Isang modernong skyscraper ang nakatayo sa a istraktura ng bakal para sa isang simpleng dahilan: ang bakal ay naghahatid ng pinakamataas na ratio ng lakas-sa-timbang ng anumang pangunahing materyales sa gusali, na nagbibigay-daan sa mga inhinyero na itulak ang mga sahig nang mas mataas habang pinapanatili ang frame na mas magaan kaysa sa isang katumbas na reinforced concrete system. Sa isang tipikal na 200 hanggang 300 metrong landmark tower, ang isang steel frame-core tube system na pinagsasama ang mga high-strength steel column na may kongkreto o composite core ay maaaring kumpletuhin ang pangunahing istraktura ng isang 30-palapag na gusali ng opisina sa humigit-kumulang 180 araw, kumpara sa higit sa isang taon para sa isang puro kongkretong solusyon.
Ang artikulong ito ay naghahati-hati nang eksakto kung paano istrukturang bakal ay tinukoy, pinagsama-sama, at pinoprotektahan sa mga matataas na proyekto ng gusali, at kung saan ito ay patuloy na lumalampas sa pagganap o natatalo sa mga alternatibong nakabatay sa kongkreto.
Hindi lahat ng structural steel ay mapagpapalit. Ang isang skyscraper design team ay pumipili ng mga marka batay sa landas ng pagkarga, ruta ng paggawa, at kung aling pambansang code ang namamahala sa proyekto. Tatlong pamilya ng mga pamantayan ang nangingibabaw sa pandaigdigang gawaing pagtatayo: ang American ASTM/AISC system, ang European EN system, at ang Chinese GB system, na may Japanese JIS at Australian AS 4100 na mga marka na lumalabas sa mga proyektong pangrehiyon.
Sa sistemang Amerikano, A992 ay ang default na grado para sa malawak na flange beam at column sa mga commercial tower, habang A572 Baitang 50 nananatiling workhorse high-strength low-alloy na opsyon dahil naghahatid ito ng malakas na balanse ng yield strength, workability, at weldability. Sinasaklaw ng A500 Grade B ang cold-formed hollow structural sections na ginagamit sa composite column, at A588 weathering steel ang pinili kung saan ang nakalantad na bakal ay nangangailangan ng built-in na corrosion resistance na walang pininturahan na coating. Sa Europe, ang S355 ang default na pinakamabuting grado para sa mga beam kung saan kinokontrol ng stiffness at deflection ang disenyo, dahil ang paglampas sa S355 ay bihirang binabawasan ang laki ng seksyon upang bigyang-katwiran ang idinagdag na gastos sa materyal para sa mga miyembrong may maikling tagal. Ang mga Chinese frame-core tube tower ay karaniwang tumutukoy sa Q355B, kung minsan ay ipinares sa mga imported na S355JR, A572, o SM490A na mga seksyon sa mga internasyonal na joint-venture na proyekto.
| Pamantayan | Grade | Pinakamababang Lakas ng Yield | Karaniwang Paggamit sa Mga Tore |
|---|---|---|---|
| ASTM (US) | A992 | 345 MPa (50 ksi) | Malapad na flange beam at column |
| ASTM (US) | A572 Baitang 50 | 345 MPa (50 ksi) | High-strength low-alloy framing |
| ASTM (US) | A500 Grade B | 290 MPa | Hollow at composite na mga column |
| EN (Europa) | S355 | 355 MPa | Mga beam, column, pangkalahatang pag-frame |
| EN (Europa) | S460 at mas mataas | 460 MPa | Mga seksyon ng kahon na maraming kargado, mga trusses na may mahabang span |
| GB (China) | Q355B | 355 MPa | Mga column at beam ng frame-core tube |
| JIS (Japan) | SM490A | 325 MPa | Mga welded plate girder at column |
Available na ngayon ang mas mataas na ani na mga marka sa hanay ng 500 hanggang 550 MPa bilang karaniwang mga hot-rolled na seksyon sa parehong Europe at United States, at ipinakita ng pananaliksik sa metalurhiko na ang pagtulak sa lakas ng ani paitaas ay hindi proporsyonal na nagpapataas ng katawan ng carbon ng isang seksyon, na ginagawang ang mataas na lakas na bakal na isa sa mga mas madaling paraan upang mapuntahan ang epekto sa kapaligiran nang walang pagtutugma ng materyal sa pagtalon sa kapaligiran. Ang tinitimbang ng trade-off ng mga inhinyero ay ang halaga ng yunit: ang mas mataas na grado na istraktura ng bakal column ay nagkakahalaga ng higit sa bawat tonelada, kaya ang matitipid ay magbabayad lamang kapag ang bigat at pagbawas sa paggawa ay lumampas sa premium na iyon, na kadalasang nangyayari sa mabigat na load na mga compression member, transfer trusses, at long-span outriggers kaysa sa mga ordinaryong floor beam.
