0 800 30 30 70
  1. Головна
  2. Всі статті
  3. Від революції до еволюції: як піднімалися хмарочоси
Від революції до еволюції: як піднімалися хмарочоси
Переваги будівництва хмарочосів, стійкість хмарочосів до землетрусів, перспективи зведення хмарочосів у майбутньому, сталеві хмарочоси та бетонні споруди різниця
Від революції до еволюції: як піднімалися хмарочоси
Метінвест СМЦ
https://testsite-mds.metinvest-smc.com/ua/articles/vid-revolyuciyi-do-evolyuciyi-yak-pidnimalisya-xmarocosi/
2024-11-04 16:05:35

Від революції до еволюції: як піднімалися хмарочоси

02 Лютого 2023
Час читання:
10 хв
Переглядів:
4073
Від революції до еволюції: як піднімалися хмарочоси

Будівельний дизайн потужно стартував до неба на рубежі XIX-XX століть, ознаменувавши еру хмарочосів. Епоху супроводжували гучні відкриття у сталеливарному виробництві та інженерні новації, завдяки яким висотні будинки росли, як на дріжджах.

У 1887 році американець Генрі Грей модернізував процес прокатки, і це дозволило випускати балки з широкими полицями. Нова конфігурація прокату відкрила для конструкторів шлях створення потужних висотних конструкцій. Одночасно технологи-сталевари змогли отримати сталь з подвоєною межею плинності щодо наявних сплавів, тим самим підвищивши стійкість об'єктів, що зводяться по всьому світу.

Перша будівля із суцільнометалевим каркасом Rand McNally Building піднялася над землею у 1889 році. Хмарочос у 10 поверхів виріс у Чикаго завдяки першопрохідникам-архітекторам Бернхему та Руту за підтримки інженерів-будівельників Уейда, Парді та Старретта. У проекті задіяно 3700 тонн сталі. Асортимент використаних профілів залишився в історії. Для будівництва використовували:

      • Нові широкополочні балкишвелери та кутники.
      • Залізничні колії.
      • Інноваційні для кінця XIX століття колони Z-подібної форми.
      • I-подібні елементи із загнутими догори кінцями.

перша_висока_будівля_чикаго

Чому почали працювати саме  зі сталлю, а не з бетоном?

Введення в конструкцію стали можливим завдяки наступній закономірності: зростання висоти будівлі на основі сталевих профілів потребує значно меншого збільшення опорної конструкції основи, ніж це спостерігається у випадку з каменем та бетоном.

Золотий переріз сталевих балок

Новаторський I-подібний переріз був створений шляхом пропускання прямокутного сталевого напівфабрикату через горизонтальні валки з осями, паралельними землі, які планомірно обтискали розгорнення. З інженерної точки зору I-подібний профіль має очевидні переваги. Виріб має здатність протистояти поперечним силам за допомогою стінки, що розсіює згинальні зусилля. В результаті для будівлі забезпечується більша жорсткість за рахунок більш ефективного перерозподілу навантажень на одиницю площі.

Окрім розробки нового процесу прокатки, Грей відіграв важливу роль у створенні профілю з широкими полицями, який використовується й сьогодні. Прокатні кліті Грей (назва закріпилася як визначення) були сконструйовані таким чином, що самі валки переміщалися всередину або назовні, щоб регулювати не тільки товщину фланця та стінки, а й ширину фланця. За допомогою своєї технології Грей зміг виробляти профілі заввишки до 44 дюймів (1100 міліметрів) та з фланцями шириною понад 20 дюймів (500 міліметрів).

Саме Грей відкрив першу сторінку історії сучасних хмарочосів. Цілу плеяду будівель зі сталевим каркасом було збудовано між 1901 і 1929 роками, але всіх перевершив Крайслер-білдинг у Нью-Йорку, що досяг 319 метрів. На його будівництво пішло понад 20 000 тонн сталі. Висотка затьмарила на той момент найвищу споруду у світі — Ейфелеву вежу із залізним каркасом.

Крайслер_будівля_Нью_ЙоркДалі зростання сповільнилося, оскільки висота хмарочосів уперлася в існуючі можливості доменного та сталеплавильного переділів.

