Hoe Wolkenkrabbers Werken

{h1}

Mensen bouwen wolkenkrabbers voornamelijk omdat ze handig zijn - je kunt veel onroerend goed creëren op een relatief klein grondoppervlak. Ze zijn ook ontzagwekkend. Wolkenkrabbers vangen onze verbeelding - hoe hoog kunnen we ze bouwen? Meer informatie over de architectuur en het ontwerp van deze monumentale gebouwen.

Gedurende de geschiedenis van de architectuur is er een voortdurende zoektocht naar lengte geweest. Duizenden arbeiders zwoegden op de piramides van het oude Egypte, de kathedralen van Europa en talloze andere torens, allemaal strevend om iets ontzagwekkend te creëren.

Mensen bouwen wolkenkrabbers voornamelijk omdat ze handig zijn - je kunt veel onroerend goed creëren op een relatief klein grondoppervlak. Maar ego en grootsheid spelen soms een belangrijke rol in de omvang van de constructie, net als in eerdere beschavingen.

Tot relatief kort geleden konden we alleen zo hoog komen. Na een bepaald punt was het gewoon niet haalbaar om verder te bouwen. Aan het eind van de negentiende eeuw heeft de nieuwe technologie deze limieten opnieuw gedefinieerd. Plotseling was het mogelijk om te leven en te werken in kolossale torens, honderden meters boven de grond.

In dit artikel zullen we kijken naar de innovaties die deze ongelooflijke structuren mogelijk hebben gemaakt. We zullen de belangrijkste architectuurkwesties onderzoeken die betrokken zijn bij het houden van wolkenkrabbers, evenals de ontwerpkwesties die betrokken zijn bij het praktisch maken ervan. Ten slotte zullen we de toekomst van wolkenkrabbers bekijken om uit te zoeken hoe hoog we kunnen gaan.

Vervolgens bespreken we hoe wolkenkrabbers de zwaartekracht trotseren.

Gravitatie bestrijden

De twee torens in het World Trade Center van New York waren 1.360 voet lang (415 meter), met in hun kern een massieve stalen truss.

De twee torens in het World Trade Center van New York waren 1.360 voet lang (415 meter), met in hun kern een massieve stalen truss.

Het belangrijkste obstakel bij het bouwen naar boven is de neerwaartse aantrekkingskracht van zwaartekracht. Stel je voor dat je een vriend op je schouders draagt. Als de persoon redelijk licht is, kun je hem vrij goed zelf ondersteunen. Maar als je een andere persoon op de schouders van je vriend zou zetten (bouw je toren hoger), zou het gewicht waarschijnlijk te zwaar zijn om alleen te dragen. Om een ​​toren te maken die 'meerdere mensen hoog is', heb je meer mensen nodig op de bodem om het gewicht van iedereen hierboven te ondersteunen.

Dit is hoe "cheerleader piramides" werken, en het is ook hoe echte piramides en andere stenen gebouwen werken. Er moet meer materiaal aan de onderkant zijn om het gecombineerde gewicht van al het materiaal hierboven te ondersteunen. Telkens wanneer u een nieuwe verticale laag toevoegt, neemt de totale kracht op elk punt onder die laag toe. Als je de basis van een piramide zou blijven vergroten, zou je het voor onbepaalde tijd kunnen opbouwen. Dit wordt heel snel onhaalbaar, omdat de onderste basis te veel beschikbare grond inneemt.

In normale gebouwen gemaakt van bakstenen en mortel, je moet de lagere muren verdikken terwijl je nieuwe bovenverdiepingen bouwt. Nadat u een bepaalde hoogte hebt bereikt, is dit zeer onpraktisch. Als er bijna geen ruimte op de lagere verdiepingen is, wat heeft het voor zin om een ​​hoog gebouw te maken?

Met deze technologie bouwden mensen niet veel gebouwen van meer dan 10 verdiepingen - het was gewoon niet haalbaar. Maar aan het einde van de 19e eeuw kwamen een aantal vooruitgangen en omstandigheden samen, en ingenieurs waren in staat om de bovengrens te doorbreken - en nog wat. De sociale omstandigheden die leidden tot wolkenkrabbers waren de groeiende grootstedelijke Amerikaanse centra, met name Chicago. Bedrijven wilden allemaal hun kantoren in de buurt van het centrum van de stad, maar er was niet genoeg ruimte. In deze steden hadden architecten een manier nodig om de metropool naar boven uit te breiden in plaats van naar buiten.

