расположенных вдоль берегов, часто используются специальные сплавы, которые не ржавеют от соленого воздуха. Недавние исследования, в которых рассматривалось, как хорошо сохраняются сооружения во время стихийных бедствий, показали, что когда стальные рамы специально спроектированы для каждого места, они могут сократить расходы на ремонт примерно на 40 процентов по сравнению с обычными методами строительства. Эти индивидуальные подходы не только экономили деньги, но и помогли соответствовать строительным правилам и лучше противостоять тому, что природа бросает на них со временем.
Метод конечных элементов и различные вычислительные методы моделирования позволяют инженерам увидеть, как стальные здания реагируют на серьезные нагрузки, такие как землетрясения или ветер ураганной силы со скоростью около 150 миль в час. Эти модели помогают выявить проблемные участки задолго до начала фактического строительства. Исследования 2024 года показали, что добавление искусственного интеллекта в программное обеспечение для моделирования повышает точность прогнозирования примерно на 28 процентов по сравнению с более старыми подходами. Практическое применение заключается в том, что инженеры-строители могут корректировать размеры балок, изменять детали соединений и перепроектировать системы раскрепления на основе полученных данных. Результат? Здания, которые демонстрируют лучшую устойчивость к локальным нагрузкам — будь то сейсмическая активность или прибрежные районы, подверженные штормам.
Гибкость стали позволяет по-разному распределять нагрузки между различными конструктивными элементами, такими как раскрепленные рамы, моментные соединения и диафрагмы. Все они работают совместно, воспринимая и рассеивая силы при стихийных бедствиях. Что действительно выделяет сталь — так это её способность немного изгибаться перед разрушением, предоставляя инженерам некоторый запас прочности. Недавнее исследование прошлого года показало, что после сильных землетрясений стальные здания сохраняли около 89 процентов своей первоначальной прочности, тогда как бетонные конструкции сохраняли лишь около 67 процентов. Инженеры закладывают такие резервные системы в соответствии с определёнными правилами проектирования, чтобы в случае повреждения одного элемента другие автоматически включались в работу, предотвращая обрушение. Именно такой подход объясняет, почему так много современных зданий используют сталь, несмотря на более высокие первоначальные затраты.
Почему сталь является эффективным выбором для районов, подверженных землетрясениям?
Сталь очень эффективна в районах, подверженных землетрясениям, благодаря своей пластичности, которая позволяет ей изгибаться и поглощать сейсмические нагрузки, предотвращая внезапное обрушение.
Как ведут себя стальные конструкции во время ураганов?
Высокое соотношение прочности к весу стали помогает зданиям выдерживать сильные ветры и удары обломков, оставаясь пригодными для эксплуатации даже после сильных штормов.
Является ли сталь огнестойким материалом?
Да, сталь по своей природе огнестойка и не горит, что делает её более безопасным выбором по сравнению с такими материалами, как дерево.
Можно ли адаптировать сталь под конкретные региональные угрозы?
Конструкции из стали могут быть адаптированы под конкретные региональные угрозы, повышая устойчивость к локальным катастрофам, таким как наводнения и коррозия в прибрежных районах.
Copyright © 2025 by Bao-Wu(Tianjin) Import & Export Co.,Ltd. - Политика конфиденциальности
EN
