Estructura de rascacielos sin hierro

Confieso que tengo un verdadero problema con el hierro: se oxida rápidamente. De hecho, el programa Life After People de History Channel afirma constantemente que, si se deja a su suerte, el hierro que forma el esqueleto de un rascacielos tendría una vida útil de 100 a 150 años antes de que el óxido debilite el esqueleto en pedazos.

Hace mucho tiempo, hice una pregunta sobre la construcción de armas de metal sin el uso de hierro en absoluto. En la selección de respuestas se han sugerido muchos candidatos, y son:

  1. Alumnuro de titanio
  2. Superaleación de níquel
  3. alumnuro de níquel
  4. estelita
  5. Carburo de tungsteno
  6. Carburo de circonio
  7. Una aleación de titanio y tungsteno

Lo que hace que esta lista sea relevante para la pregunta es que el acero o cualquier otro tipo de aleación se utilizó para fabricar armas antes de su uso en la construcción, por lo que el principio sería idéntico.

En una Nueva York, Chicago, Dallas o cualquiera de las ciudades más grandes de los Estados Unidos alternativas, cyber-o-steam-punk, estos metales y aleaciones enumerados se habían considerado para la construcción de megatorres (un poco como esto o esto o, si quiere ir más histórico, las obras de arte de Hugh Ferriss .) Usando la ciencia involucrada, ¿cuál de los metales enumerados sería más fuerte en cuanto a tensión, compresión y resistencia a la corrosión?

Ah, y antes de que alguien pregunte, esta pregunta hace hincapié en la calidad, no en la cantidad.

Muchas de las aleaciones en su lista se usan para herramientas: resisten la compresión y la corrosión, pero son quebradizas. Un rascacielos se dobla un poco por el viento (y posibles terremotos), el marco de tungsteno se agrietará. Como desea resistencia a la corrosión y estabilidad estructural, considere las aleaciones marinas, por ejemplo: metalsupermarkets.com/marine-grade-metals
Además, debe considerar la economía. Las aleaciones resistentes a la corrosión son caras. A las personas que construyen skyscapers no les importa lo que les suceda si se les "deja a su suerte". Planean tener sus edificios ocupados por inquilinos que pagan renta, con clima controlado y mantenido. Si el edificio alguna vez pierde a sus inquilinos, será desmantelado para hacer espacio para algo más; la única razón para construir alto (al menos en EE. UU.) es que el terreno es caro, es decir, mucha gente quiere tener una oficina o un apartamento allí.
Razonan que usamos acero no porque sea el mejor para la tensión (buena), la compresión (buena) y la corrosión (bastante mala), porque el aluminio es tan bueno o mejor en estas tres cosas. Ni siquiera es solo por el costo, porque el aluminio es casi tan bueno como el acero allí. Más bien es porque no hacemos edificios solo de acero , sino que los hacemos de hormigón y acero . Y da la casualidad de que el acero funciona increíblemente bien con el concreto porque sus índices de expansión/contracción térmica son muy similares, lo que significa que el acero no produce grietas fatales en el concreto.
Aquí hay un gran monumento que está revestido con titanio y permanece brillante después de 30 años en una ciudad contaminada: en.wikipedia.org/wiki/Monument_to_the_Conquerors_of_Space Pero no puedo encontrar de qué está hecho el marco.
Lo que es bueno para las armas no es necesariamente bueno para la construcción, razón por la cual el acero que se usa para las armas es diferente del acero que se usa para los edificios (hay cientos de diferentes tipos de "acero"). Si el costo no es un problema, entonces supongo que probablemente desee algún tipo de aleación de beta-titanio ajustada para que coincida con la expansión térmica del concreto. Esto fácilmente podría tener una resistencia significativamente mayor que el acero, pero pesar menos de la mitad. Por supuesto, probablemente sería bastante caro también.
Hubo una pregunta hace unos días sobre el uso de marfil para la construcción de rascacielos. Solo un indicio de que algunos materiales exóticos también servirían.
Algunos compuestos de carbono pueden ser adecuados para construir rascacielos. No muy steam-punk pero bastante adecuado para cyber-punk :) Ha habido experimentos en el mundo real para usar nanotubos de carbono para refuerzo de hormigón. Todavía no está allí, pero el carbono puede convertirse en un reemplazo del acero en algunas aplicaciones.
Metales, ¿por qué siempre hay metales? En realidad, debería considerar buenos edificios de madera a la antigua. La madera y la madera están volviendo como material de construcción para edificios altos. Si esto se desarrollara y mejorara más, podría incluir rascacielos.
@a4android ¿Puede la madera soportar alturas de dos millas?
Dos millas podría ser una gran pregunta. Honestamente, no lo sé. Esta URL seattletimes.com/sponsored/… mencionó un rascacielos de 997 pies de altura en Londres y otros edificios altos de madera. La tecnología de la construcción con madera está mejorando. Los rascacielos convencionales parecen estar a su alcance. Combinados con fullerenos y nanotubos de carbono, van mucho más allá.
El edificio de madera más grande del mundo tendrá 18 pisos de altura y se está construyendo en Noruega . Se espera que esté listo en 2019. El edificio de madera más alto actual de Noruega tiene 49 metros y 14 pisos de altura.
Los coeficientes de expansión térmica similares del acero y el concreto de @RBarryYoung los convierten en un excelente par para cosas como carreteras y puentes, donde el concreto está expuesto a la intemperie. Pero no hay mucho concreto expuesto en los rascacielos.
@RonJohn Incorrecto. Muchos rascacielos tienen hormigón a la vista .
@RonJohn también, realmente no importa, la expansión y la contracción térmicas ocurren ya sea que esté expuesto o no. Sucede más lento si no está expuesto, pero aún sucede.
@RonJohn También hay otra razón por la que se prefiere el acero al aluminio, a partir de alrededor de 400F, el aluminio comienza a perder su fuerza y ​​​​deformarse mucho más rápido que el acero. Esto significa que incluso los incendios moderados en un edificio de aluminio podrían perder su integridad estructural. El acero conserva su fuerza hasta 1000-2000F.

