הנדסת שחקים מודרניים חווה שינוי עמוק ככל חומרים מתקדמים יוצאים מעבדות ובבניה מסחרית. חידושים אלה - החל בטון בעל ביצועים גבוהים לתרכובות פחמן-פיבר - מאפשרים לאדריכלים ולמהנדסים לדחוף מעבר לגבולות הגובה הקונבנציונליים, לשפר חוסן מבני, ולהשיג מטרות קיימות שאפתניות.

המהפכה של חומרים בבנייה גבוהה

עבור רוב המאה ה-20, עיצוב גורדי שחקים התבסס על לוח מוכח של פלדה וחיזוק בטון. בעוד חומרים אלה נשארים יסודיים, המגבלות שלהם - משקל עצמי גבוה, רגישות לשחיתות, ופליטות פחמן משמעותיות - יש דחפו חיפוש עבור חלופות.חומרים מתקדמים של היום מציעים יחסים מתקדמים יותר של כוח עד משקל, עמידות מוגברת, ועיצוב גדול יותר הם פשוט לא מאפשרים מושגים חדשים, אלא מחלימים של חומר מבני, ללא שימוש, אלא מחלישים חדשים לחלוטין, כמו ליבות.

אימוץ חומרים אלה אינו אחיד; תלוי בקודים מקומיים, מבני עלות ותנאי אקלים.אך המסלול הבסיסי ברור: הדור הבא של supertalls ו מגה-טלס ייבנו עם חומרים שהיו רק לפני עשור.הבנת החומרים האלה חיוני עבור כל מי שמעורב בהנדסה מבנית, אדריכלות או ניהול בנייה.

המונחים: high-Performance Concrete

Concrete נשאר עבודת הבנייה של High-rise, אבל ניסוחים מודרניים עברו הרבה מעבר ל-Ag המסורתי מוכן-mix. Ultra-high- Performance בטון (UHPC), למשל, משיגה חוזקות דחוסות מעל 150 MPa - יותר מפי שניים של בטון גבוה-Strength קונבנציונאלי.זה מושג באמצעות חלקיק צפוף, יחסי מים נמוכים לcementment, ותוספת של פלדה או סיבים.

היתרונות המעשיים הם משמעותיים.על ידי צמצום גודל העמודה ועובי הרצפה, UHPC משחרר את החלל הניטרלי ומפחית את משקל הבניין הכולל. באזורים סיסמיים, הדוקטרינה שלו משפרת את הניתוק אנרגיה. דוגמאות בלתי ניתנות להשגה כוללות את התערובת הבטונית הגבוהה של Burj Khalifa (C80/C100) והשימוש ב-HPC בכיסוי הבסיס של מספר חוקרים סביבתיים ממשיכים לבחון את ההשפעה של UPC-HRMI.

אתגר אחד הוא עלות: UHPC יכול להיות 4 עד 5 פעמים יקר יותר מאשר בטון קונבנציונלי.עם זאת, חיסכון מחזור חיים באמצעות תחזוקה מופחתת וחיי שירות מורחבים לעתים קרובות מקלקל את הפרימה.כפי שמודלים הייצור עולים וריפוי טכניקות שיפור, UHPC הוא צפוי להיות נגיש יותר עבור פרויקטים מרכזיים.

פולימרים (FRP)

פולימרים עמידים בסיבים, בדרך כלל זכוכית או סיבים פחמן משובצים במטריקס פולימרי, משנים את האופן שבו מהנדסים מטפלים חיזוק מבני ו רטרוfitting סיסמיים FRP ניתן ליישם באופן חיצוני בעמודות קונקרטיות קיימות ודבורים, להגדיל את יכולת העומס שלהם מבלי להוסיף משקל משמעותי.

האופי הקל משקל של FRP - בערך אחד משקל הפלדה - מגביר את התחבורה וההתקנה. בפרויקטים רטרופיטיים סיסמיים, כגון חיזוק הגישה של גשר מפרץ סן פרנסיסקו, מעילי FRP הוכיחו יעילות בריצוף רחבות היקף וחיזוק חששות מזהמים.

