Wären Tunnelwände stärker, wenn sie aus geschnittenen Granitblockwänden gebaut würden, die mit kohlenstoffbasierten Schnüren verstärkt wären?

Nein, es wird nicht funktionieren.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Granit ist$7.9 - 8.4 \cdot 10^{-6} \ m/m K$, während sich der Wert für Kohlefaser um herum bewegt$1.6 - 2.1 \cdot 10^{-6} \ m/m K$.

Zum Vergleich hat Stahl$11 - 12.5 \cdot 10^{-6} \ m/m K$und Beton$13 - 14 \cdot 10^{-6} \ m/m K$.

Während Stahl und Beton Temperaturschwankungen dank ihrer ähnlichen Ausdehnung/Kontraktion gut ausgleichen, werden Granit und Kohlefaser dies nicht tun, was zusätzliche Spannungen in der Struktur verursacht, was zu einem Verlust der funktionellen Bindung führt.

Sie werden mit gebohrten Granitwänden und losen Kohlefasern enden, die den Granit nicht verstärken würden.

NEIN

• Granit kommt nicht überall vor. Es ist nicht die Hauptsubstanz, die aus der überwiegenden Mehrheit der Tunnel entfernt wird (nur aus der Mehrheit der tiefen Tunnel). Die Umstellung auf Granit als Hauptgestein für Tunnel bedeutet, dass eine der schwersten Steinarten der Welt abgebaut und transportiert werden muss. Das ist teuer.

• Es bedeutet auch das Schneiden, (Präzisions-!) Formen und (Präzisions-!) Bohren einer der härtesten Steinarten der Welt. Das ist auch teuer. Und im Gegensatz zu kontinuierlich gegossenem Beton müssen Sie Ziegel oder Granitblöcke schichten. Egal wie Sie es sichern, das allein ist eine erhebliche Schwäche (denken Sie an „Erdbeben“. Der Planet bewegt sich ständig).

• Das Gießen einer Flüssigkeit, die in Ihre Form passt, ist viel, viel einfacher, als einen der am schwierigsten zu passenden Steine ​​zu meißeln und Löcher zu bohren, die Kurven ausrichten und aufnehmen müssen. Beton ist leicht zu transportieren, günstig verfügbar und flexibel in der Anwendung. Granit ist im Grunde nichts davon.

• Beton ist von innen bewehrbar. Ja, es splittert leichter als Granit. Es bricht sogar leichter als Granit. Aber die Verwendung von Bewehrungseisen ist sowohl die primäre Stärke als auch die primäre Schwäche – denn das Metall rostet und dehnt sich mit der Zeit aus. Das Ersetzen des Bewehrungsstabs durch eine nicht korrodierbare Substanz würde dies erheblich verbessern. (Ich möchte die Antwort von @L.Dutch hervorheben, die darauf hinweist, warum Kohlefaser diesen Zweck nicht erfüllen würde.)

• Und das setzt voraus, dass wir nicht herausfinden, wie wir den römischen Beton neu erfinden können, der vor 2.000 Jahren zum Bau des Hafens von Sebastos verwendet wurde . Es ist immernoch da. Und römischer Beton ist von Natur aus wasserdicht (er wird im Meerwasser sogar noch stärker).

Ein faszinierender Artikel ist „ The Rock Solid History of Concrete “ von Jonathan Schifman für Popular Mechanics. Ich empfehle dringend, es zu lesen.

Und Kosten sind immer ein Objekt

Konstruktionsmethoden werden immer von mehr als den verwendeten Materialien beeinflusst – und die Kosten jeder Konstruktionsmethode werden immer ein Hauptfaktor dafür sein, wie etwas gebaut wird. Ja, Sicherheit, Nutzung usw. müssen erfüllt sein. Aber Sie geben nicht mehr aus, als Sie müssen, um etwas zu tun. Nach 150 Jahren (der Zeit, die Sie in Ihrer Frage angeben) gibt es viele andere Dinge, die ersetzt werden müssen. Die Elektro-, Sanitär- und Lüftungsanlagen sowie die Transportplattform (Straße, Schiene usw.) fallen einem sofort ein – und das setzt voraus, dass der Bedarf für den Tunnel nach 150 Jahren besteht. Das US-amerikanische Interstate-Highway-System existierte nicht vor 1956 (vor nur 63 Jahren), und dennoch wurden Straßen in den letzten 25 Jahren erheblich erneuert, neu gestaltet, umgeleitet und umgebaut. Überall im Land gibt es ungenutzte Eisenbahntunnel. Es gibt unbenutzte, neu gestaltete und umgebaute U-Bahn-Tunnel auf der ganzen Welt. Vielleicht ist die einzige Art von Tunnel, die länger als 150 Jahre überleben müsste, ein vergrabenes Aquädukt.

