Вертикальный город - как высоко?

Каждое из следующих друг за другом самых высоких зданий мира было спроектировано с учетом современных материалов и архитектурных знаний. По мере развития нашей науки этот предел будет постепенно увеличиваться.

Ссылка Фукидида очень поучительна в этом отношении. Нынешний рекордсмен Бурдж-Халифа, вероятно, не мог быть построен на 10 лет раньше.

По мере того, как здания становятся выше, сложности и особенно затраты возрастают. Все самые высокие небоскребы — это гигантские высокомерные проекты типа «мой больше твоего», построенные по смехотворной цене. Дубай в значительной степени обанкротился, пытаясь построить Бурдж-Халифа, который теперь назван в честь эмира Абу-Даби, который финансировал остальную часть строительства.

Супернебоскребы не имеют никакого экономического смысла, и это, вероятно, будет самым большим ограничением в строительстве города из них. Если действительно не осталось места для строительства, вы могли бы разместить во много раз больше людей, если бы здания были более нормальной высоты.

Посмотрите на схему Бурдж-Халифа здесь, чтобы увидеть, насколько мала верхняя половина здания. Ваши взаимосвязанные проходы должны быть довольно длинными (и эластичными, чтобы справиться с раскачиванием зданий на ветру).

Вот одно осложнение уже происходит: земля может просесть под фундамент

Откровенно говоря, прямоугольные блоки высотой в милю, построенные близко друг к другу, которые вы видите в научно-фантастических фильмах, нуждаются в серьезном махании руками или научно-фантастических технологиях.

Редактировать: некоторые цифры.

Чтобы угадать число, давайте возьмем Шанхайскую башню , высота крыши которой составляет 561 метр, что всего на 30 метров ниже, чем у Бурдж-Халифа с 244-метровым необитаемым шпилем. Он также имеет на 20% больше площади, более широкий верх и находится в центре многоэтажного района, поэтому в целом он лучше подходит для вертикального города.

Теперь мы можем начать угадывать некоторый улучшенный потенциал:

• расположение города на скале в зоне, в основном свободной от землетрясений, должно позволить построить целый город такой высоты.
• расположение города вдали от обычных путей распространения ураганов должно дать дополнительные 10%.
• Увеличение поддержки пешеходных дорожек должно уравновесить усиление шторма из-за глобального потепления.
• Улучшенная конструкция и материалы, вероятно, добавят 10% за десятилетие. Немного медленнее, чем в последние два десятилетия, но в абсолютном выражении это больший прогресс, чем когда-либо прежде.

Таким образом, через 20 лет он стал примерно на 30% выше: 730 м. Через 50 лет может быть на 60% больше, около 900м. Округлите его до 1 км, чтобы получить хорошее число, так как в любом случае это очень грубое предположение.

На самом деле нет: вы не можете просто произвольно добавлять этажи к существующей структуре (которая, по сути, использует здание как часть фундамента нового здания). фундамент должен быть правильно рассчитан на предполагаемую массу и нагрузки конструкции.

Это должно ответить на ваш вопрос: http://www.halcyonmaps.com/tallest-planned-buildings/

Предел диктуется экономикой, а не технологией. Если вы предполагаете, что все в здании хотят приходить и уходить с уровня земли по крайней мере один раз в день, вы доходите до точки, когда добавление достаточной грузоподъемности (лифта) для поддержки дополнительного этажа имеет отрицательную экономическую выгоду из-за непроизводственной площади. потребляет на нижних этажах.

Один из способов обойти это — вертикальный город, жители верхних уровней которого не покидают ежедневно. Вместо этого есть магазины, парки, услуги, все это предоставляется на этих уровнях живущими там людьми. Экономический предел все еще существует, так как все, что они потребляют, все еще нужно транспортировать с уровня земли, но я читал, что вертикальный город высотой в милю невозможен и не требует экзотических материалов.

Кстати, высокий небоскреб (с массовыми амортизаторами) менее уязвим для землетрясений, чем гораздо более низкий или обычный дом.

Такие города часто изображаются в научной фантастике. С правильными материалами нет никаких причин, по которым такой город не мог бы существовать или развиваться так высоко, как вам хотелось бы.

Однако следует помнить о нескольких вещах:

Геология

Такой город был бы невероятно тяжелым. Если строить на чем-то другом, кроме твердой скалы, он, скорее всего, рухнет по частям. Землетрясения также повлияют на него, поскольку такие поднимающиеся вверх и соединенные между собой башни будут гораздо более жесткими, чем отдельно стоящее здание.

Погода

Если планета, на которой находится этот город, подвержена сильным ветрам, сильным штормам и т. д., эти города снова окажутся под угрозой. Эффекты могут быть несколько преуменьшены технологическим прогрессом.

Честно говоря, если история разворачивается в будущем, где технологии достаточно развиты, эти башни могут легко достигать километров и километров, а старые башни соединяются вместе, чтобы стать основой еще более крупных мегасооружений.

