Wat Definieert Een Wolkenkrabber? Inzicht Van Architect T.J. Gottesdiener

Historische Achtergrond

Er is geen precieze definitie van hoeveel verdiepingen of welke hoogte een gebouw een wolkenkrabber maakt. "Ik denk niet dat het gaat om hoeveel verdiepingen je hebt. Ik denk dat het een houding is," zei architect T.J. Gottesdiener tegen de Christian Science Monitor. Gottesdiener, partner in het bureau Skidmore, Owings & Merrill, ontwerpers van talloze hoge gebouwen waaronder de Sears Tower in Chicago, Illinois, vervolgde: "Wat is een wolkenkrabber? Het is alles wat je doet stoppen, staan, je nek naar achteren knikken, en omhoog kijken."

Sommige waarnemers passen het woord "wolkenkrabber" toe op gebouwen van ten minste 20 verdiepingen. Anderen reserveren de term voor structuren van ten minste 50 verdiepingen. Maar het is breed geaccepteerd dat een wolkenkrabber past bij gebouwen met 100 of meer verdiepingen. Op 102 verdiepingen bereikt de Empire State Building in New York een bezette hoogte van 1.224 ft (373 m), en de spits, het getapere deel bovenop een gebouwdak, stijgt nog eens 230 ft (70 m). Slechts 25 gebouwen over de wereld staan hoger dan 1.000 ft (300 m), hun spitsen tellend, maar niet antennes erboven.

De hoogste vrijstaande structuur ter wereld is de CN Tower in Toronto, Canada, die uitsteekt tot een hoogte van 1.815 ft (553 m); gebouwd om een televisie-antenne te ondersteunen, is de toren niet ontworpen voor menselijke bezetting, behalve voor een restaurant en waarnemingsdek op 1.100 ft (335 m). De hoogst bezette structuur ter wereld zijn de Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, Maleisië, die een hoogte van 1.483 ft (452 m) bereiken, inclusief spitsen. De Sears Tower in Chicago heeft het hoogst bezette niveau; het dak van de 110e verdieping staat op 1.453 ft (443 m).

Op sommige manieren zijn super-hoge gebouwen niet praktisch. Het is goedkoper om twee half-hoogte gebouwen te bouwen dan één erg hoog. Ontwikkelaars moeten huurders vinden voor enorme hoeveelheden ruimte op één locatie; bijvoorbeeld omvat de Sears Tower 4,5 miljoen vierkante voet (415.000 vierkante meter). Aan de andere kant moeten ontwikkelaars in overbevolkte steden het maximaal mogelijke gebruik maken van beperkte hoeveelheden beschikbare grond. Niettemin, de beslissing om een dramatisch hoog gebouw te bouwen is meestal niet gebaseerd op economie, maar op de wens om aandacht te trekken en prestige te winnen.

Geschiedenis

Verschillende technologische vooruitgang traden op in de late negentiende eeuw die gecombineerd maakten wolkenkrabberontwerp en -bouw mogelijk. Daaronder waren de mogelijkheid om staal massaal te produceren, de uitvinding van veilige en efficiënte liften, en de ontwikkeling van verbeterde technieken voor het meten en analyseren van structurele belasting en spanningen. Tijdens de jaren '20 en '30 werd wolkenkrabberontwikkeling verder gespierd door de uitvinding van booglassen en fluorescentelampen (hun heldere licht liet mensen verder van ramen werken en produceerde minder warmte dan gloeilampen).

Traditioneel ondersteunden de muren van een gebouw de structuur; hoe hoger de structuur, hoe dikker de muren moesten zijn. Een 16-verdiepingen gebouw gebouwd in Chicago in 1891 had muren 6 ft (1,8 m) dik aan de basis. De behoefte aan erg dikke muren werd geëlimineerd met de uitvinding van staalframe constructie, waarin een rigid staalskelet het gewicht van het gebouw ondersteunt, en de buitenmuren slechts van het frame hangen bijna als gordijnen. Het eerste gebouw dat dit ontwerp gebruikte was de 10-verdiepingen Home Insurance Company Building, gebouwd in Chicago in 1885.

