超高層ビルの鉄骨構造: グレード、システム、コストの説明
近代的な超高層ビルが建っています。 鋼構造 その理由は 1 つあります。スチールは主流の建築材料の中で最も高い強度対重量比を実現するため、エンジニアは同等の鉄筋コンクリート システムよりもフレームを軽量に保ちながら、床を高くすることができます。一般的な 200 ～ 300 メートルのランドマーク タワーでは、高強度鋼柱とコンクリートまたは複合コアを組み合わせた鉄骨フレームコア チューブ システムにより、30 階建てのオフィス ビルの主要構造をおよそ 180 日で完成させることができます。一方、純粋なコンクリート ソリューションでは 1 年をはるかに超えます。
この記事ではその詳細を詳しく説明します 構造用鋼 高層建築プロジェクトで指定、組み立て、保護されており、常にコンクリートベースの代替品よりも優れた性能を発揮するか、劣っています。
高層ビルに使用される鋼種 鋼構造 デザイン
すべての構造用鋼が交換可能であるわけではありません。超高層ビルの設計チームは、荷重経路、製造ルート、およびプロジェクトを管理する国の基準に基づいてグレードを選択します。米国の ASTM/AISC システム、欧州の EN システム、中国の GB システムという 3 つの規格が世界の高層建築工事を支配しており、地域プロジェクトでは日本の JIS とオーストラリアの AS 4100 グレードが採用されています。
アメリカの制度では、 A992 商業用タワーのワイドフランジ梁および柱のデフォルトグレードですが、 A572 グレード50 降伏強度、加工性、溶接性のバランスが優れているため、依然として主力の高強度低合金オプションです。 A500 グレード B は、複合柱に使用される冷間成形中空構造セクションをカバーし、露出した鋼材に塗装コーティングなしで組み込みの耐食性が必要な場合には、A588 耐候性鋼が選択されます。ヨーロッパでは、S355 は、剛性とたわみが設計を制御する梁のデフォルトの最適グレードです。これは、S355 を超えると、短いスパンの部材の追加材料コストを正当化できるほど断面サイズが小さくなることはほとんどないためです。中国のフレームコアチューブタワーは一般的に Q355B を指定しており、国際合弁プロジェクトでは輸入された S355JR、A572、または SM490A セクションと組み合わせられることもあります。
| 標準 | グレード | 最小降伏強度 | タワーでの一般的な使用法 |
|---|---|---|---|
| ASTM（米国） | A992 | 345 MPa (50 ksi) | ワイドフランジの梁と柱 |
| ASTM（米国） | A572 グレード50 | 345 MPa (50 ksi) | 高強度低合金フレーム |
| ASTM（米国） | A500グレードB | 290MPa | 中空柱と複合柱 |
| 英語 (ヨーロッパ) | S355 | 355MPa | 梁、柱、躯体全般 |
| 英語 (ヨーロッパ) | S460以降 | 460MPa | 重荷重のボックスセクション、長スパントラス |
| GB (中国) | Q355B | 355MPa | フレームコアチューブの柱と梁 |
| JIS（日本） | SM490A | 325MPa | 溶接板桁と柱 |
現在、ヨーロッパと米国の両方で、500 ～ 550 MPa の範囲の高降伏グレードが標準的な熱間圧延セクションとして入手可能です。冶金学的研究では、降伏強さを押し上げてもセクションの固化炭素が比例して増加しないことが示されており、高張力鋼は環境への影響を同等に増加させることなく材料トン数を削減するためのより利用しやすい方法の 1 つとなっています。エンジニアが考慮するトレードオフは単価です。高品質の鋼構造柱はトン当たりのコストが高くなります。そのため、重量と労力の削減がそのプレミアムを上回って初めて節約効果が現れます。これは通常、通常の床梁ではなく、重荷重の圧縮部材、トランスファー トラス、および長スパンのアウトリガーで発生します。
鉄骨超高層ビルの中核構造システム
ほぼすべての超高層鋼構造は、4 つの横荷重戦略の 1 つに解決され、場合によっては単一のタワー内で組み合わせられます。選択は、高さ、平面図の形状、およびデザインが構造を犠牲にすることができる床板の量によって異なります。
スチールフレームコアチューブ
