อะไรคือข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติของจำนวนชั้นในอาคารที่อยู่อาศัยที่สร้างด้วยคอนกรีตเสริมเหล็กเสาหิน?

ฉันเพิ่งซื้อแฟลตในอาคาร 25 ชั้น ฉันสงสัยว่าอะไรเป็นข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติสำหรับจำนวนชั้นในอาคารพักอาศัยที่สร้างขึ้นจำนวนมากที่สร้างจากคอนกรีตเสริมเหล็กเสาหิน?

เราสามารถคาดหวังว่าจำนวนชั้นในอาคารทั่วไปของอาคารประเภทนี้จะเพิ่มขึ้นในปีที่กำลังจะมาหรือนี่คือขีด จำกัด ที่สมเหตุสมผลของเทคโนโลยี? ในการอ้างอิงทั้งหมดที่ฉันเห็นจนถึงตอนนี้ก็อ้างว่าเทคโนโลยีนี้ไม่มีข้อ จำกัดเกี่ยวกับความสูงของอาคาร แต่ฉันสงสัยในสิ่งนี้เพราะตึกระฟ้าทั้งหมดที่ฉันรู้ถูกสร้างขึ้นจากเหล็ก

หากคอนกรีตเสริมเหล็กเสาหินไม่มีข้อ จำกัด ทำไมอาคารที่สูงมากจึงไม่ถูกสร้างด้วยเทคโนโลยีนี้?

civil-engineering structures concrete

— Anixx
แหล่งที่มา

ไม่ว่าจะมีข้อ จำกัด หรือไม่มันเกินระดับคุ้มทุนทางเศรษฐกิจสำหรับโครงเหล็ก ("บริสุทธิ์") ฉันเดาว่ามันจะเป็นไปได้ที่จะสร้างอาคารคอนกรีตเสริมเหล็ก 50 สาขา แต่จะต้องเสียค่าใช้จ่ายครึ่งหนึ่งในการสร้างขนาดเดียวกันด้วยโครงเหล็ก ดังนั้นข้อ จำกัด ในทางปฏิบัติที่นี่คือลักษณะทางเศรษฐกิจ: โครงเหล็กต้องการต้นทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้นดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ในอาคารที่ต่ำ

— เอสเอฟ

พวกเขามี. ในความเป็นจริงอาคารที่สูงที่สุดในโลกคือBurj Khalifa ที่เกิดขึ้นจากคอนกรีต ดังนั้นมีที่

— นาย P

คำตอบ:

ขีด จำกัด ใด ๆ นั้นยากที่จะหาปริมาณ มีหลายปัจจัยที่ต้องทำการชั่งน้ำหนักเมื่อเลือกประเภทวัสดุพื้นฐาน

คำตอบสั้น ๆ คือมีการเลือกขีด จำกัด สำหรับแต่ละอาคารแล้ว สิ่งนี้ทำในระหว่างการออกแบบโดยสถาปนิกและวิศวกรที่ทำงานในอาคาร การตัดสินใจเหล่านี้บางอย่างอาจขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่มีในเวลาที่ออกแบบอาคาร

ปัจจัยบางประการที่จะนำมาพิจารณา:

ต้นทุนของเหล็กกับคอนกรีต - ราคาสัมพัทธ์ของวัสดุมีการเปลี่ยนแปลงตลอดประวัติศาสตร์
ความแข็งแรงของคอนกรีตที่มี - เคยเป็นกรณีที่คอนกรีตถูก จำกัด อยู่ที่ประมาณ 4,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (27.6 MPa) กำลังอัด คอนกรีตกำลังสูงที่ทันสมัยสามารถสูงกว่า 10,000 psi (69 MPa)
ความแข็งแรงของเหล็กที่มีอยู่ - ความแข็งแกร่งของเหล็กเพิ่มขึ้นจาก 36 ksi (248 MPa) เป็น 50 ksi (345 Mpa) และแม้แต่ 100 ksi (689 MPa)
พื้นที่ของผนังและพื้นที่คอลัมน์ที่ต้องใช้ในการรองรับชั้นบน - อาคารมีน้ำหนักมาก เมื่ออาคารมีความสูงมากขึ้นจะมีน้ำหนักกดลงที่ชั้นล่างมากขึ้น แรงที่เพิ่มขึ้นนี้ต้องใช้พื้นที่ของวัสดุมากขึ้น ในบางจุดพื้นที่ใช้สอยที่ชั้นล่างจะลดลงมากกว่าที่ยอมรับได้ ต่อหน่วยของพื้นที่เหล็กมีความแข็งแรงกว่าคอนกรีตดังนั้นจะใช้พื้นที่น้อยกว่าเพื่อรองรับการโหลดเดียวกัน
ความแข็งของอาคาร - อาคารที่สูงมากจะแกว่งไปมาตามลมที่พัดเข้ามา การเคลื่อนที่จะถูกควบคุมโดยน้ำหนักและความแข็งของอาคาร
ครีพในอนาคต (สั้นลง) ของอาคาร - ทั้งเหล็กและคอนกรีตคืบ นั่นคือมันจะบีบอัดเมื่อเวลาผ่านไปหากใช้แรงคงที่ ปริมาณของการคืบจะขึ้นอยู่กับอายุความแข็งแรงหรือวัสดุและแรงที่กระทำต่อวัสดุ ในอาคารที่มีความสูงมากการตัดทอนนี้ต้องคำนึงถึงในการออกแบบ อาคารที่มีน้ำหนักเบาจะต้องรองรับการคืบน้อย
การออกแบบแผ่นดินไหว (แผ่นดินไหว) - เหล็กเป็นวัสดุที่มีความเหนียว คอนกรีตเป็นวัสดุที่เปราะ ในสถานที่ที่คาดว่าจะเกิดแผ่นดินไหวแรงสูงอาจจำเป็นต้องใช้เหล็ก มันมีความสามารถในการรับการโก่งตัวมากโดยไม่มีความล้มเหลวทั้งหมด
การควบคุมคุณภาพ - คอนกรีตจะถูกเทลงในสถานที่และโดยทั่วไปจะทำเหล็กนอกสถานที่ภายใต้การควบคุม คุณภาพที่คาดการณ์ไว้ของผลิตภัณฑ์สุดท้ายหรือจำนวนของการกำกับดูแลที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพนั้นเป็นทั้งการพิจารณาด้านราคา

มีปัจจัยมากมายที่เข้าสู่การออกแบบตึกระฟ้า แต่ละรายการด้านบนมีค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้อง ผลลัพธ์ที่ได้จะถูกควบคุมอย่างน้อยบางส่วนโดยราคาที่ประมาณไว้

การออกแบบตึกระฟ้าที่ทันสมัยบางครั้งก็มีแกนคอนกรีตที่ไปทางด้านบนหรือด้านบนสุด นี่แสดงให้เห็นว่าไม่จำกัดความสูงของการก่อสร้างคอนกรีตตราบใดที่คุณยังโอเคกับการลดปริมาณการใช้งาน

— hazzey
แหล่งที่มา

ในการอ้างอิงทั้งหมดที่ฉันเห็นจนถึงตอนนี้ก็อ้างว่าเทคโนโลยีนี้ไม่มีข้อ จำกัด เกี่ยวกับความสูงของอาคาร

คำสั่งนี้มากหรือน้อยจริง

คำตอบของ hazzeyทำได้ดีมากในการสรุปข้อ จำกัด ที่แท้จริงของความสูงของอาคาร - นั่นคือปัจจัยที่ในการใช้งานจริงใด ๆ ควบคุมการตัดสินใจของจำนวนชั้นที่จะสร้างอาคาร อย่างไรก็ตามยังคงมีคำถามว่าโครงสร้างจะสูงได้อย่างไรโดยสมมติว่าเราสามารถเพิกเฉยต่อปัจจัยอื่นทั้งหมดเหล่านี้ได้

