Wolkenkrabber

Achtergrond

Er is geen precieze definitie van hoeveel verdiepingen of welke hoogte een gebouw tot een wolkenkrabber maakt. "Ik denk niet dat het het aantal verdiepingen is dat je hebt. Ik denk dat het een houding is", vertelde architect T.J. Gottesdiener aan de Christian Science Monitor. Gottesdiener, een partner in de firma Skidmore, Owings &Merrill, ontwerpers van talrijke hoge gebouwen, waaronder de Sears Tower in Chicago, Illinois, vervolgde:"Wat is een wolkenkrabber? Het is alles waardoor je stopt, staat, je nek naar achteren trekt , en kijk omhoog."

Sommige waarnemers passen het woord "wolkenkrabber" toe op gebouwen van minstens 20 verdiepingen. Anderen reserveren de term voor structuren van ten minste 50 verhalen. Maar het is algemeen aanvaard dat een wolkenkrabber past bij gebouwen met 100 of meer verdiepingen. Met 102 verdiepingen bereikt de bezette hoogte van het Empire State Building in New York 1.224 ft (373 m), en de spits, het taps toelopende gedeelte bovenop het dak van een gebouw, stijgt nog eens 230 ft (70 m). Slechts 25 gebouwen over de hele wereld zijn hoger dan 300 m, hun torenspitsen meegerekend, maar geen antennes die erboven uitsteken.

Het hoogste vrijstaande bouwwerk ter wereld is de CN Tower in Toronto, Canada, met een hoogte van 553 m; geconstrueerd om een ​​televisieantenne te ondersteunen, is de toren niet ontworpen voor menselijke bewoning, met uitzondering van een restaurant en observatiedek op 335 m hoogte. 'S Werelds hoogste bezette structuur is de Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, Maleisië, die een hoogte bereiken van 1483 ft (452 ​​m), inclusief torenspitsen. De Sears Tower in Chicago heeft het hoogste bezette niveau; het dak van zijn 110e verhaal staat op 1453 ft (443 m).

In sommige opzichten zijn superhoge gebouwen niet praktisch. Het is goedkoper om twee halfhoge gebouwen te bouwen dan één heel hoog. Ontwikkelaars moeten huurders vinden voor enorme hoeveelheden ruimte op één locatie; de Sears Tower omsluit bijvoorbeeld 4,5 miljoen vierkante voet (415.000 vierkante meter). Aan de andere kant moeten ontwikkelaars in drukke steden zo veel mogelijk gebruik maken van de beperkte hoeveelheden beschikbare grond. Desalniettemin is de beslissing om een ​​dramatisch hoog gebouw te bouwen meestal niet gebaseerd op economie, maar op de wens om de aandacht te trekken en prestige te verwerven.

Geschiedenis

Aan het einde van de negentiende eeuw deden zich verschillende technologische ontwikkelingen voor die samen het ontwerp en de constructie van wolkenkrabbers mogelijk maakten. Onder hen waren het vermogen om staal in massa te produceren, de uitvinding van veilige en efficiënte liften en de ontwikkeling van verbeterde technieken voor het meten en analyseren van structurele belastingen en spanningen. Tijdens de jaren 1920 en 1930 werd de ontwikkeling van wolkenkrabbers verder gestimuleerd door de uitvinding van elektrisch booglassen en fluorescentielampen (door hun felle licht konden mensen verder van ramen werken en produceerden ze minder warmte dan gloeilampen).

Traditioneel ondersteunden de muren van een gebouw de structuur; hoe hoger de constructie, hoe dikker de muren moesten zijn. Een 16 verdiepingen tellend gebouw gebouwd in Chicago in 1891 had muren 6 ft (1,8 m) dik aan de basis. De noodzaak voor zeer dikke muren werd geëlimineerd met de uitvinding van een stalen frameconstructie, waarbij een stijf stalen skelet het gewicht van het gebouw ondersteunt, en de buitenmuren slechts aan het frame worden opgehangen, bijna als gordijnen. Het eerste gebouw dat dit ontwerp gebruikte, was het 10 verdiepingen tellende Home Insurance Company Building, dat in 1885 in Chicago werd gebouwd.

