Konstrukcja stalowa wieżowca: objaśnienie gatunków, systemów i kosztów

Nowoczesny drapacz chmur stoi na konstrukcja stalowa z jednego prostego powodu: stal zapewnia najwyższy stosunek wytrzymałości do masy ze wszystkich popularnych materiałów budowlanych, co pozwala inżynierom na podnoszenie podłóg wyżej, przy jednoczesnym zachowaniu lżejszej ramy w porównaniu z równoważnym systemem żelbetowym. W typowej charakterystycznej wieży o wysokości od 200 do 300 metrów stalowy system ramowo-rurowy łączący słupy stalowe o wysokiej wytrzymałości z rdzeniem betonowym lub kompozytowym może ukończyć główną konstrukcję 30-piętrowego budynku biurowego w około 180 dni, w porównaniu z grubo ponad rokiem w przypadku rozwiązania czysto betonowego.

90% typowy wskaźnik prefabrykacji słupów stalowych i elementów rdzenia

50% krótszy czas montażu na miejscu w porównaniu z betonem wylewanym na miejscu

18% niższy koszt całkowity w przypadku budynków wysokich w porównaniu z czystym betonem

W tym artykule opisano dokładnie, jak to zrobić stal konstrukcyjna jest określony, montowany i chroniony w projektach wysokich budynków i gdzie stale przewyższa lub przegrywa z alternatywami opartymi na betonie.

Gatunki stali stosowane w wieżowcach Konstrukcja stalowa Projekt

Nie każda stal konstrukcyjna jest wymienna. Zespół projektowy wieżowca wybiera gatunki na podstawie ścieżki obciążenia, trasy produkcji oraz przepisów krajowych regulujących projekt. W globalnych pracach związanych z budownictwem wysokim dominują trzy rodziny norm: amerykański system ASTM/AISC, europejski system EN i chiński system GB, z japońskimi klasami JIS i australijskimi AS 4100 pojawiającymi się w projektach regionalnych.

W systemie amerykańskim A992 jest domyślną klasą dla belek i słupów o szerokich kołnierzach w wieżowcach komercyjnych, natomiast A572 klasa 50 pozostaje najbardziej wytrzymałą opcją niskostopową, ponieważ zapewnia silną równowagę pomiędzy granicą plastyczności, urabialnością i spawalnością. Klasa A500 B obejmuje formowane na zimno puste kształtowniki konstrukcyjne stosowane w kolumnach zespolonych, a stal odporna na warunki atmosferyczne A588 jest wybierana tam, gdzie stal odsłonięta wymaga wbudowanej odporności na korozję bez powłoki malarskiej. W Europie S355 jest domyślnym optymalnym gatunkiem dla belek, w których sztywność i ugięcie kontrolują projekt, ponieważ wykraczanie poza S355 rzadko powoduje zmniejszenie rozmiaru przekroju na tyle, aby uzasadnić dodatkowy koszt materiału w przypadku elementów o mniejszej rozpiętości. Chińskie wieże rurowe z rdzeniem ramowym powszechnie określają Q355B, czasami w połączeniu z importowanymi sekcjami S355JR, A572 lub SM490A w międzynarodowych projektach joint-venture.

Powszechnie stosowane gatunki stali konstrukcyjnej stosowane przy projektowaniu słupów i belek wieżowców
Standardowe	Ocena	Minimalna siła plastyczności	Typowe zastosowanie w wieżach
ASTM (USA)	A992	345 MPa (50 ksi)	Belki i słupy o szerokich kołnierzach
ASTM (USA)	A572 klasa 50	345 MPa (50 ksi)	Rama z niskostopowej stali o wysokiej wytrzymałości
ASTM (USA)	A500 klasa B	290 MPa	Kolumny puste i kompozytowe
PL (Europa)	S355	355 MPa	Belki, kolumny, ramy ogólne
PL (Europa)	S460 i nowsze	460 MPa	Mocno obciążone profile skrzynkowe, kratownice o dużej rozpiętości
GB (Chiny)	Q355B	355 MPa	Kolumny i belki z rur szkieletowych
JIS (Japonia)	SM490A	325 MPa	Spawane blachownice i kolumny

