Новости

В великом гобелене современной архитектуры стальной каркас выступает как незамеченный герой — его замечательная прочность и приспособляемость поддерживают бесчисленные захватывающие дух небоскребы, коренным образом преобразуя наше понимание высоты и возможностей зданий. Без этой новаторской технологии эти возвышающиеся конструкции, пронзающие облака, могли бы остаться ограниченными чертежами дизайнеров или проявиться в совершенно иных формах. Стальной каркас, с его прочным скелетом, не только поддерживает современные городские горизонты, но и обеспечивает беспрецедентную свободу и инновации в архитектурном дизайне.

Стальное каркасное строительство, как следует из названия, представляет собой скелетную систему зданий, состоящую из стальных колонн и двутавровых балок. Суть этой системы заключается в ее уникальной конструктивной конструкции, которая равномерно распределяет вес здания по всей раме, позволяя ей бросать вызов гравитации и бесконечно подниматься вверх. Заменив более ранние чугунные каркасы, стальной каркас стал доминирующим выбором в строительстве 20-го века и продолжает влиять на современное архитектурное развитие.

Сущность стального каркаса заключается в поперечном сечении его компонентов, особенно двутавровой балки, напоминающей букву «I». Эта конструкция не произвольна, а является результатом точных механических расчетов. Отличительная форма двутавровых балок позволяет им эффективно противостоять различным напряжениям, обеспечивая структурную устойчивость и безопасность.

Стальные колонны имеют фланцы (горизонтальные концы двутавровой балки), которые толще и шире, чем у балок, что повышает их способность выдерживать сжимающее напряжение и поддерживать вертикальную устойчивость. Эти вертикальные опоры выдерживают огромное давление сверху, а утолщенные фланцы предотвращают выпучивание или разрушение. Помимо двутавровых балок, часто используются квадратные и круглые стальные трубы, иногда заполненные бетоном для дополнительной прочности. Эти трубчатые секции обеспечивают отличную устойчивость к кручению против боковых сил, а заполнение бетоном улучшает несущую способность и огнестойкость.

Методы соединения балок и колонн не менее важны. В современных стальных конструкциях обычно используются болты и резьбовые крепежные элементы, в то время как исторически преобладали заклепки. Болты обеспечивают удобство монтажа и возможность демонтажа, облегчая техническое обслуживание и модификации, в то время как заклепки обеспечивают превосходную прочность соединения и сопротивление сдвигу при больших нагрузках.

Центральная стенка двутавровых балок обычно шире, чем у колонн, чтобы противостоять большим изгибающим моментам, возникающим в балках, предотвращая деформацию. В качестве горизонтальных опор, несущих вес полов и крыш, балки требуют более широких стенок для поддержания своих антиизгибных свойств.

Стальные каркасы обычно покрываются большими стальными листами, образующими гофрированные формы. Толстые слои бетона, армированные стальной арматурой, заливаются поверх них для создания прочных плит перекрытий. Эта комбинация использует прочность бетона на сжатие и прочность стали на растяжение, создавая композитный материал, способный выдерживать оба типа напряжений для повышения долговечности.

Альтернативные методы включают сборные бетонные плиты с выравнивающими слоями — полезные для быстрого строительства — или системы фальшполов в офисных зданиях, которые создают пространство между конструктивными плитами и чистовыми полами для прокладки кабелей и воздуховодов, повышая доступность технического обслуживания и адаптируемость.

Сталь размягчается при высоких температурах, что потенциально может привести к частичному обрушению, что делает огнезащиту необходимой для безопасности жильцов и сохранения конструкции. Общие методы защиты включают облицовку колонн кладкой, бетоном или гипсокартоном — материалами с отличными теплоизоляционными свойствами, которые задерживают передачу тепла к конструктивным элементам.

Балки могут получать бетонную облицовку, огнестойкие распылители или защиту через сертифицированные потолочные сборки. Примечательно, что асбест — когда-то популярный огнезащитный материал — был снят с производства в 1970-х годах из-за установленных рисков для здоровья.

Наружные стены крепятся к стальным каркасам с помощью различных методов строительства, демонстрируя при этом разнообразные архитектурные стили. Помимо эстетических функций, эти фасады служат критическими экологическими барьерами. Материалы, начиная от кирпича, камня и железобетона и заканчивая архитектурным стеклом, металлическими панелями или даже простой краской, защищают стальной каркас от повреждений от атмосферных воздействий, отвечая при этом требованиям дизайна.

Помимо обычного тяжелого стального каркаса, в легком стальном каркасе (LSF) используются оцинкованные стальные листы, холодногнутые в стойки для жилых, коммерческих и промышленных применений. Эта система включает в себя горизонтальные направляющие, закрепленные на полах и потолках, с вертикальными стойками, обычно расположенными на расстоянии 16 дюймов (410 мм) друг от друга, закрепленными крепежными элементами.