Розвиток конвертерного та електродугового методів виплавки сталі

Технологію електродугової плавки почали застосовувати з 1969 року, водночас відбувалося вдосконалення мартенівського та конвертерного способів та різних методів позапічної обробки та розливання сталі. Все це дозволило отримати нові види сплавів, а також внести поліпшення в марки і технології, що вже випускаються. Впровадження інновацій дозволило забезпечити:

      • Виробництво рідкої сталі із заданим хімічним складом, з мінімальною кількістю неметалевих включень та домішок.
      • Отримання заготовки необхідного профілю безпосередньо з розплаву, минаючи етап перекату зливка в напівфабрикат.
      • Підвищення ефективності переробки напівфабрикатів у кінцеві профілі за рахунок зниження кількості проміжних етапів переробки та використання максимально відповідної форми заготівлі.

Також у наші дні на передній план виступила додаткова перевага технології електродугової виплавки сталі. Крім точної відповідності вимогам до сплавів, електродугова піч дозволяє знизити «вуглецевий слід», будучи «зеленішою» і енергоефективнішою в порівнянні з іншими сталеплавильними агрегатами. Важлива перевага даного методу виплавки - використання брухту або заліза прямого відновлення (DRI - Direct Reduced Iron) у виробництві. Підхід призводить до значного зниження потреби у природних ресурсах та використання більшої кількості перероблених матеріалів порівняно зі сталлю, виготовленою з використанням конвертерної та мартенівської технологій.

Гарячекатаний прокат: новини з вогняних цехів

У процесі гарячої прокатки деформація сталевих заготівель відбувається за температур вище 1000 °С. Вибір ступеня нагріву в основному залежить від хімічного складу матеріалу, зокрема від вмісту вуглецю, а також структури та рівня властивостей, які необхідно забезпечити в кінцевому виробі.

Зворотною стороною надто високого нагрівання напівфабрикату може стати дуже крупнозерниста структура сплаву, яка може призвести до погіршення механічних властивостей та низької ударної в'язкості. В результаті профіль стає чутливим до динамічних навантажень і схильним до тендітного руйнування. Це і сталося під час землетрусу в Хіого-Кен Нанбу, про який розповімо трохи нижче.

Отримання гарячекатаного прокату змушує витрачати величезну кількість енергії. Крім того, для отримання необхідної структури та властивостей виробу часто потрібно проведення термічної обробки (відпалу, нормалізаціїзагартування з відпустком тощо) вже після гарячої прокатки. Для її виконання потрібно повторне нагрівання та контрольоване охолодження профілю. Це дорого, довго і складно, тому виникла потреба знайти інші способи, щоб досягти тих же результатів хоча б для частини найпопулярніших видів прокату.

У результаті в 1950-х роках виробники повернулися до досліджень 1925 року, які показали, як низьколегована сталь з дрібнозернистою структурою виходить шляхом гарячої прокатки сплаву за більш низьких температур. У ході експериментів були розроблені нові види гарячої обробки металу тиском – термомеханічна прокатка (TMCP – Thermomechanical Controlled process) та контрольована прокатка. Ключова відмінність цих режимів від типової гарячої прокатки полягає в строгому контролі температури нагріву заготовки, температури кінця прокатки, параметрів обтискання в клітках та наступного охолодження готових виробів. Структуру та властивості сталі після термомеханічної та контрольованої прокатки неможливо відтворити шляхом термічної обробки поза потоком прокатного стану.

Крім того, було розроблено технологію так званої «нормалізуючої прокатки», яка дозволила отримувати при обробці тиском структуру та властивості сталі, ідентичні тим, що раніше виходили лише шляхом проведення термічної обробки (нормалізації) поза прокатним агрегатом. Зараз більшість світових будівельних стандартів допускає використання продукції після нормалізує прокатки нарівні з нормалізованою, без будь- яких обмежень.

Хмарочоси Японії не бояться землетрусів

Перша надвисока будівля Касумігасекі в столиці Країни висхідного сонця, з'явилася в 1968 році. Зведення висотки на неспокійному ґрунті в умовах ураганів, що постійно трапляються, стало можливим завдяки комп'ютерному моделюванню процесів.

