От революции к эволюции: как поднимались небоскрёбы

• Золотое сечение стальных балок
• Развитие конвертерного и электродугового методов
• Горячекатаный прокат: новости из огненных цехов
• Небоскребы Японии не боятся землетрясений
• Скелеты старых и новых высоток
• Достать до неба: стальные мышцы арабского востока
• Холодный расчет для холодного проката

Строительный дизайн мощно стартовал к небу на рубеже XIX–XX веков, ознаменовав эру небоскрёбов. Эпоху сопровождали громкие открытия в сталелитейном производстве и инженерные новации, благодаря которым высотные здания росли, как на дрожжах. 

В 1887 году американец Генри Грей модернизировал процесс прокатки, и это дало возможность выпускать балки с широкими полками. Новая конфигурация проката открыла для конструкторов путь к созданию мощных высотных конструкций. Одновременно технологи-сталевары смогли получить сталь с удвоенным пределом текучести относительно имеющихся сплавов, тем самым повысив устойчивость возводимых объектов по всему миру.

Первое здание с цельнометаллическим каркасом Rand McNally Building поднялось над землёй в 1889 году. Небоскрёб в 10 этажей вырос в Чикаго благодаря первопроходцам–архитекторам Бернхэму и Руту при поддержке инженеров–строителей Уэйда, Парди и Старретта. В проекте задействовали 3700 тонн стали. Ассортимент использованных профилей остался в истории. Для возведения использовали:

• Новые широкополочные балки, швеллеры и уголки.
• Железнодорожные рельсы.
• Инновационные для конца XIX века колонны Z-образной формы.
• I-образные элементы с загнутыми вверх концами.

Почему начали работать именно со сталью, а не с бетоном?

Введение в конструкцию стали стало возможным благодаря следующей закономерности: рост высоты здания на основе стальных профилей требует значительно меньшего увеличения опорной конструкции основания, чем это наблюдается в случае с камнем и бетоном.

Золотое сечение стальных балок

Новаторское I-образное сечение было создано путем пропускания прямоугольного стального полуфабриката через горизонтальные валки с осями, параллельными земле, которые планомерно обжимали раскат.  С инженерной точки зрения I-образный профиль имеет очевидные преимущества. Изделие обладает способностью противостоять поперечным силам с помощью стенки, рассеивающей изгибающие усилия. В результате для здания обеспечивается большая жёсткость за счет более эффективного перераспределения нагрузок на единицу площади. 

Помимо разработки нового процесса прокатки, Грей сыграл важную роль в создании профиля с широкими полками, используемого и сегодня. Прокатные клети Грей (название закрепилось как определение) были сконструированы таким образом, что сами валки перемещались внутрь или наружу, чтобы регулировать не только толщину фланца и стенки, но и ширину фланца. С помощью своей технологии Грей смог производить профили высотой до 44 дюймов (1100 миллиметров) и с фланцами шириной более 20 дюймов (500 миллиметров).

Именно Грей открыл первую страницу истории современных небоскрёбов. Целая плеяда зданий со стальным каркасом была построена между 1901 и 1929 годами, но всех превзошёл Крайслер–билдинг в Нью-Йорке, достигший 319 метров. На его строительство пошло более 20000 тонн стали. Высотка затмила на тот момент самое высокое сооружение в мире — Эйфелеву башню с железным каркасом.

Далее рост замедлился, поскольку высота небоскрёбов упёрлась в существующие возможности доменного и сталеплавильного переделов.

Развитие конвертерного и электродугового методов выплавки стали

Технологию электродуговой плавки начали применять с 1969 года, в то же время происходило совершенствование мартеновского и конвертерного способов и различных методов внепечной обработки и разливки стали. Все это позволило получить новые виды сплавов, а также внести улучшения в уже выпускаемые марки и используемые технологии. Внедрение инноваций позволило обеспечить:

• Производство жидкой стали с заданным химическим составом, с минимальным количеством неметаллических включений и примесей.
• Получение заготовки необходимого профиля непосредственно из расплава, минуя этап переката слитка в полуфабрикат.
• Повышение эффективности переработки полуфабрикатов в конечные профили за счет снижения количества промежуточных этапов переработки и использования максимально подходящей формы заготовки.

Также в наши дни на передний план выступило дополнительное достоинство технологии электродуговой выплавки стали. Помимо точного соответствия требованиям, предъявляемым к сплавам, электродуговая печь позволяет снизить «углеродный след», являясь более «зелёной» и энергоэффективной в сравнении с другими сталеплавильными агрегатами. Важное преимущество данного метода выплавки  — использование лома либо железа прямого восстановления (DRI – Direct Reduced Iron ) в производстве. Подход приводит к значительному снижению потребности в природных ресурсах и использованию большего количества переработанных материалов по сравнению со сталью, изготовленной с использованием конвертерной и мартеновской технологий. 