Het 792 ft (242 m) hoge Woolworth Building, gebouwd in New York City in 1913, combineerde eerst alle componenten van een echte wolkenkrabber. Het stalen skelet verrees van een fundament ondersteund door betonnen pilaren die zich uitstrekten tot aan het gesteente (een laag solide rots die sterk genoeg is om het gebouw te dragen), het frame was geschoord om de verwachte windkrachten te weerstaan, en de hogesnelheidsliften zorgden voor zowel lokale als expresdienst naar de 60 verdiepingen.

In 1931 verrees het Empire State Building in New York City als een uitroepteken van 381 meter hoog. Het zou 41 jaar lang het hoogste kantoorgebouw ter wereld blijven. In 2000 zouden slechts zes andere gebouwen ter wereld zijn hoogte overtreffen.

Grondstoffen

Gewapend beton is een belangrijk onderdeel van wolkenkrabbers. Het bestaat uit beton (een mengsel van water, cementpoeder en aggregaat bestaande uit grind of zand) dat is gegoten rond een raster van stalen staven (rebar genoemd) die het gedroogde beton zal versterken tegen buigbewegingen veroorzaakt door de wind. Beton is van nature sterk onder drukkrachten; het enorme verwachte gewicht van de Petronas Towers bracht ontwerpers er echter toe een nieuw type beton te specificeren dat meer dan twee keer zo sterk was als normaal. Dit zeer sterke materiaal werd bereikt door zeer fijne deeltjes toe te voegen aan de gebruikelijke betoningrediënten; het grotere oppervlak van deze kleine deeltjes zorgde voor een sterkere binding.

De andere primaire grondstof voor de constructie van wolkenkrabbers is staal, een legering van ijzer en koolstof. Nabijgelegen gebouwen beperken vaak de hoeveelheid beschikbare ruimte voor bouwactiviteiten en voorraadopslag, dus stalen balken van gespecificeerde afmetingen en vormen worden op de locatie afgeleverd net zoals ze nodig zijn voor plaatsing. Voor levering worden de balken gecoat met een mengsel van gips en vermiculiet (mica dat door warmte is geëxpandeerd om sponsachtige deeltjes te vormen) om ze te beschermen tegen corrosie en hitte. Nadat elke balk op zijn plaats is gelast, worden de verse verbindingen gespoten met hetzelfde coatingmateriaal. Een extra isolatielaag, zoals een met aluminiumfolie bedekte glasvezelvulling, kan dan om de balken worden gewikkeld.

Om de beste kwaliteiten van beton en staal te maximaliseren, worden ze vaak samen gebruikt in de bouw van wolkenkrabbers. Een steunkolom kan bijvoorbeeld worden gevormd door beton rond een stalen balk te storten.

Een verscheidenheid aan materialen wordt gebruikt om het frame van de wolkenkrabber te bedekken. Bekend als "bekleding", kunnen de platen die de buitenmuren vormen, bestaan ​​​​uit glas, metalen, zoals aluminium of roestvrij staal, of metselwerk, zoals graniet, marmer of kalksteen.

Ontwerp

Ontwerpingenieurs vertalen de visie van de architect op het gebouw in een gedetailleerd plan dat structureel verantwoord en realiseerbaar is.

Het ontwerpen van een laagbouw omvat het creëren van een structuur die zijn eigen gewicht (de dode belasting genoemd) en het gewicht van de mensen en meubels die het zal bevatten (de levende belasting) kan dragen. Voor een wolkenkrabber beïnvloedt de zijdelingse windkracht de structuur meer dan het gewicht van het gebouw en de inhoud ervan. De ontwerper moet ervoor zorgen dat het gebouw niet omvalt door een harde wind, en ook dat het niet genoeg zal schommelen om de bewoners fysiek of emotioneel ongemak te bezorgen.

Elk wolkenkrabberontwerp is uniek. Belangrijke structurele elementen die alleen of in combinatie kunnen worden gebruikt, zijn onder meer een staalskelet verborgen achter niet-dragende vliesgevels, een gewapend betonskelet dat is opgevuld met bekledingspanelen om de buitenmuren te vormen, een centrale betonkern (open kolom ) groot genoeg om liftschachten en andere mechanische componenten te bevatten, en een reeks steunkolommen rond de omtrek van het gebouw die door horizontale balken met elkaar en met de kern zijn verbonden.

