یک آسمان خراش مدرن بر روی یک سازه فولادی به یک دلیل ساده: فولاد بالاترین نسبت استحکام به وزن را در میان مصالح ساختمانی اصلی ارائه میکند، که به مهندسان اجازه میدهد طبقات را بالاتر ببرند در حالی که قاب را سبکتر از سیستم بتن مسلح مشابه نگه میدارند. در یک برج معمولی 200 تا 300 متری، یک سیستم لوله با هسته فولادی که ستونهای فولادی با استحکام بالا را با یک هسته بتنی یا مرکب ترکیب میکند، میتواند ساختار اصلی یک ساختمان اداری 30 طبقه را در حدود 180 روز تکمیل کند، در مقایسه با بیش از یک سال برای یک راهحل کاملاً بتنی.
این مقاله دقیقاً چگونه توضیح می دهد فولاد سازه ای در پروژههای ساختمانهای بلند مشخص، مونتاژ و محافظت میشود و در جایی که به طور مداوم بهتر از جایگزینهای مبتنی بر بتن عمل میکند یا از دست میدهد.
همه فولادهای سازه ای قابل تعویض نیستند. یک تیم طراحی آسمان خراش بر اساس مسیر بار، مسیر ساخت و کد ملی حاکم بر پروژه، درجه ها را انتخاب می کند. سه خانواده از استانداردها بر کارهای بلندسازی جهانی تسلط دارند: سیستم ASTM/AISC آمریکایی، سیستم EN اروپایی، و سیستم GB چین، با نمرات JIS ژاپنی و AS 4100 استرالیا که در پروژههای منطقهای ظاهر میشوند.
در سیستم آمریکایی، A992 درجه پیشفرض تیرها و ستونهای با فلنج عریض در برجهای تجاری است A572 درجه 50 گزینه کم آلیاژی با استحکام بالا برای اسب کار باقی می ماند زیرا تعادل قوی از استحکام تسلیم، کارایی و جوش پذیری را ارائه می دهد. A500 درجه B بخشهای ساختاری توخالی با شکل سرد را که در ستونهای کامپوزیتی استفاده میشود، پوشش میدهد و فولاد هوازدگی A588 در جایی انتخاب میشود که فولاد در معرض نیاز به مقاومت در برابر خوردگی داخلی بدون پوشش رنگآمیزی دارد. در اروپا، S355 درجه بهینه پیش فرض برای تیرهایی است که سفتی و انحراف طراحی را کنترل می کند، زیرا فراتر از S355 به ندرت اندازه بخش را به اندازه کافی کاهش می دهد تا هزینه مواد اضافه شده برای اعضای با دهانه کوتاه را توجیه کند. برجهای لوله هستهای چینی معمولاً Q355B را مشخص میکنند که گاهی اوقات با بخشهای وارداتی S355JR، A572 یا SM490A در پروژههای سرمایهگذاری مشترک بینالمللی جفت میشود.
| استاندارد | Grade | حداقل قدرت تسلیم | استفاده معمولی در برج ها |
|---|---|---|---|
| ASTM (ایالات متحده) | A992 | 345 مگاپاسکال (50 ksi) | تیرها و ستون های فلنج پهن |
| ASTM (ایالات متحده) | A572 درجه 50 | 345 مگاپاسکال (50 ksi) | قاب کم آلیاژی با استحکام بالا |
| ASTM (ایالات متحده) | A500 درجه B | 290 مگاپاسکال | ستون های توخالی و مرکب |
| EN (اروپا) | S355 | 355 مگاپاسکال | تیرها، ستون ها، قاب بندی کلی |
| EN (اروپا) | S460 و بالاتر | 460 مگاپاسکال | بخشهای جعبهای با بارهای سنگین، خرپاهای بلند |
| گیگابایت (چین) | Q355B | 355 مگاپاسکال | ستون ها و تیرهای لوله با هسته قاب |
| JIS (ژاپن) | SM490A | 325 مگاپاسکال | تیرها و ستون های صفحه جوش داده شده |
گریدهای با عملکرد بالاتر در محدوده 500 تا 550 مگاپاسکال در حال حاضر به عنوان مقاطع نورد گرم استاندارد در اروپا و ایالات متحده در دسترس هستند و تحقیقات متالورژیکی نشان داده است که فشار دادن استحکام تسلیم به سمت بالا به طور متناسبی باعث افزایش کربن مجسم یک مقطع نمی شود، که باعث می شود فولاد با استحکام بالا به یکی از راه های در دسترس برای کاهش تناژ مواد منطبق بر محیط زیست بدون ضربه زدن به مواد تبدیل شود. وزن مهندسان مبادله هزینه واحد است: یک ستون سازه فولادی درجه بالاتر به ازای هر تن هزینه بیشتری دارد، بنابراین صرفه جویی فقط زمانی نتیجه می شود که کاهش وزن و نیروی کار بیشتر از آن حق بیمه باشد، که معمولاً در اعضای فشاری با بارهای سنگین، خرپاهای انتقال و پایه های بلند دهانه به جای تیرهای کف معمولی اتفاق می افتد.