De belangrijkste technologische vooruitgang die wolkenkrabbers mogelijk maakte, was de ontwikkeling van massa ijzer en staal productie (zie Hoe Iron and Steel Work voor details). Nieuwe productieprocessen maakten het mogelijk om lange balken van massief ijzer te produceren. In wezen gaf dit architecten een geheel nieuwe set van bouwstenen om mee te werken. Smalle, relatief lichtgewicht metalen balken kunnen veel meer gewicht dragen dan de massieve bakstenen muren in oudere gebouwen, terwijl ze een fractie van de ruimte innemen. Met de komst van de Bessemer-proces, de eerste efficiënte methode voor de massale productie van staal, architecten verwijderden zich van ijzer. Staal, dat zelfs lichter en sterker is dan ijzer, maakte het mogelijk om nog hogere gebouwen te bouwen.

De tweeling torens

Toen de tweelingtorens van het World Trade Center op 11 september 2001 werden geslagen, leek het er aanvankelijk op dat ze zouden kunnen blijven staan. Maar in minder dan twee uur waren beide torens ingestort. Ontdek hoe het opmerkelijke structurele ondersteuningssysteem in deze gebouwen uiteindelijk plaatsmaakte in ons artikel over het World Trade Center.

Giant Girder Grids

De stukken van de spreidende voet van een wolkenkrabber

De stukken van de spreidende voet van een wolkenkrabber

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Klik op "Bouwen" om te zien hoe de delen van een wolkenkrabber samenwerken.

De centrale ondersteuningsstructuur van een wolkenkrabber is die van de wolkenkrabber stalen skelet. Metalen balken zijn van het ene tot het andere uiteinde geklonken om verticaal te worden gevormd kolommen. Op elk vloerniveau zijn deze verticale kolommen verbonden met horizontaal balk balken. Veel gebouwen hebben ook diagonale balken die tussen de liggers lopen, voor extra structurele ondersteuning.

In dit gigantische driedimensionale raster - de superstructuur - al het gewicht in het gebouw wordt rechtstreeks overgebracht naar de verticale kolommen. Dit concentreert de neerwaartse kracht veroorzaakt door de zwaartekracht in de relatief kleine gebieden waar de kolommen rusten op de basis van het gebouw. Deze geconcentreerde kracht wordt vervolgens verspreid in de onderbouw onder het gebouw.

In een typische wolkenkrabberonderbouw zit elke verticale kolom op een spreiding. De kolom rust direct op a gietijzeren plaat, die bovenop een rasterwerk. De rooster is in feite een stapel horizontale stalen balken, die naast elkaar in twee of meer lagen worden gelegd (zie diagram hieronder). De grille rust op een dikke betonnen pad die rechtstreeks op de harde klei onder de grond wordt gegoten. Zodra het staal op zijn plaats is, is de volledige structuur bedekt met beton.

Deze structuur valt lager in de grond uit, net zoals een piramide uitzet als je naar beneden gaat. Dit verdeelt het geconcentreerde gewicht van de kolommen over een breed oppervlak. Uiteindelijk rust het volledige gewicht van het gebouw rechtstreeks op het harde kleimateriaal onder de aarde. In zeer zware gebouwen rust de basis van de spreidingsvoet op massieve betonnen pijlers die helemaal tot aan de aarde reiken bodemlaag.

Een groot voordeel van de stalen skeletstructuur is dat de buitenmuren - de vliesgevel - hoeven alleen hun eigen gewicht te dragen. Hierdoor kunnen architecten het gebouw zo vaak openen als ze willen, in schril contrast met de dikke muren in traditionele bouwconstructies. In veel wolkenkrabbers, vooral in de jaren '50 en '60, zijn de gordijnmuren bijna volledig van glas gemaakt, waardoor de bewoners een spectaculair uitzicht op hun stad hebben.

Functioneel maken

De 73 liften van het Empire State Building kunnen 600 tot 1.400 voet (183 tot 427 meter) per minuut verplaatsen. Op de maximale snelheid kunt u in 45 seconden van de lobby naar de 80e verdieping reizen.

De 73 liften van het Empire State Building kunnen 600 tot 1.400 voet (183 tot 427 meter) per minuut verplaatsen. Op de maximale snelheid kunt u in 45 seconden van de lobby naar de 80e verdieping reizen.