Gatunki o wyższej granicy plastyczności w zakresie od 500 do 550 MPa są obecnie dostępne jako standardowe profile walcowane na gorąco zarówno w Europie, jak i w Stanach Zjednoczonych, a badania metalurgiczne wykazały, że zwiększanie granicy plastyczności nie powoduje proporcjonalnego wzrostu zawartości węgla w przekroju, co sprawia, że stal o wysokiej wytrzymałości jest jednym z bardziej dostępnych sposobów cięcia tonażu materiału bez odpowiedniego skoku wpływu na środowisko. Kompromisem inżynierów jest koszt jednostkowy: kolumna o konstrukcji stalowej wyższej jakości kosztuje więcej za tonę, więc oszczędności zwracają się dopiero wtedy, gdy redukcja masy i robocizny przewyższa tę premię, co zwykle ma miejsce w przypadku mocno obciążonych elementów ściskanych, kratownic przenoszących i podpór o dużej rozpiętości, a nie w przypadku zwykłych belek stropowych.

Podstawowe systemy konstrukcyjne stalowych drapaczy chmur

Prawie każda superwysoka konstrukcja stalowa ogranicza się do jednej z czterech strategii obciążenia bocznego, czasami łączonych w ramach jednej wieży. Wybór zależy od wysokości, kształtu planu i tego, ile płyty podłogowej projekt może poświęcić konstrukcji.

Stalowa rama-rdzeń rurowy

Obwodowa siatka słupów stalowych współpracuje z centralnym rdzeniem żelbetowym lub ze stali kompozytowej, aby wytrzymać zarówno obciążenie grawitacyjne, jak i boczne obciążenie wiatrem. Pozostaje to domyślny wybór w przypadku wież o wysokości od 200 do 300 metrów, ponieważ zapewnia standardowy rozstaw słupów wynoszący około 10 metrów, zwiększa powierzchnię użytkową podłogi do 78 do 82 procent powierzchni brutto i doskonale integruje się z naprężonymi lub stalowymi płytami stropowymi.

Diagrid (siatka ukośna)

Ukośne elementy stalowe na obwodzie budynku przenoszą zarówno obciążenia grawitacyjne, jak i obciążenia boczne dzięki trójkątnej geometrii, eliminując potrzebę stosowania wewnętrznych słupów narożnych i uwalniając fasadę dla nieprzerwanego przeszklenia. Łuk w Calgary o wysokości 236 metrów jest dobrze udokumentowanym przykładem zewnętrznej diasiatki zbudowanej z profili stalowych o wysokiej wytrzymałości typu Histar, wybranych specjalnie tak, aby odpowiadała celom w zakresie wydajności energii wiatrowej i słonecznej, a nie samej wysokości.

Systemy wysięgników i kratownic pasowych

Kratownice wysięgnikowe łączą centralny rdzeń z kolumnami obwodowymi w wybranych podłogach mechanicznych, angażując te kolumny w przeciwstawienie się momentowi wywracającemu, podobnie jak kijki narciarza rozciągają swoją podstawę podparcia. Kratownice pasowe rozkładają to samo obciążenie na szerszy pas słupów, zmniejszając rozmiary poszczególnych elementów. Systemy te są skuteczne w przypadku wież, w których sam rdzeń nie jest w stanie kontrolować dryfu wywołanego wiatrem w granicach użyteczności.

Rdzeń kompozytowy wzmocniony

System ten, stosowany w najwyższych wieżach na świecie, układa wiele skrzydeł, każde z własnym rdzeniem i kolumnami obwodowymi, wokół centralnej piasty, dzięki czemu skrzydła usztywniają się nawzajem i zmniejszają reakcję na skręcanie. Chociaż najbardziej znany przykład, Burj Khalifa, opiera się głównie na żelbecie, zespolone wersje tej geometrii ze stali i betonu są coraz bardziej powszechne tam, gdzie szybkość budowy ma znaczenie tak samo jak ostateczna wysokość.