تقریباً هر سازه فولادی فوقالعاده به یکی از چهار استراتژی بار جانبی کاهش مییابد که گاهی اوقات در یک برج منفرد ترکیب میشوند. انتخاب بستگی به ارتفاع، شکل پلان، و اینکه طرح چه مقدار از صفحه کف را میتواند به ساختار واگذار کند بستگی دارد.
یک شبکه ستون فولادی محیطی همراه با یک بتن مسلح مرکزی یا هسته فولادی مرکب برای مقاومت در برابر بارهای گرانشی و جانبی باد کار می کند. این گزینه پیشفرض برای برجهایی در محدوده 200 تا 300 متر باقی میماند زیرا فاصله ستونها را حدود 10 متر میدهد، سطح کف قابل استفاده را به 78 تا 82 درصد از سطح ناخالص میرساند و به طور تمیز با دالهای کف پستنیده یا کامپوزیت فولادی ادغام میشود.
اعضای فولادی مورب در محیط ساختمان هم بارهای ثقلی و هم بارهای جانبی را از طریق هندسه مثلثی حمل می کنند و نیاز به ستون های گوشه داخلی را از بین می برند و نما را برای لعاب بدون وقفه آزاد می کنند. کمان در کلگری، در 236 متر، یک نمونه مستند از یک دیاگرید خارجی است که از مقاطع فولادی با مقاومت بالا ساخته شده است، که به طور خاص برای پاسخگویی به اهداف عملکرد باد و خورشید به جای ارتفاع به تنهایی انتخاب شده است.
خرپاهای بیرونی یک هسته مرکزی را به ستون های محیطی در طبقات مکانیکی انتخابی متصل می کنند و این ستون ها را در مقاومت در برابر لحظه واژگونی بسیار شبیه میله های اسکی باز درگیر می کنند که پایه تکیه گاه خود را گسترش می دهند. خرپاهای تسمه همان بار را در یک باند وسیع تری از ستون ها پخش می کنند و اندازه تک تک اعضا را کاهش می دهند. این سیستمها برای برجهایی که هسته به تنهایی نمیتواند رانش ناشی از باد را در محدوده قابلیت استفاده کنترل کند، مؤثر است.
این سیستم که در بلندترین برجهای جهان استفاده میشود، بالهای متعددی را که هر کدام دارای هسته و ستونهای محیطی خاص خود هستند، در اطراف یک توپی مرکزی ترتیب میدهد تا بالها یکدیگر را مهار کنند و پاسخ پیچشی را کاهش دهند. در حالی که شناخته شده ترین نمونه، برج خلیفه، عمدتاً بر بتن مسلح تکیه دارد، نسخه های کامپوزیت فولاد-بتن این هندسه به طور فزاینده ای رایج هستند که سرعت ساخت و ساز به اندازه ارتفاع نهایی اهمیت دارد.
سیستمهای پرتو انتقال در هر جایی ظاهر میشوند که شبکه ستون باید بین یک لابی یا تریبون با دهانه وسیع و یک شبکه برج محکمتر در بالا جابجا شود. یک سازه انتقال بارها را از ستونهای بالایی به ستونهای کمتر و بزرگتر در زیر توزیع میکند و از آنجا که خرپاهای انتقال بارهای متمرکز زیادی را حمل میکنند، تقریباً همیشه از فولاد با درجه بالاتر ساخته میشوند تا عمق اعضا را در ارتفاع موجود از کف تا کف حفظ کنند.
