Те, що сталь гнеться, а не ламається під навантаженням, робить її чудовим вибором для зон, схильних до землетрусів. Бетон схильний тріскатися й руйнуватися під тиском, тоді як сталеві конструкції фактично гнуться й розподіляють силу по всій своїй основі. Будівлі зі сталі можуть реально зміщуватися вбік на 10–15 відсотків від своєї висоти під час поштовхів, перш ніж трапиться щось критичне. Ця гнучкість рятує життя, оскільки запобігає раптовому руйнуванню всієї споруди, коли земля починає тремтіти навколо неї.
Сучасні сталеві конструкції використовують системи розсіювання енергії, такі як демпфери з пластичним деформуванням і підкоси з обмеженням втрати стійкості. Ці елементи виступають у ролі жертвених компонентів, поглинаючи до 70% сейсмічних навантажень, перш ніж ті досягають основних несучих елементів. Концентруючи пошкодження у замінних частинах, такі конструкції забезпечують цілісність усієї споруди, навіть якщо виникає залишкова деформація.
Сталеві конструкції отримують додатковий захист завдяки таким методам, як рами з підкосами та системи ізоляції фундаменту, які фактично від'єднують будівлю від рухів ґрунту. Щодо практичного застосування, інженери часто встановлюють так звані еластомерні опори або маятникові ізолюючі опори, що дозволяють будівлі певним чином рухатися незалежно від того, що відбувається під нею. Згідно з більшістю досліджень, це може зменшити горизонтальні сили під час землетрусів приблизно на половину–три чверті. Існують також гібридні підходи, де поєднують різні методи, наприклад, ексцентричні рами з підкосами, які забезпечують баланс між достатньою жорсткістю для стабільності та можливістю пружно деформуватися за необхідності. Ці системи допомагають контролювати ступінь пошкодження під час дуже сильних поштовхів.
Землетрус в Нортріджі 1994 року продемонстрував стійкість сталі — будівлі з модернізованими стальними каркасами показали значно кращі результати, ніж бетонні конструкції. Аналогічно, 346-метрова вежа Тораномон-Гіллз у Токіо витримала землетрус Тохоку 2011 року без пошкоджень завдяки діагридній стальній системі та налагодженим демпферам маси, незважаючи на зміщення ґрунту на 6,5 метра.
Дослідження сейсмічної стійкості 2023 року показало, що сталеві конструкції відновлюються втричі швидше, ніж бетонні, після сильних землетрусів. Хоча дерево має певну гнучкість через малу вагу, воно не має стабільної межі плинності (275–450 МПа), яку має сталь, що робить сталь на 40% ефективнішою для сприйняття поєднаних осьових і поперечних навантажень у багатоповерхових будівлях.
Співвідношення міцності до ваги сталі дозволяє будівлям витримувати вітер зі швидкістю понад 150 миль на годину, що приблизно відповідає умовам ураганів четвертої категорії, не завдаючи істотної шкоди конструкції. Особливість сталі полягає в тому, що під тиском вона гнеться, а не ламається одразу. Це згинання фактично допомагає поглинати частину навантаження й запобігає повному руйнуванню з'єднань. Згідно з реальними показниками ефективності, стальні панелі, як виявило дослідження Інституту безпеки під час вітрових буревіїв у 2022 році, на 72 відсотки краще протистоять проникненню літаючих уламків у порівнянні з іншими поширеними будівельними матеріалами. Для людей, які живуть у регіонах, де шторми є постійним явищем, така різниця в захисті має велике значення для безпеки.
Після урагану Майкл (2018), 92% будівель з сталевою конструкцією в Панама-Сіті, штат Флорида, залишалися в експлуатації, незважаючи на вітри 160 миль на годину і широко поширене руйнування. У районах, схильних до торнадо, таких як графство Мур, штат Оклахома, сталеві будівлі зазнають на 40% менше збоїв даху, ніж дерев'яні конструкції, згідно з оцінкою здатності будівель FEMA в 2021 році.
Залізний дах може важити лише близько 2,5 кілограмів на квадратний метр, а бетон - близько 4,5 кілограмів, але його недостатній вага компенсується міцністю проти піднімальних сил. За сталеву силу сталь утричі краще витримує в таких умовах, оскільки вона добре переносить навантаження і міцно закрепляється. Дослідження показали, що при використанні передових систем запрямування, під час вітру під час експлуатації вітрової тунелі, підключення на 58% рідше розриваються. Це означає, що будівлі залишаються стабільними навіть коли Мати-Природа кидає на них свої найгірші дії.
Для мінімізації опору вітру сучасні сталеві будівлі використовують елементи аеродинамічного проектування:
У поєднанні з програмним забезпеченням прогнозного моделювання ці елементи дозволяють сталевим конструкціям перевищувати вимоги ASCE 7-22 до вітрових навантажень на 15–25% у прибережних районах.
Сталь не горить і плавиться приблизно за 1300 градусів Цельсія, що є досить високою температурою. Це означає, що вона не загорятиметься та не виділятиме небезпечних газів під час пожежі. Згідно з дослідженням Національного інституту стандартів і технологій (NIST) 2022 року, будівлі зі сталевим каркасом зберігають свою стійкість приблизно на 42 відсотки довше, ніж ті, що побудовані з дерев'яного каркасу. Цей додатковий час може мати вирішальне значення під час евакуації в надзвичайній ситуації. Хоча сталь починає втрачати міцність, коли температура досягає близько 530 градусів Цельсія, сучасні будівельні норми передбачають способи вирішення цього питання. Вони передбачають резервні системи та поділ конструкцій на окремі секції, щоб навіть у разі пошкодження однієї частини будівлі інші ділянки залишалися достатньо стабільними для безпечного виходу людей.
