Болат каркас құрылысының жоғары жүк көтергіштігі

Болат каркас жүйелерінің құрылымдық беріктігін түсіну

Болат каркастағы жоғары жүк көтергіштіктің негізгі критерийлері қандай?

Болат қаңқалар қатты жүкпен күресуде өте жақсы, себебі олар материал ретінде өте мықты және салынған. Құрылымдық болат әдетте ASCE стандарттарына сәйкес 36 пен 50 кпси аралығында беріктікті құрайды, яғни бұл ғимараттар бірнеше қабатты құрылыстарда қолданылған кезде квадрат футқа 2000 фунттан астам тік жүктемелерге шыдай алады. Дәстүрлі құрылыс материалдарымен салыстыруға болмайды, өйткені болат барлық жерде тұрақты, басқа жерлерде кездесетін әлсіз жерлер жоқ. Сонымен қатар, заманауи өндіріс әдістері барлық арқалықтар тіректерге дұрыс қосылып, салмақты ең тиімді бағытта аударуды қамтамасыз етеді.

Материалдық қасиеттердің құрылыстың беріктігіне қалай әсер ететіндігі

Болаттың өнімділігін жоғарылату үшін негізгі үш материалдық қасиет бар:

• Тартылу күші : темір бетоннан 50% жоғары, ұзындықты ұзартады
• БАҢДЫҒЫ : Сәлсіздік алдында 6-8% деформацияға мүмкіндік береді, сейсмикалық төзімділік үшін өте маңызды
• Біртектілік : Барлық осьтер бойынша тұрақты беріктік кернеу концентрацияларын минималдандырады

Қазіргі заманғы болат қорытпалары коррозияға төзімді қаптамаларды қосып, өңделмеген нұсқалармен салыстырғанда (ASTM 2023 стандарттары) төзімділікті 30-40% арттырады.

Жүктің қарсы әсерін максималдандыруда көлденең қима дизайнының рөлі

Инженерлер стратегиялық көлденең конфигурациялар арқылы жүктің қарсы әсерін 25-40% арттырады:

1. I-балкалар : Майысуға қарсы тұру үшін оптимальды, материалдың 15-20% тиімділігін арттырады
2. Қорапша тәрізді қималар : Жоғары бұрышталу қолданбалары үшін 360-градус беріктік қамтамасыз етеді
3. Конустық фланецтер : Қаттылықты сақтай отырып, пайдаланылмайтын жүкті 12% азайтады

Бұл конструкциялар теориялық максималды жүктеменің 90-95% ауыстыруға қабілетті қатты бұйымдар жасау үшін бұрандалы моменттік қосылыстармен синергиялық жұмыс істейді.

Зерттеу жағдайы: Стальдан жасалған каркастық құрылымды пайдаланатын көпқабатты ғимараттар

125 қабатты Шанхай мұнарасы заманауи болаттан салынған құрылыстың нені білетінін көрсетеді. Ғимаратта шамамен 632 000 метрикалық тонна құрылымдық жүкті өткізуге арналған арнайы композитті мегафрейм жүйесі қолданылады. Дәстүрлі темірбетон құрылымдармен салыстырғанда, бұл конструкция бағандардың өлшемін шамамен 40% кішірейтуге мүмкіндік береді. Алайда ерекше қасиет – құрылымның бойымен орналасқан пластикалық болат буындар арқасында жер сілкінісі кезінде құрылымның өте жақсы ұстауы, ол оған 0,7g дейінгі сейсмикалық баға береді. Мұндай үлкен мұнара үшін инженерлер нақты материалдарды да қатты қысқартты. Ғимараттың барлық бойына шамамен 110 000 тонна әлді S690QL1 маркалы болат енгізілген, бұл стандартты құрылыс әдістерімен салыстырғанда материалдарды шамамен 22% аз қажет етеді. Осындай тиімділік осындай ірі масштабты жобалар үшін құны мен экологиялық әсерге үлкен айырмашылық енгізеді.