مزیت سرعت ساخت الف سازه فولادی تقریباً به طور کامل از پیش ساخته های کارخانه می آید. ستونها، تیرها و هستههای فولادی برش داده میشوند، جوش داده میشوند و کیفیت خارج از محل بررسی میشوند، سپس به عنوان اجزای نهایی برای اتصالات میدانی پیچدار یا جوشی ارسال میشوند. در پروژهای که به خوبی اجرا میشود، این گردش کار از چهار مرحله همپوشانی عبور میکند.
این توالی دوره ساخت و ساز جامع برای یک آسمان خراش فولادی متوسط را در بسیاری از موارد به کمتر از 24 ماه کاهش می دهد که در مقایسه با استراتژی فقط بتن، جدول زمانی تامین مالی و اجاره توسعه دهنده را تغییر می دهد.
هر ساختمان بلند، از نظر ساختاری، یک کنسول عمودی است که روی زمین ثابت شده است، بنابراین با افزایش ارتفاع، نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله بسیار سریعتر از بارهای ثقلی رشد می کنند. یک سازه فولادی به سه طریق به این امر پاسخ می دهد: از طریق هندسه، از طریق میرایی، و از طریق جزئیات اتصال.
باریک شدن یا پیچش هندسی با جلوگیری از ریزش گرداب از ایجاد یک الگوی هماهنگ در ارتفاع برج، بارهای باد را کاهش می دهد. شکل پیچشی برج شانگهای یک مثال به طور گسترده از این رویکرد است که به طور خاص برای کاهش بارهای ناشی از باد مهندسی شده است. در جایی که هندسه به تنهایی نمی تواند رانش را کنترل کند، مهندسان یک دمپر جرمی تنظیم شده، یک وزنه تعادل متحرک بزرگ در نزدیکی بالای ساختمان اضافه می کنند که با تابش برج خارج از فاز نوسان می کند. دمپر تایپه 101 یکی از قابل مشاهده ترین نمونه های این فناوری است و بخشی از تور عمومی ساختمان باقی مانده است.
جزئیات لرزهای برای قابهای فولادی متکی به اتصالات انعطافپذیر است که بهجای شکست ناگهانی، بهصورت کنترلشده در طول یک زلزله شدید تسلیم میشوند. اتصالات قاب لحظه ای، مهاربندهای کمانشی و ستون های لوله فولادی پر از بتنی سه ابزار متداول برای این کار هستند و هر کدام از سازنده نیاز دارند که کیفیت و چقرمگی جوش را بسیار محکم تر از یک عضو صرفاً حامل گرانش کنترل کند.
هیچ یک از مواد برنده هر دسته نیستند. مقایسه زیر نتایج معمولی را برای برجهایی در محدوده 150 تا 350 متر نشان میدهد، جایی که هر دو سیستم گزینههای واقعی هستند.
| دسته بندی | سازه فولادی | سازه بتنی |
|---|---|---|
| مدت زمان سازه اصلی (برج 30 طبقه) | حدود 180 روز | 12 ماه یا بیشتر |
| نسبت خالص سطح کف قابل استفاده | 78% تا 82% | 65 تا 70 درصد |
| هزینه ساخت واحد | 1200 تا 1500 دلار در هر متر مربع | اغلب در سناریوهای ساختمان های بلند 15 تا 20 درصد بیشتر است |
| پتانسیل فاصله بین ستون ها | خلیج استاندارد تا 10 متر | به طور معمول به دلیل محدودیت های پوشا دال محکم تر است |
| هزینه نگهداری سالانه | 3 تا 8 درصد هزینه ساخت اولیه | به طور کلی تعمیر و نگهداری مداوم پوشش را کاهش می دهد |
مورد خط تعمیر و نگهداری سزاوار نگاه دقیق تر است. یک سازه فولادی تقریباً هر 10 تا 15 سال یکبار، با هزینه معمولی 20 تا 30 دلار آمریکا برای هر متر مربع سطح پوشش داده شده، به علاوه بازرسی دوره ای سازه، نیاز به تجدید پوشش ضد خوردگی دارد. ساختمانهایی که نظارت مداوم بر سلامت سازه، ردیابی خستگی و عملکرد اتصال را در زمان واقعی نصب میکنند، میتوانند هزینههای تعمیر و نگهداری اضطراری را تا حدود نصف کاهش دهند، قبل از اینکه به تعمیر واکنشی پرهزینه تبدیل شوند. در طول یک چرخه عمر کامل، ترکیبی از ساخت و ساز سریعتر، مساحت قابل اجاره بالاتر و چرخههای پوشش قابل پیشبینی معمولاً چیزی است که سازه فولادی را پس از در نظر گرفتن زمانبندی تأمین مالی و اجاره، انتخابی مقرون به صرفهتر میکند، حتی اگر هزینههای نگهداری مواد خام و پوشش آن بهصورت جداگانه بالاتر از بتن باشد.