Die Bequemlichkeit von Beton macht es nahezu unmöglich, ihn in absehbarer Zukunft als Hauptbaustoff zu verdrängen. Römischen Beton neu zu erfinden und mit etwas anderem als Eisenbewehrung zu verstärken, wäre eine viel wirtschaftlichere, praktischere und wahrscheinlichere Zukunft als die Verwendung von Granit.

Sicher wäre es. Granit hat eine Druckfestigkeit von ungefähr 200 MPa und Beton normalerweise 70 MPa (mit einer sehr schnellen Google-Suche), sodass allein Ihre Frage beantwortet werden kann.

Aber warum sollten Sie Granite verwenden? Sie brauchen nicht das stärkste, beste und teuerste Material, um eine Tunnelwand zu bauen. Sie benötigen ein Material, das die Arbeit im Rahmen der Sicherheitsvorschriften erledigt, und Sie möchten, dass es kostengünstig, schnell und einfach zu verwenden ist.

Also ja, Sie könnten hundertmal mehr Geld ausgeben und einen superstarken Tunnel bauen, ihn mit Materialschichten abdecken, um ihn vor allem zu schützen, was dazu führen würde, dass Ihr Preis in die Höhe schießt und Ihr Projekt aufgrund der Kosten verzögert und schließlich aufgegeben wird schwierig mit dem Material umzugehen. Oder Sie können es gemäß den festgelegten Sicherheitsvorschriften bauen, indem Sie ein langlebiges und einfach zu verwendendes Material verwenden, das die Sicherheitsstandards erfüllt und die Bank nicht sprengt.

Andere Antworten geben weitaus bessere wissenschaftliche Informationen als ich und scheinen zu dem Schluss zu kommen, dass Ihr Vorschlag nicht funktionieren wird. Ich werde nicht streiten ;-) Da sich der Boden bewegt, könnte es passieren, dass der Tunnel auf halbem Weg nach unten „gespalten“ wird. Beide Enden sind immer noch vollständig intakt, aber es gibt eine 1M-Stufe auf halbem Weg nach unten aufgrund von Bewegungen in der Umgebung. Einen starken Tunnel zu bauen, mag ein strittiger Punkt sein, aber lassen Sie uns damit weitermachen ...

Ihre zukünftige Welt könnte CNC-Lichtschwerter, enthaltene Plasmabohrer und Anti-Schwerkraft-Tragevorrichtungen haben, so dass sie Granit viel einfacher handhaben und bearbeiten kann als wir es heute können. In diesem Fall könnten sie Granit beim Bau des Tunnels verwenden, vielleicht als anfängliche Stütze um den gebohrten Tunnel herum. Darin befindet sich das üblichere Betonrohr, gefolgt von einer dekorativen Innenschicht aus Marmor (oder Granit, wenn Sie wirklich müssen). Auf diese Weise könnten Sie einen starken Tunnel mit einem bescheiden flexiblen (und reparierbaren) Innenraum haben. Sie könnten sogar einen Luftspalt zwischen Granit- und Betonschichten als Bewegungsraum haben. Ich könnte mir vorstellen, dass Sie dasselbe mit zwei Betonschichten erreichen könnten, aber das haben Sie nicht gefragt.

In Zukunft wird es viel billiger sein, diese Materialien zu bekommen und sie fräsen oder auf andere Weise auf Größe und Form schneiden zu lassen, als es heute ist, und vielleicht wird die Ästhetik wichtiger sein als heute. Vielleicht wird „flüssiger Granit“ oder „flüssiger Marmor“ möglich sein, so etwas wie „gegossener Stein“, wie wir ihn heute haben.

Was die Ästhetik betrifft, fügten die Viktorianer ihren Gebäuden und Maschinen im Allgemeinen dekorative Verzierungen hinzu und hatten das Gefühl, „Dinge für zukünftige Generationen zu hinterlassen“. Ich würde vorschlagen, dass wir diesen Sinn in unserer modernen Welt weitgehend verloren haben, da wir jetzt eine weitaus „wegwerfbare“, kurzfristige, geldgetriebene Kultur haben. Wenn Ihre zukünftige Welt jedoch Tunnel gräbt, die für mehrere Jahrzehnte oder Jahrhunderte der Nutzung ausgelegt sind, dann kehren sie möglicherweise zu diesem Denken zurück. Wenn dem so ist, wird es akzeptabler, Dinge zu tun, die nicht unbedingt logisch oder wissenschaftlich sinnvoll sind.