ההתפתחויות האחרונות במערכות בלסאלט-FRP ומערכות פחמן היברידיות נועדו לטפל בחסרונות אלה. חוקרים במוסדות כמו אוניברסיטת טקסס בודקים ניסוחים FRP עמידים בטמפרטורה גבוהה שיכולים לשמור על כוח למשך עד ארבע שעות במהלך החשיפה באש.זה יכול לפתוח את הדלת לשימוש רחב יותר בקירות ליבה ובקירות הרהר.

פחמן סיבים

סיבים פחמן מרוכבים מציעים את היחס הגבוה ביותר במשקל של כל חומר בנייה מעשי, לעתים קרובות מעל זה של פלדה על ידי גורם של 10. בהנדסת גורדי שחקים, הם משמשים באופן סלקטיבי עבור רכיבים הדורשים אור קיצוני ונוקשות - כגון שריחות גג, צמת חיצוני, ואלמנטים מדגימים רוח.

מעבר למגעים, סיבי פחמן הם מציאת דרכו לתוך מערכות הרצפה וקירות הליבה.הקונספט של מגדל פחמן, שפותח על ידי האדריכל פיטר Testa, לדמיין בניין בן 40 קומות עם מבנה ראשוני של סיבים פחמן, בעוד בניין כזה עדיין צריך להיות הבין, חלקי סיבי פחמן הבנייה כבר בשימוש בתעשיות דיאגריד exoskeleton של 24 קומות מלון מיאמי, צמצום פלדה ל- 30% זה כמעט כוח רצון יעיל, אבל הוא הופך להיות יעיל יותר אנרגיה.

כדי ללמוד עוד על חידושי הסיבים האחרונים בתחום ההנדסת זכויות האזרח, בקר בחברה האמריקאית של מהנדסים אזרחיים:0 American Society of Civil EngineerssFLT:1 משאבים על תרכובות מתקדמות.

מהנדס טימבר

אולי החומר המפתיע ביותר ב ערכת הכלים של סקייסוקר הוא עץ – אבל לא המנופח של מאות שנים בעבר.עץ המחוסן של קרוס-מחוסן (CLT), glulam, ומוצרים אחרים מעץ המונים מאפשרים בניינים עד 25 קומות ומעבר לכך, לוחות מהונדסים אלה מיוצרים על ידי שכבות של עץ באוריינטציות perpendicular, יצירת חומר עם כוח דומה אך במעטפת של פחמן או ירידה במשקל של 40%.

מגדל Mjøstårnet ב Brumunddal, נורבגיה, עומד 85.4 מטרים (280 רגל) נכון ל-2024, מה שהופך אותו לאחד מבני העץ הגבוהים ביותר בעולם.מבנה שלה משתמש בטורות עץ מלוטש דבק (glulam) ודבורים עם CLT רצפת CLT לוחות.הפרויקט הראה כי עץ יכול לעמוד בדרישות מחמירות של אש באמצעות encaps עם בניין בגודל 25 קומות צפון אמריקה הוא מגדל היברידית.

מהנדסים חוקרים כעת מתרכובות עץ עץ עץ ועץ-concrete מרוכבים כדי לשלב את התכונות הטובות ביותר של כל חומר.עליית עץ ההמונים נתמכות על ידי קודי בנייה מעודכנים, כולל הכללה של הוראות עץ גבוהות ב- 2021 International Building Code. for more Reading, the FLT:0WoodWorks Wood Products CouncilFLT:1 מספק מדריכים טכניים על עיצוב עץ המונים ליישומים גבוהים.

