¿Serían más resistentes las paredes del túnel si se construyeran con paredes de bloques de granito cortados reforzados con cordones a base de carbono?

He estado redactando el concepto de un mundo futuro basado en investigaciones actuales. He estado contemplando los túneles de transporte de larga duración del futuro. Estoy preguntando sobre la probabilidad del siguiente método de construcción:

Notas: El granito es abundante y tiene una resistencia y durabilidad extremadamente altas. Los nuevos materiales a base de carbono están batiendo récords de resistencia a la tracción. Ha habido avances en la impermeabilización autorreparable.

Método de construcción propuesto:

Corte de túneles. Relleno de grietas y recubrimiento superficial con material impermeabilizante autocurativo. Luego recubierto con material resistente a la abrasión.

Bloques de granito cortados con precisión para un ajuste perfecto en el montaje del túnel. 4 orificios perforados a través del bloque. (Dos a través de una cara y dos a través de una cara perpendicular) Luego, los bloques se recubren con un revestimiento impermeabilizante autorreparable y resistente a la abrasión.

Los bloques se movieron aproximadamente a su posición. Cuerdas a base de carbono tejidas a través de los agujeros. Luego, las cuerdas se tensaron tirando de los bloques en su posición y las cuerdas se amarraron sobre sí mismas.

¿Sería este tipo de método de construcción más resistente que nuestro concreto y barras de refuerzo actuales?

¿Por qué el granito?
Bienvenido a la construcción del mundo. Realice el recorrido y visite el centro de ayuda para comprender de qué se trata nuestra comunidad. Entonces, mejore su pregunta: en primer lugar, la base científica no puede ser la única etiqueta. Entonces, ¿qué estás preguntando? Suena como una pregunta de técnica de construcción, más adecuada para Engineering.SE.
Se sabe que el granito dura mucho, especialmente en relación con la vida útil de 50 a 100 años del hormigón moderno. También es uno de los materiales extraídos de muchos de los túneles. En lugar de aplastarlo con los métodos actuales, podemos cortar los bloques directamente de los caminos del túnel.
el agua subterránea mezclada con minerales se vuelve ácida y eso es malo para el granito y también es difícil de cortar en formas, no lo sé, pero tal vez un experto en ingeniería. SE puede ayudarlo con esto como comentó L.Dutch.
¿Qué es ingeniería.SE?

Respuestas (4)

No, no funcionará.

El coeficiente de dilatación térmica del granito es 7.9 − 8.4 ⋅ 10 − 6   metro / metro k , mientras que para la fibra de carbono el valor oscila alrededor 1.6 − 2.1 ⋅ 10 − 6   metro / metro k .

A modo de comparación, el acero tiene 11 − 12.5 ⋅ 10 − 6   metro / metro k y concreto 13 − 14 ⋅ 10 − 6   metro / metro k .

Por lo tanto, mientras que el acero y el hormigón se adaptarán bien a la variación de temperatura gracias a su expansión/contracción similar, el granito y la fibra de carbono no lo harán, lo que inducirá una tensión adicional en la estructura y provocará la pérdida de la unión funcional.

Terminará con paredes de granito perforadas y fibras de carbono sueltas que no servirían para reforzar el granito.

Este es un buen punto. Aunque se puede moderar tensando la fibra de carbono (se requieren cimientos tensados ​​en Texas/Austin debido a la inestabilidad del suelo. Yo vivía allí), no resuelve el problema por completo. Esta fue una buena idea.
Buen punto, pero por otro lado... los túneles enterrados no sufren mucho en el camino del ciclo térmico. Después de todo, están enterrados y aislados de los cambios climáticos por la sobrecarga. Entonces, sospecho que el pronunciamiento claro de que no funcionará necesita un poco de reconsideración. Y, si se trata de eso, inundar el granito con refrigerante antes de terminar la fibra de carbono producirá un pretensado significativo, si la técnica se considera útil.
El grafeno suena como si tuviera un coeficiente de expansión térmica negativo. Extraño pero genial. Si se construye a la temperatura de funcionamiento más baja, a medida que se calienta, el grafeno se vuelve más compacto.