Respuestas (3)

Si el problema es el óxido, ¿por qué no cambiar el hierro por acero inoxidable?

Una mirada rápida a los coeficientes de expansión térmica sugiere que puede obtener acero inoxidable con un coeficiente similar al del concreto, y debido a que es tan similar al hierro, no tendrá que cambiar mucho sus métodos de construcción, si es que lo hace.

Porque todavía hay hierro en el acero inoxidable.
¿Cómo lidiaría con el problema del peso compuesto? editar: NM, de alguna manera pensé que estaba construyendo al espacio jajaja

Investigadores del MIT han usado grafeno para desarrollar un material liviano que es 10 veces más resistente que el acero y que podría usarse para fabricar vehículos y dispositivos, así como en la construcción de edificios.

Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental (CEE) del MIT diseñó el material 3D, uno de los más ligeros y fuertes jamás desarrollados, comprimiendo y fusionando escamas de grafeno, una forma bidimensional de carbono. El resultado es una configuración similar a una esponja con una densidad de solo el 5% que es increíblemente fuerte, dijeron.

Se cree que el grafeno, en forma 2D, es uno de los materiales más fuertes conocidos, pero su fuerza en el mundo 2D ha sido difícil de traducir en un material 3D. El grafeno tiene una fuerza excepcional, pero debido a su extraordinaria delgadez, no es muy útil para fabricar materiales a granel en 3D que podrían usarse en vehículos, edificios o dispositivos sin traducir primero el grafeno en estructuras tridimensionales.

La configuración geométrica de los es el factor dominante en sus características y el éxito en el uso del grafeno para diseñarlos.

Los investigadores desarrollaron el material comprimiendo pequeños copos de grafeno usando una combinación de calor y presión. Este proceso produjo una estructura fuerte y estable con formas que se asemejaban a algunos corales y criaturas microscópicas llamadas diatomeas.

~crédito: "designnews.com" y "MIT.com/CEE" respectivamente

Además, el carbono con una densidad del 5 % es SÚPER fácil de obtener a granel. Haciéndolo un material de elección.

¿Por qué metales en absoluto? La construcción de barras de refuerzo de hormigón y compuestos (plástico reforzado con fibra de carbono, FRP de vidrio, FRP de aramida) ahora se usa en estructuras como puentes precisamente porque no se oxidan y son livianas. Esta tecnología podría aplicarse a los rascacielos de hormigón .

La misma tecnología se aplica a las estructuras de celosía . Hoy existe un camino claro hacia la sustitución del acero estructural por materiales compuestos.

Los rascacielos necesitan la capacidad de balancearse con vientos fuertes. El hormigón es pobre en eso.
@RonJohn Y los compuestos son incluso mejores que los metales en balanceo (esfuerzos cíclicos) porque no se fatigan. Esa es una gran razón por la que están construyendo aviones con él.
Su respuesta es sobre hormigón con barras de refuerzo compuestas, no sobre edificios hechos de compuestos. Y nadie quiere estar en un edificio que se balancea tanto como se doblan las alas de un Boeing 787.
@RonJohn Su comentario sobre el concreto es de hecho incorrecto . Múltiples rascacielos, de hasta 100 pisos, son de hormigón . Por favor, no seas mezquino y pedante. Por supuesto, un rascacielos no se va a construir de la misma manera que el ala de un avión. Los composites son un claro sustituto del acero estructural y otros metales. ¿Estás dudando de eso?
La barra de refuerzo compuesta es una buena opción, pero debe mencionar sus limitaciones, no se puede unir mediante soldadura y debe unirse con conectores, lo que significa que debe apegarse a formas simples (sin curvas en picada, por ejemplo, y se descomponen bajo cargas térmicas tan bajo como 200 grados, por lo que sus edificios serán más propensos a derrumbarse en caso de incendio.
@John, creo que las formas en picado están bien, solo tendría que hacerlo en la etapa de colocación/moldeo al hacer el compuesto, en lugar de doblar la barra de refuerzo de metal en el sitio (ver bicicletas de fibra de carbono). El problema con eso hoy en día es, por supuesto, cuán laboriosa tiende a ser el diseño y la fabricación.
@RonJohn: Creo que lo tienes al revés. No hay una necesidad fundamental de que una estructura se balancee con vientos fuertes. Más bien, (y de manera simplista) los edificios que utilizan una estructura de acero se balancean porque el acero es flexible, por lo que el edificio debe diseñarse para manejar eso. En el extremo opuesto de la escala, hay presas de hormigón de hasta 1000 pies/300 m de altura, y dudo que se balanceen mucho.
@jamesqf decir que los rascacielos no tienen que balancearse con el viento porque las represas no lo hacen es... insultante.
También es insultante hacer este tipo de comentarios con una comprensión tan pobre de los materiales compuestos, particularmente de cómo funciona el hormigón armado.
Estructura de rascacielos sin hierro
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