Найважливіший внесок у успіх зробили розробники та постачальники нових сталей, поставивши на будівельний майданчик сплави з покращеними експлуатаційними властивостями. Будівля Касумігасекі розроблялася як перший надвисокий офіс, тому для прорахунків тут не було місця. Після першого вдалого зразка легкі, високоміцні та пластичні сталеві каркаси уможливили масове будівництво хмарочосів в одному з найсейсмонебезпечніших регіонів планети.

Кусумігасекі_японіяПотужний землетрус у Хіого-Кен Нанбу в 1995 поставив перед інженерами та розробниками нову мету — знизити вагу товстостінних матеріалів, одночасно збільшуючи міцність. Сталь у черговий раз була покращена, крім того, підкоригували форму балки, посиливши кінцеві елементи (саме вони руйнувалися під час підземних поштовхів). З'явилися стали з наднизькою, а також надвисокою межею плинності, з високою в'язкістю та гарною зварюваністю. Нові матеріали спонукали розвиток дизайну. Будинки вже не були схожі на сталеві коробки, форми стали цікавішими, складнішими і багатограннішими.

Сьогодні широкопролітні та багатоповерхові конструкції комерційних приміщень, офісів та готелів є однією з головних ознак великих японських міст.

Скелети старих та нових висоток

Центральна опорна конструкція хмарочоса - сталевий каркас. Металеві двотаври приклепуються, скручуються або зварюються встик, утворюючи вертикальні колони. На кожному рівні – поверх вони з'єднуються з горизонтальними балками. Висотні будинки також мають діагональні балки для додаткової структурної підтримки.

У цій гігантській тривимірній сітці, яка називається суперструктурою, вага будівлі переноситься безпосередньо на вертикальні колони. Це концентрує спрямовану вниз силу, викликану гравітацією, у невеликих областях — зонах, де колони спираються основу. Зосереджена на невеликих ділянках вага поширюється по всій опорній конструкції під будівлею.

У типовому каркасі хмарочоса кожна вертикальна колона стоїть на чавунній плиті ростверку. Елемент являє собою штабель з горизонтальних сталевих балок, встановлених пліч-о-пліч у два або більше шарів. Ростверк у свою чергу спирається на товсту бетонну подушку, насипану прямо на тверду глину під землею. Після встановлення вся сталева конструкція заливається бетоном.

Структура розширюється під землею точно як піраміда. Зрештою, сукупна вага будівлі спирається на твердий грунт. У дуже важких хмарочосах основа лежить на масивних бетонних опорах, які сягають корінного шару.

І знову колишнє питання: чому не бетон?

Однією з головних переваг сталевого каркасу виявляється його надстабільність. Зовнішні (або навісні) стіни несуть лише власну вагу. Це дозволяє архітекторам відкривати будинок скільки завгодно, встановлюючи панорамне скління та дизайнерські конструктивні елементи. Такий підхід різко контрастує із кам'яним будівництвом. Товсті стіни з бетону неможливо використовувати для відкритих споруд — весь масив має розподіляти вагу.

У багатьох сталевих хмарочосах, особливо побудованих у 1950-х і 60-х роках, навісні стіни майже повністю зроблені зі скла, що відкриває захоплюючу панораму на місто та його околиці.

Тенденції сучасного будівництва відстежує і проєктний відділ Метінвест-СМЦ. І хоч поки що серед проєктів немає запланованих «висоток» з рекордною кількістю метрів нагору, фахівці відділу розробляють концепцію «сталевого містечка», яке втілилося у ЖК «Сталева мрія». Комплекс включає житлові будинки, дитячий садок, амбулаторію та спорткомплекс із укриттям. Про розвінчування міфів про сталеве будівництво ми писали у попередніх матеріалах блогу.

Дістати до неба: сталеві м'язи арабського сходу

Знаменитий хмарочос Бурдж-Халіфа, що нагадує блискавку, поки утримує перше місце по висоті, піднявшись уже не над землею, а прямо у хмари на 828 метрів та 163 поверхи. На будівництво пішло 39 000 тонн сталі.