Omdat elk ontwerp innovatief is, worden modellen van voorgestelde superhoge gebouwen getest in windtunnels om het effect van harde wind daarop te bepalen, en ook het effect op omliggende gebouwen van windpatronen veroorzaakt door het nieuwe gebouw. Als uit tests blijkt dat het gebouw bij harde wind overmatig gaat slingeren, Een voorbeeld van een ontwerp op de begane grond van een wolkenkrabber en een constructief frame. ontwerpers kunnen mechanische apparaten toevoegen die beweging tegengaan of beperken.

Naast de bovenbouw moeten ontwerpers ook geschikte mechanische systemen plannen, zoals liften die mensen snel en comfortabel verplaatsen, luchtcirculatiesystemen en sanitair.

Het bouwproces

Elke wolkenkrabber is een unieke structuur die is ontworpen om te voldoen aan fysieke beperkingen opgelegd door factoren zoals geologie en klimaat, te voldoen aan de behoeften van de huurders en te voldoen aan de esthetische doelstellingen van de eigenaar en de architect. Ook het bouwproces is voor elk gebouw uniek. De volgende stappen geven een algemeen beeld van de meest voorkomende constructietechnieken.

De onderbouw

• 1 De bouw begint meestal met het graven van een kuil die de fundering zal houden. De diepte van de put hangt af van hoe ver de bodem naar beneden ligt en hoeveel kelderniveaus het gebouw zal hebben. Om beweging van de omringende grond te voorkomen en het water rondom de funderingsplaats af te sluiten, kan voor het graven van de put een diepwand worden aangebracht. Dit wordt gedaan door een diepe, smalle greppel rond de omtrek van de geplande put te graven; terwijl de greppel wordt gegraven, wordt deze gevuld met slurry (waterige klei) om te voorkomen dat de muren instorten. Wanneer een deel van de greppel de gewenste diepte bereikt, wordt er een kooi van wapeningsstaal in neergelaten. Beton wordt vervolgens in de greppel gepompt, waardoor de lichtere slurry wordt verplaatst. De slurry wordt teruggewonnen en opnieuw gebruikt in andere delen van de sleuf.
• 2 In sommige gevallen ligt gesteente dicht bij het oppervlak. De grond bovenop het gesteente wordt verwijderd en voldoende van het gesteenteoppervlak wordt verwijderd om een ​​glad, vlak platform te vormen waarop de fundering van het gebouw kan worden gebouwd. Funderingen (gaten waarin de steunkolommen van het gebouw kunnen worden verankerd) worden in het gesteente gestraald of geboord. In de funderingen worden stalen of gewapend betonnen kolommen geplaatst.
• 3 Als het gesteente erg diep ligt, worden palen (verticale balken) door de grond verzonken totdat ze in het gesteente zijn ingebed. Eén techniek houdt in dat stalen palen op hun plaats worden geslagen door herhaaldelijk een zwaar gewicht op hun toppen te laten vallen. Een andere techniek omvat het boren van schachten door de grond en in het gesteente, het inbrengen van stalen wapeningsstaven en het vullen van de schachten met beton.

  A. Membraanwand. B. Voeten. C. Eén type fundering voor een wolkenkrabber maakt gebruik van stalen palen om de fundering op de grond te bevestigen. D. De slipvormmethode voor het storten van beton.

• 4 Bovenop de steunkolommen wordt een funderingsplatform van gewapend beton gestort.

De bovenbouw en kern

Zodra de bouw van een wolkenkrabber aan de gang is, wordt gelijktijdig aan verschillende fasen van de constructie gewerkt. Tegen de tijd dat de steunkolommen bijvoorbeeld meerdere verdiepingen hoog zijn, beginnen arbeiders met het bouwen van vloeren voor de lagere verdiepingen. Naarmate de kolommen hoger reiken, gaan de vloerploegen ook naar hogere verdiepingen en beginnen de afwerkingsploegen op de laagste niveaus te werken. Het overlappen van deze fasen zorgt niet alleen voor een efficiënt gebruik van de tijd, maar zorgt er ook voor dat de constructie stabiel blijft tijdens de bouw.