Тренд: Қалалық дамуға арналған жоғары беріктік бетонның қолданылуының артуы

Құрылыс саласы қалалық даму үшін барынша ASTM A913 65-тік маркалы болатты қолдануда. Бұл материал дәстүрлі нұсқалармен салыстырғанда, 50-ден 65 kpsi-ге дейінгі өсуімен қоса, 20% жоғары әкеп беру беріктігін қамтамасыз етеді. Осындай материалдан жасалған құрылымдар салмағы жағынан шамамен 15% жеңіл болып келеді, ол тасымалдау мен жұмыс істеуді оңайлатады. Сонымен қатар, мұндай болаттар заманауи автоматтандырылған жасау жабдықтарымен жақсы жұмыс істейді. Токио мен Сингапур сияқты орындардағы соңғы ғимарат жобаларына назар аударсақ, жұмысшылар алдыңғы материалдармен салыстырғанда құрылыс уақыты 18%-дан 25%-ға дейін қысқарғанын хабарлады. 2024 жылғы «Глобалдық болаттан құрылыс» есебі осы тұжырымдарды растайды және сондықтан архитекторлар мен инженерлер жаңа жобаларында осы марканы кеңінен пайдалануда.

Болаттың салмаққа шаққандағы беріктігі мен инженерлік артықшылықтары

Болаттың беріктік-салмақ қатынасы инженерлердің жүкті көтеру қабілетін сақтай отырып, жеңіл конструкциялар жасауына мүмкіндік береді — бұл қазіргі заманғы болат каркасты құрылыстағы маңызды артықшылық. Бұл қатынас материалдардың құрылымдық беріктігін оңай басқарылатын салмақпен қаншалықты жақсы үйлестіруін көрсетеді және құрылыстың тиімділігі мен экономикалық тиімділігіне тікелей әсер етеді.

Неліктен Болаттың Беріктік-Салмақ Қатынасы Басқа Материалдардан Тамаша Жұмыс Істейді

2023 жылғы ACI табыстырына сәйкес, болат темірбетонмен салыстырғанда өз салмағына қатысты шамамен үш есе берік. Бұл құрылыс бригадаларына қауіпсіздік талаптарын бұзбай-ақ материалдарды үнемдеуге мүмкіндік береді. Неліктен болат осылайша тиімді? Оның ішкі құрылымы кез келген бағытта біркелкі беріктік қамтамасыз етеді. 2024 жылы материалдардың тиімділігіне жасалған соңғы талдау, дұрыс жобаланған жағдайда болаттан жасалған қаңқалар ұқсас темірбетон конструкциялармен салыстырғанда салмақты 20%-дан 35%-ға дейін жеңілдетуі мүмкін екенін көрсетті. Салмақтың азаюы тура құнының төмендеуі мен құрылымдық өнімділіктің артуына әкелетін заманауи құрылыс жобаларында осындай үнемдеулер үлкен маңызға ие.

Болат пен темірбетонның қозғалысқа төзімділігі бойынша салыстырмалы талдау

Көп қабатты ғимараттарда болаттың төменгі салмағы фундамент құнын 15-30% азайтады (ASCE 2023), ал оның пластикалылығы сейсмикалық төзімділікті жақсартады.

Фундамент жобасына және сейсмикалық өнімділікке әсері

Болаттан жасалған каркас жүйелері жалпы алғанда жеңіл болып келеді, сондықтан олардың астындағы жерге түсетін қысым азаяды. Бұл бағаналардың негізін жұмсақ топырақтарда тарылау жасауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, сілкініс кезінде болаттың жеңіл салмағы елеулі артықшылық болып табылады. Шынында да, болат ғимараттар серпімді деформацияланып, сынбай-ақ жылжу энергиясын жақсы сіңіреді, ал бетон кернеу кезінде трескейді және бұзылады. Мысалы, 2023 жылы Жапонияның Ното түбегінде болған жер сілкінісін алайық. Өткен жылы JSCE шығарған есеп беру бойынша, болат каркасты ғимараттар бетоннан салынғандарға қарағанда шамамен 40 пайызға аз зақымданған. Қазіргі кезде көптеген инженерлер қауіпсіз құрылыс үшін болатты таңдауы түсінікті.

Мәліметтерге сүйенсек: Болаттың беріктігі мен салмағының қатынасы темірбетонға қарағанда 3 есе жоғары

Қазір заманауи жоғары беріктікті болаттар (HSS) 690 МПа асатын ағу беріктігіне ие пластиктілікті сақтай отырып — 1990-жылдардағы болатқа қарағанда 150% жақсару (AISC 2023). Бұл даму қауіпсіздік шектерін шиеленістірмей-ақ биік, жіңішке ғимараттар салуға мүмкіндік береді.