Горячекатаный прокат: новости из огненных цехов

В процессе горячей прокатки деформация стальных заготовок происходит при температурах выше 1000 °С. Выбор степени нагрева в основном зависит от химического состава материала, в частности, от содержания углерода, а также структуры и уровня свойств, которые необходимо обеспечить в конечном изделии.

Обратной стороной слишком высокого нагрева полуфабриката может стать очень крупнозернистая структура сплава, которая может привести к ухудшению механических свойств и низкой ударной вязкости. В результате профиль становится чувствительным к динамическим нагрузкам и склонным к хрупкому разрушению. Это и произошло при землетрясении в Хиого–Кен Нанбу, о котором расскажем чуть ниже.

Получение горячекатаного проката вынуждает тратить огромное количество энергии. Кроме того, для получения требуемой структуры и свойств изделия часто требовалось проведение термической обработки (отжига, нормализации, закалки с отпуском и пр.) уже после горячей прокатки. Для ее выполнения требуется повторный нагрев и контролируемое охлаждение профиля. Это дорого, долго и сложно, поэтому встала необходимость найти другие способы, чтобы достичь тех же результатов хотя бы для части наиболее популярных видов проката.

В результате в 1950–х годах производители вернулись к исследованиям 1925 года, показавших, как низколегированная сталь с мелкозернистой структурой получается путём горячей прокатки сплава при более низких температурах. В ходе экспериментов были разработаны новые виды горячей обработки металла давлением – термомеханическая прокатка (TMCP – Thermomechanical Controlled process) и контролируемая прокатка. Ключевое отличие этих режимов от типовой горячей прокатки состоит в строгом контроле температуры нагрева заготовки, температуры конца прокатки, параметров обжатий в клетях стана и последующего охлаждения готовых изделий. Структуру и свойства стали после термомеханической и контролируемой прокатки невозможно воспроизвести путем термической обработки вне потока прокатного стана.

Кроме того, была разработана технология так называемой «нормализующей прокатки», которая позволила получать при обработке давлением структуру и свойства стали, идентичные тем, что раньше получались только путем проведения термической обработки (нормализации) вне прокатного агрегата. Сейчас большинство мировых строительных стандартов допускает использование продукции после нормализующей прокатки наравне с нормализованной, без каких-либо ограничений. 

Небоскрёбы Японии не боятся землетрясений

Первое сверхвысокое здание Касумигасэки в столице Страны восходящего солнца появилось в 1968 году. Возведение высотки на неспокойной почве в условиях постоянно случающихся ураганов стало возможным благодаря компьютерному моделированию процессов.

Важнейший вклад в успех внесли разработчики и поставщики новых сталей, поставив на строительную площадку сплавы с улучшенными эксплуатационными свойствами. Здание Касумигасэки разрабатывалось как первый сверхвысокий офис, поэтому для просчётов здесь не было места. После первого удачного образца лёгкие, высокопрочные и пластичные стальные каркасы сделали возможным массовое строительство небоскрёбов в одном из самых сейсмоопасных  регионов планеты.

Мощное землетрясение в Хиого–Кен Нанбу в 1995 поставило перед инженерами и разработчиками новую высоту — снизить вес толстостенных материалов, одновременно увеличивая прочность. Сталь в очередной раз была улучшена, кроме того, подкорректировали форму балки, усилив концевые элементы (именно они разрушались при подземных толчках). Появились стали со сверхнизким, а также сверхвысоким пределом текучести, с высокой вязкостью и хорошей свариваемостью. Новые материалы подтолкнули развитие дизайна. Здания уже не походили на стальные коробки, формы стали интереснее, сложнее и многограннее.

Сегодня широкопролётные и многоэтажные конструкции коммерческих помещений, офисов и гостиниц являются одним из главных признаков крупных японских городов.

Скелеты старых и новых высоток

Центральная опорная конструкция небоскрёба — стальной каркас. Металлические двутавры приклепываются, скручиваются или свариваются встык, образуя вертикальные колонны. На каждом уровне–этаже они соединяются с горизонтальными балками. Высотные здания также имеют диагональные балки для дополнительной структурной поддержки.

В этой гигантской трехмерной сетке, называемой суперструктурой, вес здания переносится непосредственно на вертикальные колонны. Это концентрирует направленную вниз силу, вызванную гравитацией, в относительно небольших областях — зонах, где колонны опираются на основание. Сосредоточенный на небольших участках вес распространяется по всей опорной конструкции, находящейся под зданием.

В типичном каркасе небоскрёба каждая вертикальная колонна стоит на чугунной плите ростверка. Элемент представляет собой штабель из горизонтальных стальных балок, установленных бок о бок в два или более слоёв. Ростверк, в свою очередь, опирается на толстую бетонную подушку, насыпанную прямо на твердую глину под землей. После установки вся стальная конструкция заливается бетоном.