周囲の鉄骨柱グリッドが中央の鉄筋コンクリートまたは複合鋼芯と連携して重力と横風荷重の両方に耐えます。これは、標準的な柱間隔が約 10 メートルで、使用可能な床面積が総面積の 78 ～ 82 パーセントに押し上げられ、ポストテンションまたは鋼複合床スラブときれいに統合されるため、高さ 200 ～ 300 メートルのタワーのデフォルトの選択肢であり続けています。
ダイアグリッド（斜めグリッド）
建物の周囲にある斜めの鋼材は、三角形の幾何学形状を通じて重力と横方向の荷重の両方を支え、内部コーナー柱の必要性を排除し、ファサードを中断のないガラスのために解放します。カルガリーの高さ 236 メートルのバウは、高強度のヒスター型鋼材セクションから構築された外部ダイアグリッドの十分に文書化された例であり、高さだけではなく風力と太陽光の性能目標に対応するために特別に選択されました。
アウトリガーおよびベルトトラスシステム
アウトリガー トラスは、選択された機械床の中心コアを周囲の柱に接続し、スキーヤーのポールが支持基部を伸ばすのと同じように、これらの柱を転倒モーメントに抵抗させます。ベルト トラスは同じ荷重を柱のより広い範囲に分散し、個々の部材のサイズを小さくします。これらのシステムは、コアだけでは風によるドリフトを保守限界内で制御できないタワーに効果的です。
複合バットレスコア
世界で最も高いタワーで使用されるこのシステムは、それぞれが独自のコアと外周柱を備えた複数の翼を中央ハブの周りに配置することで、翼が互いに支え合い、ねじり応答を低減します。最もよく知られた例であるブルジュ ハリファは主に鉄筋コンクリートに依存していますが、最終的な高さよりも建設速度が重要視される場合には、この形状の鋼鉄とコンクリートの複合バージョンがますます一般的になっています。
トランスファー ビーム システムは、スパンの広いロビーや表彰台とその上のより緊密なタワー グリッドの間で柱グリッドを移動する必要がある場所にはどこにでも使用できます。伝達構造は、上部の柱からの荷重を下部の少数の大きな柱に再分配します。伝達トラスは膨大な集中荷重を運ぶため、部材の深さを利用可能な床から床までの高さ内に保つために、ほとんどの場合高級鋼で製造されます。
プレハブと建設の順序付け
建設速度の利点 鋼構造 ほぼ完全に工場でのプレハブで作られています。柱、梁、およびコアの鉄骨構造はオフサイトで切断、溶接、品質検査され、ボルトまたは溶接で現場接続するための完成コンポーネントとして出荷されます。プロジェクトがうまく運営されている場合、このワークフローは 4 つの重複する段階を経て進みます。
- ステージ1 製造図面とパラメトリック モデリングは、製造を開始する前にすべての部材、接続、ボルト穴を定義します。これにより、5 軸 CNC 切削により、現場での試用調整を行わずに、ねじれたファサードや双曲面などの複雑な形状を製造できるようになります。
- ステージ2 オフサイト製造および工場プレハブでは、通常、部品が現場に到着する前に、コアの鋼鉄柱とボックス部分の完成率が 90% に達します。
- ステージ3 現場での建設はフロアごとに進められ、通常、鋼鉄の建設作業員はコンクリートまたは金属製のデッキの設置の 2 ～ 3 階前に配置され、カーテンウォールや機械的および電気的な大まかな作業は、完全な構造の完成を待たずにそのすぐ後ろに続きます。
- ステージ4 仕上げ工事とファサードの閉鎖は、上階の鉄骨の建設と並行して行われます。これが、高さ 200 メートルの鉄骨オフィスタワーが約 12 か月で実質的な完成に達することができるのに対し、同等の場所打ちコンクリートの建物では養生期間を含めて約 30 ～ 36 か月かかる主な理由です。
この順序付けにより、多くの場合、中層鉄骨超高層ビルの総合建設期間は 24 か月未満に短縮され、コンクリートのみの戦略と比較して、開発業者の資金調達とリースのスケジュールが大幅に変わります。
高層鉄骨フレームの風力・耐震工学
すべての高層ビルは、構造的には地面に固定された垂直の片持ち梁であるため、高さが増すにつれて、風や地震による横方向の力は重力荷重よりもはるかに速く増大します。鉄骨構造は、ジオメトリ、減衰、接続の詳細という 3 つの方法でこれに対応します。
幾何学的な先細りまたはねじれにより、渦放出がタワーの高さまで調整されたパターンで蓄積するのを防ぎ、風荷重を軽減します。上海タワーのねじれた形状は、特に風による負荷を軽減するために設計されたこのアプローチの例として広く引用されています。形状だけではドリフトを制御できない場合、エンジニアは調整されたマス ダンパーを追加します。これは、タワーの揺れと位相をずらして振動する、建物の頂上付近にある大きな移動式カウンターウェイトです。台北 101 のダンパーは、この技術の最も目立つ例の 1 つであり、現在も建物のパブリック ツアーの一部となっています。