Systemy belek przenoszących pojawiają się wszędzie tam, gdzie siatka słupów musi zostać przesunięta między lobby lub podium o dużej rozpiętości a węższą siatką wieży powyżej. Konstrukcja przenosząca redystrybuuje obciążenia z górnych słupów na mniejszą liczbę większych słupów znajdujących się poniżej, a ponieważ kratownice przenoszące przenoszą ogromne obciążenia skupione, prawie zawsze są wykonane ze stali wyższej jakości, aby utrzymać głębokość elementów w ramach dostępnej wysokości od podłogi do podłogi.

Prefabrykacja i sekwencjonowanie budowy

Zaletą szybkości budowy konstrukcja stalowa pochodzi prawie w całości z prefabrykacji fabrycznej. Kolumny, belki i rdzenie stalowe są wycinane, spawane i sprawdzane pod względem jakości poza miejscem budowy, a następnie wysyłane jako gotowe komponenty do połączeń śrubowych lub spawanych na miejscu. W dobrze prowadzonym projekcie przepływ pracy przebiega przez cztery nakładające się etapy.

Etap 1 Rysunki warsztatowe i modelowanie parametryczne definiują każdy element, połączenie i otwór na śrubę przed rozpoczęciem produkcji, co pozwala na pięcioosiowe cięcie CNC w celu wytworzenia skomplikowanych kształtów, takich jak skręcone fasady lub powierzchnie hiperboliczne, bez próbnego dopasowywania na miejscu.
Etap 2 Produkcja poza placem budowy i prefabrykacja fabryczna zwykle osiągają 90-procentowy wskaźnik ukończenia stalowych kolumn i profili skrzynkowych, zanim elementy dotrą na plac budowy.
Etap 3 Montaż na miejscu przebiega piętro po piętrze, a ekipy montażowe ze stali zwykle o dwa do trzech pięter przed położeniem betonowego lub metalowego pomostu, a ściany osłonowe lub prace mechaniczne i elektryczne wykonują prace tuż za nimi, zamiast czekać na pełne ukończenie konstrukcji.
Etap 4 Prace wykończeniowe i zamykanie elewacji przebiegają równolegle z montażem stali na górnym piętrze, co jest głównym powodem, dla którego 200-metrowy stalowy wieżowiec biurowy może zostać ukończony w ciągu około 12 miesięcy w porównaniu z około 30 do 36 miesiącami w przypadku równoważnego budynku z betonu wylewanego na miejscu, włączając czas utwardzania.

Taka sekwencja w wielu przypadkach skraca kompleksowy okres budowy średniej wielkości stalowego wieżowca do mniej niż 24 miesięcy, co w istotny sposób zmienia harmonogram finansowania i leasingu dewelopera w porównaniu ze strategią opierającą się wyłącznie na betonie.

Inżynieria wiatrowa i sejsmiczna dla wysokich ram stalowych

Każdy wysoki budynek jest, pod względem konstrukcyjnym, pionowym wspornikiem przymocowanym do podłoża, więc wraz ze wzrostem wysokości siły boczne powodowane przez wiatr i trzęsienia ziemi rosną znacznie szybciej niż obciążenia grawitacyjne. Konstrukcja stalowa reaguje na to na trzy sposoby: poprzez geometrię, poprzez tłumienie i poprzez szczegóły połączeń.

Geometryczne zwężanie lub skręcanie zmniejsza obciążenie wiatrem, zapobiegając tworzeniu się wirów w skoordynowany sposób na wysokości wieży; Skręcana forma Shanghai Tower jest szeroko cytowanym przykładem takiego podejścia, zaprojektowanego specjalnie z myślą o zmniejszeniu obciążeń wywoływanych wiatrem. Tam, gdzie sama geometria nie jest w stanie kontrolować dryfu, inżynierowie dodają dostrojony tłumik masy, czyli dużą ruchomą przeciwwagę w pobliżu szczytu budynku, która oscyluje w fazie niezgodnej z kołysaniem wieży; Amortyzator budynku Taipei 101 jest jednym z najbardziej widocznych przykładów tej technologii i pozostaje częścią publicznego zwiedzania budynku.