Структура расширяется под землёй точно как пирамида.  В конечном итоге совокупный вес здания опирается на твёрдый грунт. В очень тяжёлых небоскрёбах основание покоится на массивных бетонных опорах, которые доходят до коренного слоя.

И снова прежний вопрос: почему не бетон?

Одним из главных преимуществ стального каркаса оказывается его сверхстабильность. Внешние (или навесные) стены несут только собственный вес. Это позволяет архитекторам открывать здание сколько угодно, устанавливая панорамное остекление и дизайнерские конструктивные элементы. Такой подход резко контрастирует с каменным строительством. Толстые стены из бетона невозможно использовать для открытых сооружений — весь массив должен распределять вес.

Во многих стальных небоскрёбах, особенно построенных в 1950-х и 60-х годах, навесные стены почти полностью сделаны из стекла, открывающего захватывающую панораму на город и его окрестности.

Тенденции современного строительства отслеживает и проектный отдел Метинвест-СМЦ. И хоть пока среди проектов нет запланированных «высоток» с рекордным количеством метров вверх, специалисты отдела разрабатывают концепцию «стального городка», который воплотился в ЖК «Сталева мрія». Комплекс включает жилые дома, детский сад, амбулаторию и спорткомплекс с убежищем. О развенчивании мифов о стальном строительстве мы писали в предыдущих материалах блога.

Достать до неба: стальные мускулы арабского  востока

Знаменитый небоскрёб Бурдж–Халифа, напоминающий молнию, пока удерживает первое место по высоте, поднявшись уже не над землёй, а прямо в облака на 828 метров и 163 этажа. На строительство ушло 39 000 тонн стали.

Это было самое известное соревнование металла и бетона. На 160 этаже цементно–песчаная смесь сдала свои позиции и далее вверх устремилась только сталь.  Сборка 180–метрового шпиля велась сквозь три оставшиеся уровня, чтобы обеспечить стабильность на почти километровой высоте.

Башня Халифа, как ни одно здание в мире до завершения этого проекта, проектировалась как стальное противостояние ветру. Стрела поднимается к небу несколькими отдельными стеблями, заканчивающимися вокруг центрального шпиля. Несимметричная конструкция отклоняет ветер, не позволяя потокам образовывать устойчивые водовороты и вихри. Но даже при таком стратегическом дизайне на самом верху небоскрёб Бурдж–Халифа по–прежнему медленно раскачивается взад и вперед примерно на 2 метра.

Холодный расчёт для холодного проката

В строительстве Бурдж–Халифа использовалась холоднокатаная сталь. И это не единственный сплав, взятый для строительства. Внутри сооружения применили едва ли не все известные типы серийного проката, монтируя вентиляционные каналы, противопожарные двери, ограждения и другие стальные конструкции.

Техническое отступление:

Метод холодной прокатки — один из видов обработки металлов давления, при котором металл деформируется в валках прокатных клетей для уменьшения толщины. При этом, в отличие от горячей прокатки, процесс деформации происходит без предварительного нагрева полуфабриката. В результате изменяются размеры и механические свойства стали, улучшается качество поверхности. Часто для придания холоднокатаному изделию требуемых эксплуатационных характеристик его подвергают термической обработке.

Метод известен более века, но в самом начале своего победного шествия он умудрился оказаться на задворках «сталепрокатной цивилизации». Дело в том, что в конце 1920–х — начале 1930–х годов в среде «законодателей стальной моды», а в этой роли выступал авторитетный Американский институт чугуна и стали (AISI), не существовало стандартной методологии проектирования для холоднокатаного сплава, поэтому технологию не включили в строительные нормы и правила.

В 1938 году AISI очнулся и созвал Комитет по регламентам для разработки технических условий проектирования холоднодеформированных стальных конструкций. Баталии длились почти два десятилетия, пока, наконец,  в 1956 году не было опубликовано второе издание Спецификации, которое и вошло в современный Строительный кодекс. Холодногнутые и холоднокатаные изделия получили мировое признание и поддержку.

Сегодня холоднокатаные профили шагнули вперёд на целый километр. В процессе производства таких изделий толщиномеры и другие контролирующие приборы обнаруживают и корректируют отклонения параметров в режиме реального времени для получения высококачественной стальной полосы — именно такие элементы использовали в строительстве Бурдж–Халифа. Надо отметить, что в настоящее время и технологии горячей прокатки максимально приблизились к качеству холоднокатаных изделий, и в отдельных продуктах и применениях весьма успешно конкурируют и показывают большую эффективность.

Сталь, а не бетон, продолжит подниматься к небу и будет брать новые и новые высоты. Технологичные и не очень страны уже заявили о своих приоритетах. В ближайших планах у Ирака башня «Невеста» (1152 метра), но её точно превзойдёт токийский супергигант. Анонсированная «Небесная миля» поднимется на захватывающие 1699 метров. Строительство планируют завершить в 2045 году.

Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.