Berapa batas praktis jumlah lantai di bangunan tempat tinggal yang dibangun dengan beton bertulang monolitik?

Saya baru saja membeli sebuah flat di gedung 25 lantai. Saya bertanya-tanya berapa batas praktis untuk jumlah lantai di sebuah bangunan tempat tinggal yang diproduksi secara massal yang dibangun dari beton bertulang monolitik?

Bisakah kita berharap jumlah lantai di bangunan tipikal jenis ini meningkat di tahun-tahun mendatang atau ini adalah batas wajar dari teknologi? Dalam semua referensi yang saya lihat sejauh ini diklaim bahwa teknologi ini tidak memiliki batas ketinggian bangunan. Tapi saya meragukan ini karena semua gedung pencakar langit yang saya tahu dibangun dari baja.

Jika beton bertulang monolitik tidak memiliki batasan, mengapa bangunan yang sangat tinggi tidak dibangun dengan teknologi ini?

civil-engineering structures concrete

— Anixx
sumber

Dimanapun batasan itu, itu jauh melampaui tingkat impas ekonomi untuk rangka baja ("murni"). Saya kira akan mungkin untuk membangun sebuah bangunan beton bertulang 50 lantai, tetapi biayanya setengah dari biaya untuk membangun satu dengan ukuran yang sama dengan kerangka baja. Jadi batas praktisnya di sini adalah sifat ekonomi: rangka baja memerlukan biaya awal yang lebih tinggi, sehingga tidak praktis pada bangunan rendah, tetapi biayanya jauh lebih baik dengan ketinggian.

— SF.

Mereka punya. Bahkan gedung tertinggi di dunia, Burj Khalifa , kebetulan terbuat dari beton. Jadi begitulah.

— Tn. P

Jawaban:

Batas apa pun akan sulit dikuantifikasi. Ada banyak faktor yang harus ditimbang ketika memilih jenis bahan dasar.

Jawaban singkatnya adalah bahwa batas telah dipilih untuk setiap bangunan. Ini dilakukan selama desain oleh arsitek dan insinyur yang bekerja di gedung. Beberapa keputusan ini mungkin bergantung pada teknologi yang tersedia pada saat bangunan itu dirancang.

Beberapa faktor yang seharusnya diperhitungkan:

Biaya baja versus beton - Harga relatif material telah berubah sepanjang sejarah.
Kekuatan beton tersedia - Dahulu beton terbatas pada kekuatan tekan sekitar 4.000 psi (27,6 MPa). Beton kekuatan tinggi modern bisa lebih tinggi dari 10.000 psi (69 MPa).
Kekuatan baja tersedia - Kekuatan baja telah meningkat dari 36 ksi (248 MPa) menjadi 50 ksi (345 Mpa) dan bahkan 100 ksi (689 MPa).
Luas dinding dan ruang kolom yang diperlukan untuk mendukung lantai atas - Bangunan berat. Saat bangunan semakin tinggi, ada lebih banyak beban yang menekan lantai bawah. Peningkatan kekuatan ini membutuhkan lebih banyak area material. Pada titik tertentu, ruang yang dapat digunakan di lantai bawah berkurang lebih dari yang bisa diterima. Per unit luas, baja lebih kuat dari beton, sehingga dibutuhkan lebih sedikit area untuk mendukung beban yang sama.
Kekakuan bangunan - Bangunan sangat tinggi bergoyang saat angin bertiup ke arah mereka. Seberapa banyak mereka bergerak dikendalikan oleh berat dan kekakuan bangunan.
Merayap di masa mendatang (memperpendek) bangunan - Baik baja maupun beton. Itu mereka kompres dari waktu ke waktu jika gaya konstan diterapkan. Jumlah creep dipengaruhi oleh usia, kekuatan atau material dan kekuatan yang bekerja pada material. Pada bangunan yang sangat tinggi, pemendekan ini perlu diperhitungkan dalam desain. Bangunan yang lebih ringan perlu mengakomodasi sedikit creep.
Desain seismik (gempa bumi) - Baja adalah material yang ulet. Beton adalah bahan rapuh. Di lokasi di mana gaya seismik tinggi diharapkan, baja mungkin diperlukan. Ia memiliki kemampuan untuk mengalami defleksi ekstrim tanpa kegagalan total.
Kontrol kualitas - Beton akan dituang di tempat, dan baja biasanya dibuat di luar di bawah kondisi yang terkendali. Kualitas produk akhir yang diantisipasi atau jumlah pengawasan yang diperlukan untuk memastikan produk yang berkualitas merupakan pertimbangan biaya.