ถ้าเราทำข้อสรุปง่าย ๆ (และไร้เดียงสามาก) ว่าข้อ จำกัด เพียงอย่างเดียวของความสูงของโครงสร้างคือกำลังรับแรงอัดของคอนกรีตเองและรวมถึงภาระที่ถูกบรรทุกโดยคอนกรีตเท่านั้นคือภาระที่เกิดจากน้ำหนักของ เสาคอนกรีตเสาหินแนวตั้งด้านบน (ไม่มีการรับน้ำหนักสดหรือการขนถ่ายโหลดอาคารเป็นส่วนใหญ่ของคอนกรีตเสริมเหล็ก) การคำนวณค่อนข้างตรงไปตรงมา

น้ำหนักต่อหน่วยของคอนกรีต: $γ_{ค} = 150 \frac{ปอนด์}{{ฟุต}^{3}}$ $\gamma_c=150\frac{\text{lbf}}{\text{ft}^3}$
กำลังอัดของคอนกรีต (คอนกรีตประสิทธิภาพสูง): $ฉ_{ค}^{'} = 20, 000 \frac{ปอนด์}{{ใน}^{2}}$ $f'_c=20,000\frac{\text{lbf}}{{\text{in}}^2}$
ความเครียดที่เกิดจากคอนกรีตที่ด้านล่าง: $ฉ = H_{ค} γ_{ค}$ $f=H_{c}\gamma_c$
ตั้งค่าและแก้ปัญหาเพื่อความสูงสูงสุด: $f=f'_c$ $H_{ม. a x} = \frac{ฉ'_{ค}}{γ_{ค}} = \frac{20, 000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว}{150 PCF} = 19, 200 ฟุต$ $H_{max}=\frac{f`_c}{\gamma_c}=\frac{20,000\text{psi}}{150\text{pcf}}=19,200\text{ft}$

นี่สูงมาก (3.64 ไมล์หรือ 5.85 กม.) ที่ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงจะแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัดที่ด้านบนของโครงสร้าง น้ำหนักต่อหน่วยของคอนกรีตที่ด้านบนจะอยู่ที่ประมาณ 99.82% ของที่ด้านล่าง - นั่นคือประมาณ 149.73 pcf

นอกจากนี้ความเครียดที่น่าเหลือเชื่อที่นำไปใช้กับคอนกรีตจะส่งผลให้สายพันธุ์ที่ประเมินค่าได้ สมการหนึ่งสำหรับโมดูลัสความยืดหยุ่นของคอนกรีตกำลังสูง (จาก ACI) คือ:

$E_c=40,000\sqrt{f'_c}+1\times 10^6 \text{psi}=6,657\text{ksi}=45.9\text{GPa}$

ตามกฏหมายของ Hooke ความเครียดสูงสุดที่ด้านล่างของโครงสร้างจะอยู่ที่ประมาณ 0.3%:

$\varepsilon_{max}=\frac{f'_c}{E_c}=0.3\%$

ในการค้นหาสายพันธุ์ทั่วทั้งความสูงของโครงสร้างเราเพียงรวม:

\int_{0}^{H_{ค}} \frac{ฉ (Z)}{E_{ค}} d Z = 28.8 ฟุต

$\int_{0}^{H_c}\frac{f(z)}{E_c}\text{d}z=28.8\text{ft}$ โดยที่ (แรงโน้มถ่วง,เป็นฟังก์ชั่นของความสูง )

f (z) = γ_{c} z \cdot g (z)

$f(z)=\gamma_cz\cdot g(z)$

g

$g$

z

$z$

นี่หมายถึงความสูงที่ลดลงของโครงสร้างหลังจากพิจารณาความเครียดของคอนกรีตจะอยู่ที่ประมาณ 19170 ฟุต (3.63 ไมล์หรือ 5.84 กม.)