חומרים חכמים ועצמים

מעבר לחומרים מבניים סטטיים, מחלקה חדשה של חומרים "חכמים" מתעוררת שיכולה לחוש, להגיב, או אפילו לתקן את עצמם.צורה של ⁇ זיכרון צורה (SMAs), למשל, יכולה לחזור לצורה מוגדרת מראש כאשר מחומם, ומאפשרת להם לפעול כמכשירים מרוכזים עצמיים לאחר רעידת אדמה. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ מבוסס SMA נבדקים בבני אדם ביפן ובארה"ב, ומבטיחים להפחית את התיקון המשתנים ואחרי אירועים סיסמיכותיים.

(הופנה מהדף העצמי מייצג גבול אחר.על ידי שילוב חיידקים כי precipitate calcite, או על ידי הטמעת microcapsulesules של שרף פולימר, החוקרים פיתחו קונקרטי שיכול לחתום סדקים באופן אוטונומי.מבחנים מראים כי השמה עצמית יכולה לשחזר עד 90% של כוח מקורי בסדקים קטנים.

חומרים Piezoelectric, אשר מייצרים מטען חשמלי תחת לחץ מכני, הם מוטבעים בסלאבים הרצפה עמודות כדי לקצור אנרגיה מתנועה ברגל ורטטים מבניים. בעוד עדיין לא יעיל בקנה מידה, הם יכולים להשלים כוח בנייה עבור חיישנים אנרגיה נמוכה ובקרות.שילוב של חומרים חכמים אלה לתאומים דיגיטליים ומערכות ניהול בנייה הוא תחום פעיל של מחקר.

חוסר יכולת ואנרגיה

חומרים מתקדמים אינם רק על כוח ובטיחות; הם גם קריטיים לפגוש מטרות צמצום פחמן.הייצור של מלט לבדו חשבונות עבור כ 8% של פליטות CO2 גלובליות. חלופות כגון בטון גיאופומרי, אשר משתמש בתוצרים תעשייתיים כמו זבוב אפר ו-slag, יכול לקצץ פליטות על ידי 50–80% תוך שמירה על ביצועים דומים.

על המעטפה הבניין, לוחות בידוד המבוססים על אווירול מספקים ביצועים תרמיים מעולים (R-values עד 10 אינץ ') ללא הקרבת שקיפות. זכוכית חכמה עם tinting דינמי יכול להפחית עומסי קירור עד 20% במגדלי זכוכית מכווצים.שלב חומרים (PCM) מוטבע בתקרה וספוג חום עודף במהלך היום ושחרורו בלילה, טמפרטורה מעצימה ולהפחית את הביקוש HAC.

השילוב של חומרים אלה יכול להוביל לבניינים של Net Zero אנרגיה המייצרים כמות גדולה של אנרגיה כמו שהם צורכים.The Edge באמסטרדם, המכונה לעתים קרובות בניין המשרד הירוק ביותר בעולם, משתמשת בחידושים כאלה.כפי ששחקני שחקים גדלים גבוה יותר וצורכים יותר אנרגיה למ"ר, התפקיד של בחירה חומרית בקיימות הופך להיות קריטי יותר.

אתגרים באימוץ

למרות ההבטחה של חומרים מתקדמים, כמה מחסומים להאט את האימוץ הנרחב שלהם בהנדסת שחקים.עלות נשאר המכשול העיקרי: UHPC יכול לעלות פי ארבע יותר מאשר בטון רגיל, וסיבים מורכבים פחמן יכולים לעלות פי 10 יותר מאשר פלדה מבנית.

מחסומים רגולטוריים הם משמעותיים באותה מידה. קודי בניין הם שמרניים מטבע, ואישור חומר חדש לשימוש מבני ראשוני דורש בדיקות נרחבות, ביקורת עמיתים, ולעתים ניכויים מיוחדים של רשויות מקומיות. ביצועי אש, עמידות תחת טעינה ארוכת טווח, והתנהגות עייפות הם אזורים שבהם הנתונים עדיין דלים.