Ada banyak faktor yang masuk ke dalam desain gedung pencakar langit. Setiap item di atas memiliki biaya yang terkait dengannya. Hasil akhirnya setidaknya sebagian dikendalikan oleh perkiraan harga.

Desain gedung pencakar langit modern kadang-kadang mencakup inti beton yang menuju semua atau sebagian besar jalan menuju puncak. Ini menunjukkan bahwa tidak ada banyak batasan ketinggian untuk konstruksi beton selama Anda baik-baik saja dengan volume yang dapat digunakan berkurang.

— hazzey
sumber

Dalam semua referensi yang saya lihat sejauh ini diklaim bahwa teknologi ini tidak memiliki batas ketinggian bangunan.

Pernyataan ini kurang lebih benar.

Jawaban Hazzey telah melakukan pekerjaan yang baik untuk meringkas keterbatasan sebenarnya tinggi bangunan - yaitu, faktor-faktor yang, dalam aplikasi nyata apa pun, mengendalikan keputusan berapa banyak lantai untuk membangun gedung. Namun, masih ada pertanyaan tentang seberapa tinggi struktur bisa , dengan asumsi kami mampu untuk mengabaikan semua faktor-faktor lainnya.

Jika kita membuat asumsi penyederhanaan (dan sangat naif) bahwa satu-satunya batasan ketinggian suatu struktur adalah kekuatan tekan beton itu sendiri, dan juga bahwa satu-satunya beban yang dibawa oleh beton adalah beban yang dihasilkan dari berat beton. kolom beton monolitik vertikal di atas (tidak ada beban hidup, atau transfer beban; bangunan pada dasarnya adalah blok besar beton bertulang), perhitungannya cukup mudah.

Satuan berat beton: $γ_{c} = 150 \frac{lbf}{{ft}^{3}}$ $\gamma_c=150\frac{\text{lbf}}{\text{ft}^3}$
Kekuatan tekan beton (beton kinerja tinggi): $f_{c}^{'} = 20, 000 \frac{lbf}{{in}^{2}}$ $f'_c=20,000\frac{\text{lbf}}{{\text{in}}^2}$
Tegangan yang dibawa oleh beton di bagian bawah: $f = H_{c} γ_{c}$ $f=H_{c}\gamma_c$
Set $f=f'_c$ dan selesaikan untuk ketinggian maksimum: $H_{m a x} = \frac{f ‘_{c}}{γ_{c}} = \frac{20, 000 psi}{150 pcf} = 19, 200 ft$ $H_{max}=\frac{f`_c}{\gamma_c}=\frac{20,000\text{psi}}{150\text{pcf}}=19,200\text{ft}$

Ini sangat tinggi (3,64 mi, atau 5,85 km) sehingga akselerasi karena gravitasi akan sangat berbeda di bagian atas struktur; satuan berat beton di bagian atas kira-kira 99,82% dari apa yang ada di bagian bawah - yaitu sekitar 149,73 pcf.