Detale sejsmiczne w przypadku ram stalowych opierają się na połączeniach plastycznych zaprojektowanych tak, aby uginały się w kontrolowany sposób podczas ekstremalnego trzęsienia ziemi, a nie nagle pękały. Połączenia z ramą momentową, stężenia zapobiegające wyboczeniu i kolumny z rur stalowych wypełnionych betonem to trzy najpopularniejsze narzędzia do tego celu, a każde z nich wymaga od producenta znacznie ściślejszej kontroli jakości i wytrzymałości spoin niż w przypadku elementu przenoszącego wyłącznie grawitację.

Konstrukcja stalowa a konstrukcja betonowa: bezpośrednie porównanie

Żaden materiał nie wygrywa w każdej kategorii. Poniższe porównanie odzwierciedla typowe wyniki dla wież w zakresie od 150 do 350 metrów, gdzie oba systemy są realistycznymi opcjami.

Typowe porównanie wydajności systemów konstrukcyjnych ze stali i żelbetu dla średnich i wysokich wież
Kategoria	Konstrukcja stalowa	Struktura Betonowa
Czas trwania głównej konstrukcji (30-piętrowa wieża)	Około 180 dni	12 miesięcy lub więcej
Wskaźnik powierzchni użytkowej netto	78% do 82%	65% do 70%
Koszt budowy jednostki	1200 do 1500 dolarów za metr kwadratowy	Często o 15% do 20% więcej w przypadku budynków wysokich
Potencjał odstępu między kolumnami	Standardowa zatoka do 10 metrów	Zwykle węższe ze względu na ograniczenia rozpiętości płyty
Roczny koszt utrzymania	3% do 8% początkowych kosztów budowy	Ogólnie rzecz biorąc, bieżąca konserwacja powłoki jest niższa

Pozycja dotycząca konserwacji zasługuje na bliższe przyjrzenie się. Konstrukcja stalowa wymaga odnowienia powłoki antykorozyjnej mniej więcej co 10 do 15 lat, przy typowym koszcie od 20 do 30 dolarów amerykańskich za metr kwadratowy powlekanej powierzchni, plus okresowa kontrola konstrukcji. Budynki, w których zainstalowano ciągłe monitorowanie stanu konstrukcji, śledzenie zmęczenia i wydajności połączeń w czasie rzeczywistym, mogą obniżyć koszty konserwacji awaryjnej o około połowę, wychwytując pogorszenie, zanim stanie się kosztowną naprawą reaktywną. W całym cyklu życia połączenie szybszej budowy, wyższej powierzchni najmu i przewidywalnych cykli powlekania sprawia, że konstrukcja stalowa jest zwykle bardziej konkurencyjnym kosztowo wyborem, po uwzględnieniu harmonogramu finansowania i leasingu, mimo że indywidualne koszty utrzymania surowców i powłok mogą być wyższe niż w przypadku betonu.

Ochrona przeciwpożarowa i kontrola korozji

Niezabezpieczona stal konstrukcyjna traci mniej więcej połowę swojej wytrzymałości, gdy osiągnie temperaturę około 550 stopni Celsjusza, którą pożar budynku może przekroczyć w ciągu kilku minut, zatem ochrona przeciwpożarowa w przypadku zamieszkałego stalowego wieżowca nigdy nie jest opcjonalna. Obecnie w praktyce dominują trzy podejścia.

Ognioodporność natryskowa

Powłoka cementowa lub z włókien mineralnych natryskiwana bezpośrednio na belki i kolumny, wymiarowana według grubości w celu uzyskania wymaganej klasy odporności ogniowej, zwykle od jednej do trzech godzin, w zależności od roli elementu i klasyfikacji użytkowania budynku.