Halos lahat ng napakataas na istraktura ng bakal ay nalulutas hanggang sa isa sa apat na lateral load na mga diskarte, kung minsan ay pinagsama sa loob ng isang tore. Ang pagpili ay depende sa taas, hugis ng plano, at kung gaano kalaki ang floor plate na kayang ibigay ng disenyo sa istraktura.
Ang isang perimeter steel column grid ay gumagana kasama ng isang central reinforced concrete o composite steel core upang labanan ang parehong gravity at lateral wind load. Ito ay nananatiling default na pagpipilian para sa mga tower sa hanay na 200 hanggang 300 metro dahil nagbibigay ito ng karaniwang column spacing na humigit-kumulang 10 metro, tinutulak ang magagamit na lawak ng sahig sa 78 hanggang 82 porsiyento ng kabuuang lugar, at malinis na pinagsama sa post-tensioned o steel-composite na mga slab ng sahig.
Ang mga diagonal na steel na miyembro sa perimeter ng gusali ay nagdadala ng parehong gravity at lateral load sa pamamagitan ng triangulated geometry, na nag-aalis ng pangangailangan para sa mga panloob na haligi ng sulok at nagpapalaya sa harapan para sa tuluy-tuloy na glazing. Ang Bow sa Calgary, sa 236 metro, ay isang well-documented na halimbawa ng isang external na diagrid na binuo mula sa high-strength Histar-type steel sections, na partikular na pinili upang tumugon sa wind at solar performance goal kaysa sa taas lamang.
Ang mga outrigger trusses ay nagkokonekta sa isang gitnang core sa mga perimeter column sa mga piling mekanikal na sahig, na ginagawa ang mga column na iyon sa paglaban sa pagbaligtad na sandali tulad ng pagpapahaba ng mga poste ng skier sa kanilang base ng suporta. Ang mga belt trusses ay kumakalat sa parehong load sa isang mas malawak na banda ng mga column, na nagpapababa ng mga indibidwal na laki ng miyembro. Ang mga system na ito ay epektibo para sa mga tower kung saan ang core lamang ay hindi makokontrol sa wind-induced drift sa loob ng mga limitasyon sa kakayahang magamit.
Ginagamit sa pinakamatataas na tore sa mundo, ang sistemang ito ay nag-aayos ng maraming pakpak, bawat isa ay may sarili nitong core at perimeter column, sa paligid ng isang central hub upang ang mga pakpak ay magkadikit at mabawasan ang torsional response. Bagama't ang pinakakilalang halimbawa, ang Burj Khalifa, ay pangunahing umaasa sa reinforced concrete, ang mga composite steel-concrete na bersyon ng geometry na ito ay lalong karaniwan kung saan ang bilis ng konstruksiyon ay mahalaga gaya ng pinakamataas na taas.
Lumilitaw ang mga transfer beam system saanman dapat lumipat ang column grid sa pagitan ng malawak na span lobby o podium at ng mas mahigpit na tower grid sa itaas. Ang isang transfer structure ay muling namamahagi ng mga load mula sa itaas na mga column pababa sa mas kaunti, mas malalaking column sa ibaba, at dahil ang mga transfer trusses ay nagdadala ng napakalaking concentrated load, halos palaging gawa ang mga ito mula sa mas mataas na grade na bakal upang panatilihin ang lalim ng miyembro sa loob ng available na floor-to-floor height.
Ang bentahe ng bilis ng konstruksiyon ng a istraktura ng bakal halos lahat ay mula sa factory prefabrication. Ang mga column, beam, at core steelwork ay pinuputol, hinangin, at tinitingnan ang kalidad sa labas ng site, pagkatapos ay ipinadala bilang mga natapos na bahagi para sa bolted o welded na mga koneksyon sa field. Sa isang mahusay na pinapatakbo na proyekto, ang daloy ng trabaho na ito ay gumagalaw sa apat na magkakapatong na yugto.