Құрылымдық бүтіндікті қамтамасыз ету үшін негізгі қағидалар

Болат каркас салудағы негізгі жобалау ескертулері

Болаттан жасалған құрылымдарды салушылар ASTM және AISC нұсқаулықтарына мүмкіндігінше нақты сәйкес келтіргенде ең жақсы нәтиже береді. Бұл стандарттар материалдарды таңдаудан бастап, бекітпелердің қалай орындалуы керек екендігіне дейін және жүктемелерді дұрыс есептеуге дейін барлық нәрсені қамтиды. Сонымен қатар соңғы заманғы инженерлік құралдар да көп нәрсені өзгертті. Қазіргі кездегі бағдарламалық жабдықтар инженерлерге ғимаратта қысымдар қай жерде пайда болатынын модельдеуге мүмкіндік береді, сондықтан олар әрбір жоба үшін аралық және тіреулердің тиімді орналасуын таңдай алады. 2023 жылғы коммерциялық ғимараттарға арналған кейбір соңғы зерттеулерге назар аударыңыз. Күш моментін ұстап тұратын рамаларды қолданған ғимараттар жай ғана конструкцияларға қарағанда жанама әсер ететін күштерге қарсы тұруда шамамен 27 пайызға тұрақтырақ болды. Қауіпсіздік басымдық рөл атқаратын нақты қолданыста мұндай айырмашылық үлкен маңызға ие.

Күштерді тиімді тарату үшін жүктеме траекторияларын оптимизациялау

Гравитациялық, жел және сейсмикалық күштерді фундаментке тасымалдау үшін үздіксіз жүктеу жолдары маңызды. Инженерлер күштің жиналуын болдырмау үшін диагональды бекітулер мен қатты моментті қосылыстарды қолданып, үшбұрышты жүйелер жасайды. Соңғы жаңартуларға екі бағытта жүктеме маршруттау кіреді, бұл ASCE 7-22 талаптарына сәйкес қауіпсіздік шектерін сақтай отырып, материалдардың қолданылуын 18% азайтады.

Балансировкалық қауіпсіздік шектері мен болат конструкциялардың артық инженерленуі

Қазіргі кезде болат конструкциялар инженерлер «Голдилокс принципі» деп атайды. Егерекеңейту коэффициенті шамамен 2,5-тен асса, құрылыс өте қымбатқа түседі және экологияға көбірек көміртегі ізін қалдырады. Алайда, қауіпсіздік шектері 1,8-ден төмендеген кезде болашақта құрылымдық мәселелердің туындау қаупі бар. 2024 жылғы соңғы зерттеулерге сәйкес, ең жақсы конструкциялар үш негізгі тәсілді үйлестіреді. Біріншіден, нәтижеге бағытталған инженерия қазір стандартты тәжірибеге айналып, тексерілген жобалардың шамамен 10-ның 8-інде қолданылады. Екіншіден, көптеген биік ғимараттар қазір нақты уақытта жағдайларды бақылайтын сенсорларды пайдаланады, бұл қасиет биік ғимараттардың шамамен 60% -ында кездеседі. Үшіншіден, бейімделуші қайта пайдалану стратегиялары жөндеу кезінде материалдарды үнемдеуге көмектеседі және модернизация кезінде қалдықтарды шамамен 40% -ға дейін қысқартады. Жетекші фирмалар қазір шекті элементтерді талдау деп аталатын жақсырақ компьютерлік модельдер арқасында қауіпсіздік коэффициенттерін 1,9-дан 2,1-ге дейін жеткізуде. Бұл құралдар конструкциялар қауіпсіз болып қалатын, бірақ ресурстарды керексіз шығындаусыз тиімді нүктені табуға мүмкіндік береді.

Темір-бетон каркастардың экстремалды климаттық жағдайлардағы әсерлерге төзімділігі

Темір-бетонды құрылыс инженерлік шешімдер мен материалдар ғылымының нәтижесінде табиғаттың ең разрушительды күштеріне қарсы өте жоғары төзімділік көрсетеді. Архитекторлар темір-бетонды жүйелерді табиғи апаттар жиі болатын аймақтарда қолдануды басымдық ретінде қарастырады, себебі олар экстремалды жағдайлардағы механикалық кернеуге дайын болады.