No

  • El granito no aparece en todas partes. No es la sustancia principal extraída de la gran mayoría de los túneles (sólo de la mayoría de los túneles profundos). Cambiar al granito como piedra principal para los túneles significa extraer y transportar uno de los tipos de piedra más pesados ​​del planeta. Eso es caro.

  • También significa cortar, (¡precisión!) dar forma y (¡precisión!) taladrar uno de los tipos de piedra más duros del planeta. Eso también es caro. Y a diferencia del concreto vertido continuamente, está atascado con capas de ladrillos o bloques de granito. No importa cómo lo asegure, eso solo es una debilidad significativa (piense en "terremoto". El planeta siempre está cambiando).

  • Verter un fluido para que se ajuste a su molde es mucho, mucho más simple que cincelar una de las rocas más duras para encajar y taladrar orificios que deben alinearse y adaptarse a las curvas. El concreto se transporta fácilmente, se encuentra disponible a bajo costo y es flexible en su aplicación. El granito es básicamente ninguna de esas cosas.

  • El concreto es internamente reforzable. Sí, se astillará más fácilmente que el granito. Incluso se romperá más fácilmente que el granito. Pero es el uso de barras de refuerzo de hierro la principal fortaleza y la principal debilidad, porque el metal se oxida y se expande con el tiempo. Reemplazar la barra de refuerzo con una sustancia no corrosible mejoraría esto considerablemente. (Me gustaría agradecer la respuesta de @ L.Dutch, que señala por qué la fibra de carbono no serviría para este propósito).

  • Y eso supone que no descubrimos cómo reinventar el hormigón romano utilizado para construir el puerto de Sebastos hace 2000 años. Todavía está allí. Y el hormigón romano es naturalmente resistente al agua (incluso crece más fuerte en el agua de mar).

Un artículo fascinante es " The Rock Solid History of Concrete " de Jonathan Schifman para Popular Mechanics. Recomiendo encarecidamente leerlo.

Y el costo es siempre un objeto

Los métodos de construcción siempre se ven afectados por algo más que los materiales que se utilizan, y el costo de cualquier método de construcción siempre será un factor principal de cómo se construye algo. Sí, la seguridad, la utilización, etc. deben cumplirse. Pero no gastas más de lo necesario para hacer nada. Después de 150 años (el tiempo que especifica en su pregunta), hay muchas otras cosas que necesitarán reemplazo. Los sistemas eléctricos, de plomería y de ventilación, y la plataforma de transporte (carretera, ferrocarril, etc.) vienen inmediatamente a la mente, y eso supone que la necesidad del túnel existe después de 150 años. El sistema de carreteras interestatales de EE. UU. no existía antes de 1956 (hace solo 63 años) y, sin embargo, las carreteras se han repavimentado, rediseñado, desviado y reconstruido considerablemente durante los últimos 25 años. Hay túneles ferroviarios sin usar en todo el país. hay sin usar, túneles subterráneos rediseñados y reconstruidos en todo el mundo. Quizás el único tipo de túnel que necesitaría sobrevivir más de 150 años es un acueducto enterrado.

La conveniencia del concreto hace que sea casi imposible desmantelarlo como principal material de construcción en un futuro previsible. Reinventar el concreto romano y reforzarlo con algo más que barras de refuerzo de hierro sería un futuro mucho más económico, práctico y probable que usar granito.