In het laatste deel zagen we dat nieuwe productieprocessen van ijzer en staal de mogelijkheid openden voor torenhoge gebouwen. Maar dit is slechts de helft van de foto. Voordat wolkenkrabbers hoogtevrees konden worden, moesten ingenieurs ze praktisch maken.

Zodra je meer dan vijf of zes verdiepingen hebt, worden trappen een behoorlijk onhandige technologie. Wolkenkrabbers zouden nooit hebben gewerkt zonder de gelijktijdige opkomst van lifttechnologie. Sinds de eerste passagierslift in 1857 werd geïnstalleerd in het warenhuis Haughwout in New York, zijn liftschachten een belangrijk onderdeel van het wolkenkrabberontwerp. In de meeste wolkenkrabbers vormen de liftschachten de centrale kern van het gebouw.

Het uitzoeken van de lift structuur is een soort evenwichtsoefening. Naarmate u meer verdiepingen toevoegt aan een gebouw, verhoogt u de bezettingsgraad van het gebouw. Als je meer mensen hebt, heb je duidelijk meer liften nodig of de lobby wordt gevuld met mensen die in de rij staan ​​te wachten. Maar liftschachten nemen veel ruimte in beslag, waardoor u vloerruimte verliest voor elke lift die u toevoegt. Om meer ruimte te maken voor mensen, moet je meer verdiepingen toevoegen. Het kiezen van het juiste aantal verdiepingen en liften is een van de belangrijkste onderdelen van het ontwerpen van een gebouw.

Veiligheid van gebouwen is ook een belangrijke overweging in het ontwerp. Wolkenkrabbers zouden niet zo goed hebben gewerkt zonder de komst van nieuwe brandwerende bouwmaterialen in de jaren 1800. Tegenwoordig zijn wolkenkrabbers ook uitgerust met geavanceerde sprinklerapparatuur die de meeste vuren verspreidt voordat ze zich heel ver verspreiden. Dit is uiterst belangrijk wanneer u honderden mensen hebt die duizenden voeten boven een veilige uitgang wonen en werken.

Architecten besteden ook veel aandacht aan de comfort van de inzittenden van het gebouw. Het Empire State Building, bijvoorbeeld, is zo ontworpen dat de inzittenden altijd binnen een straal van 30 voet (ft) van een raam zouden zijn. Het Commerzbank-gebouw in Frankfurt, Duitsland, heeft rustige overdekte tuingebieden tegenover de kantoorruimtes van het gebouw, in een klimmende spiraalstructuur. Een gebouw is alleen succesvol wanneer de architecten zich niet alleen hebben gericht op structurele stabiliteit, maar ook op bruikbaarheid en tevredenheid van bewoners.

Luchtweerstand

Het Chrysler-gebouw in de Stad van New York.

Het Chrysler-gebouw in de Stad van New York.

Naast de verticale zwaartekracht hebben wolkenkrabbers ook te maken met de horizontale windkracht. De meeste wolkenkrabbers kunnen gemakkelijk meerdere voeten in beide richtingen bewegen, zoals een wuivende boom, zonder hun structurele integriteit te schaden. Het grootste probleem met deze horizontale beweging is hoe deze de mensen binnenin beïnvloedt. Als het gebouw een aanzienlijke horizontale afstand aflegt, zullen de bewoners het zeker voelen.

De meest basale methode om horizontale zwaai te beheersen, is om de structuur eenvoudig aan te halen. Op het punt waar de horizontale liggers zich aan de verticale kolom hechten, bouten en lassen de bouwploeg aan de boven- en onderkant, evenals aan de zijkant. Dit maakt de hele stalen superstructuur meer als één eenheid bewegen, zoals een paal, in tegenstelling tot een flexibel skelet.

Voor langere wolkenkrabbers werken strakkere verbindingen niet echt goed. Om te voorkomen dat deze gebouwen zwaar wuiven, moeten ingenieurs vooral sterke kernen bouwen door het midden van het gebouw. In het Empire State Building, het Chrysler Building en andere wolkenkrabbers uit die tijd wordt het gebied rond de centrale liftschachten versterkt door een stevige stalen truss, met diagonale balken. De meeste recente gebouwen hebben een of meer betonkernen die in het midden van het gebouw zijn ingebouwd.