De 792-ft (242-m) hoge Woolworth Building, opgevoerd in New York City in 1913, combineerde als eerste alle componenten van een echte wolkenkrabber. Het staalskelet steeg uit een fundering ondersteund op betonnen pilaren die tot de grondrots uitstrekkten (een laag vast gesteente sterk genoeg om het gebouw te ondersteunen), het frame was verstevigd om verwachte windkrachten te weerstaan, en de hogesnelheidsliften boden zowel lokale als express dienst aan de 60 verdiepingen.

In 1931 steeg de Empire State Building in New York City als een 1.250-ft (381-m) uitroepteken. Het zou 41 jaar de hoogste kantoorgebouw ter wereld blijven. In 2000 zouden er slechts zes andere gebouwen in de wereld zijn die de hoogte overtroffen.

Grondstoffen

Geweekeerd beton is een belangrijk onderdeel van wolkenkrabben. Het bestaat uit beton (een mengsel van water, cementpoeder, en granulaten bestaande uit grind of zand) gegoten om een rooster van staalstaven (genaamd wapeningsstaal) die het gedroogde beton tegen buigbeweging door wind versterkt. Beton is van nature sterk onder drukrachten; echter, het enorme geprojecteerde gewicht van de Petronas Towers leidde ontwerpers om een nieuw type beton te specificeren dat meer dan tweemaal zo sterk was als gebruikelijk. Deze hoge sterkte werd bereikt door heel fijn deeltjes toe te voegen aan de gebruikelijke betoningrediënten; de verhoogde oppervlakte van deze minuscule deeltjes produceerde een sterkere binding.

De andere primaire grondstof voor wolkenkrabberconstructie is staal, een legering van ijzer en koolstof. Nabije gebouwen beperken vaak de hoeveelheid ruimte beschikbaar voor bouwactiviteit en voorraadsopslag, dus staalbalken van gespecificeerde afmetingen en vormen worden net op tijd voor plaatsing aan de locatie geleverd. Voor levering worden de balken gecoat met een mengsel van stuc en vermiculiet (glimmer dat door hitte is geëxpandeerd om sponsachtige deeltjes te vormen) om ze te beschermen tegen corrosie en hitte. Na het lassen van elke balk in plaats, worden de verse lassen besproeid met hetzelfde coatingmateriaal. Een extra laag isolatie, zoals glasvezelmatten bedekt met aluminiumfolie, kan dan om de balken gewikkeld worden.

Om de beste kwaliteiten van beton en staal te maximaliseren, worden ze vaak samen gebruikt in wolkenkrabberconstructie. Bijvoorbeeld, een steunkolom kan gevormd worden door beton te gieten om een staalbalk.

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

Ontwerp

Ontwerpingenieurs vertalen de architectvisie van het gebouw in een gedetailleerd plan dat structureel klank en bouwbaar zal zijn.

Het ontwerpen van een laagbouwgebouw omvat het creëren van een structuur die het eigen gewicht (doodlast genoemd) en het gewicht van de mensen en meubels die het zal bevatten (levende last) zal ondersteunen. Voor een wolkenkrabber beïnvloedt de zijwaartse kracht van wind de structuur meer dan het gewicht van het gebouw en zijn inhoud. De ontwerper moet ervoor zorgen dat het gebouw niet door een harde wind omgewaaid zal worden, en ook dat het niet genoeg zal zwaaien om de bewoners fysieke of emotionele ongemak te veroorzaken.

Elk wolkenkrabberontwerp is uniek. Hoofdstructurele elementen die alleen of in combinatie gebruikt kunnen worden omvatten een staalskelet verborgen achter niet-dragende gordijnmuren, een geweekeerd betonskelet dat ingevuld is met bekledingspanelen om de buitenmuren te vormen, een centrale betonkern (open kolom) groot genoeg om liftsschachten en andere mechanische componenten te bevatten, en een reeks steunkolommen rond de omtrek van het gebouw die verbonden zijn met horizontale balken met elkaar en met de kern.