Ці спеціальні вспучувані покриття розпухають при високих температурах, утворюючи захисний шар із вуглецю, який значно сповільнює нагрівання сталі. У поєднанні з цементними матеріалами для вогнезахисту конструктивні елементи, такі як балки та колони, можуть витримати суворі вогневі випробування за стандартом ASTM E119 тривалістю від 2 до 4 годин без руйнування. За даними недавніх досліджень, сталь, яка була належним чином покрита, зберігає близько 90 відсотків своєї міцності при температурах навколо 800 градусів Цельсія, тоді як звичайна незахищена сталь втрачає міцність до 35 відсотків у тих самих умовах, що оприлюднено в журналі «Journal of Fire Protection Engineering» минулого року.
Коли деревина досягає приблизно 300 градусів Цельсія або 572 градусів за Фаренгейтом, вона починає горіти та виділяти легкозаймисті гази, що сприяють швидшому поширенню вогню. Саме ці гази, згідно з даними Національної асоціації протипожежного захисту за минулий рік, відповідають приблизно за дві третини всіх смертельних пожеж у будівлях. Заміна матеріалів тут має велике значення. Сталь не є таким самим джерелом палива, як деревина, а отже, полум'я поширенням по конструкціях значно ускладнюється. Дослідження показують, що сталь істотно уповільнює поширення вогню, зменшуючи швидкість його розповсюдження приблизно на 83 відсотки, згідно з дослідженнями Фонду досліджень протипожежного захисту. Хоча вугризлі шари дерева можуть деякий час захищати від безпосередньої теплової дії, сталь поводиться значно передбачуваніше під впливом високих температур. Ця передбачуваність дозволяє інженерам-конструкторам краще проектувати системи підтримки в усіх будівлях. Як наслідок, висотні будівлі зі сталевим каркасом мають значно менший ризик обвалення під час сильних пожеж. Дослідження, проведені Комітетом з питань вогнестійкості АСІ, свідчать, що такі конструкції зменшують ймовірність обвалення майже на 91 відсоток порівняно з традиційними дерев’яними конструкціями.
Завдяки гнучкості сталі інженери можуть адаптувати свої проекти залежно від типу стихійного лиха, характерного для певного регіону. Наприклад, у районах, схильних до повеней, сталеві опори піднімають вище за звичайний рівень затоплення. Будівлі на узбережжях часто використовують спеціальні сплави, стійкі до корозії від солоної морської атмосфери. За даними останніх досліджень ефективності конструкцій під час стихійних лих, коли сталеві каркаси спеціально проектуються для кожної окремої локації, витрати на ремонт можуть скоротитися приблизно на 40 відсотків порівняно зі звичайними методами будівництва. Такі індивідуальні підходи не лише економлять кошти, але й допомагають відповідати вимогам будівельних норм та краще протистояти природним впливам протягом часу.
Метод скінченних елементів та різні обчислювальні методи моделювання дозволяють інженерам бачити, як стальні будівлі реагують на серйозні виклики, такі як землетруси або ураганні вітри швидкістю близько 150 миль на годину. Ці моделі допомагають виявити проблемні зони задовго до початку фактичного будівництва. Недавні дослідження 2024 року показали, що впровадження штучного інтелекту в програмне забезпечення для моделювання підвищує точність прогнозування приблизно на 28 відсотків порівняно зі старішими підходами. Практичне застосування означає, що інженери-проектувальники можуть коригувати розміри балок, вдосконалювати деталі з'єднань і перепроектовувати системи розкосів на основі отриманих даних. Результат? Будівлі, які краще протистоять навантаженням, характерним для їхнього місця розташування, чи то це сейсмічні зони, чи прибережні райони, схильні до штормів.
Гнучкість сталі дозволяє по-різному витримувати навантаження в різних конструктивних елементах, таких як зв'язані рами, моментні з'єднання та діафрагми. Ці елементи працюють разом, сприймаючи та розподіляючи зусилля під час стихійного лиха. Що справді вирізняє сталь — це її здатність трохи прогинатися перед тим, як ламатися, що дає інженерам певний запас міцності. Нещодавнє дослідження минулого року показало, що після сильних землетрусів сталеві будівлі зберігали близько 89 відсотків своєї початкової міцності, тоді як залізобетонні конструкції зберегли лише близько 67 відсотків. Інженери закладають такі резервні системи відповідно до певних проектних правил, щоб у разі пошкодження одного елемента інші автоматично вступали в дію, забезпечуючи стійкість споруди. Саме цей підхід пояснює, чому так багато сучасних будівель використовують сталь, незважаючи на вищі початкові витрати.
Чому сталь є ефективним вибором для сейсмічно активних зон?
Сталь дуже ефективна в сейсмічних зонах завдяки своїй пластичності, що дозволяє їй гнутися та поглинати сейсмічні навантаження, запобігаючи раптовому обваленню.
Як стальні конструкції поводяться під час ураганів?
Високе співвідношення міцності до ваги сталі допомагає будівлям витримувати сильні вітри та ураження уламками, залишаючись працездатними навіть після сильних штормів.
Чи є сталь вогнетривким матеріалом?
Так, сталь за своєю природою вогнетривка і не горить, що робить її безпечнішим варіантом порівняно з матеріалами на кшталт дерева.
Чи можна адаптувати сталь для конкретних регіональних загроз?
Конструкції зі сталі можна адаптувати під специфічні регіональні загрози, підвищуючи стійкість до локальних лих, таких як повені та корозія в прибережних районах.
Авторське право © 2025 Bao-Wu(Tianjin) Import & Export Co., Ltd. - Політика конфіденційності
EN
