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:
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.