Nicht-Eisen-Wolkenkratzer-Gestaltung

Ich gebe zu, dass ich ein echtes Problem mit Eisen habe – es rostet schnell. Tatsächlich behauptet das History Channel-Programm Life After People ständig, dass das Eisen, aus dem das Skelett eines Wolkenkratzers besteht, sich selbst überlassen eine Lebensdauer von 100 bis 150 Jahren haben würde, bevor Rost das Skelett in Stücke zersetzt.

Vor langer Zeit habe ich eine Frage zum Bau von Metallwaffen ohne Verwendung von Eisen gestellt. Bei der Auswahl der Antworten wurden viele Kandidaten vorgeschlagen, und zwar:

  1. Titanalumnid
  2. Nickel-Superlegierung
  3. Nickel-Alumnid
  4. Stellit
  5. Wolframkarbid
  6. Zirkoniumcarbid
  7. Eine Legierung aus Titan und Wolfram

Was diese Liste für die Frage relevant macht, ist, dass Stahl oder jede andere Art von Legierung zur Herstellung von Waffen verwendet wurde, bevor sie im Bauwesen verwendet wurden, sodass das Prinzip identisch wäre.

In einem alternativen Cyber- oder Steam-Punk-New York, Chicago, Dallas oder einer der größten Städte der Vereinigten Staaten wurden diese aufgeführten Metalle und Legierungen für den Bau von Megatürmen in Betracht gezogen (ein bisschen so oder so oder, Wenn Sie historischer werden wollen, die Kunstwerke von Hugh Ferriss .) Welches der aufgeführten Metalle wäre unter Berücksichtigung der Wissenschaft am stärksten in Bezug auf Spannung, Druck und Korrosionsbeständigkeit?

Oh, und bevor jemand fragt, diese Frage betont Qualität, nicht Quantität.