Powłoki pęczniejące

Cienka powłoka przypominająca farbę, która pod wpływem ciepła pożaru rozszerza się w izolacyjną warstwę zwęglenia, preferowana na odsłoniętej stali architektonicznej, gdzie tekstura natryskiwana jest nie do zaakceptowania wizualnie.

Kolumny z rur stalowych wypełnionych betonem

Wypełnienie pustej sekcji stalowej betonem zapewnia kolumnie wewnętrzny radiator i dodatkową ścieżkę obciążenia w przypadku zmięknięcia zewnętrznej powłoki stalowej, dlatego też kolumny rurowe wypełnione betonem są coraz powszechniejsze w rdzeniach superwysokich.

Kontrola korozji opiera się na podobnej warstwowej logice: podkład nakładany w warsztacie, warstwa nawierzchniowa na miejscu, a w środowiskach przybrzeżnych lub przemysłowych, gatunek stali odpornej na warunki atmosferyczne lub cynkowanie ogniowe w przypadku elementów, których nie można łatwo przemalować po montażu. Detale zapobiegające powstawaniu pułapek wodnych, takich jak nachylone górne kołnierze i otwory drenażowe w sekcjach skrzynkowych, zapobiegają drobnym uszkodzeniom wżerowym, które ostatecznie wymuszają pełny cykl ponownego malowania.

Zrównoważony rozwój konstrukcji stalowej w wysokich budynkach

Stal konstrukcyjna pod koniec okresu użytkowania budynku prawie w pełni nadaje się do recyklingu, a większość wytwarzanych sekcji zawiera już znaczną część złomu pochodzącego z recyklingu, w zależności od ścieżki produkcji. Większym czynnikiem zrównoważonego rozwoju w przypadku drapacza chmur jest jednak całkowity tonaż: badania nad przyjęciem stali o wysokiej wytrzymałości wykazały, że przejście na wyższą klasę plastyczności ledwo zwiększa zawartość węgla na tonę stali, więc oszczędność masy wynikająca z zastosowania mocniejszego gatunku przekłada się niemal bezpośrednio na niższy ślad węglowy gotowej konstrukcji. To znaczące odkrycie, ponieważ oznacza, że projektanci nie muszą przedkładać efektywności strukturalnej na rzecz ochrony środowiska, jak to czasami ma miejsce w przypadku innych zamienników materiałów.

Poza wyborem materiału, zalety konstrukcji stalowej na etapie budowy mają także znaczenie w zakresie zrównoważonego rozwoju. Produkcja poza terenem budowy pozwala ograniczyć ilość odpadów na placu budowy, skraca czas budowy wymagający dużego sprzętu, który generuje hałas i emisje w gęsto zabudowanym terenie miejskim, a także umożliwia ekipom rozbiórkowym odzysk i odsprzedaż sekcji konstrukcyjnych znacznie łatwiej niż odzyskanie żelbetu.

Konstrukcja stalowa w znanych projektach drapaczy chmur

Prawdziwe projekty pokazują, jak te zasady sprawdzają się w skali. Poniższe przykłady obejmują różne strategie strukturalne, a nie jedno „najlepsze” podejście.

Systemy konstrukcyjne stosowane w wybranych uznanych wysokich budynkach
Budynek	Wysokość	Podstawowy system konstrukcyjny
One World Trade Center w Nowym Jorku	541 m	Rdzeń żelbetowy z obwodową stalową ramą momentową
Łuk, Calgary	236 m	Zewnętrzna siatka stalowa
Tajpej 101, Tajpej	508 m	Stalowe megakolumny z dostrojonym amortyzatorem masowym
Wieża Szanghajska, Szanghaj	632 m	Kompozytowy rdzeń stalowo-betonowy ze skręconym płaszczem zewnętrznym

Nowa fala proponowanych wież poszerza koncepcję stalowej siatki typu diagrid, włączając w to planowany nowojorski supertall zdefiniowany przez odsłoniętą zewnętrzną stalową kratę, która pełni jednocześnie funkcję fasady i bocznego systemu konstrukcyjnego, a nie ukrytej warstwy konstrukcyjnej za przeszkleniem. Ten trend w zakresie widocznej struktury odzwierciedla rosnące zaufanie do zdolności stali o wysokiej wytrzymałości do jednoczesnego pełnienia obowiązków estetycznych i inżynieryjnych.