Omdat elk ontwerp innovatief is, worden modellen van voorgestelde super hoge gebouwen in windtunnels getest om het effect van hoge wind op ze te bepalen, en ook het effect op omringende gebouwen van windpatronen veroorzaakt door het nieuwe gebouw. Als testen tonen dat het gebouw excessief zal zwaaien in harde wind, Een voorbeeld van een wolkenkrabber beganegrond ontwerp en 6uilding frame. kunnen ontwerpers mechanische apparaten toevoegen die beweging tegenwerken of beperken.

Naast de superstructuur moeten ontwerpers ook geschikte mechanische systemen plannen zoals liften die mensen snel en comfortabel verplaatsen, luchtcirculatie systemen, en riolering.

Het Bouwproces

Elke wolkenkrabber is een unieke structuur ontworpen om te voldoen aan fysieke beperkingen opgelegd door factoren zoals geologie en klimaat, aan de behoeften van huurders te voldoen, en aan de esthetische doelen van de eigenaar en de architect. Het bouwproces voor elk gebouw is ook uniek. De volgende stappen geven een algemeen idee van de meest gangbare bouwtechnieken.

De Onderstructuur

• 1 Bouw begint meestal met het uitgraven van een put die de fundering zal bevatten. De diepte van de put hangt af van hoe diep de grondrots ligt en hoeveel kelderverdiepingen het gebouw zal hebben. Om beweging van de omringende grond te voorkomen en water van rond de funderingslocatie af te dichten, kan een schermwand worden geconstrueerd voordat de put wordt uitgegraven. Dit wordt gedaan door een diepe, smalle gracht rond de omtrek van de geplande put te graven; terwijl de gracht wordt gegraven, wordt deze gevuld met slurry (waterige klei) om de muren tegen instorting te beschermen. Wanneer een sectie van de gracht de gewenste diepte bereikt, wordt een kooi van wapeningsstaal erin gelaten. Beton wordt dan in de gracht gepompt, de lichtere slurry verdringend. De slurry wordt hersteld en opnieuw gebruikt in andere secties van de gracht.
• 2 In sommige gevallen ligt de grondrots dicht bij het oppervlak. De grond op de grondrots wordt verwijderd, en voldoende van het grondrotsoppervlak wordt verwijderd om een glad, vlak platform te vormen waarop de fundering van het gebouw geconstrueerd kan worden. Funderingen (gaten waarin de steunkolommen van het gebouw geankerd kunnen worden) worden in de grondrots geblast of geboord. Staal of geweekeerde betonkolommen worden in de funderingen geplaatst.
• 3 Als de grondrots erg diep ligt, worden palen (verticale balken) door de grond gezonken tot ze in de grondrots verankerd zijn. Een techniek omvat het drijven van staalpalen door herhaaldelijk een zwaar gewicht op hun toplen te laten vallen. Een andere techniek omvat het boren van schachten door de grond en in de grondrots, het invoegen van wapeningsstaven, en het vullen van de schachten met beton.

  A. Schermwand. B. Fundering. C. Een type fundering voor een wolkenkrabber gebruikt staalpalen om de fundering aan de grond te bevestigen. D. De glijvorm methode van beton gieten.

• 4 Een funderingsplatform van geweekeerd beton wordt bovenop de steunkolommen gegoten.

De Bovenstructuur en Kern

Eenmaal de bouw van een wolkenkrabber gaande is, gaat werk aan verschillende fasen van de structuur tegelijkertijd door. Bijvoorbeeld, op het moment dat de steunkolommen verschillende verdiepingen hoog zijn, beginnen werknemers vloeren te bouwen voor de lagere verdiepingen. Naarmate de kolommen hoger reiken, verhuizen de vloerteams naar hogere verdiepingen, evenals afwerkingsploegen beginnen te werken op de laagste niveaus. Het overlappen van deze fasen maakt niet alleen het meest efficiënte gebruik van tijd, maar zorgt er ook voor dat de structuur stabiel blijft tijdens de bouw.