Pinipilit ng pagkakasunud-sunod na ito ang komprehensibong panahon ng pagtatayo para sa isang mid-rise na steel skyscraper sa mas mababa sa 24 na buwan sa maraming mga kaso, na makabuluhang nagbabago sa timeline ng pagpopondo at pagpapaupa ng developer kumpara sa isang kongkretong diskarte lamang.
Ang bawat matataas na gusali ay, sa istruktura, isang vertical cantilever na nakadikit sa lupa, kaya habang tumataas ang taas, ang mga lateral forces mula sa hangin at lindol ay lumalaki nang mas mabilis kaysa sa gravity load. Ang isang istraktura ng bakal ay tumutugon dito sa tatlong paraan: sa pamamagitan ng geometry, sa pamamagitan ng pamamasa, at sa pamamagitan ng pagdedetalye ng koneksyon.
Binabawasan ng geometric tapering o twisting ang mga wind load sa pamamagitan ng pagpigil sa vortex shedding mula sa pagbuo sa isang coordinated pattern hanggang sa taas ng tore; Ang twisting form ng Shanghai Tower ay isang malawak na binanggit na halimbawa ng diskarteng ito na partikular na ginawa upang maputol ang mga kargang dulot ng hangin. Kung saan hindi makokontrol ng geometry ang pag-anod, ang mga inhinyero ay nagdaragdag ng nakatutok na mass damper, isang malaking gumagalaw na counterweight malapit sa tuktok ng gusali na nag-o-oscillate sa labas ng phase sa pag-indayog ng tore; Ang damper ng Taipei 101 ay isa sa mga nakikitang halimbawa ng teknolohiyang ito at nananatiling bahagi ng pampublikong tour ng gusali.
Ang pagdedetalye ng seismic para sa mga steel frame ay umaasa sa mga ductile na koneksyon na idinisenyo upang magbunga sa isang kontroladong paraan sa panahon ng matinding lindol sa halip na biglang mabali. Ang mga koneksyon sa moment-frame, buckling-restrained braces, at concrete-filled steel tube column ay ang tatlong pinakakaraniwang tool para dito, at ang bawat isa ay nangangailangan ng fabricator na kontrolin ang kalidad at tibay ng weld nang mas mahigpit kaysa sa isang miyembrong puro gravity-carrying.
Wala alinman sa materyal ang nanalo sa bawat kategorya. Ang paghahambing sa ibaba ay nagpapakita ng mga tipikal na kinalabasan para sa mga tower sa hanay na 150 hanggang 350 metro, kung saan ang parehong mga system ay makatotohanang mga opsyon.
| Kategorya | Istraktura ng Bakal | Konkretong Istraktura |
|---|---|---|
| Pangunahing tagal ng istraktura (30 palapag na tore) | Humigit-kumulang 180 araw | 12 buwan o higit pa |
| Net nagagamit na floor area ratio | 78% hanggang 82% | 65% hanggang 70% |
| Gastos sa pagtatayo ng unit | USD 1,200 hanggang 1,500 bawat metro kuwadrado | Kadalasan ay 15% hanggang 20% na mas mataas sa mga senaryo ng matataas na gusali |
| Potensyal sa espasyo ng column | Hanggang 10 metrong standard bay | Karaniwang mas mahigpit dahil sa mga limitasyon ng slab spanning |
| Taunang gastos sa pagpapanatili | 3% hanggang 8% ng paunang gastos sa pagtatayo | Karaniwang binabawasan ang patuloy na pagpapanatili ng coating |
Ang item sa linya ng pagpapanatili ay nararapat na masusing tingnan. Ang isang istraktura ng bakal ay nangangailangan ng pag-renew ng anti-corrosion coating halos bawat 10 hanggang 15 taon, sa karaniwang halaga na 20 hanggang 30 US dollars bawat metro kuwadrado ng coated surface, kasama ang pana-panahong inspeksyon sa istruktura. Ang mga gusaling nag-i-install ng tuluy-tuloy na pagsubaybay sa kalusugan ng istruktura, pagsubaybay sa pagkapagod at pagganap ng koneksyon sa real time, ay maaaring mabawasan ang mga gastos sa pang-emerhensiyang maintenance ng humigit-kumulang kalahati sa pamamagitan ng pagkuha ng pagkasira bago ito maging isang magastos na reaktibong pagkukumpuni. Sa buong cycle ng buhay, ang kumbinasyon ng mas mabilis na konstruksyon, mas mataas na lugar na maaaring rentahan, at predictable na mga ikot ng coating ang kadalasang dahilan kung bakit ang istraktura ng bakal na mas mapagkumpitensya sa gastos na pagpipilian kapag isinaalang-alang ang mga timeline ng financing at pagpapaupa, kahit na ang mga gastos sa pagpapanatili ng raw material at coating na indibidwal ay maaaring tumakbo nang mas mataas kaysa sa kongkreto.