• 5 Als in het gebouw stalen kolommen en dwarsverbanden worden gebruikt, wordt elke balk met een kraan op zijn plaats getild. Aanvankelijk staat de kraan op de grond; later kan het op het hoogste bestaande niveau van het staalskelet zelf worden geplaatst. Geschoolde arbeiders ofwel bouten of lassen het uiteinde van de balk op zijn plaats (klinknagels zijn niet meer gebruikt sinds de jaren 1950). De balk wordt vervolgens omwikkeld met een isolerende mantel om te voorkomen dat deze oververhit raakt en verzwakt in geval van brand. Als alternatieve warmtebeschermende maatregel in sommige gebouwen bestaan ​​de stalen liggers uit holle buizen; wanneer de bovenbouw is voltooid, worden de buizen gevuld met water, dat gedurende de hele levensduur van het gebouw continu wordt gecirculeerd.
• 6 Beton wordt vaak gebruikt voor het bouwen van de kern van een gebouw en het kan ook worden gebruikt om steunkolommen te bouwen. Een techniek genaamd "slipforming" wordt vaak gebruikt. Houten vormen van de gewenste vorm zijn bevestigd aan een stalen frame, dat is verbonden met een klimkrik die een verticale stang vasthoudt. Werknemers bereiden een stuk wapeningsstaal voor dat groter is dan de houten vormen. Daarna beginnen ze beton in de vormen te storten. Terwijl het beton wordt gestort, heft de klimvijzel de bekisting langzaam en continu omhoog. De samenstelling van het betonmengsel en de klimsnelheid zijn op elkaar afgestemd, zodat het beton in het onderste bereik van de vorm is uitgehard voordat de vorm erboven uitstijgt. Naarmate het proces vordert, verlengen werknemers het wapeningsstalen rooster dat zich boven de bekisting uitstrekt en voegen ze verlengingen toe aan de verticale staaf die de klimkrik grijpt. Op deze manier wordt de gehele betonkolom opgebouwd als een doorlopend verticaal element zonder voegen.
• 7 In een gebouw met stalen skelet worden vloeren gebouwd op de lagen horizontale schoren. In andere gebouwontwerpen worden vloeren ondersteund door horizontale stalen balken die zijn bevestigd aan de kern van het gebouw en/of steunkolommen. Stalen vlonders (panelen van dun, gegolfd staal) worden op de balken gelegd en op hun plaats gelast. Een laag beton, ongeveer 2-4 inch (5-10 cm) dik, wordt op het terras gegoten om de vloer te voltooien.

Het Empire State Building.

Het Empire State Building was bedoeld om de competitie voor het hoogste gebouw te beëindigen. Het zou 102 verdiepingen, 381 m boven de straten van Manhattan uittorenen. De ontwikkelaars, John J. Raskob en Pierre Samuel Du Pont, kondigden in augustus 1929, samen met de voormalige gouverneur van New York, Alfred E. Smith, hun voornemen aan om het hoogste gebouw ter wereld te bouwen. Ze kozen het bouwbedrijf Starrett Brothers en Eken en het architectenbureau Shreve, Lamb en Harmon voor het project met William F. Lamb als hoofdontwerper. Het bevindt zich vanaf de straat boven de vijfde verdieping en zweeft dan ononderbroken meer dan 305 m naar de 86e verdieping. De buitenkant is van kalksteen en graniet en verticale kolommen van chroom-nikkel-staallegeringen strekken zich uit van de zesde verdieping naar de top. Het gebouw bevatte 67 liften en 6.500 glazen ramen, bekroond met een 200 ft (61 m) afmeermast voor luchtschepen.

Het Empire State Building werd voltooid op 11 april 1931, 12 dagen eerder dan gepland en werd officieel geopend op 1 mei 1931. Het gebouw nam zijn plaats in de geschiedenis in als het hoogste gebouw ooit gebouwd, en heeft deze titel meer dan 40 jaar behouden. Pas in 1972, toen de 411 m hoge tweelingtorens van het World Trade Center werden voltooid, werd het Empire State Building in hoogte overtroffen. Het World Trade Center werd op zijn beurt in 1974 overtroffen door de Sears Tower in Chicago, die met een hoogte van 443 mj het hoogste gebouw ter wereld werd.