Жел жүктемелеріне қарсы тұру: Темір-бетон каркасты құрылымдар қалай тұрақтылық сақтайды

Болаттың салмағына қатысты беріктігі рамалық жүйелердің сағатына 150 мильден астам жылдамдықтағы желге төтеп бере алуын мүмкін етеді. Бұл тропиктік дауылдар жиі болатын жағалаулардағы биік ғимараттарға тәжірибеде көз жеткізуімізге болады — олар буранның соққанымен қозғалмайды. Сыр осы диагональдық тіреулер мен желдің жанама әсерінен пайда болатын күшті шоғырландырмай, таратып жіберетін ерекше бұйымдарда. Осындай конструкциялық шешімдер кернеуді тиісті жері — жерге бағыттайды. 2023 жылғы соңғы деректерге сүйенсек, инженерлер Торнадо Ауданындағы он екі болаттан жасалған башняны зерттеген, бірақ олардың ешқайсысы нақты зақымданбаған, әрбір жылы EF3 және одан жоғары торнадоға ұшырауына қарамастан. Мұндай нәтиже осындай құрылымдардың қаншалықты қауіпсіз екендігін көрсетеді.

Болаттан жасалған қаңқалы құрылыстардың сейсмикалық төзімділігі мен пластикалық деформациялануы

Болаттың иілгіш сипаты жер сілкінісі кезінде сынғыш заттарға қарағанда (мысалы, темірбетонға қарағанда) энергияны жартысына дейін артық жұтатындай етіп, ғимараттың каркасының сынғаннан гөрі иілуіне мүмкіндік береді. Бұл қасиеттің жақсы жұмыс істеуінің себебі — болатта пластикалық қасиет деп аталатын қасиеті бар, ол қосылыстардың болжанатын тәсілмен бүлінуі арқасында ғимараттың бірден құлауын болдырмақта. Болаттан құрылыс салу бойынша 2024 жылғы нұсқа бұл пікірді толықтай растайды. Сонымен қатар, жер сілкінісінен кейін ғимараттың тербеліс тоқтағаннан кейін бастапқы орнына қайтуына көмектесетін пост-кернеулі арқалық-бағана қосылыстары да ерекше. Бұл өзін-өзі орталандыру әсері кейінгі уақытта жөндеуге кететін шығындарды азайтады, кейде жөндеу шығындарының 70 пайызына дейін сақтайды.

Тренд: Жер сілкінісі жиі болатын аймақтарда иілгіш болат каркастарды қолдану

Чили мен Жапония қазір сейсмикалық аймақтардағы маңызды инфрақұрылым үшін болат моментті кадрларды талап етеді, бұл 2021 жылдан бастап сейсмикалық дәрежедегі болат сұранысының 33% жылдық өсуіне әкеледі. Инженерлер жоғары беріктіктікті (HSS) болаттарды энергияны шашыратушы демперлермен біріктіріп, қатаң ASCE 7-22 стандарттарынан асатын өнімділікке қол жеткізеді.

Деректер: Сейсмикалық оқиғалар кезінде болатқа салынған қабырғалар 50% -ға дейін энергияны сіңіреді

Зертханалық сынақтар бойынша, қиылыстармен жабдықталған болат ғимараттар зақымдау шегіне жеткенге дейін дәстүрлі темірбетон құрылыстарына қарағанда 3 есе көп күшейтілген сейсмикалық энергияға төтеп береді ( Жер сілкінісі инженерлігі және құрылымдық динамика , 2023 жж.

Заманауи құрылыс саласында болаттан жасалған каркастың қолданылуы мен пайдасы

Жоғары биіктікті, өнеркәсіптік және коммерциялық ғимараттардағы құрылымдық қолданбалар

Бүгінгі таңда болаттан жасалған құрылымдар қалалардың көкжиектерінде стандартқа айналыпты. Халықаралық ғимарат материалдары ассоциациясының соңғы есебіне сәйкес, әлем бойынша 20-дан астам қабатты ғимараттардың шамамен 72%-ы нақты 72%-ы болаттан жасалған негізге ие. Неліктен? Биік ғимараттар үшін болат басқа материалдарға қарағанда салмақты жақсырақ ұстайды және бірдей салмақта шамамен 35% артық беріктік қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, ол қоймалар мен зауыттар сияқты көп ашық кеңістікті қажет ететін орындар үшін өте жақсы жұмыс істейді және 30 метрден астам арақашықтықты қамти алатын әуежайлар мен конференция залдары сияқты орындарда бағандарсыз үлкен бөлмелер жасауға мүмкіндік береді. Құрылымдық болаттан жасалған құрылымдар саласының әлемдегі құны қазір шамамен 150 миллиард долларды құрайды және бірнеше салалар осы технологияға өткен сайын бұл сан өсе беруде. Ерекше қызықтырып отырғаны — жер сілкінісі болуы мүмкін аймақтарда болаттың өзіне тән қасиеттері. Көлденең қабырғалармен бірге пайдаланылған кезде болаттан жасалған құрылымдар діріл кезінде жанама қозғалысты ескі күшейтілген жүйелерге қарағанда шамамен 40% азайтады, бұл қауіпсіздікті назарда ұстағысы келетін құрылысшылар үшін ақылды таңдау болып табылады.