Бурдж_Халифа_ОАЕЦе було найвідоміше змагання металу та бетону. На 160 поверсі цементно-піщана суміш здала свої позиції і далі вгору підіймалася лише сталь. Складання 180-метрового шпиля велося крізь три рівні, щоб забезпечити стабільність на майже кілометровій висоті.

Вежа Халіфа, як жодна будівля у світі до завершення цього проекту, проектувалася як сталеве протистояння вітру. Стріла піднімається до неба кількома окремими стеблами, що закінчуються навколо центрального шпиля. Несиметрична конструкція відхиляє вітер, не дозволяючи потокам утворювати стійкі вири та вихори. Але навіть при такому стратегічному дизайні на самому верху хмарочос Бурдж-Халіфа, як і раніше, повільно розгойдується туди й сюди приблизно на 2 метри.

Холодний розрахунок для холодного прокату

У будівництві Бурдж-Халіфа використовувалася холоднокатана сталь. І це не єдиний метал, узятий для будівництва. Усередині споруди застосували майже всі відомі типи серійного прокату, монтуючи вентиляційні канали, протипожежні двері, огорожі та інші сталеві конструкції.

Технічний відступ:

Метод холодної прокатки — один із видів обробки металів тиску, при якому метал деформується у валках прокатних клітей для зменшення товщини. При цьому, на відміну гарячої прокатки, процес деформації відбувається без попереднього нагрівання напівфабрикату. В результаті змінюються розміри та механічні властивості сталі, покращується якість поверхні. Часто для надання холоднокатаному виробу необхідних експлуатаційних характеристик його піддають термічній обробці.

Метод відомий більше століття, але на початку своєї переможної ходи він примудрився опинитися на задвірках «сталепрокатної цивілізації». Справа в тому, що в кінці 1920-х - початку 1930-х років в середовищі «законодавців сталевої моди», а в цій ролі виступав авторитетний Американський інститут чавуну та сталі (AISI), не існувало стандартної методології проектування для холоднокатаного сплаву, тому технологію не включили до будівельних норм та правил.

У 1938 році AISI прокинувся і скликав Комітет з регламентів для розробки технічних умов проектування холоднодеформованих сталевих конструкцій. Баталії тривали майже два десятиліття, поки, нарешті, в 1956 році не було опубліковано друге видання Специфікації, яке й увійшло до сучасного Будівельного кодексу. Холодногнуті та холоднокатані вироби отримали світове визнання та підтримку.

Сьогодні холоднокатані профілі зробили крок вперед на цілий кілометр. У процесі виробництва таких виробів товщиноміри та інші контролюючі прилади виявляють та коригують відхилення параметрів у режимі реального часу для отримання високоякісної сталевої смуги – саме такі елементи використовували у будівництві Бурдж-Халіфа. Слід зазначити, що в даний час і технології гарячої прокатки максимально наблизилися до якості холоднокатаних виробів, і в окремих продуктах та застосуваннях дуже успішно конкурують та показують більшу ефективність.

Сталь, а не бетон, продовжить підніматися до неба і братиме нові та нові висоти. Технологічні та не дуже країни вже заявили про свої пріоритети. У найближчих планах у Іраку вежа «Наречена» (1152 метри), але її точно перевершить токійський супергігант. Анонсована "Небесна миля" підніметься на захоплюючі 1699 метрів. Будівництво планують завершити у 2045 році.

Ми раді, що ви зацікавилися інформацією з нашого блогу. І даємо згоду на використання матеріалів для навчальних цілей або особистого користування.
Проте попереджаємо, що копіювання інформації для публічного розповсюдження – це порушення авторського права та інших прав інтелектуальної власності згідно з Бернською конвенцією та Законом України про авторське право №3792-XII.
Потрібна консультація?

Залиште свої контактні дані, і ми незабаром зв'яжемося з вами

Натискаючи кнопку «Відправити», погоджуюсь з Умовами використання та надаю Згоду на збір та обробку персональних даних

Потрібна консультація?