Lịch sử phát triển các cấu trúc thép trong các tòa nhà cao tốc

Trong lịch sử xây dựng con người, các vật liệu tự nhiên như đất, đá và gỗ lần đầu tiên được con người sử dụng làm vật liệu xây dựng. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ trong xã hội loài người, sắt và thép được sản xuất trên quy mô lớn, mang lại một vật liệu mạnh mẽ, hiệu suất cao để xây dựng, giúp xây dựng các tòa nhà cao hơn và an toàn hơn.

Ngành công nghiệp sắt và thép của thế giới ở châu Âu đã phát triển sớm nhất, và do đó, các tòa nhà sắt và thép ở châu Âu cũng là ứng dụng sớm nhất. 1720 Châu Âu bắt đầu sản xuất máy sắt lợn quy mô lớn, 1784 là sản xuất sắt trưởng thành, thời gian này châu Âu bắt đầu sử dụng sắt để xây dựng cầu, kết thúc thế kỷ 18, các nhà máy bông của Anh bắt đầu sử dụng các cột sắt, đầu tiên của các cột bằng sắt) (1793) và tòa nhà cấu trúc khung sắt hoàn chỉnh đầu tiên (1797) được xây dựng ở Anh.

Việc sản xuất hàng loạt các hồ sơ I-Iron ở châu Âu vào năm 1854, thuận tiện hơn cho mục đích xây dựng và sản xuất thép nhẹ vào năm 1864, có đặc tính tốt hơn, dẫn đến việc sử dụng rộng hơn các tòa nhà thép, và một nhà máy sô cô la được gọi là đầu tiên, được xây dựng trên mạng. Tòa nhà được xây dựng hoàn toàn bằng bộ xương thép, với dầm và cột được kết nối cứng và giằng để chịu được tải trọng gió, một hệ thống cấu trúc vẫn thường được sử dụng trong các tòa nhà bằng thép nhiều tầng hiện đại.

Hình 1-1

Cấu trúc cột sắt được đưa vào Hoa Kỳ vào đầu thế kỷ 19, đến cuối thế kỷ 19, với sự tăng tốc của quá trình đô thị hóa ở Hoa Kỳ, các tòa nhà thép tăng nhiều cao ở Hoa Kỳ để phát triển nhanh chóng của Hoa Kỳ. 1885 tại Hợp chủng quốc Hoa Kỳ ở Chicago đã được hoàn thành tại tòa nhà thép cao đầu tiên trên thế giới-Tòa nhà bảo hiểm nhà cao 10 tầng, cao 55m (Hình 1-2). Tòa nhà sử dụng dầm thép và cấu trúc khung cột sắt, bức tường gạch bên ngoài vẫn là bức tường chịu tải. Tòa nhà Rand Manally dài 9 tầng, rộng 37 mét, được xây dựng tại Chicago vào năm 1889, đã sử dụng khung toàn bộ bằng thép, loại bỏ các bức tường chịu tải và thực sự là tòa nhà khung thép cao thực sự đầu tiên trên thế giới.

Hình 1-2

Vào thế kỷ 20, với sự cải thiện của phương pháp thiết kế cấu trúc thép, việc xây dựng cấu trúc thép ở Hoa Kỳ lần đầu tiên bước vào kỷ nguyên của tòa nhà chọc trời. 1900 vào khoảng thời gian hoàn thành tòa nhà Công viên cấu trúc thép 36 tầng ở New York, là tòa nhà cao nhất thế giới vào thời điểm đó. Năm 1907 tại New York đã hoàn thành tòa nhà ca sĩ, cao 47 tầng 187m, là kim tự tháp hiện đại đầu tiên trên thế giới so với cao tầng cao của Ai Cập. Năm 1918, New York đã hoàn thành tòa nhà có giá trị len 60 tầng, cao 242 mét, tòa nhà cao nhất thế giới vào thời điểm đó. Và vào năm 1931 tại New York đã hoàn thành Tòa nhà Empire State cao 102 tầng (Hình 1-3), là một cột mốc quan trọng trong thế giới của các tòa nhà cao tầng, tòa nhà này để duy trì hồ sơ xây dựng cao nhất thế giới trong 40 năm.

Hình 1-3

Vào năm 1965, Tiến sĩ Fazlur Rahman Khan, một kỹ sư kết cấu nổi tiếng của công ty kiến ​​trúc SOM (Skidmore, Owings và Merrill) ở Hoa Kỳ, trước hết Tháp Sears (Hình 1-5). Dựa trên khái niệm cấu trúc mới này và sự phát triển nhanh chóng của cơ học cấu trúc tính toán trong những năm 1960, Hoa Kỳ đã thiết kế và xây dựng một số tòa nhà hình trụ siêu cao (Bảng 1-1), bao gồm Trung tâm Thương mại Thế giới nổi tiếng (Hình 1-4) và Tháp Sears (Hình 1-5).

