Vertikale Stadt – wie hoch?

Jedes der aufeinanderfolgend höchsten Gebäude der Welt wurde bis an die Grenzen der aktuellen Materialien und architektonischen Kenntnisse entworfen. Mit fortschreitender Wissenschaft wird diese Grenze langsam steigen.

Thukydides Link ist in dieser Hinsicht sehr aufschlussreich. Der aktuelle Rekordhalter, der Burj Khalifa, hätte wohl nicht 10 Jahre früher gebaut werden können.

Mit zunehmender Höhe der Gebäude steigen die Komplexität und vor allem die Kosten. Alle höchsten Wolkenkratzer sind gigantische „Meins ist größer als deins“-Projekte der Hybris, die zu lächerlichen Kosten gebaut wurden. Dubai ging bei dem Versuch, den Burj Khalifa zu bauen, ziemlich bankrott, der jetzt nach dem Emir von Abu Dhabi benannt ist, der den Rest des Baus finanzierte.

Super-Wolkenkratzer machen wirtschaftlich keinen Sinn und das wird wahrscheinlich die größte Einschränkung beim Bau einer Stadt aus ihnen sein. Wenn nicht wirklich Platz zum Bauen übrig ist, könnten Sie viel mehr Menschen unterbringen, wenn die Gebäude eine normalere Höhe haben.

Schauen Sie sich hier das Diagramm des Burj Khalifa an, um zu sehen, wie klein die obere Hälfte des Gebäudes ist. Ihre miteinander verbundenen Gehwege müssten ziemlich lang sein (und dehnbar, um mit dem Schwanken der Gebäude im Wind fertig zu werden).

Hier tritt bereits eine Komplikation auf: Der Boden kann unter die Fundamente sinken

Ehrlich gesagt, die rechteckigen, kilometerhohen Blöcke, die eng aneinander gebaut sind und in Science-Fiction-Filmen zu sehen sind, erfordern ernsthaftes Handwinken oder Sci-Fi-Technologie.

Edit: einige Zahlen.

Um eine Zahl zu erraten, nehmen wir den Shanghai Tower , dessen Dach 561 Meter hoch ist, also nur etwa 30 Meter niedriger als der Burj Khalifa, der 244 Meter unbewohnte Turmspitze hat. Außerdem hat es 20 % mehr Grundfläche, eine breitere Decke und liegt mitten in einem Hochhausviertel, passt also insgesamt besser in eine vertikale Stadt.

Jetzt können wir anfangen, ein verbessertes Potenzial zu erraten:

• Die Lage der Stadt auf Grundgestein in einer weitgehend erdbebenfreien Zone sollte eine ganze Stadt dieser Höhe ermöglichen.
• Die Lage der Stadt abseits der üblichen Hurrikanpfade sollte zusätzliche 10 % ermöglichen.
• Eine erhöhte Unterstützung durch die Gehwege sollte gegen eine erhöhte Sturmstärke durch die globale Erwärmung ausgeglichen werden.
• Verbesserte Konstruktion und Materialien würden wahrscheinlich 10 % pro Jahrzehnt hinzufügen. Etwas langsamer als in den letzten zwei Jahrzehnten, aber in absoluter Höhe ist es mehr Fortschritt als je zuvor.

In 20 Jahren ist er also etwa 30 % höher: 730 m. In 50 Jahren könnten es 60 % mehr sein, etwa 900 m. Runden Sie es auf 1 km, um eine schöne Zahl zu erhalten, da dies ohnehin eine sehr grobe Schätzung ist.

Eigentlich nein: Sie können einer bestehenden Struktur (die im Wesentlichen ein Gebäude als Teil eines Fundaments eines neuen Gebäudes verwendet) nicht einfach willkürlich Stockwerke hinzufügen. Das Fundament muss für die erwartete Masse und Lasten der Struktur richtig ausgelegt sein.