• 5 Als staalkolommen en kruisversterking in het gebouw gebruikt worden, wordt elke balk door een kraan in plaats getild. Initieel zit de kraan op de grond; later kan deze op het hoogst bestaande niveau van het staalskelet zelf gepositioneerd worden. Vakkundige werknemers bouten of lassen het einde van de balk in plaats (rietjes zijn niet meer gebruikt sinds de jaren '50). De balk wordt dan omhuld met een isolerende jas om oververhitting en verzwakking bij brand te voorkomen. Als alternatieve hittebeschermingsmaatregel in sommige gebouwen, bestaan de staalkolommen uit holle buizen; wanneer de bovenstructuur voltooid is, worden de buizen met water gevuld, dat continu door de levensduur van het gebouw circuleert.
• 6 Beton wordt vaak gebruikt voor het bouwen van de kern van een gebouw, en kan ook gebruikt worden voor steunkolommen. Een techniek genaamd "glijvormen" wordt gemeenschappelijk gebruikt. Houten vormen van de gewenste vorm worden bevestigd aan een staalframe, dat verbonden is met een klimhefboom die een verticale staaf grijpt. Werknemers bereiden een sectie wapeningsstaal voor die hoger is dan de houten vormen. Dan beginnen ze beton in de vormen te gieten. Terwijl het beton wordt gegoten, tillen de klimhefboom de vormwerk langzaam en continu op. De samenstelling van het betonmengsel en de klimsnelheid zijn gecoördineerd zodat het beton aan de lagere reeks van de vorm is uitgehard voordat de vorm erboven stijgt. Naarmate het proces voortgaat, verlengen werknemers het wapeningsrooster dat boven de vormwerk uitsteekt en voegen extensies toe aan de verticale staaf die de klimhefboom grijpt. Op deze manier wordt de hele betonkolom als een continu verticaal element zonder voegen gebouwd.
• 7 In een staalskelet gebouw worden vloeren geconstrueerd op de lagen horizontale versterking. In andere gebouwontwerpen worden vloeren ondersteund door horizontale staalbalken bevestigd aan de kern van het gebouw en/of steunkolommen. Staaldekking (panelen van dun, golvend staal) wordt op de balken gelegd en in plaats gelast. Een laag beton, ongeveer 2-4 in (5-10 cm) dik, wordt op de dekking gegoten om de vloer te voltooien.

De Empire State Building.

De Empire State Building was bedoeld om de competitie voor hoogste gebouw te beëindigen. Het was om 102 verdiepingen, 1.250 ft (381 m) boven Manhattans straten te torenen. De ontwikkelaars, John J. Raskob en Pierre Samuel Du Pont, samen met voormalig New York Gouverneur Alfred E. Smith, kondigden in augustus 1929 hun intentie aan om het hoogste gebouw ter wereld te bouwen. Ze kozen de bouwfirma Starrett Brothers en Eken, en het architectenbureau Shreve, Lamb, en Harmon voor het project met William F. Lamb als hoofdontwerper. Het is ingesteld vanaf de straat boven de vijfde verdieping en stijgt dan ononderbroken meer dan 1.000 ft (305 m) tot de 86e verdieping. Het exterieur is kalksteen en graniet en verticale chroom-nikkel-staal legeringskolommen strekken zich uit van de zesde verdieping tot de top. Het gebouw bevatte 67 liften en 6.500 glas ramen, getopt met een 200-ft (61-m) meermast voor luchtballonnen.

De Empire State Building werd voltooid op 11 april 1931, 12 dagen voor schema en officieel geopend op 1 mei 1931. Het bouwwerk nam zijn plaats in de geschiedenis in als het ooit gebouwde hoogste gebouw, deze titel houdend voor meer dan 40 jaar. Het was pas in 1972, toen de 1.348-ft (411-m) hoge tweelingtorens van het World Trade Center voltooid werden, dat de Empire State Building in hoogte overstegen werd. Het World Trade Center werd op zijn beurt in 1974 overstegen door de Sears Tower in Chicago, die op 1.453 ft (443 m) het hoogste gebouw ter wereld werd.

Het Exterieur

• 8 In de meeste hoge gebouwen wordt het gewicht van de structuur en zijn inhoud gedragen door de steunkolommen en de kern van het gebouw. De buitenmuren zelf sluiten de structuur slechts in. Ze worden geconstrueerd door panelen van materialen zoals glas, metaal en steen aan het frame van het gebouw te bevestigen. Een gangbare techniek is ze aan hoekhaakjes te bouten bevestigd aan vloerplaten of steunkolommen.