Общие жилые профили включают С-образные стойки и U-образные направляющие, толщиной от 12 до 25 калибра. Более толстые калибры (12-14) выдерживают значительные осевые нагрузки в несущих конструкциях, в то время как средние калибры (16-18) противостоят боковым силам, таким как ураганные ветры. Более тонкие стойки 25-го калибра подходят для ненесущих внутренних перегородок. Фланцы стоек (шириной 1¼-3 дюйма) вмещают отделку стен, с отверстиями в стенках (1⅝-1¼ дюйма), позволяющими прокладывать коммуникации.

Производители производят оцинкованные стальные листы в качестве основного материала для холодногнутых профилей с помощью процессов профилирования. Высокое соотношение прочности к весу стали обеспечивает гибкость конструкции для больших пролетов и устойчивость к сейсмическим и ветровым нагрузкам. Правильная установка изоляции имеет решающее значение для предотвращения тепловых мостиков — областей повышенной теплопередачи — через слои наружной изоляции (тепловые разрывы).

Стандартное расстояние между стойками составляет 16 дюймов от центра до центра для домов (варьируется в зависимости от требований к нагрузке) и 24 дюйма для стен офисных помещений, за исключением мест вокруг лифтов и лестничных клеток.

Каркас из горячекатаной стали включает в себя нагрев стальных компонентов выше температуры кристаллизации (1700°F/930°C) для уточнения структуры зерен и выравнивания кристаллических решеток перед точной прокаткой в желаемые профили. Этот процесс повышает прочность и ударную вязкость, что делает его идеальным для тяжелых конструкций.

По сравнению с холодногнутой сталью, горячекатаные профили имеют большую толщину и размеры, обеспечивая превосходную прочность с минимальной деформацией при больших нагрузках. Хотя первоначальные затраты выше, их эффективность в крупномасштабных проектах — требующих меньше элементов для эквивалентных пролетов — обеспечивает экономические преимущества для значительных конструкций.

Переход от железа к стали в качестве основного конструкционного материала происходил медленно. Первое здание с железным каркасом — Ditherington Flax Mill — появилось в 1797 году, но сталь стала широко доступной только после метода производства Генри Бессемера в 1855 году. К 1870 году появилась доступная высокопрочная сталь с хорошей пластичностью, хотя ковкое железо и чугун оставались преобладающими из-за проблем производства из богатых фосфором руд — проблема, решенная Сидни Гилкристом Томасом в 1879 году.

Эра надежного низкоуглеродистого стального строительства началась примерно в 1880 году, когда качество стали стабилизировалось в достаточной степени для архитектурного использования.

Home Insurance Building (1885) стал пионером скелетного строительства, устранив несущую роль кладки. В Соединенных Штатах здание Rand McNally Building (1890, Чикаго) стало первой конструкцией со стальным каркасом, в то время как Royal Insurance Building в Ливерпуле (проект 1895 года, строительство 1896-1903 годов) представило эту технологию Великобритании.

Как зрелая строительная технология, стальной каркас играет ключевую роль в современной архитектуре. Непрерывные инновации сосредоточены на устойчивости за счет экологически чистых материалов и технологий, наряду с интеллектуальными методами строительства, использующими информационное моделирование зданий (BIM) и робототехнику для повышения эффективности и качества. Стальной каркас, несомненно, продолжит лидировать в архитектурном прогрессе к более безопасным и комфортным жилым помещениям.

Высокое соотношение прочности к весу: Обеспечивает большую грузоподъемность при уменьшенном весе конструкции.

Быстрое строительство: Заводская сборка позволяет быстро собирать на месте.

Гибкость дизайна: Позволяет использовать большие открытые пролеты и адаптируемые пространства.

Сейсмостойкость: Хорошо работает в условиях землетрясений.

Устойчивость: Сталь хорошо поддается вторичной переработке, сводя к минимуму отходы.

Пожарная уязвимость: Требует комплексных мер противопожарной защиты.

Подверженность коррозии: Нуждается в защитной обработке от ржавчины.

Более высокие затраты на материалы: Цены на сталь повышают первоначальные затраты на строительство.

Усовершенствованные высокопрочные стали: Уменьшают размеры элементов и вес конструкции.

Зеленые технологии: Снижают потребление энергии и воздействие на окружающую среду.

Интеллектуальное строительство: Интегрируют цифровые инструменты для точности и эффективности.

Сборные системы: Расширяют методы модульного строительства.

Стальное каркасное строительство оказало глубокое влияние на современную архитектуру и будет продолжать развиваться, чтобы соответствовать будущим вызовам, формируя при этом горизонты по всему миру.