Dies sollte Ihre Frage beantworten: http://www.halcyonmaps.com/tallest-planned-buildings/

Die Grenze wird eher von der Wirtschaft als von der Technologie diktiert. Wenn Sie davon ausgehen, dass jeder im Gebäude mindestens einmal am Tag ebenerdig ankommen und gehen möchte, kommen Sie an einen Punkt, an dem das Hinzufügen einer ausreichenden Aufzugskapazität zur Unterstützung eines zusätzlichen Stockwerks aufgrund der unproduktiven Fläche einen negativen wirtschaftlichen Vorteil hat verbraucht in den unteren Stockwerken.

Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist eine vertikale Stadt, die die Bewohner der oberen Ebenen nicht täglich verlassen. Stattdessen gibt es Geschäfte, Parks und Dienstleistungen, die alle auf diesen Ebenen von den dort lebenden Menschen bereitgestellt werden. Es gibt immer noch eine wirtschaftliche Grenze, da alle Dinge, die sie verbrauchen, immer noch vom Boden nach oben transportiert werden müssen, aber ich habe gelesen, dass eine kilometerhohe vertikale Stadt nicht unmöglich ist und keine exotischen Materialien erfordert.

Übrigens ist ein hoher Wolkenkratzer (mit Massendämpfern) weniger anfällig für Erdbeben als ein viel kürzerer oder ein normales Haus.

Solche Städte werden oft in Science-Fiction dargestellt. Mit den richtigen Materialien gibt es keinen Grund, warum eine solche Stadt nicht existieren oder so hoch hinausgehen könnte, wie Sie es gerne hätten.

Es gibt jedoch einige Dinge zu beachten:

Geologie

Eine solche Stadt wäre unglaublich schwer. Wenn es auf etwas anderem als festem Grundgestein gebaut würde, würde es höchstwahrscheinlich Stück für Stück zusammenbrechen. Erdbeben würden auch eine Menge darauf wirken, da diese Art von nach oben reichenden und miteinander verbundenen Türmen weitaus starrer wäre als ein alleinstehendes Gebäude.

Wetter

Wenn der Planet, auf dem diese Stadt existiert, anfällig für starke Winde, starke Stürme usw. ist, wären diese Städte erneut bedroht. Die Auswirkungen könnten durch technologische Fortschritte etwas heruntergespielt werden.

Ehrlich gesagt, wenn die Geschichte in der Zukunft spielt, wo die Technologie weit genug fortgeschritten ist, könnten diese Türme leicht mehrere Kilometer hoch werden, wobei die alten Türme miteinander verbunden werden, um das Fundament noch größerer Megastrukturen zu bilden.

Viel Erfolg mit Ihrem Roman!

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Thukydides kommentiert das

"Sie können einer bestehenden Struktur nicht einfach willkürlich Stockwerke hinzufügen (was > im Wesentlichen ein Gebäude als Teil eines Fundaments eines neuen Gebäudes nutzt)"

und er/sie hat Recht - in einem realen Szenario.

Da dies jedoch eine Science-Fiction-Kulisse ist, stellen Sie sich mächtige Kraftfelder vor, die zur Verstärkung dieser Türme verwendet werden, oder Teile der Gebäude selbst, die ausgefüllt werden, um sie in massive Stützsäulen zu verwandeln. Gebäude, die einst den Himmel kratzten, werden im Kern des Megaturms eingeschlossen und verwandeln sich in unterirdische Slums, die niemals das Tageslicht sehen.

Ich sage nicht, dass dies mit unserer aktuellen Technologie oder sogar mit Technologien, die innerhalb des nächsten Jahrhunderts entwickelt werden könnten, sinnvoll ist. Es muss nur plausibel genug klingen

Nehmen Sie an, dass das Volumen linear mit der Höhe skaliert (dh wir werden die Gebäudeform grob als Würfel annähern).

Die Masse/das Gewicht Ihrer Konstruktionen wird ungefähr als Würfel der Höhe skaliert (wir gehen davon aus, dass das Volumen des Gebäudes linear mit der Höhe skaliert wird – was bedeutet, dass der xy-Fußabdruck mit der Höhe zunimmt). Die Strukturfestigkeit skaliert jedoch nur mit dem Quadrat des Volumens. Egal wie stark unsere Materialien sind, wir werden schließlich zu groß, um ein größeres Gebäude zu tragen.