De buitenkant

• 8 In de meeste hoge gebouwen wordt het gewicht van de constructie en de inhoud gedragen door de steunkolommen en de kern van het gebouw. De buitenmuren zelf omsluiten slechts de structuur. Ze worden geconstrueerd door panelen van materialen als glas, metaal en steen aan het raamwerk van het gebouw te bevestigen. Een veelgebruikte techniek is om ze vast te schroeven aan hoekbeugels die zijn bevestigd aan vloerplaten of steunkolommen.

Afwerking

• 9 Wanneer een verhaal van het gebouw is omsloten door buitenmuren, is het klaar voor binnenafwerking. Dit omvat de installatie van elementen zoals elektrische draden, telefoondraden, sanitaire leidingen, binnenmuren, plafondpanelen, sanitair, verlichtingsarmaturen en sprinklersystemen voor brandbestrijding. Het omvat ook de installatie van mechanische componenten zoals liften en systemen voor luchtcirculatie, koeling en verwarming.
• 10 Wanneer de gehele bovenbouw is voltooid, wordt de bovenkant van het gebouw afgewerkt door het plaatsen van een dak. Dit kan net als een vloer worden gebouwd en vervolgens worden waterdicht gemaakt met een laag rubber of plastic voordat het wordt bedekt met een aantrekkelijke, weerbestendige laag tegels of metaal.

Kwaliteitscontrole

Bij het waarborgen van de kwaliteitscontrole wordt rekening gehouden met verschillende factoren. Vanwege de enorme schaal van wolkenkrabbers, zal een kleine positioneringsfout aan de basis worden vergroot wanneer deze tot aan het dak wordt uitgebreid. Naast normale landmeetkundige instrumenten kunnen ongebruikelijke apparaten zoals GPS-sensoren (Global Positioning System) en vliegtuigbommenrichters worden gebruikt om de plaatsing en uitlijning van structurele onderdelen te verifiëren.

Met bodemsensoren rondom de bouwplaats worden eventuele onverwachte grondbewegingen als gevolg van de bouwactiviteit gedetecteerd.

Bijproducten/afval

Bij het uitgraven van de funderingsput en kelderverdiepingen moeten enorme hoeveelheden vuil worden verwijderd. Toen de 110 verdiepingen tellende World Trade Center-torens in het begin van de jaren zeventig in New York werden gebouwd, werd meer dan 1 miljoen kubieke meter (765.000 kubieke meter) grond en gesteente verwijderd en in de Hudson River gedumpt om 23,5 acres (95.100 vierkante meter) te creëren. ) van nieuw land, waarop later een andere wolkenkrabber werd gebouwd.

De Toekomst

Er zijn plannen ontwikkeld voor verschillende nieuwe wolkenkrabbers die bestaande hoogterecords zouden breken. Een gebouw met 108 verdiepingen aan South Dearborn Street 7 in Chicago, dat naar verwachting in 2004 klaar zal zijn, zal bijvoorbeeld 473 m hoog zijn. Het zal 43 acres (174.000 vierkante meter) afgesloten ruimte bieden op een perceel van slechts 200 ft (61 m) vierkant.

In 1956 kondigde de Amerikaanse architect Frank Lloyd Wright plannen aan voor een 1,6 kilometer hoge wolkenkrabber waarin 100.000 mensen zouden kunnen werken. In 1991 ontwierp een andere Amerikaanse architect, Dr. Eugene Tsui, een 3220 meter hoog gebouw dat ruimte zou bieden voor wonen, werken en recreëren voor 1.000.000 mensen. Hoewel dergelijke gebouwen theoretisch bouwbaar kunnen zijn, zijn ze momenteel onpraktisch. Zo beperken menselijke comfortniveaus liftsnelheden tot niet meer dan 3.000 ft/min (915 m/min). Om plaats te bieden aan de 100.000 mensen die in de voorgestelde structuur van Wright werken, zou het aantal liftschachten een te groot deel van de oppervlakte van het gebouw in beslag nemen.

Verbeteringen in de lifttechnologie zullen belangrijk zijn voor toekomstige wolkenkrabberontwerpen. Zelfrijdende, kabelloze liftkooien die zowel horizontaal als verticaal bewegen, zijn voorgesteld, maar zijn nog in ontwikkeling. Geautomatiseerde auto-dispatchsystemen die gebruik maken van fuzzy logic zouden kunnen worden verfijnd om mensen efficiënter te vervoeren door passagiers te groeperen waarvan de bestemmingen dicht bij elkaar liggen.