鉄骨フレームの耐震詳細は、極端な地震の際に突然破損するのではなく、制御された方法で降伏するように設計された延性接続に依存しています。モーメントフレーム接続、座屈抑制ブレース、コンクリート充填鋼管柱がこのための 3 つの最も一般的なツールであり、それぞれの製造業者は、純粋に重力を受ける部材よりもはるかに厳密に溶接品質と靭性を制御する必要があります。
鉄骨構造とコンクリート構造: 直接比較
どちらの素材もすべてのカテゴリーで優勝するわけではありません。以下の比較は、両方のシステムが現実的な選択肢である 150 ～ 350 メートルの範囲のタワーの典型的な結果を反映しています。
| カテゴリ | 鋼構造 | コンクリート構造物 |
|---|---|---|
| 主郭存続期間（30階建てタワー） | 約180日 | 12ヶ月以上 |
| 正味有効容積率 | 78% ～ 82% | 65%～70% |
| 工事単価 | 1平方メートルあたり1,200ドルから1,500ドル | 高層ビルのシナリオでは、多くの場合 15% ～ 20% 高くなります |
| 列間隔の可能性 | 最大 10 メートルの標準ベイ | スラブのスパン制限により、通常はよりタイトになります |
| 年間維持費 | 初期工事費の3%～8% | 通常、継続的なコーティングのメンテナンスが少なくて済みます |
メンテナンス項目については、詳しく見てみる価値があります。鋼構造物は、およそ 10 ～ 15 年ごとに防食コーティングの更新が必要で、一般的なコストはコーティング表面 1 平方メートルあたり 20 ～ 30 ドルで、さらに定期的な構造検査が必要です。継続的な構造健全性モニタリングを導入し、疲労と接続パフォーマンスをリアルタイムで追跡する建物は、費用のかかる事後対応修理になる前に劣化を捉えることで、緊急メンテナンスのコストを約半分に削減できます。ライフサイクル全体にわたって、資金調達やリースのスケジュールを考慮に入れると、より迅速な建設、より高い賃貸可能面積、および予測可能な塗装サイクルの組み合わせにより、原材料と塗装のメンテナンスの個別のコストがコンクリートよりも高くなる可能性があるにもかかわらず、通常、鋼構造がコスト競争力の高い選択肢となります。
防火および腐食制御
保護されていない構造用鋼は摂氏約 550 度に達すると強度が約半分失われ、建物火災が数分以内にこの温度を超える可能性があるため、占有されている鉄骨超高層ビルでは防火は決してオプションではありません。現在の実践では 3 つのアプローチが主流となっています。
スプレー式耐火材
梁や柱に直接スプレーされるセメント質または鉱物繊維のコーティングで、必要な耐火定格を達成するために厚さによってサイズが決定されます。通常、部材の役割と建物の占有区分に応じて 1 ～ 3 時間かかります。
膨張性コーティング
火災の熱にさらされると膨張して絶縁炭化層になる薄いペイントのようなコーティングで、スプレーされたテクスチャーが視覚的に受け入れられない露出した建築用鋼材に好まれます。
コンクリート充填鋼管柱
中空の鋼材セクションをコンクリートで充填すると、柱に内部ヒートシンクと、外側の鋼殻が軟化した場合の二次荷重経路が与えられます。そのため、超高層複合コアではコンクリート充填管柱が一般的になりつつあります。
腐食制御も同様の階層化されたロジックに従います。つまり、工場で塗布されるプライマー、現場でのトップコート、そして海岸や工業環境では、組立後に簡単に再塗装できない部材には耐候性鋼グレードまたは溶融亜鉛めっきが適用されます。傾斜した上部フランジやボックスセクションの排水穴など、水のトラップを回避するディテールにより、最終的に完全な再コーティングサイクルを強いられる小さな孔食不良を防ぎます。
高層ビルにおける鉄骨構造の持続可能性
構造用鋼は建物の耐用年数の終わりにほぼ完全にリサイクル可能であり、製造ルートに応じて、ほとんどの製造セクションにはすでにかなりの割合のリサイクルされたスクラップが含まれています。しかし、超高層ビルにとってより大きな持続可能性の鍵となるのは総トン数です。高張力鋼の採用に関する研究では、より高降伏グレードに移行しても鋼材 1 トンあたりの固化炭素がほとんど増加しないことが判明したため、より強力なグレードの使用による重量削減は、完成した構造の二酸化炭素排出量の削減にほぼ直接的につながります。これは、設計者が他の材料の代替品を使用する場合のように、構造効率と環境パフォーマンスをトレードする必要がないことを意味するため、意味のある発見です。