Door gebouwen stijver te maken, worden ze ook gestreeld tegen aardbevingsschade. Kortom, het hele gebouw beweegt met de horizontale trillingen van de aarde, dus het stalen skelet is niet verwrongen en gespannen. Hoewel dit de structuur van de wolkenkrabber helpt te beschermen, kan het behoorlijk ruw zijn voor de inzittenden, en het kan ook veel schade aan losse meubels en apparatuur veroorzaken. Verschillende bedrijven ontwikkelen nieuwe technologie die de horizontale beweging tegenwerkt om de kracht van trillingen te dempen. Raadpleeg voor meer informatie over deze systemen Hoe slimme structuren werken.

Sommige gebouwen gebruiken al geavanceerde windcompenserende dempers. Het Citicorp Center in New York, bijvoorbeeld, gebruikt een afgestemde massademper. In dit complexe systeem duwen oliehydraulische systemen een betongewicht van 400 ton heen en weer op een van de bovenste verdiepingen, waarbij het gewicht van het hele gebouw van links naar rechts wordt verschoven. Een geavanceerd computersysteem bewaakt zorgvuldig hoe de wind het gebouw verschuift en verplaatst het gewicht dienovereenkomstig. Sommige soortgelijke systemen verplaatsen het gewicht van het gebouw op basis van de beweging van gigantische slingers.

Verticale variaties

De opvallende chroom-nikkel-stalen kroon van het Chrysler Building met een lengte van 319 meter is een klassiek voorbeeld van art deco-architectuur.

De opvallende chroom-nikkel-stalen kroon van het Chrysler Building met een lengte van 319 meter is een klassiek voorbeeld van art deco-architectuur.

Zoals we in de vorige paragrafen hebben gezien, zijn wolkenkrabbers er in alle soorten en maten. Het stalen skeletconcept zorgt voor een extreem flexibele structuur. De kolommen en balken zijn zoiets als grote stukken in een montageset. De enige echte limiet is de verbeeldingskracht van de architecten en ingenieurs die de stukken samenvoegden.

De vroegste wolkenkrabbers, gebouwd in de late jaren 1800, waren zeer eenvoudige kisten met eenvoudige stenen en glazen vliesgevels. Voor de architecten die deze wolkenkrabbers bouwden, was de extreme hoogte indrukwekkend genoeg. In de periode rond 1900 begon de esthetiek te veranderen. Gebouwen werden groter en architecten voegden extravagante gotische elementen toe, die de boxy-stalen structuur eronder verborgen.

De art deco beweging van de jaren 1920, '30 en '40 breidde deze benadering uit en creëerde gebouwen die als ware kunstwerken werden beschouwd. Enkele van de beroemdste wolkenkrabbers, waaronder het Empire State Building en het Chrysler Building (hierboven), kwamen uit deze tijd. Dingen veranderden opnieuw in de jaren 1950, toen internationale stijl begon greep te krijgen. Net als de eerste wolkenkrabbers hadden deze gebouwen weinig of geen versiering. Ze werden meestal gemaakt met glas, staal en beton.

Sinds de jaren zestig hebben veel architecten de wolkenkrabber naar nieuwe en onverwachte plaatsen gebracht. Een van de meest interessante variaties was de combinatie van verschillende verticale skeletsecties - of tubes - in een gebouw. De Sears Tower in Chicago, het bekendste voorbeeld van deze aanpak, bestaat uit negen uitgelijnde buizen die verschillende hoogtes bereiken. Dit geeft het gebouw een interessant gespreid uiterlijk.

Voorwaarts en opwaarts

De 's werelds hoogste' titel gaat regelmatig van wolkenkrabber naar wolkenkrabber. Dit is een van de meest concurrerende wedstrijden in de bouw. Architecten en ingenieurs omarmen hartgrondig de uitdagingen van hoger bouwen, en bedrijven en steden worden altijd aangetrokken door de glorie van torenhoge concurrentie. De huidige kampioen is de Petronas Towers in Maleisië (zie zijbalk in vorige paragraaf).

