Modern göklerkrasi mühendisliği, mimarların ve mühendislerin geleneksel yüksek limitlerin ötesine geçmelerine, yapısal dayanıklılığın ve hırslı sürdürülebilirlik hedeflerinin geliştirilmesine olanak sağlar.Bu yenilikler – ultra yüksek performanslı betondan karbon-fiber kompozitlerine kadar uzanan betondur.
Yüksek İnşaatta Malzeme Devrimi
20. yüzyılın çoğu için, göksel tasarım, kanıtlanmış bir çelik ve beton yedeklenmiş bir palete dayanıyordu.Bu malzemeler temel olarak kalırken, sınırlamaları - yüksek öz ağırlık, susceptability to korozyon, and important Carbon technologies – iten a search for alternatives. Today's the correct material features, enhanced reliable, and greater tasarım özgürlüğüdür.
Bu malzemelerin benimsenmesi üniforma değildir; bu malzemeler yapısal mühendislik, mimarlık veya inşaat yönetimi ile ilgili herhangi biri için gereklidir.
Yüksek çözünürlükte beton
Beton yüksek katlı inşaatın işhorları olmaya devam ediyor, ancak modern formülasyonlar geleneksel hazır karışımların ötesine geçti. Ultra yüksek performanslı beton (UHPC), örneğin, 150 MPa'yı daha fazla sıkıştırıcı güçlü güçlü bir şekilde gösteriyor - daha uzun süreler.
Pratik faydalar önemlidir. sütun boyutlarını ve zemin kalınlıklarını azaltarak UHPC, birkaç yeni Asya süpertalls temel plakalarında serbest bırakır.In sismik bölgelerde, en yüksek beton karışımını (C100) ve UHPC'nin kullanımını azaltır.
Bir meydan okuma maliyeti: UHPC geleneksel betondan dört kat daha pahalı olabilir. Ancak, yaşam döngüsü tasarrufları azaltılabilir bakım ve genişletilmiş hizmet hayatı genellikle primi dengelemek ve iyileştirme teknikleri geliştirmek gibi, UHPC ana projeler için daha erişilebilir hale gelir.
Fiber-Reinforced Polimerler (FRP)
Fiber-reinforced polimerler, genellikle cam veya karbon fiberleri bir polimer matrixinde gömülüdür, mühendislerin yapısal güçlendirme ve sismik retrofittinge nasıl hitap ettiğini dönüşüme uğratmaktadır. FRP sarmalar, mevcut beton sütunları ve kirişlere dışsal olarak uygulanabilir ve yük taşıma kapasitelerini önemli bir ağırlık olmadan artırabilir.Yeni inşaatta, FRP rebars, çelik takviyeye yönelik temel bir bozulma nedeni olarak çelik takviye etmeye çalışır, deniz ve de-küresel tuz ortamları ortadan kaldırır.
FRP'nin hafif doğası - bir tane-fifth çelik ağırlıkları - ulaşım ve yükleme. - San Francisco Bay Köprüsü'nün yaklaşımının güçlendirilmesi gibi sismik retrofit projelerinde, FRP ceketleri birincil yapısal sistemlerde uygulamalarını kanıtlamıştır.For skyscrapers, FRPscrapers, FRPs are never floors and transfer zencefilleri ölü yükleri azaltmak için.
Bazalt-FRP ve hibrit karbon-cam sistemleri bu eksiklikleri ele almak için tasarlanmıştır. Texas Üniversitesi gibi kurumlarda araştırmacılar, yangın maruziyeti sırasında dört saate kadar güçlü tutabilirler. Bu, temel duvarlarda ve oar duvarlarında daha geniş bir şekilde kullanım için kapıyı açabilir.
Karbon Fiber Kompozitler
Karbon fiber kompozitler, aşırı ışık ve sertlik talep eden bileşenler için seçici olarak kullanılır - çatı kaplamaları, rüzgar-damping elemanları gibi. 828-meter Burj Khalifa, karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) içerir, çelik ile imkansız hale gelen bileşenler için seçici olarak kullanılır.