Viele der Legierungen in Ihrer Liste werden für Werkzeuge verwendet: Sie widerstehen Druck und Korrosion, sind aber spröde. Ein Wolkenkratzer biegt sich ein wenig durch den Wind (und mögliche Erdbeben), der Wolframrahmen wird brechen. Da Sie Korrosionsbeständigkeit und strukturelle Stabilität wünschen, ziehen Sie die Schiffslegierungen in Betracht, z. B.: metalsupermarkets.com/marine-grade-metals
Außerdem sollten Sie die Wirtschaftswissenschaften berücksichtigen. Korrosionsbeständige Legierungen sind teuer. Menschen, die Wolkenkratzer bauen, ist es egal, was mit ihnen passiert, wenn sie "sich selbst überlassen" werden. Sie planen, ihre Gebäude von mietzahlenden Mietern bewohnen, klimatisieren und warten zu lassen. Wenn ein Gebäude jemals seine Mieter verliert, wird es abgebaut, um Platz für etwas anderes zu schaffen; Der einzige Grund, hoch zu bauen (zumindest in den USA), ist, dass Land teuer ist, dh viele Leute wollen dort ein Büro oder eine Wohnung haben.
Sie begründen, dass wir Stahl verwenden, nicht weil es das Beste für Spannung (gut), Kompression (gut) und Korrosion (ziemlich schlecht) ist, weil Aluminium bei allen drei dieser Dinge genauso gut oder besser ist. Es liegt nicht einmal nur am Preis, denn Aluminium ist dort fast so gut wie Stahl. Sondern weil wir Gebäude nicht nur aus Stahl bauen , sondern aus Beton und Stahl . Und wie es der Zufall will, funktioniert Stahl unglaublich gut mit Beton, weil ihre thermischen Ausdehnungs-/Kontraktionsraten so ähnlich sind, was bedeutet, dass der Stahl keine fatalen Risse im Beton verursacht.
Hier ist ein großes Denkmal, das mit Titan beschichtet ist und nach 30 Jahren in einer verschmutzten Stadt noch glänzend bleibt: en.wikipedia.org/wiki/Monument_to_the_Conquerors_of_Space Aber ich kann nicht finden, woraus der Rahmen besteht.
Was für Waffen gut ist, ist nicht unbedingt gut für den Bau, weshalb sich der für Waffen verwendete Stahl von dem für Gebäude verwendeten Stahl unterscheidet (es gibt Hunderte verschiedener Arten von "Stählen"). Wenn die Kosten keine Rolle spielen, würde ich vermuten, dass Sie wahrscheinlich eine Art Beta-Titanium-Legierung wünschen, die auf die Wärmeausdehnung von Beton abgestimmt ist. Dieser könnte leicht eine deutlich höhere Festigkeit als Stahl haben und dennoch weniger als die Hälfte wiegen. Natürlich wäre es wahrscheinlich auch ziemlich teuer.
Vor einigen Tagen gab es eine Frage zur Verwendung von Elfenbein für den Bau von Wolkenkratzern. Nur ein Hinweis, dass einige exotische Materialien auch tun würden.
Einige Kohlenstoffverbindungen können für den Bau von Wolkenkratzern geeignet sein. Nicht sehr Steam-Punk, aber durchaus geeignet für Cyber-Punk :) Es gab reale Experimente zur Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen für die Betonbewehrung. Es ist noch nicht da, aber Kohlenstoff kann in einigen Anwendungen ein Ersatz für Stahl werden.
Metalle, warum sind immer Metalle? Eigentlich sollten Sie an gute alte Holzbauten denken. Holz erlebt als Baumaterial für hohe Gebäude ein Comeback. Wenn dies weiterentwickelt und verbessert würde, könnte es Wolkenkratzer umfassen.
@a4android Kann Holz einer Höhe von zwei Meilen standhalten?
Zwei Meilen könnten eine große Frage sein. Ehrlich gesagt weiß ich es nicht. Diese URL seattletimes.com/sponsored/… erwähnte einen 300 Meter hohen Wolkenkratzer in London und andere hohe Holzgebäude. Die Holzbautechnik ist auf dem Vormarsch. Herkömmliche Wolkenkratzer scheinen in Reichweite zu sein. In Kombination mit Fullerenen und Kohlenstoffnanoröhren gehen sie viel höher.
Das größte Holzgebäude der Welt wird 18 Stockwerke hoch sein und wird in Norwegen gebaut. Die Fertigstellung wird für 2019 erwartet. Das derzeit höchste Holzgebäude in Norwegen ist 49 Meter hoch und 14 Stockwerke hoch.
@RBarryYoung Die ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Beton machen sie zu einem großartigen Paar für Dinge wie Straßen und Brücken, bei denen der Beton dem Wetter ausgesetzt ist. Aber in Wolkenkratzern gibt es nicht viel Sichtbeton.
@RonJohn Falsch. Viele Hochhäuser haben Sichtbeton .
@RonJohn auch, es spielt keine Rolle, thermische Ausdehnung und Kontraktion treten auf, unabhängig davon, ob es ausgesetzt ist oder nicht. Es passiert langsamer, wenn es nicht belichtet wird, aber es passiert immer noch.
@RonJohn Es gibt noch einen weiteren Grund, warum Stahl gegenüber Aluminium bevorzugt wird. Ab etwa 400 ° F beginnt Aluminium, seine Festigkeit zu verlieren und sich viel schneller zu verformen als Stahl. Dies bedeutet, dass selbst mittelschwere Brände in einem Aluminiumgebäude ihre strukturelle Integrität verlieren könnten. Stahl behält seine Festigkeit bis zu 1000-2000F.

Antworten (3)

Wenn Rost das Problem ist, warum nicht Eisen gegen Edelstahl eintauschen?

Ein kurzer Blick auf die Wärmeausdehnungskoeffizienten legt nahe, dass Sie Edelstahl mit einem ähnlichen Koeffizienten wie Beton erhalten können, und weil er Eisen so ähnlich ist, müssen Sie Ihre Konstruktionsmethoden nicht viel ändern, wenn überhaupt.

Denn im Edelstahl steckt noch Eisen.
Wie würden Sie mit dem Gewichtsproblem umgehen? Bearbeiten: NM Ich dachte irgendwie, er würde in den Weltraum bauen, lol

Forscher am MIT haben Graphen verwendet, um ein leichtes Material zu entwickeln, das zehnmal stärker als Stahl ist und möglicherweise zur Herstellung von Fahrzeugen und Geräten sowie im Hochbau verwendet werden könnte.

Ein Forscherteam am Department of Civil and Environmental Engineering (CEE) des MIT entwarf das 3D-Material – eines der leichtesten und stärksten, das jemals entwickelt wurde – durch Komprimieren und Verschmelzen von Graphenflocken, einer zweidimensionalen Form von Kohlenstoff. Das Ergebnis ist eine schwammartige Konfiguration mit einer Dichte von nur 5%, die unglaublich stark ist, sagten sie.