Hình 1-4

Hình 1-5

Ngoài Hoa Kỳ, Nhật Bản là quốc gia có các tòa nhà thép cao hơn, lý do, ngoài ngành công nghiệp sắt và thép phát triển tốt, còn có một lý do quan trọng khác để xem xét kháng động đất. Bởi vì Nhật Bản là một quốc gia đa động, cho đến năm 1963, mã xây dựng của Nhật Bản chỉ sửa đổi tòa nhà không được phép vượt quá các điều khoản cao 31m. Trong địa chấn, lửa, gió và các vấn đề khoa học và công nghệ khác về một loạt các đột phá nghiên cứu lớn, Nhật Bản vào năm 1964 đã công bố một sắc lệnh xây dựng mới, đã bị hủy bỏ về giới hạn chiều cao tòa nhà, hoàn thành vào năm 1965, tòa nhà cao tầng cao 78m 78m đầu tiên ở Tokyo, Tokyo, khách sạn Otani mới. Kể từ đó, các tòa nhà thép cao tầng ở Nhật Bản là sự phát triển nhanh chóng của tòa nhà Kasumigaseki cao 147m cao 147m được xây dựng vào năm 1968 như một biểu tượng, Nhật Bản thực sự bước vào thời kỳ phát triển cấu trúc thép cao tầng. Vào những năm 1980, tổng số các tòa nhà cao tầng thép ở Nhật Bản chỉ đứng sau Hoa Kỳ, và trong nghiên cứu khoa học về cấu trúc thép cao tầng, sự phát triển của thép, cải thiện công nghệ sản xuất và lắp đặt, v.v., đã đạt được kết quả tuyệt vời, tích lũy kinh nghiệm phong phú và hình thành kỹ thuật. Hiện tại, phần lớn các tòa nhà cao tầng mới trên 20 tầng trong Nhật Bản áp dụng cấu trúc thép.

Vương quốc Anh là tỷ lệ cao nhất của các tòa nhà cấu trúc thép ở châu Âu, theo khu vực này, khoảng 50% các tòa nhà ở Vương quốc Anh đang sử dụng cấu trúc thép, đầu những năm 1980, các tòa nhà đa tầng của Anh có thành phần cấu trúc vật liệu khác nhau. Việc sử dụng phổ biến cấu trúc thép trong các tòa nhà cao tầng ở Anh đã được hưởng lợi từ sự hỗ trợ và đầu tư lâu dài của thép Anh (sau này trở thành Corus) trong nghiên cứu lý thuyết, phát triển công nghệ và giáo dục cấu trúc thép.

Đông Nam Á là một người theo dõi sự phát triển kinh tế thế giới, các tòa nhà cao tầng bắt đầu được xây dựng với số lượng lớn trong khu vực này sau những năm 1970, nhưng hầu hết trong số chúng là các cấu trúc bê tông được củng cố. Tuy nhiên, sau khi bước vào những năm 1990, việc sử dụng cấu trúc thép trong các tòa nhà cao tầng đã ngày càng trở nên phổ biến hơn và số lượng các tòa nhà cấu trúc thép cực cao đã tăng lên hàng năm, chẳng hạn như ngân hàng Trung Quốc 71 tầng của Tháp Trung Quốc, trong năm 1988 (Hình 1 1-7).

Hình 1-6

Hình 1-7

Cũng như tòa nhà Trung tâm tài chính Đài Bắc cao 101 tầng (Hình 1-8) được hoàn thành tại Đài Bắc là đại diện cho các tòa nhà thép cực cao.

Hình 1-8

Hình 1-9

Do lý do kỹ thuật và kinh tế, các tòa nhà cấu trúc thép cao tầng đã được xây dựng ở Trung Quốc từ giữa những năm 1980. Kể từ đó, với cải cách của Trung Quốc và mở ra và phát triển kinh tế, hàng chục tòa nhà cấu trúc thép cao tầng đã được xây dựng ở Thượng Hải, Bắc Kinh, Thâm Quyến, Quảng Châu, Dalian, Xiamen, Thâm Quyến, Tianjin, v.v. Tháp Jin Mao cao 421m (Hình 1-9), hiện là tòa nhà cao nhất ở Trung Quốc đại lục, được liệt kê là thứ ba trên thế giới. Năm 1998, Tháp Jinmao cao 88 mét cao 88 mét (Hình 1-9) được xây dựng, hiện là tòa nhà cao nhất ở Trung Quốc và thứ ba trên thế giới, đánh dấu rằng các tòa nhà cao tầng của Trung Quốc đã gia nhập hàng ngũ tiên tiến trên thế giới.