Según mi respuesta, el hormigón no puede reforzarse con barras de refuerzo de fibras de carbono como usted sugiere. Las fibras de carbono se utilizan para reforzar el hormigón de una forma diferente.
@ L.Dutch, noté eso en mi comentario a su respuesta, pero anoche no tuve tiempo de hacer ningún cambio en el mío. Aunque agradezco el recordatorio. Lo había olvidado todo.
Es bastante fácil cortar granito con cuchillos de agua.
Notas de @JBH sobre su respuesta: esta técnica sería principalmente para túneles a través de granito. cortar y dar forma sería difícil, pero existe una oportunidad con la automatización. los bloques de granito contra los que pueden deslizarse pueden ser mejores en un terremoto que el concreto. no es solo el vertido. El concreto requiere muchos pasos. esto es potencialmente más simple y sería cortar en lugar de astillar. Me gusta la idea de reemplazar la barra de refuerzo con una sustancia que no se corroa. el concreto romano, hasta donde yo sé, es solo para aplicaciones de agua de mar, desafortunadamente. Esto puede ser más barato
@JBH, en realidad estoy hablando de potencialmente miles de años. Sí, es probable que gran parte del sistema eléctrico, los rieles, etc. necesiten ser reemplazados periódicamente. Es probable que estos túneles para comenzar sean enlaces importantes, como Alberta a Pacific. India a China. Más Italia a Francia/Alemania/Suiza.
@DevSlocum, nunca durarían miles de años (excluyendo el problema de la otra infraestructura que requiere reemplazo cada 75-150 años). (a) los bloques bajo el mar se filtrarían y (b) nacerían bebés. El crecimiento es la principal razón por la que gran parte del sistema interestatal de EE. UU. se amplía/remodela con tanta frecuencia. (c) las líneas de falla siempre causarán problemas de granito. (d) El hormigón romano también se utilizó para carreteras terrestres.
@JBH, el concreto romano en el que han tenido avances recientemente, hasta donde yo sé, es solo para uso en agua de mar. Sería fenomenal si también pudieran descubrir el terreno concreto. Esta aplicación no está pensada para en el mar. Los túneles requerirían reparación con el tiempo a medida que se desplaza la roca. El concepto es construir infraestructura que no requiera reemplazo cada 50-100 años. ¿Por qué dices que no podrían durar miles de años?
@DevSlocum, Cambios de tierra. El agua y el viento erosionan. Daños por vibraciones. Las raíces crecen. Sanguijuela de hidrocarburos. Los climas cambian. Los bebés nacen. Necesita cambio. Construir un túnel destinado a durar 1000 años es una tontería, si no increíble. Asume una previsión casi divina que la humanidad nunca ha poseído. Pero si eso es lo que quiere escribir en su historia... hágalo. Por cierto, en el momento en que admite que el mantenimiento y la reparación son necesarios o esperados, acaba de admitir que el concreto es una mejor solución.

Seguro que lo sería. El granito tiene una resistencia a la compresión de aproximadamente 200 MPa y el hormigón suele ser de 70 MPa (usando una búsqueda muy rápida en Google), por lo que solo es suficiente para responder a su pregunta.

Pero, ¿por qué usaría Granite? No necesita tener el material más fuerte, mejor y más caro para crear una pared de túnel. Necesita un material que complete el trabajo dentro de las normas de seguridad y desea que sea económico, rápido y fácil de usar.

Así que sí, podría gastar cien veces más dinero y hacer un túnel súper fuerte, cubriéndolo con capas de materiales para protegerlo de todo, causando que su precio se dispare y su proyecto se retrase y finalmente se abandone debido al costo y Dificultad para manipular el material. O puede construirlo según las normas de seguridad que se han establecido utilizando un material duradero y fácil de usar que cumplirá con los estándares de seguridad y no arruinará el banco.