Es wird angenommen, dass Graphen in 2D-Form eines der stärksten bekannten Materialien ist, aber seine Stärke in der 2D-Welt war schwer in ein 3D-Material zu übersetzen. Graphen hat eine außergewöhnliche Festigkeit, aber aufgrund seiner außergewöhnlichen Dünnheit ist es nicht sehr nützlich für die Herstellung von 3D-Massenmaterialien, die in Fahrzeugen, Gebäuden oder Geräten verwendet werden könnten, ohne zuerst Graphen in dreidimensionale Strukturen zu übersetzen.

Die geometrische Konfiguration der ist der dominierende Faktor für ihre Eigenschaften und den Erfolg bei der Verwendung von Graphen, um sie zu entwerfen.

Die Forscher entwickelten das Material, indem sie kleine Graphenflocken mit einer Kombination aus Hitze und Druck komprimierten. Dieser Prozess erzeugte eine starke, stabile Struktur mit Formen, die einigen Korallen und mikroskopisch kleinen Kreaturen namens Diatomeen ähnelten

~credit: „designnews.com“ bzw. „MIT.com/CEE“.

Außerdem ist Kohlenstoff mit einer Dichte von 5 % SUPER einfach in großen Mengen zu bekommen. Es zu einem erlesenen Material machen.

Warum überhaupt Metalle? Beton- und Verbundbewehrungsstäbe (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff, glasfaserverstärkter Kunststoff, glasfaserverstärkter Kunststoff, Aramid-GFK) werden heute in Bauwerken wie Brücken verwendet, gerade weil sie nicht rosten und leicht sind. Eine solche Technologie könnte auf Wolkenkratzer aus Beton angewendet werden .

Die gleiche Technologie gilt für Fachwerkkonstruktionen . Es gibt heute einen klaren Weg, Baustahl durch Verbundwerkstoffe zu ersetzen.

Wolkenkratzer müssen bei starkem Wind schwanken können. Darin ist Beton schlecht.
@RonJohn Und Verbundwerkstoffe sind beim Schwanken (zyklische Belastungen) sogar noch besser als Metalle, weil sie nicht ermüden. Das ist ein großer Grund, warum sie Flugzeuge daraus bauen.
Ihre Antwort bezieht sich auf Beton mit Verbundbewehrung, nicht auf Gebäude aus Verbundwerkstoffen. Und niemand will in einem Gebäude sein, das so stark schwankt wie der Flügel einer Boeing 787.
@RonJohn Ihr Kommentar zu Beton ist sachlich falsch . Mehrere Wolkenkratzer mit bis zu 100 Stockwerken sind aus Beton . Bitte seien Sie nicht gemein und pedantisch. Natürlich wird ein Wolkenkratzer nicht wie eine Flugzeugtragfläche gebaut. Verbundwerkstoffe sind ein klarer Ersatz für Baustahl und andere Metalle. Zweifeln Sie daran?
Verbundbewehrung ist eine gute Wahl, aber Sie sollten ihre Einschränkungen erwähnen, sie können nicht durch Schweißen verbunden werden und müssen mit Verbindern verbunden werden, was bedeutet, dass Sie sich an einfache Formen halten müssen (z. B. keine Sturzkurven und sie brechen unter thermischen Belastungen zusammen So niedrig wie 200 Grad, so dass Ihre Gebäude im Brandfall anfälliger für den Einsturz sind.
@John Ich denke, Sturzformen sind in Ordnung, Sie müssten dies nur in der Layup- / Formphase tun, wenn Sie den Verbundwerkstoff herstellen, anstatt Metallbewehrungen vor Ort zu biegen (siehe Kohlefaserfahrräder). Das Problem dabei ist heute natürlich, wie arbeitsintensiv Design und Fertigung sind.
@RonJohn: Ich denke, du hast es rückwärts. Es besteht keine grundsätzliche Notwendigkeit, dass eine Struktur bei starkem Wind schwankt. Vielmehr (und vereinfachend) schwanken Gebäude mit Stahlrahmenkonstruktion, weil der Stahl flexibel ist, sodass das Gebäude dafür ausgelegt sein muss, damit umzugehen. Am anderen Ende der Skala gibt es Betondämme mit einer Höhe von bis zu 300 m, und ich bezweifle, dass sie stark schwanken.
@jamesqf zu sagen, dass Wolkenkratzer nicht im Wind schwanken müssen, weil Dämme dies nicht tun, ist ... beleidigend.
Es ist auch beleidigend, solche Kommentare abzugeben, während man mit einem so schlechten Verständnis von Verbundwerkstoffen bewaffnet ist, insbesondere darüber, wie Stahlbeton funktioniert.
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