Ұзын созылымдар, дизайн икемділігі және қисық қабырғалармен интеграция

Инженерлер бетонға қарағанда болаттың 3:1 беріктік-салмақ артықшылығын пайдаланып, ең көбі 45 м еніндегі үздіксіз кеңістіктер жасайды — жаңа стадиондардың және ұшақ қоршауларының 68% шамасы болат каркасты таңдауының негізгі себебі осы. Құрама еден жүйелері мен моментке қарсы бекітулермен бірге қолданылған кезде, бұл каркастар гибридті нұсқаларға қарағанда жүктемені тарату тиімділігін 18% жақсартады (ACI 2023 жылғы деректер).

Болат каркастың беріктігі, тұрақтылығы және қайта өңделуі

Құрылымдық болаттың құрамында SMA 2024 жылғы деректерге сәйкес шамамен 89% қайта өңделген материал бар. Қазіргі өндіріс процестері 1990-жылдардағы стандартқа қарағанда шамамен 76% кем көміртегі шығарындыларын тудырады. Алайда ең бастысы — болаттың қайта өңдеу циклдары кезінде сапасын жоғалтпай қайта пайдаланылуы. Біз модульдік офис ғимараттарында осының нақты мысалын көрдік, мұнда қайта жаңарту кезінде материалдардың 92%-ы ластанбаған қоқысқа түспей, сақталып қалады.

Зерттеу жағдайы: Құрылымдарды болат қаңқалы ысыру қабырғаларымен жаңарту

1980 жылдары салынған ескі темірбетонды офистік баспалдақ соңғы кезде жер сілкінісіне төзімділік бағасын D деңгейінен (төмен) А- деңгейіне (жоғары) дейін ұлтайтып, елеулі өзгеріске ұшырады. Бұл өзгеріс ғимарат бойына 18 болат арматуралы рамалар мен композиттік еден жүйелерін стратегиялық орындарға орнатқан кезде іске асты. Осындай өзгерістер ғимараттың жер сілкінісі кезіндегі жанама жүктемелерге төзімділігін 310% арттырды, бірақ ғимараттың барлық салмағына тек 4,2% ғана қосымша салмақ қосты. 2023 жылы Жер сілкінісі инженериясы зерттеу институты жариялаған соңғы зерттеулерге сәйкес, мұндай нәтижелерді дәстүрлі темірбетондық күшейту әдістерін пайдаланып жетуге болмайды.

Жиі қойылатын сұрақтар

Биік ғимараттар құрылысында болатты пайдаланудың негізгі артықшылықтары қандай?

Болат конструкциялардың мықтылығы мен салмағының қатынасы, жер сілкінісіне төзімділігі және материалдың тиімділігі жоғары, ол құны төмен және қауіпсіз биік ғимараттар салуға мүмкіндік береді.

Жер сілкінісі жиі болатын аймақтарда неге болат құрылыста үстемдік иеленеді?

Темірбетон құрылымдарымен салыстырғанда, жер сілкінісі кезінде болаттан жасалған рамалар сынбай-ақ иіле алады, энергияны одан әрі жұтады және мүмкін болатын зақымдануды азайтады.

Көп қабатты ғимараттарда болат негіздің құнын қалай төмендетеді?

Темірбетонмен салыстырғанда салмағы аз болатындықтан, болат негіздің қажеттілігін азайтады, осылайша 15-30% құн үнемдеуге әкеледі.

Болат құрылысы басқа материалдарға қарағанда тұрақтырақ ма?

Иә, қазіргі заманғы болат өндіру экологиялық әсерді азайтты, өндіру кезінде қайта өңделген материалдар мен көміртегі шығындарының мөлшері төмендеді.