فولاد سازه ای محافظت نشده پس از رسیدن به حدود 550 درجه سانتیگراد تقریباً نیمی از استحکام خود را از دست می دهد، که آتش سوزی ساختمان می تواند در عرض چند دقیقه از آن فراتر رود، بنابراین حفاظت از آتش در آسمان خراش های فولادی اشغال شده هرگز اختیاری نیست. سه رویکرد بر عملکرد فعلی غالب است.
پوشش الیاف سیمانی یا معدنی که مستقیماً روی تیرها و ستونها پاشیده میشود، با اندازه ضخامت برای دستیابی به درجه مقاومت در برابر آتش، معمولاً یک تا سه ساعت بسته به نقش عضو و طبقهبندی اشغال ساختمان.
یک پوشش نازک رنگ مانند که وقتی در معرض حرارت آتش قرار می گیرد به یک لایه زغال عایق منبسط می شود و روی فولاد معماری در معرض دید که در آن بافت اسپری شده از نظر بصری قابل قبول نیست، استفاده می شود.
پر کردن یک بخش فولادی توخالی با بتن باعث می شود که در صورت نرم شدن پوسته فولادی خارجی، یک هیت سینک داخلی و یک مسیر بار ثانویه به ستون بدهد، به همین دلیل است که ستون های لوله پر از بتنی به طور فزاینده ای در هسته های مرکب فوق بلند رایج هستند.
کنترل خوردگی از منطق لایهای مشابهی پیروی میکند: پرایمر استفادهشده در فروشگاه، پوشش سطحی، و در محیطهای ساحلی یا صنعتی، درجه فولاد در حال هوازدگی یا گالوانیزه گرم برای اعضایی که پس از نصب به راحتی قابل رنگآمیزی نیستند. جزئیاتی که از تلههای آب جلوگیری میکند، مانند فلنجهای شیبدار بالا و سوراخهای زهکشی در بخشهای جعبه، از خرابیهای کوچک حفرهای که در نهایت باعث چرخه پوشش مجدد کامل میشود، جلوگیری میکند.
فولاد سازه ای تقریباً در پایان عمر ساختمان کاملاً قابل بازیافت است و اکثر بخش های ساخته شده در حال حاضر دارای نسبت قابل توجهی از ضایعات بازیافتی بسته به مسیر تولید هستند. با این حال، اهرم پایداری بزرگتر برای یک آسمانخراش، تناژ کل است: تحقیقات در مورد پذیرش فولاد با استحکام بالا نشان داده است که حرکت به یک درجه بازده بالاتر به سختی کربن موجود در هر تن فولاد را افزایش میدهد، بنابراین صرفهجویی در وزن ناشی از استفاده از درجه قویتر تقریباً مستقیماً به ردپای کربن پایینتر برای ساختار نهایی تبدیل میشود. این یک یافته معنادار است، زیرا به این معنی است که طراحان مجبور نیستند کارایی سازه را در مقابل عملکرد محیطی به روشی که گاهی اوقات با سایر جایگزینهای مواد انجام میدهند، معامله کنند.
فراتر از انتخاب مواد، مزایای فاز ساخت سازه فولادی وزن پایداری خاص خود را دارد. ساخت خارج از محل ضایعات در محل را کاهش می دهد، پنجره ساختمانی با تجهیزات سنگین را کوتاه می کند که باعث ایجاد سر و صدا و انتشار گازهای گلخانه ای در اطراف یک سایت متراکم شهری می شود، و به خدمه تخریب این امکان را می دهد که بخش های سازه را بسیار راحت تر از بازیابی بتن مسلح بازیابی و دوباره بفروشند.