Karbon fiber, zemin sistemleri ve temel duvarlarına yol bulmakta. Karbon Kulesi konsepti, mimar Peter Testa tarafından geliştirilen, yaklaşık% 40 katlı bir bina ile birincil bir yapı ile 40 katlı bir bina henüz gerçekleştirilmiştir, bu tür bir bina henüz tamamlanmamış, kısmi karbon fiber inşaat henüz üretim maliyetlerinin düşmesine rağmen, fiber camlar daha fazla karbonatları azaltmak için çelik tonajını azaltmaktadır.
Sivil mühendislikteki en son karbon fiber yenilikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için, ESFLT:0) Amerikan Sivil Mühendisler Topluluğu) gelişmiş kompozitlere kaynaklar.
Mühendis Timber
Belki de gökyüzündeki en şaşırtıcı malzeme ahşaptır - ancak perpendicularda otuz yıl öncesine kadar timber (CLT), glulam ve diğer kütle timber ürünleri, binayı 25 hikayeye ve ötesinden azaltmaktadır. Bu mühendisler çelik veya beton alternatiflerine kıyasla% 40 oranında bir malzeme yaratırlar.
Mjøstårnet Brumunddal'daki kule, Norveç, 2024'ün üzerinde sert yangın güvenli gereksinimleri karşılayabilecek 85.4 metre (280 feet) yer alıyor, dünyanın en uzun ahşap binalarından biri haline getiriyor.
Mühendisler artık 2021 Uluslararası Bina Kodunda uzun ahşap hükümlerin dahil edilmesiyle birlikte, kitle ahşaplarının en iyi özelliklerini bir araya getirmek için yarık kompozitler ve timber-konküler kompozitler keşfediyorlar.
Akıllı ve Kendi kendine Yönelik Malzemeler
Statik yapısal malzemeler ötesinde, bir depremden sonra kendi merkezli damperlerin test edildiği yeni bir sınıf ortaya çıkabilir. Örneğin, deprem olayları sonrasındaki sabit sürüklenme ve onarım maliyetlerini azaltacak şekilde geri dönebilir.
Kendi kendine özgü beton başka bir sınırı temsil eder.Birlikte calcite olan bakterileri dahil ederek veya mikrokapı polimer reçinesinin mikrokapıları gömerek araştırmacılar, çatlakları bağımsız olarak mühürleyebilen betonlar sunarlar.Testler, kendi kendine özgü beton üzerindeki araştırmaların %90'ını geri yükleyebiliyorlar.[Döner] Uygulamalı projelerde hala mevcut yeteneklerin mükemmel bir genel bakış açısına sahiptir.
Mekanik stres altında elektrikli bir yük üreten Piezoelektrik malzemeleri, zemin plakalarında ve sütunlarda ayak trafiğinden enerji ve yapısal titreşimlerden elde ediliyor. Hala ölçeklendirilmeden, düşük enerji sensörleri ve kontroller için güç inşa edebilir.Bu akıllı malzemelerin dijital ikizlere ve bina yönetim sistemlerinin entegrasyonu aktif bir araştırma alanıdır.
Sürdürülebilirlik ve Enerji Verimliliği
Gelişmiş malzemeler sadece güç ve güvenlik konusunda değildir; karbon azaltımı hedeflerini karşılamak için de kritiktir. Küresel CO2 emisyonlarının yaklaşık% 8'i için tek başına çimento üretimi.Javap beton gibi alternatifleri de pazara giriyor.
Bina kabuğunda, aerogel tabanlı kaplama panelleri, günde 10'a kadar üstün ısı performansı sağlar ve günde ısıtılır. Akıllı camı dinamik teneke ile ısıtabilir ve soğutma yüklerini cam-kliye kulelerinde %20'ye kadar azaltabilirsiniz.
Bu malzemelerin kombinasyonu, Amsterdam'da çok fazla enerji üreten Net Zero Enerji binalarına yol açabilir, sık sık sık dünyanın en yeşil ofis binasını olarak adlandırılır, bu tür yeniliklere sahiptir. Gökler kadar uzun büyür ve sürdürülebilirlik içinde daha fazla enerji harcarlar.