In alle opzichten is de wolkenkrabbersrace nog lang niet voorbij. Er zijn meer dan 50 voorgestelde gebouwen die het huidige record zouden breken. Sommige meer conservatieve structuren zijn al in aanbouw. Maar de meer ambitieuze gebouwen in de groep zijn op dit moment alleen theoretisch. Zijn ze mogelijk? Volgens sommige technische experts is de echte beperking geld, geen technologie. Super hoge gebouwen vereisen extreem stevige materialen en diepe, versterkte basissen. Bouwpersoneel zou uitgebreide kranen en pompsystemen nodig hebben om materialen en beton op de hoogste niveaus te krijgen. Alles bij elkaar zou een van deze gebouwen gemakkelijk tientallen miljarden dollars kunnen kosten.

Bovendien zouden er logistieke problemen zijn met de liften. Om de bovenste verdiepingen in een 200 verdiepingen tellend gebouw gemakkelijk toegankelijk te maken, zou je een grote rij liften nodig hebben, die een breed gebied in het midden van het gebouw zou innemen. Een eenvoudige oplossing voor dit probleem is om de liften zo te plaatsen dat ze maar een deel van het gebouw doorgaan. Passagiers die naar de top willen, nemen halverwege een lift, stappen uit en nemen vervolgens de rest van de weg een andere lift.

Experts zijn verdeeld over hoe hoog we echt kunnen gaan in de nabije toekomst. Sommigen zeggen dat we een mijl-hoog (5.280 ft of 1.609 m) gebouw kunnen bouwen met bestaande technologie, terwijl anderen zeggen dat we lichtere, sterkere materialen, snellere liften en geavanceerde slingerdempers moeten ontwikkelen voordat deze gebouwen haalbaar waren. Alleen hypothetisch gesproken, zullen de meeste ingenieurs geen bovengrens opleggen. Toekomstige technologische vooruitgang zou mogelijk kunnen leiden tot 'sky-high cities', zeggen veel experts, die een miljoen mensen huisvesten of meer.

Of we daar echt zullen komen, is een andere vraag. In de toekomst kunnen we gedwongen worden om verder te bouwen, simpelweg om land te behouden. Wanneer je naar boven bouwt, kun je veel meer ontwikkeling concentreren op één gebied, in plaats van je te verspreiden in onaangesproken natuurgebieden. Wolkenkrabbersteden zijn ook erg handig: meer bedrijven kunnen worden samengebracht in een stad, waardoor de reistijd van het woon-werkverkeer wordt verkort.

Maar de belangrijkste kracht achter de skyscraper-race kan basale ijdelheid blijken te zijn. Waar monumentale hoogte ooit goden en koningen eerde, verheerlijkt het nu bedrijven en steden. Deze structuren komen voort uit een zeer fundamentele wens - iedereen wil het grootste gebouw op het blok hebben. Deze drive is de afgelopen 120 jaar een belangrijke factor geweest in de ontwikkeling van wolkenkrabbers en het is een goede gok dat het gebouwen in de komende eeuwen zal blijven pushen.

De hoogste toren

Sinds de eerste torenhoge wolkenkrabbers aan het eind van de 19e eeuw hebben steden en bedrijven gestreden om 's werelds hoogste te bouwen. Op dit moment is er enige discussie over wie het record bewaart. Niet iedereen is het eens over welke structuren moeten worden overwogen. Traditioneel definieert de architectonische gemeenschap een gebouw als een ingesloten structuur die voornamelijk is gebouwd voor bewoning.Dit sluit heel wat extreem hoge vrijstaande constructies, zoals Toronto's 1.815 voet (ft) CN Tower, uit van de rennen.

Zelfs binnen 'traditionele gebouwen' is er controverse geweest. Als u bijvoorbeeld dakantennes opneemt in de totale hoogte, staat de Sears-toren 1.730 voet lang. Zonder de antenne is deze slechts 1.450 voet lang. Maar conventioneel tellen decoratieve structuren wel mee in de hoogte, maar antennes niet.

Dus wie heeft momenteel de leiding? Die eer gaat naar Taipei 101 in Taipei, Taiwan. Hoewel het negen verhalen minder heeft dan de Sears Tower - Taipei 101 heeft 101 verhalen en de Sears Tower heeft 110 verdiepingen - Taipei 101 is langer. Het staat op een verbazingwekkende 1.670 voet - dat is 220 voet groter dan de Sears Tower en 187 voet groter dan de vorige winnaar, de Petronas Towers.


Video Supplement: Bouwen van wolkenkrabbers blijft levensgevaarlijk: aantal doden verdubbeld.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com