Ang hindi protektadong structural steel ay nawawalan ng halos kalahati ng lakas nito kapag umabot na ito sa humigit-kumulang 550 degrees Celsius, na maaaring lumampas sa isang sunog sa gusali sa loob ng ilang minuto, kaya ang proteksyon sa sunog ay hindi kailanman opsyonal sa isang inookupahang skyscraper na bakal. Tatlong diskarte ang nangingibabaw sa kasalukuyang kasanayan.
Isang cementitious o mineral fiber coating na direktang ini-spray sa mga beam at column, na sinusukat ayon sa kapal upang makamit ang kinakailangang rating ng paglaban sa sunog, karaniwang isa hanggang tatlong oras depende sa tungkulin ng miyembro at klasipikasyon ng occupancy ng gusali.
Isang manipis na parang pintura na coating na lumalawak sa isang insulating char layer kapag nalantad sa init ng apoy, na pinapaboran sa nakalantad na arkitektural na bakal kung saan ang isang na-spray na texture ay hindi katanggap-tanggap sa paningin.
Ang pagpuno sa isang guwang na seksyon ng bakal na may kongkreto ay nagbibigay sa column ng panloob na heat sink at pangalawang landas ng pagkarga kung lumambot ang panlabas na shell ng bakal, kaya naman lalong nagiging karaniwan ang mga column ng tube na puno ng konkreto sa mga supertall na composite core.
Ang corrosion control ay sumusunod sa isang katulad na layered logic: shop-applied primer, isang field top coat, at sa coastal o industrial na kapaligiran, isang weathering steel grade o hot-dip galvanizing para sa mga miyembro na hindi madaling maipinta pagkatapos ng pagtayo. Ang pagdedetalye na umiiwas sa mga bitag ng tubig, tulad ng mga sloped top flanges at mga butas ng drainage sa mga seksyon ng kahon, ay pumipigil sa mga maliliit na pitting failure na sa kalaunan ay pumipilit sa isang buong recoat cycle.
Ang istrukturang bakal ay malapit nang ganap na ma-recycle sa pagtatapos ng buhay ng serbisyo ng isang gusali, at karamihan sa mga gawa-gawang seksyon ay naglalaman na ng malaking proporsyon ng mga ni-recycle na scrap depende sa ruta ng produksyon. Ang mas malaking sustainability lever para sa isang skyscraper, gayunpaman, ay kabuuang tonelada: natuklasan ng pananaliksik sa high-strength steel adoption na ang paglipat sa mas mataas na yield grade ay halos hindi nagpapataas ng embodied carbon sa bawat tonelada ng bakal, kaya ang matitipid sa timbang mula sa paggamit ng mas malakas na grado ay halos direktang naisalin sa mas mababang carbon footprint para sa natapos na istraktura. Iyon ay isang makabuluhang paghahanap, dahil nangangahulugan ito na hindi kailangang ipagpalit ng mga taga-disenyo ang kahusayan sa istruktura laban sa pagganap sa kapaligiran tulad ng ginagawa nila minsan sa iba pang mga materyal na pagpapalit.
Higit pa sa pagpili ng materyal, ang mga bentahe ng construction-phase ng isang istrukturang bakal ay nagdadala ng sarili nitong timbang sa pagpapanatili. Ang paggawa sa labas ng lugar ay nagbabawas ng mga basura sa lugar, nagpapaikli sa mabibigat na kagamitan sa construction window na nagdudulot ng ingay at mga emisyon sa paligid ng isang makakapal na urban site, at hinahayaan ang mga demolition crew na makabawi at makapagbenta muli ng mga structural section nang mas madali kaysa sa maaari nilang bawiin ang reinforced concrete.