Kabul Etmede Meydanlar
Gelişmiş malzemelere söz vermesine rağmen, birkaç engel, güneş mühendisliğinde yaygın olarak kabullerini yavaşlatır. Maliyet en önemli engel olmaya devam eder: UHPC, sıradan betondan dört kat daha pahalıya mal olabilir ve karbon fiber kompozitler, yapısal çelikten on kat daha pahalıya mal olabilir.
Düzenleme engelleri eşit derecede önemlidir. Bina kodları doğa tarafından muhafazakardır ve birincil yapısal kullanım için bir roman materyalinin uygulanması, yerel otoritelerden gelen özel kesintiler ve bazen özel kesintiler, uzun vadeli yüklemeler ve yorgunluk davranışları, verilerin hala sparse olduğu alanlardadır. Örneğin, FRP'nin yangındaki davranışları sadece son zamanlarda ACI 440.2R-17 gibi standartlarda eşleşmiştir.
Üretim ve tedarik zinciri sınırlamaları da sınırlı kullanımlar. Karbon fiber üretimi birkaç ülkede yoğunlaşıyor ve aynı zamanda kitlesel timber, her bölgede henüz mevcut olmayan özel üretim tesislerini gerektirir.
Son olarak, entegrasyon konusu var. Tek bir binadaki birden çok gelişmiş malzeme birleştirmek, etkileşimler, yük yolları ve diferansiyel termal hareketlerin karmaşık analizi gerektirir. Mühendisler sonlu elemanlar modelleme, performans tabanlı tasarıma ve bazen tam ölçekli alaylara güvenmek zorundadır.
Future Outlook
Önümüzdeki birkaç gelişmekte olan teknoloji, gökyüzününcraper mühendisliğini daha da dönüştürmeye söz veriyor. Grafiken-enhanced beton gibi nanomalzemeler, çimento içeriğini azaltırken% 30 veya daha fazla güç kazanabilir.
3D baskılı inşaat da ilerliyor. Şu anda küçük ölçekli binalar ve yaya köprüleri ile sınırlıyken, fiber destekli beton kullanarak, yüksek katlı yapılar inşa etmek için karmaşık bir lattice yapıları üretebilir. Gensler'in "Dubai Creek Tower" konsepti 3D-printed bileşenler için, proje gecikmiş olsa da.
Benimselyum bazlı kompozitler ve alg-grown tuğlalar dahil olmak üzere biyomalzemeler geçici yapılar ve iç bölümler için araştırılıyor. Düşük betonlu karbon ve biyodegradability onları dairesel inşaat için cazip kılıyor. Ancak, yük taşıma kapasitesi ve dayanıklılık şu anda onları yapısal olmayan rollerle sınırlamaktadır.
Yapay zekanın malzeme tasarımına entegrasyonu belki de en heyecan verici sınır. Makine öğrenme modelleri, bugün mevcut olan her şeyden daha optimal karışım tasarımları tahmin edebilir ve hatta yeni polimer kimyagerleri keşfeder. Bu, özellikle de göklerkül uygulamaları için uygun olan malzemelerin gelişimini hızlandırabilir - ışık, bugün mevcut olan her şeyden daha güçlü ve daha sürdürülebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Gelişmiş malzemeler, göklerin en yüksek felsefesini yeniden şekillendiriyor. UHPC ve FRP'den karbon fiber ve kütle timber'e kadar, bu yenilikler daha hafif ve daha enerji verimli hale gelen malzemeler, binalara sadece daha güçlü değil, daha özerk ve dirençli hale getirme konusunda söz veriyor. Yaygın kabul etme yolu engeller olmadan - maliyet, kodlu ve üretim kapasitesi önemli kalır. Ancak araştırma ilerlemeler ve ölçek ekonomileri olarak, gelişmiş malzemeler, sadece yüksek çözünürlükte bulunan yeni normal hale gelecektir.