Często zadawane pytania dotyczące konstrukcji stalowej wieżowca

Dlaczego w przypadku bardzo wysokich budynków preferuje się stal zamiast betonu?

Stosunek wytrzymałości do masy stali pozwala wieży unieść to samo obciążenie przy lżejszej ramie, co zmniejsza zapotrzebowanie na fundamenty, przyspiesza budowę poprzez prefabrykację i uwalnia powierzchnię podłogi, ponieważ kolumny mogą być mniejsze i bardziej oddalone od siebie. Beton pozostaje konkurencyjny lub preferowany w regionach, w których możliwości produkcji stali są ograniczone lub gdzie projekt wymaga bardzo sztywnego rdzenia o dużej wytrzymałości tłumiącej.

Jaka jest różnica między stalą konstrukcyjną a stalą o wysokiej wytrzymałości?

Stal konstrukcyjna to ogólna kategoria kształtowników stalowych stosowanych w ramach budynków, zwykle o granicy plastyczności od około 235 do 355 MPa. Stal o wysokiej wytrzymałości odnosi się do gatunków powyżej tego zakresu, zazwyczaj 460 MPa i więcej, przy czym niektóre produkty walcowane na gorąco osiągają obecnie 500 do 550 MPa przy jednoczesnym zachowaniu spawalności wymaganej w przypadku połączeń na miejscu.

Ile czasu zajmuje budowa stalowego drapacza chmur w porównaniu z betonowym?

200-metrowy stalowy wieżowiec biurowy może zostać ukończony w ciągu około 12 miesięcy przy zastosowaniu prefabrykacji fabrycznej i sekwencjonowania handlu równoległego, w porównaniu z 30 do 36 miesiącami w przypadku równoważnej konstrukcji betonowej wylewanej na miejscu, głównie dlatego, że beton wymaga czasu utwardzania, którego nie wymaga montaż stali.

Czy konstrukcja stalowa wymaga większej konserwacji niż beton?

Stal wymaga określonego cyklu konserwacji powłoki, zazwyczaj ponownego malowania co 10 do 15 lat, co kosztuje około 20 do 30 dolarów amerykańskich za metr kwadratowy chronionej powierzchni, plus okresowa kontrola pod kątem korozji i zmęczenia. Beton ma różne potrzeby w zakresie konserwacji, głównie związane z pękaniem, odpryskami i korozją prętów zbrojeniowych, więc całkowity koszt konserwacji w całym cyklu życia zależy w dużej mierze od klimatu i jakości detali, a nie samego wyboru materiału.

Czy konstrukcja stalowa może uzyskać złożone lub pokręcone kształty architektoniczne?

Tak. Modelowanie parametryczne w połączeniu z pięcioosiowym cięciem CNC umożliwia producentom wytwarzanie niestandardowych elementów stalowych do powierzchni hiperbolicznych, form spiralnych lub fasad fasetowanych, ze wspornikami wystającymi znacznie poza to, co mogłoby osiągnąć porównywalne rozwiązanie betonowe bez ciężkich konstrukcji przenoszących.

Jaki gatunek stali jest najczęściej stosowany w kolumnach wieżowców?

A572 klasa 50 and A992 dominate in the United States, S355 is the default in Europe, and Q355B is the standard choice on Chinese frame-core tube towers, with higher grades reserved for heavily loaded transfer members, outrigger trusses, and long-span box sections where the weight savings justify the higher unit cost.

Language

+86-511-84522866

Wiadomości branżowe

Konstrukcja stalowa wieżowca: objaśnienie gatunków, systemów i kosztów

Gatunki stali stosowane w wieżowcach Konstrukcja stalowa Projekt