ตามบทความจาก Contruction Week Online ที่ 92 ชั้น (423 ม. หรือ 1388 ฟุต) ทรัมป์อินเตอร์เนชั่นแนลโฮเทลแอนด์ทาวเวอร์เป็นอาคารคอนกรีตที่สูงที่สุดในโลก (ตามคำจำกัดความ) และเป็นอาคารที่สูงที่สุดอันดับ 9 ของโลก นี่คือความสูงประมาณ 7% ที่เป็นไปได้ (ตามที่กำหนดโดยการวิเคราะห์แบบง่ายด้านบน) แม้ว่าการวิเคราะห์แบบง่ายจะไม่สนใจการพิจารณาทุกประเภทและไม่มีปัจจัยด้านความปลอดภัย แต่อย่างน้อยก็มีคำแนะนำว่าควรใช้คอนกรีตเสริมสมรรถนะสูงอย่างไร

— Rick สนับสนุนโมนิก้า
แหล่งที่มา

ฉันจะบอกว่านี่เป็นการคำนวณขอบเขตบนสำหรับความสูง: เราไม่คาดหวังว่าจะสามารถสร้างความสูงนั้นได้ (ดังนั้นจึงไม่ใช่ "ความเป็นไปได้สูงสุด") - แต่เพื่อให้สามารถสร้าง "ไม่สูงกว่า" ได้ ซึ่งเป็นข้อมูลที่มีประโยชน์มากที่จะเข้าใจปัญหานี้ (+1)

— Volker Siegel

นี่ถือว่าเป็นส่วนที่คงที่ซึ่งอาจโต้แย้งได้ว่าเป็นตัวเลือกที่ จำกัด มาก อนุญาตให้โครงสร้างมีความกว้างที่ฐานมากกว่าที่ด้านบนและคุณจะเข้าใกล้อนันต์เว้นแต่คุณจะมีข้อกังวลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการปฏิบัติ แน่นอนที่สุดเราสามารถเข้าถึงพื้นที่ได้ แต่คำถามจริงคืออะไรราคา? ;)

— นาย P

@ Mr.P มันจะไม่มีที่สิ้นสุดจริงๆเหรอ? ดูเหมือนว่าความเครียดที่ด้านล่างของกรวยหรือรูปทรงปิรามิดในที่สุดจะบดขยี้คอนกรีต แต่คุณถูกต้องว่ามันอาจจะสูงกว่านี้มาก - ฉันควรอัปเดตคำตอบโดยใช้แนวคิดนั้น

— Rick สนับสนุนโมนิก้า

@Rikik Teachey: อืมฉันคิดว่าเมื่อใดก็ตามที่เราใกล้จะถึงขีด จำกัด การอัดเราสามารถแผ่ฐานออกไปอีกเล็กน้อยและกระจายแรงไปทั่วบริเวณที่กว้างกว่าเดิมและเราจะกลับไปอีกครั้ง อย่างไรก็ตามหากเราแนะนำแม้แต่ความเป็นจริงที่น้อยที่สุดปัญหาหลักก็คือแรงดึงที่จำเป็นในการต้านทานโมเมนตัมเชิงมุมพยายามที่จะเหวี่ยงสิ่งทั้งหมดออกสู่อวกาศเมื่อเราผ่านชั้นทางภูมิศาสตร์ที่อยู่กับที่ แต่ก่อนที่เราอาจจะทำงานเป็นปัญหาอื่น ๆ เช่นหอบทั้งหมดของมนุษยชาติในการปล่อย CO2 ผลิตปูนซีเมนต์ของเรา :)

— นาย P

นอกจากนี้อาคารคอนกรีตที่สูงที่สุดในโลกคือเบิร์จคาลิฟาซึ่งเป็นโครงสร้างที่มนุษย์สร้างขึ้นที่สูงที่สุดนับตั้งแต่ปี 2550 (เมื่อไม่ใกล้เสร็จ)

— นาย P