材料の選択を超えて、鉄骨構造の建設段階での利点は、それ自身の持続可能性の重要性をもたらします。オフサイト製造により、現場での廃棄物が削減され、密集した都市敷地周辺で騒音や排気ガスを発生させる大量の機器を使用する建設期間が短縮され、解体作業員は鉄筋コンクリートを再生するよりもはるかに簡単に構造部分を回収して再販できます。
注目の超高層ビルプロジェクトにおける鉄骨構造
実際のプロジェクトでは、これらの原則が大規模にどのように実行されるかを示します。以下の例は、単一の「最良の」アプローチではなく、さまざまな構造戦略にまたがっています。
| 建物 | 高さ | 一次構造システム |
|---|---|---|
| ワン ワールド トレード センター、ニューヨーク | 541m | 鉄筋コンクリートコアと周囲鋼モーメントフレーム |
| ザ ボウ (カルガリー) | 236メートル | 外部スチールダイアグリッド |
| 台北 101 (台北) | 508m | 調整されたマスダンパーを備えたスチール製メガコラム |
| 上海タワー (上海) | 632メートル | ねじれた外皮を備えたスチールとコンクリートの複合コア |
提案されているタワーの新たな波は、鉄骨ダイアグリッドのコンセプトをさらに推進しており、その中には、ガラスの後ろに隠れた構造層ではなく、ファサードと側方構造システムの両方を兼ねる、露出した外部鉄骨格子によって定義される計画中のニューヨークのスーパートールも含まれます。この目に見える構造の傾向は、高張力鋼が美的責任と工学的責任を同時に担う能力に対する信頼の高まりを反映しています。
超高層ビルの鉄骨構造に関するよくある質問
非常に高い建物には、コンクリートよりも鋼鉄が好まれるのはなぜですか?
鋼鉄の強度対重量比により、タワーはより軽いフレームで同じ荷重を支えることができ、基礎の需要が減り、プレハブ化により建設がスピードアップされ、柱を小さくして間隔を広くすることができるため床面積が解放されます。コンクリートは、鉄鋼の製造能力が限られている地域、または設計で非常に剛性が高く、減衰の重いコアが必要な地域では、依然として競争力があり、または好まれています。
構造用鋼と高張力鋼の違いは何ですか?
構造用鋼は、建築フレームに使用される鋼セクションの一般的なカテゴリであり、通常、降伏強度は約 235 ～ 355 MPa です。高張力鋼とは、その範囲を超えるグレード、通常は 460 MPa 以上を指しますが、一部の熱間圧延製品は現在、現場接続に必要な溶接性を維持しながら 500 ～ 550 MPa に達しています。
コンクリートの超高層ビルと比べて、鉄骨の超高層ビルの建設にはどれくらいの時間がかかりますか?
高さ 200 メートルの鉄骨オフィスタワーは、同等の場所打ちコンクリート構造の場合は 30 ～ 36 か月かかるのに対し、工場プレハブと並行取引手順を使用すると、約 12 か月で実質的な構造完成に達します。これは主に、コンクリートには鋼鉄の建設に必要のない養生時間が必要なためです。
鉄骨構造はコンクリートよりもメンテナンスが必要ですか?
鋼鉄には、定義されたコーティングのメンテナンス サイクルが必要です。通常、保護表面 1 平方メートルあたり約 20 ～ 30 ドルの費用で 10 ～ 15 年ごとに再コーティングが行われ、さらに腐食や疲労の定期検査が必要です。コンクリートには、主にひび割れ、剥離、鉄筋の腐食など、さまざまなメンテナンスのニーズがあるため、ライフサイクル全体のメンテナンスコストは、材料の選択だけではなく、気候や細部の品質に大きく依存します。
鉄骨構造は複雑またはねじれた建築形状を実現できますか?
はい。パラメトリック モデリングと 5 軸 CNC 切断を組み合わせることで、製造業者は、双曲面、スパイラル形状、ファサード ファサード用の非標準的な鋼部材を製造でき、カンチレバーは、同等のコンクリート ソリューションが重いトランスファー構造なしで達成できる範囲をはるかに超えて伸びます。
超高層ビルの柱に最もよく使用される鋼種は何ですか?
A572 グレード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.
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