Afwerking

• 9 Wanneer een verdieping van het gebouw door buitenmuren is omhuld, is het klaar voor interieurafwerking. Dit omvat installatie van elementen als elektrische draden, telefoondraden, rioleringspijpen, binnenmuren, plafondpanelen, badkamertoestellen, verlichtingstoestellen, en sprinklerinstallaties voor brandbestrijding. Het omvat ook installatie van mechanische componenten zoals liften en systemen voor luchtcirculatie, koeling en verwarming.
• 10 Wanneer de gehele bovenstructuur voltooid is, wordt de top van het gebouw afgewerkt door een dak te installeren. Dit kan veel op een vloer lijken, en dan waterdicht gemaakt worden met een laag rubber of plastic voordat het bedekt wordt met een aantrekkelijke, weerbestendige laag tegels of metaal.

Kwaliteitscontrole

Verschillende factoren worden in overweging genomen bij het waarborgen van kwaliteitscontrole. Vanwege de enorme schaal van wolkenkrabben, zal een kleine positioneringsfout aan de basis vergroot worden wanneer uitgebreid naar het dak. Naast normale meetinstrumenten, kunnen ongewone apparaten zoals global positioning system (GPS) sensoren en vliegtuigbomkijkers gebruikt worden om de plaatsing en uitlijning van structurele leden te verifiëren.

Bodemsensoren rond de bouwlocatie worden gebruikt om onverwachte aardbevingen veroorzaakt door de bouwactiviteit te detecteren.

Bijproducten/Afval

Uitgraving van de funderingsput en kelderverdiepingen vereist de verwijdering van enorme hoeveelheden grond. Toen de 110-verdiepingen World Trade Center torens in de vroege jaren '70 in New York gebouwd werden, werden meer dan 1 miljoen kubieke yard (765.000 kubieke meter) grond en gesteente verwijderd en in de Hudson River gedumpt om 23,5 acre (95.100 vierkante meter) nieuw land te creëren, waarop later een andere wolkenkrabber geconstrueerd werd.

De Toekomst

Plannen zijn ontwikkeld voor verschillende nieuwe wolkenkrabben die bestaande hoogterekorden zouden breken. Bijvoorbeeld, een 108-verdiepingen gebouw op 7 South Dearborn Street in Chicago, verwacht te worden voltooid in 2004, zal 1.550 ft (473 m) hoog zijn. Het zal 43 acre (174.000 vierkante meter) gesloten ruimte bieden op een perceel van slechts 200 ft (61 m) vierkant.

In 1955 kondigde de Amerikaanse architect Frank Lloyd Wright plannen aan voor een mijl-hoge (1,6 km hoge) wolkenkrabber waarin 100.000 mensen zouden kunnen werken. In 1991 ontwierp een andere Amerikaanse architect, Dr. Eugene Tsui, een 2-mijl (3.220 m) hoog gebouw dat ruimte zou bieden voor wonen, werken en recreatie voor 1.000.000 mensen. Hoewel dergelijke gebouwen theoretisch bouwbaar kunnen zijn, zijn ze momenteel impractisch. Bijvoorbeeld, menselijke comfortniveaus beperken liftssnelheden tot niet meer dan 3.000 ft/min (915 m/min). Om de 100.000 mensen te accommoderen die in Wright's voorgestelde structuur zouden werken, zou het aantal liftschachten te groot een deel van de gebouwoppervlakte innemen.

Verbeteringen in lifttechnologie zullen belangrijk zijn voor toekomstige wolkenkrabberontwerpen. Zelf-aangedreven, kabel-loze liftkabines die horizontaal en verticaal bewegen, zijn voorgesteld, maar nog in ontwikkeling. Gecomputeriseerde kabineversturingsystemen met fuzzy logic kunnen verfijnd worden om mensen efficiënter te vervoeren door passagiers wier bestemmingen dicht bij elkaar liggen te groeperen.