La máquina que se usa para crear un túnel de este tipo trituraría todo ese granito hasta convertirlo en polvo, por lo que no habría materiales adicionales que realmente pudieras recolectar. Hacerlo en el sitio también significa que no lo compra y lo tiene precortado listo para ensamblar a granel. Debe extraerlo y procesarlo en el sitio, lo que duplicará o triplicará el equipo y la mano de obra necesarios.
Se sabe que el granito dura mucho, especialmente en relación con la vida útil de 50 a 100 años del hormigón moderno. También es uno de los materiales extraídos de muchos de los túneles. En lugar de aplastarlo con los métodos actuales, podemos cortar los bloques directamente de los caminos del túnel. El nuevo equipo sería costoso de desarrollar y el tiempo de perforación más lento, pero pueden durar mucho más. La resistencia a la compresión del granito y el hormigón no responde completamente a la pregunta. Hay muchos factores con respecto a los túneles.
@DevSlocum Tenga en cuenta que su pregunta es si su método propuesto será más fuerte que el concreto, a lo que dije que sí. No planeo explicar por qué su túnel de granito revestido a prueba de agua es mejor que un túnel de hormigón porque parece inútil. No hay nada que le impida usar su método, pero parece estar ignorando muchas otras consideraciones a favor de su método.
@DevSlocum también vale la pena señalar que si está perforando granito y se toma el tiempo para cortarlo en bloques con cuidado para completar el trabajo, ¿por qué no tomarse el tiempo para construir un taladro de muy alta precisión para cortar una cara lisa a lo largo del túnel? ¿Por qué construir los bloques en primer lugar eliminando el material que ya está unido entre sí mejor de lo que puede unirlo usted mismo? Luego, simplemente recubra su túnel con lo que quiera para impermeabilizarlo. la tecnología sería costosa porque probablemente sería lo mismo que construir la tecnología para construir un túnel de bloques de granito.
Hice la pregunta para conocer otras consideraciones, no para ignorarlas... ¿qué crees que estoy ignorando? Según su pregunta sobre simplemente cortar un túnel liso y no reforzarlo: el granito tiene muchas fracturas/grietas/secciones débiles. Los bloques de granito lo reforzarían uniformemente.

Otras respuestas brindan información científica mucho mejor que yo y parecen estar llegando a la conclusión de que su propuesta no funcionará. No voy a discutir ;-) Dado que el suelo se mueve, podrías terminar con una "división" en el túnel a mitad de camino. Ambos extremos aún están completamente intactos, pero hay un 'paso' de 1M a mitad de camino debido al movimiento circundante. Hacer un túnel fuerte puede ser un punto discutible, pero sigamos adelante...

Su mundo futuro podría tener sables de luz CNC, taladros de plasma contenidos y dispositivos de transporte antigravedad, por lo que podría manejar y trabajar el granito mucho más fácilmente de lo que podemos hoy. Siendo ese el caso, posiblemente podrían usar granito en la construcción del túnel, tal vez como soporte inicial alrededor del túnel perforado. En el interior va el 'tubo' de hormigón más habitual, seguido de una capa interna decorativa de mármol (o granito, si es necesario). De esa manera, podría tener un túnel fuerte, con un interior moderadamente flexible (y reparable). Incluso podría tener un espacio de aire entre las capas de granito y hormigón como espacio para permitir el movimiento. Me imagino que podrías lograr lo mismo con dos capas de concreto, pero eso no es lo que pediste.

En el futuro, obtener estos materiales y fresarlos o cortarlos a medida y forma será mucho más económico de lo que es hoy, y quizás la estética sea más importante de lo que es hoy. Tal vez sea posible el 'granito líquido' o el 'mármol líquido', algo parecido a la 'piedra vertida' como la que tenemos hoy.

En cuanto a la estética, los victorianos generalmente agregaban adornos decorativos a sus edificios y máquinas, y tenían la sensación de 'dejar cosas para las generaciones futuras'. Sugeriría que hemos perdido en gran medida ese sentido en nuestro mundo moderno, ya que ahora tenemos una cultura mucho más 'desechable', a corto plazo e impulsada por el dinero. Sin embargo, si su mundo futuro está cavando túneles diseñados para múltiples décadas o siglos de uso, entonces pueden volver a pensar de esa manera. Si es así, hacer cosas que no necesariamente tienen sentido lógico o científico comienza a ser más aceptable.

¿Serían más resistentes las paredes del túnel si se construyeran con paredes de bloques de granito cortados reforzados con cordones a base de carbono?
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