Selain itu, tekanan luar biasa yang diterapkan pada beton akan menghasilkan strain yang cukup besar. Salah satu persamaan untuk modulus elastisitas beton mutu tinggi (dari ACI) adalah:

$E_c=40,000\sqrt{f'_c}+1\times 10^6 \text{psi}=6,657\text{ksi}=45.9\text{GPa}$

Menurut Hukum Hooke, regangan maksimum di bagian bawah struktur adalah sekitar 0,3%:

$\varepsilon_{max}=\frac{f'_c}{E_c}=0.3\%$

Untuk menemukan ketegangan di seluruh ketinggian struktur, kami cukup mengintegrasikan:

\int_{0}^{H_{c}} \frac{f (z)}{E_{c}} d z = 28.8 ft

$\int_{0}^{H_c}\frac{f(z)}{E_c}\text{d}z=28.8\text{ft}$ mana (gravitasi, adalah fungsi ketinggian ).

f (z) = γ_{c} z \cdot g (z)

$f(z)=\gamma_cz\cdot g(z)$

g

$g$

z

$z$

Ini berarti ketinggian bangunan yang dikurangi setelah memperhitungkan regangan beton akan menjadi sekitar 1.970 kaki (3,63 mi, atau 5,84 km).

Menurut artikel ini dari Contruction Week Online, di 92 lantai (423 m, atau 1388 kaki) Trump International Hotel and Tower saat ini merupakan bangunan beton tertinggi di dunia (menurut definisi mereka), dan itu adalah bangunan tertinggi ke-9 di dunia. Ini sekitar 7% dari ketinggian yang dimungkinkan (sebagaimana didefinisikan oleh analisis sederhana di atas). Meskipun analisis yang disederhanakan mengabaikan segala macam pertimbangan praktis dan tidak memasukkan faktor keselamatan, setidaknya itu agak instruktif tentang apa yang mungkin dilakukan dengan menggunakan beton bertulang kinerja tinggi.

— Rick mendukung Monica
sumber

Saya akan mengatakan ini menghitung batas atas untuk ketinggian: Kami tidak berharap bahwa mungkin untuk membangun setinggi itu (jadi itu bukan "yang setinggi mungkin") - tetapi untuk dapat membangun "tidak lebih tinggi dari" itu. Yang merupakan informasi yang sangat berguna untuk memahami masalah seperti ini. (+1)

— Volker Siegel

Ini mengasumsikan bagian konstan yang orang mungkin berpendapat adalah pilihan yang sangat terbatas untuk dibuat. Biarkan struktur menjadi lebih luas di pangkalan daripada di bagian atas dan Anda akan mendekati tak terhingga kecuali Anda memperkenalkan beberapa masalah yang lebih praktis. Kita pasti bisa mencapai ruang, tetapi pertanyaan sebenarnya adalah berapa biayanya? ;)

— Tn. P

@ Mr.P apakah itu benar-benar tak terhingga? Sepertinya tekanan di bagian bawah kerucut atau bentuk piramida akhirnya akan menghancurkan beton. Tetapi Anda benar bahwa itu bisa jauh lebih tinggi dari ini - saya harus memperbarui jawaban saya menggunakan ide itu.

— Rick mendukung Monica

@Rcik Teachey: Ya, saya pikir bahwa setiap kali kita mendekati batas tekan kita hanya bisa membakar basis sedikit lebih banyak dan dengan demikian menyebarkan gaya ke daerah yang lebih besar dan kita baik untuk pergi lagi. Namun jika kita memperkenalkan sedikit saja dari kenyataan, masalah utamanya adalah kekuatan tarik yang diperlukan untuk menahan momentum sudut yang mencoba membuang semuanya ke luar angkasa begitu kita melewati lapisan geo-stasioner. Tapi sebelum itu kita mungkin akan mengalami masalah lain, seperti mencekik semua umat manusia pada co2 yang dirilis memproduksi semen kami :)

— Mr. P

Juga bangunan beton tertinggi di dunia adalah Burj Khalifa , itu telah menjadi struktur buatan manusia tertinggi sejak 2007 (saat itu bahkan belum mendekati penyelesaian).

— Tn. P