پروژه های واقعی نشان می دهد که چگونه این اصول در مقیاس اجرا می شوند. مثالهای زیر استراتژیهای ساختاری مختلف را بهجای یک رویکرد «بهترین» در بر میگیرند.
| ساختمان | ارتفاع | سیستم ساختاری اولیه |
|---|---|---|
| یک مرکز تجارت جهانی، نیویورک | 541 متر | هسته بتن آرمه با قاب خمشی فولادی محیطی |
| کمان، کلگری | 236 متر | دیاگرید فولادی خارجی |
| تایپه 101، تایپه | 508 متر | مگا ستون های فولادی با دمپر جرمی تنظیم شده |
| برج شانگهای، شانگهای | 632 متر | هسته کامپوزیت فولاد-بتن با پوسته بیرونی پیچ خورده |
موج جدیدی از برجهای پیشنهادی، مفهوم دیاگرید فولادی را بیشتر پیش میبرد، از جمله یک بلندای برنامهریزیشده نیویورک که توسط یک شبکه فولادی بیرونی در معرض دید تعریف میشود که بهجای یک لایه ساختاری پنهان در پشت شیشهها، هم بهعنوان سیستم ساختاری نما و هم بهعنوان سیستم ساختاری جانبی عمل میکند. این روند ساختاری قابل مشاهده نشان دهنده اعتماد رو به رشد در توانایی فولاد با استحکام بالا برای حمل همزمان مسئولیت های زیبایی شناسی و مهندسی است.
نسبت استحکام به وزن فولاد به یک برج اجازه میدهد تا همان بار را با یک قاب سبکتر حمل کند، که تقاضای فونداسیون را کاهش میدهد، ساخت و ساز را از طریق پیشساخته سرعت میبخشد و سطح کف را آزاد میکند زیرا ستونها میتوانند کوچکتر باشند و فاصله بیشتری از هم داشته باشند. بتن در مناطقی که ظرفیت تولید فولاد محدود است و یا در آنها که طراحی نیاز به هستهای بسیار سفت و با میرایی دارد، رقابتی باقی میماند یا ترجیح داده میشود.
فولاد سازه ای دسته کلی از مقاطع فولادی مورد استفاده در قاب های ساختمانی است که معمولاً با مقاومت تسلیم حدود 235 تا 355 مگاپاسکال می باشد. فولاد با استحکام بالا به گریدهای بالاتر از این محدوده، معمولاً 460 مگاپاسکال و بالاتر اشاره دارد که برخی از محصولات نورد گرم اکنون به 500 تا 550 مگاپاسکال میرسند و در عین حال جوشپذیری مورد نیاز برای اتصالات میدانی را حفظ میکنند.
یک برج اداری فولادی 200 متری می تواند با استفاده از پیش ساخته سازی کارخانه و توالی تجارت موازی در حدود 12 ماه تکمیل ساختاری قابل توجهی داشته باشد، در مقایسه با 30 تا 36 ماه برای یک سازه بتنی ریخته شده در محل معادل، عمدتاً به این دلیل که بتن به زمان عمل آوری نیاز دارد که نصب فولادی به آن نیاز ندارد.
فولاد به چرخه تعمیر و نگهداری پوشش مشخصی نیاز دارد، معمولاً هر 10 تا 15 سال یک بار با هزینه حدود 20 تا 30 دلار آمریکا برای هر متر مربع سطح محافظت شده، به علاوه بازرسی دوره ای از نظر خوردگی یا خستگی. بتن نیازهای تعمیر و نگهداری متفاوتی دارد، عمدتاً در مورد ترک خوردگی، پوسته شدن و خوردگی میلگرد، بنابراین هزینه کل نگهداری چرخه عمر بیشتر به آب و هوا و کیفیت جزئیات بستگی دارد تا انتخاب ماده به تنهایی.
بله. مدلسازی پارامتریک همراه با برش پنج محوره CNC به سازندگان اجازه میدهد تا اعضای فولادی غیر استاندارد را برای سطوح هذلولی، فرمهای مارپیچی یا نمایهای وجهی تولید کنند، با کنسولهایی که بسیار فراتر از آن چیزی است که یک راهحل بتنی قابل مقایسه بدون سازههای انتقال سنگین به دست آورد.
A572 درجه 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.