Ipinapakita ng mga tunay na proyekto kung paano gumaganap ang mga prinsipyong ito sa sukat. Ang mga halimbawa sa ibaba ay sumasaklaw sa iba't ibang diskarte sa istruktura sa halip na isang "pinakamahusay" na diskarte.
| Gusali | taas | Pangunahing Structural System |
|---|---|---|
| Isang World Trade Center, New York | 541 m | Reinforced concrete core na may perimeter steel moment frame |
| Ang Bow, Calgary | 236 m | Panlabas na diagrid ng bakal |
| Taipei 101, Taipei | 508 m | Mga bakal na megacolumn na may nakatutok na mass damper |
| Shanghai Tower, Shanghai | 632 m | Composite steel-concrete core na may paikot-ikot na panlabas na balat |
Ang isang bagong alon ng mga iminungkahing tower ay nagtutulak nang higit pa sa konsepto ng steel diagrid, kabilang ang isang nakaplanong New York supertall na tinukoy ng isang nakalantad na panlabas na steel lattice na nagdodoble bilang parehong facade at lateral structural system sa halip na isang nakatagong structural layer sa likod ng glazing. Ang nakikitang-istraktura na trend na ito ay sumasalamin sa lumalagong kumpiyansa sa mataas na lakas na kakayahan ng bakal na dalhin ang parehong aesthetic at engineering na responsibilidad sa parehong oras.
Ang ratio ng strength-to-weight ng Steel ay nagbibigay-daan sa isang tore na magdala ng parehong load na may mas magaan na frame, na nagpapababa sa pangangailangan ng pundasyon, nagpapabilis sa konstruksyon sa pamamagitan ng prefabrication, at nagpapalaya sa lawak ng sahig dahil ang mga column ay maaaring maging mas maliit at mas malayo ang pagitan. Ang kongkreto ay nananatiling mapagkumpitensya o mas gusto sa mga rehiyon kung saan limitado ang kapasidad sa paggawa ng bakal o kung saan ang disenyo ay nangangailangan ng isang napakatigas, damping-heavy core.
Ang istrukturang bakal ay ang pangkalahatang kategorya ng mga seksyon ng bakal na ginagamit sa mga frame ng gusali, karaniwang may mga lakas ng ani mula sa humigit-kumulang 235 hanggang 355 MPa. Ang high-strength na bakal ay tumutukoy sa mga grado sa itaas ng hanay na iyon, sa pangkalahatan ay 460 MPa at pataas, na may ilang mga hot-rolled na produkto na umaabot na ngayon sa 500 hanggang 550 MPa habang pinapanatili ang weldability na kailangan para sa mga koneksyon sa field.
Maaaring maabot ng 200-meter steel office tower ang malaking structural completion sa loob ng humigit-kumulang 12 buwan gamit ang factory prefabrication at parallel trade sequencing, kumpara sa 30 hanggang 36 na buwan para sa katumbas na cast-in-place concrete structure, higit sa lahat dahil ang kongkreto ay nangangailangan ng oras ng curing na hindi kailangan ng pagtatayo ng bakal.
Ang bakal ay nangangailangan ng isang tinukoy na ikot ng pagpapanatili ng coating, sa pangkalahatan ay isang recoat tuwing 10 hanggang 15 taon sa halagang humigit-kumulang 20 hanggang 30 US dollars bawat metro kuwadrado ng protektadong ibabaw, kasama ang pana-panahong inspeksyon para sa kaagnasan o pagkapagod. Ang kongkreto ay may iba't ibang pangangailangan sa pagpapanatili, higit sa lahat sa paligid ng pag-crack, spalling, at rebar corrosion, kaya ang kabuuang gastos sa pagpapanatili ng lifecycle ay nakadepende nang malaki sa klima at pagdedetalye ng kalidad kaysa sa pagpili ng materyal lamang.
Oo. Ang parametric modeling na sinamahan ng five-axis CNC cutting ay nagbibigay-daan sa mga fabricator na makabuo ng mga non-standard na steel members para sa hyperbolic surface, spiral forms, o faceted facades, na may mga cantilever na umaabot nang higit pa sa kung ano ang maaaring makamit ng isang maihahambing na kongkretong solusyon nang walang mabibigat na istruktura ng paglilipat.
A572 Baitang 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.