Удачи с вашим романом!

---

Фукидид отмечает, что

«Вы не можете просто произвольно добавлять этажи к существующей структуре (которая > по сути использует здание как часть фундамента нового здания)»

и он/она прав - в сценарии реального мира.

Однако, поскольку это сеттинг из научной фантастики, представьте мощные силовые поля, используемые для укрепления этих башен, или части самих зданий, которые заполняют, чтобы превратить их в массивные опорные колонны. Здания, которые когда-то царапали небеса, оказались заключены в центре мегабашни и превратились в подземные трущобы, никогда не видевшие дневного света.

Я не говорю, что это имеет смысл с нашими нынешними технологиями или даже с технологиями, которые могут быть разработаны в следующем столетии. Это просто должно звучать достаточно правдоподобно

Предположим, что объем масштабируется линейно с высотой (т.е. мы грубо аппроксимируем форму здания кубом).

Масса/вес ваших построек будет масштабироваться примерно как куб высоты (мы предположим, что объем здания масштабируется линейно с высотой, что означает, что площадь основания xy увеличивается вместе с высотой). Однако структурная прочность зависит только от квадрата объема. Таким образом, независимо от того, насколько прочны наши материалы, в конечном итоге мы становимся слишком большими, чтобы поддерживать большее здание.

Повышенная прочность материалов может улучшить ваши результаты, но не может изменить форму кривой, независимо от прочности материала. Если здание превышает размеры, указанные выше, оно всегда рухнет под собственным весом.

Материалы

Чтобы посмотреть на это с точки зрения материалов, полезно иметь представление о соответствующих уравнениях.

Сила, действующая на здание, равна весу (масса * ускорение) частей здания над текущим этажом.

$$W = a_{gravity} \cdot m = a_{gravity} \cdot \rho \cdot V = a_{gravity} \cdot \rho \cdot l^3$$

$$F_{compression} = A \cdot \sigma_{compression} = l^2 \cdot \sigma_{compression}$$

При максимальной нагрузке максимальная сжимающая сила, которую может выдержать ваша конструкция, равна ее весу, поэтому вы получаете следующее:

$$a_{gravity} \cdot \rho \cdot l^3 = l^2 \cdot \sigma_{compression} \rightarrow l_{max} = \frac{\sigma_{compression}}{a_{gravity} \cdot \rho}$$

V = объем ($m^3$)
А = Площадь ($m^2$)
l = расстояние ($m$)
$\sigma$= прочность материала (Паскали -$Pa$)
g = ускорение свободного падения ($\frac{m}{s^2}$)
$\rho$= плотность ($\frac{kg}{m^3}$)

Максимальная измеренная прочность на сжатие любого материала (алмаза) составляет от 100 до 300 ГПа. Итак, сделайте следующие предположения

$g = 9.8 \frac{m}{s^2}$
$\sigma = 300 GPa$
$\rho = 2,500 \frac{kg}{m^3}$

Решить для$l$:

$$l_{max} = \frac{300,000,000,000 \frac{kg}{m \cdot s}}{9.8 \frac{m}{s^2} \cdot 2,500 \frac{kg}{m^3}} = 12,244,898 m$$

12 миллионов метров (12 000 км) — довольно высокое здание. Ваше ограничение по высоте не будет связано с ограничениями по материалам (если вы используете правильные материалы).

Имейте в виду, что эта структура будет твердой в основании и не будет места для чего-либо, кроме структуры, материал должен быть алмазом, а кора планеты, на которой она находится, будет прогибаться, поэтому фактическая высота будет значительно меньше. На самом деле количество задействованных материалов, вероятно, будет эквивалентно планетоиду (это не луна!).

Фундамент

Но какой фундамент может удержать такую ​​массу. Хотя земная кора кажется жесткой, на самом деле она плавает поверх мантии Земли и недостаточно жесткая, чтобы поддерживать даже собственную массу — она должна плавать на мантии Земли.

Все самые высокие точки на Земле находятся в горной цепи Гималаев. В этом диапазоне одна континентальная кора погружается под другую. Он поднял верхнюю плиту на высоту более 5 миль, но эта высокая высота может поддерживаться только за счет того, что кора прогибается под ней на 60 миль или более.

Что это означает для вашего строительного проекта, так это то, что даже достаточно развитое общество, вероятно, не сможет создать большие сооружения высотой более 5 миль или до того, как земная кора начнет прогибаться под тяжестью конструкции.

Другие вещи

В типичном проектировании наземных сооружений (например, зданий) используется коэффициент запаса прочности 10x. Это означает, что вы проектируете здание в 10 раз больше нагрузки, которую оно должно выдерживать.
При этом игнорируются любые другие силы, такие как ветер, динамические напряжения, потеря устойчивости, землетрясения и т. д.