Eine erhöhte Materialstärke kann Ihre Ergebnisse verbessern, aber die Form der Kurve nicht verändern – egal wie stark das Material ist. Wenn das Gebäude die obige Größe überschreitet, wird es immer unter seinem eigenen Gewicht zusammenbrechen.

Materialien

Um dies aus einer Materialperspektive zu betrachten, ist es hilfreich, eine Vorstellung von den zugehörigen Gleichungen zu haben.

Die Kraft auf das Gebäude ist das Gewicht (Masse * Beschleunigung) der Teile des Gebäudes über dem aktuellen Stockwerk.

$$W = a_{gravity} \cdot m = a_{gravity} \cdot \rho \cdot V = a_{gravity} \cdot \rho \cdot l^3$$

$$F_{compression} = A \cdot \sigma_{compression} = l^2 \cdot \sigma_{compression}$$

Bei maximaler Belastung entspricht die maximale Druckkraft, die Ihre Struktur tragen kann, ihrem Gewicht, also erhalten Sie Folgendes:

$$a_{gravity} \cdot \rho \cdot l^3 = l^2 \cdot \sigma_{compression} \rightarrow l_{max} = \frac{\sigma_{compression}}{a_{gravity} \cdot \rho}$$

V = Volumen ($m^3$)
A = Fläche ($m^2$)
l = Abstand ($m$)
$\sigma$= Materialstärke (Pascal -$Pa$)
g = Erdbeschleunigung ($\frac{m}{s^2}$)
$\rho$= Dichte ($\frac{kg}{m^3}$)

Die maximal gemessene Druckfestigkeit eines beliebigen Materials (Diamant) liegt zwischen 100 und 300 GPa. Machen Sie also die folgenden Annahmen

$g = 9.8 \frac{m}{s^2}$
$\sigma = 300 GPa$
$\rho = 2,500 \frac{kg}{m^3}$

Lösen für$l$:

$$l_{max} = \frac{300,000,000,000 \frac{kg}{m \cdot s}}{9.8 \frac{m}{s^2} \cdot 2,500 \frac{kg}{m^3}} = 12,244,898 m$$

12 Millionen Meter (12.000 km) ist ein ziemlich hohes Gebäude. Ihre Höhenbeschränkung wäre nicht auf Materialbeschränkungen zurückzuführen (wenn Sie die richtigen Materialien verwenden).

Denken Sie daran, dass diese Struktur an der Basis fest wäre und keinen Platz für etwas anderes als Struktur hätte, das Material Diamant sein müsste und die Kruste des Planeten, auf dem sie sich befand, durchhängen würde, sodass die tatsächliche Höhe wesentlich geringer wäre. Tatsächlich würde die Schermenge der beteiligten Materialien wahrscheinlich der eines Planetoiden entsprechen (das ist kein Mond!).

Stiftung

Aber welche Art von Fundament kann diese Art von Masse tragen? Obwohl die Erdkruste starr erscheint, schwimmt sie in Wirklichkeit auf dem Erdmantel und ist nicht starr genug, um selbst ihre eigene Masse zu tragen – sie muss auf dem Erdmantel schwimmen.

Die höchsten Punkte der Erde befinden sich alle im Himalaya-Gebirge. In diesem Bereich subduziert eine kontinentale Kruste eine andere. Es hat die obere Platte über 5 Meilen hoch geschoben, aber diese erhabene Höhe kann nur von der Kruste getragen werden, die 60 Meilen oder tiefer darunter durchhängt.

Für Ihr Bauprojekt bedeutet dies, dass selbst eine ausreichend fortgeschrittene Gesellschaft wahrscheinlich nicht in der Lage sein wird, große Strukturen von mehr als 5 Meilen zu schaffen, oder bevor die Kruste unter dem Gewicht der Struktur zu sinken beginnt.

Andere Sachen

Typisches Engineering für Bodenstrukturen (wie Gebäude) verwendet einen Sicherheitsfaktor von 10x. Das heißt, Sie entwerfen das Gebäude für das 10-fache der Last, die es tragen soll.
Alle anderen Kräfte wie Wind, dynamische Beanspruchungen, Knicken, Erdbeben usw. werden dabei außer Acht gelassen.