גם ייצור ושרשרת האספקה מגבילים את השימוש.ייצור סיבים פחמן מרוכז במדינות מסוימות, וזמני מוביל יכולים למתוח. בדומה, עץ המוני דורש מתקני ייצור גדולים, ייעודיים, אשר עדיין אינם זמינים בכל אזור.עבודה ממוכרת עם התקנת חומרים מתקדמת הוא עוד צוואר בקבוק.

לבסוף, יש את הבעיה של שילוב.שלב חומרים מתקדמים רבים בבניין יחיד דורש ניתוח מתוחכם של אינטראקציות, שבילי עומס ותנועות תרמיות שונות. מהנדסים חייבים להסתמך על אלמנט סופי מודלים, עיצוב מבוסס ביצועים, ולעתים לעגנים בקנה מידה מלא.

תחזית עתיד

במבט קדימה, כמה טכנולוגיות מתפתחות מבטיחות להפוך את הנדסת גורדי שחקים.ננו חומריים כגון בטון גרפין-enhanced יכול להשיג עלייה של 30% או יותר תוך צמצום תוכן מלט.

בנייה מודפסת תלת מימדית גם מתקדמת.בעוד שמוגבלת כיום לבניינים בקנה מידה קטן ולגשרי הולכי רגל, חדירה רובוטית באמצעות בטון רב-עוצמה בסיבים עלולה בסופו של דבר לייצר מבני ליבות של ליבות גורדיות מורכבות עבור ליבות גורדיות.התפיסה של ג'נסלר עבור "מגדל דובאי קריק" הציע רכיבים מודפסים 3D, אם כי הפרויקט מתעכב.

biomaterials, כולל מקרלים מבוססי Mycelium ולבנים בוגר אצות, נחקרים עבור מבנים זמניים ומחיצות פנים. שלהם פחמן נמוך מגולמים ו biodegradability להפוך אותם מושכים עבור בנייה מעגלית.עם זאת, יכולת העומס שלהם עמידות עכשיו להגביל אותם לתפקידים לא-הוראה.

השילוב של בינה מלאכותית לעיצוב חומרי הוא אולי הגבול המרגש ביותר.מודלים של למידת מכונות יכולים לחזות עיצובים אופטימליים עבור בטון, לזהות את האוריינטציות הסיבים הטובות ביותר עבור מסובכים, ואפילו לגלות כימאים חדשים.זה יכול להאיץ את הפיתוח של חומרים המותאמים במיוחד עבור יישומי שחקים - אור, חזק יותר, יותר, ובר קיימא יותר מכל דבר זמין כיום.

מסקנה

חומרים מתקדמים מעצבים מחדש את הפילוסופיה של הנדסה של גורדי שחקים.מ- UHPC ו- FRP לסיבים פחמן ועץ המונים, חידושים אלה מאפשרים מבנים גבוהים יותר, קלים יותר, ויותר יעילים אנרגיה מאי פעם. חכם ו- FRP לחומרים של פחמן ו- FRP כדי להפוך מבנים לא רק חזקים יותר, אלא גם יעילים יותר.הנתיב לאימוץ נרחב הוא ללא מכשולים - קוד, תאימות, וקיבולת ייצור גבוהה עדיין יהפכו לדרגות מתקדמות של חומרים חדשים, אלא גם לא רק חומרים מתקדמים יותר, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם חומרי אינטליגנציה מתקדמת יותר, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם חומרי גלם, אך לא רק חומרים מתקדמים יותר, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, הם יהפכו לדרגות, אך יעילים יותר, אך יעילים יותר, אך ורק חומרים מתקדמים יותר, אך ורק מתחומים חדשים, אך לא רק לדרגות, אך לא רק בעלי עוצמה, אלא גם כן, הם יהפכו לדרגות, אלא גם כן, אלא גם כן, לא רק לדרגות, אלא גם יעילים יותר, הם יהפכו לדרגות, אלא גם יעילים יותר, אלא גם יעילים יותר, אלא גם יעילים יותר