モノリシック鉄筋コンクリートで建てられた住宅の建物の階数の実際的な制限は何ですか？

私は最近25階建ての建物でアパートを買いました。モノリシック鉄筋コンクリートで建てられた量産住宅の階数の実際的な限界は何だろうか。

このタイプの典型的な建物の階数は今後数年間で増加すると予想できますか、それとも技術の合理的な限界です。私がこれまでに見たすべての参考文献では、この技術が持っていると主張されました 無制限 建物の高さに。しかし、私はこれを疑っています。私が知っているすべての超高層ビルは鋼鉄で造られているからです。

モノリシック鉄筋コンクリートに制限がなければ、なぜ非常に高い建物はこの技術で造られなかったのでしょうか？

どんな限界でも定量化するのは難しいだろう。基本的な材料の種類を選択するときに秤量する必要がある多くの要因があります。

簡単な答えは、制限は各建物に対してすでに選択されているということです。これは建築中の建築家やエンジニアによって設計中に行われました。これらの決定のいくつかは建物が設計された時に利用可能だった技術に依存していたかもしれません。

考慮されたであろういくつかの要因：

• 鋼鉄対コンクリートのコスト - 材料の相対的な価格は歴史を通して変わりました。
• 利用可能なコンクリートの強度 - コンクリートは、約4,000 psi（27.6 MPa）の圧縮強度に制限されていました。最新の高強度コンクリートは、10,000 psi（69 MPa）を超えることがあります。
• 利用できる鋼鉄の強さ - 鋼強度は36 ksi（248 MPa）から50 ksi（345 Mpa）、さらには100 ksi（689 MPa）まで向上しました。
• 上層階を支えるために必要な壁と柱のスペースの面積 - 建物は重いです。建物の高さが高くなるにつれて、底部の床を押す重量が増えます。この増加した力はより大きな材料の面積を必要とする。ある時点で、最下階の使用可能スペースが許容範囲を超えて減少します。単位面積当たり、鋼鉄はコンクリートよりも強いので、同じ荷重を支えるのに必要な面積は少なくなります。
• 建物の剛性 - 風が吹くと非常に高い建物が揺れます。どれだけ動くかは、建物の重さと硬さによって決まります。
• 建物の将来のクリープ（短縮） - 鋼とコンクリートの両方がクリープする。つまり、一定の力が加えられた場合、それらは時間の経過とともに圧縮されます。クリープの量は、年齢、強度、材料、および材料に作用する力によって影響を受けます。非常に高い建物では、この短縮は設計で考慮する必要があります。より明るい建物はより少ないクリープを収容する必要があるでしょう。
• 耐震（地震）デザイン - スチールは延性材料です。コンクリートは脆い材料です。高い地震力が予想される場所では、鋼鉄が必要となるかもしれません。それは完全な失敗なしで極端な偏向を受ける能力を持っています。
• 品質管理 - コンクリートは現場で注入され、鋼は通常管理された条件下で現場外で製造されます。最終製品の予想される品質、または高品質の製品を保証するために必要な監視の量は、どちらもコストの考慮事項です。

高層ビルのデザインにはさまざまな要素があります。上記の各項目にはそれに関連付けられたコストがあります。最終結果は、見積価格によって少なくとも部分的に制御されます。

近代的な超高層ビルのデザインには、コンクリート製のコアが含まれている場合があります。これは、使用可能な量が減っても問題ない限り、コンクリート構造には高さの制限があまりないことを示しています。

私がこれまで見たすべての参考文献では、この技術は建物の高さに制限がないと主張されていました。

この記述は多かれ少なかれ真実です。

ハジーの答え をまとめるための良い仕事を既にした 実際の 建物の高さの制限 - つまり、実際のアプリケーションでは、建物を建てる階数の決定を左右する要因です。しかし、それでも構造がどれだけ高いかという問題があります。 になり得る 我々がこれらの他の要因の全てを無視することができたと仮定して。

構造体の高さの唯一の制限はコンクリート自体の圧縮強度であり、コンクリートによって運ばれる唯一の荷重はコンクリートの重量から生じる荷重であるという単純化した（そして非常に単純な）仮定を立てます。上の垂直モノリシックコンクリート柱（活荷重、または荷重伝達がありません。建物は本質的に鉄筋コンクリートの大規模なブロックです）、計算はかなり簡単です。

1. コンクリートの単位重量：$$ \ gamma_c = 150 \ frac {\ text {lbf}} {\ text {ft} ^ 3} $$
2. コンクリート（高性能コンクリート）の圧縮強度：$$ f'_c = 20,000 \ frac {\ text {lbf}} {{\ text {in}} ^ 2} $$
3. 底部でコンクリートによって支えられる応力：$$ f = H_ {c} \ gamma_c $$
4. $ f = f'_c $を設定して最大の高さを求めます。$$ H_ {max} = \ frac {f`_c} {\ gamma_c} = \ frac {20,000 \ text {psi}} {150 \ text {pcf} } = 19,200 \ text {ft} $$

これは非常に高い（3.64マイル、または5.85キロ）ので、重力による加速度は構造の上部で著しく異なるでしょう。上部のコンクリートの単位重量は、下部の約99.82％になります。つまり、約149.73 pcfです。

さらに、コンクリートに大きな応力がかかると、かなりのひずみが発生します。高強度コンクリート（ACI製）の弾性係数の式は次のとおりです。

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

Hookeの法則によると、構造下部の最大ひずみは約0.3％です。

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

構造体の高さ全体にわたる歪みを求めるには、単純に次のように積分します。

$$ \ int_ {0} ^ {H_c} \ frac {f（z）} {E_c} \ text {d} z = 28.8 \ text {ft} $$ここで、$ f（z）= \ gamma_cz \ cdot g（ z）$（重力、$ g $は高さ$ z $の関数です）。

これは、コンクリートのひずみを考慮に入れた後の構造物の高さの減少が19170フィート（3.63 mi、または5.84 km）前後になることを意味します。

による この記事 トランプインターナショナルホテルアンドタワーは現在、世界で最も高いコンクリート製の建物（定義上）で、92階建てのContruction Week Onlineより、世界で9番目に高い建物です。これは可能な高さのおよそ7％です（上の単純化された分析によって定義されるように）。単純化された分析はあらゆる種類の実際的な考慮を無視し、安全係数を含まないが、高性能鉄筋コンクリートを使用して何が可能であり得るかに関して少なくともいくらか有益である。