Styrkt eldi og stáli tóku húsin stefnu upp í himininn

828 metra stál- og glerbygging gnæfir upp úr eyðimerkursandinum í Dubai. Hæsta bygging heimsins, Burj Khalifa, hefði þó aldrei verið reist nema fyrir tilverknað fjögurra snjallra hugsuða og hryllilegs eldsvoða.

BIRT: 18/10/2021

LESTÍMI:

10 mínútur
Share on facebook

LESTÍMI: 12 MÍNÚTUR

 

Kannski var það kýrin sem ýtti við lugtinni eða kannski einn mannanna sem sátu við spil. Enginn veit með vissu hvernig það atvikaðist að mikill eldur braust út í fjósi og hlöðu O‘Learys árið 1871 og breiddist það hratt út um skraufaþurran viðinn í næstu húsum og áfram um Chicago.

 

„Brennandi þakflísar, plankar, þakpappi og allt mögulegt annað þeyttist um loftið eins og snjódrífa. Alls staðar var reykur og eldur og vindurinn feykti þessum brennandi smáhlutum aftur á loft og myndaði stóra hvirfilbili úr brennandi efni. Öll borgin stóð í ljósum logum,“ skrifaði sjónarvottur.

 

300 manns fórust og 18.000 hús brunnu til ösku. En úr öskunni reis ný gerð húsa og þau teygðu sig hvert öðru hærra upp í loftið.

 

Þriðjungur allra Chicagobúa – eða um 90.000 manns – varð heimilislaus í ,,Eldunum miklu”. 

 

Skýjakljúfar nútímans, þar sem turninn Burj Khalifa fer fremstur í flokki, eiga rætur að rekja til Chicago á 19. öld – og til merkilegra verkfræðiafreka fjögurra hugsuða.

 

Fuglabúr kveikti hugmynd

Þegar „Eldarnir miklu“ í Chicago slokknuðu 9. október 1871, samþykkti borgarstjórnin nýjar byggingareglur í miklum flýti. Nýjar byggingar skyldu gerðar úr eldtraustum efnum, svo sem múrsteinum, marmara eða kalksteini – dýrum efnum sem fæstir einstaklingar höfðu efni á.

 

Auðu lóðirnar í miðborg Chicago komust smám saman í eigu banka og stórfyrirtækja. Meðal þeirra var tryggingafélagið New York Home Insurance Company sem byggði þarna nýjar höfuðstöðvar.

 

Félagið bauð starfandi arkitektum í borginni að hanna nýju bygginguna þannig að allar hæðir yrðu baðaðar í dagsbirtunni.

 

Þessi áskorun féll alveg fullkomlega að draumsýn Williams Le Baron Jenney. Í stað þess að nota steinveggi til að bera bygginguna sá þessi 39 ára arkitekt fyrir sér að nýta tækni samtímans, m.a. með því að reisa burðargrind úr stáli.

 

Fjórir hugsuðir lögðu grunn að háhýsum.

Óháðir hver öðrum sköpuðu vélfræðingur og þrír verkfræðingar uppfinningar sem ruddu braut skýjakljúfa.

1. Jenney ruddi burt steinveggjunum

Bandaríski byggingaverkfræðingurinn William Le Baron Jenney (1837-1902) að byggja utan um innri burðargrind úr stáli. Þannig ruddi hann þungum burðarveggjum úr vegi og hægt var að byggja mun hærri hús.

2. Otis tryggði öryggi í lyftu

Án lyftunnar væru engir skýjakljúfar. Það var eftir að bandaríski vélfræðingurinn Elisha Graves Otis (1811-1861) fann upp sjálfvirkan öryggisbúnað sem lyfturnar urðu nógu öruggar til að flytja fólk og húsin gátu teygst hærra.

Bessemer gerði stálið hræódýrt

Breski verkfræðingurinn Henry Bessemer (1813-1898) þróaði hraðvirka og ódýra aðferð til að framleiða stál. Aðferðin markaði upphaf stáliðnaðar sem aftur var forsenda þess að hægt væri að byggja æ hærri skýjakljúfa.

Kahn dró úr þyngdinni

Byggingaverkfræðingurinn Fazlur Rahman Kahn (1929-1982) skaut skýjakljúfunum upp í nýjar hæðir þegar hann hóf að nota eins konar reyrbúntaaðferð sem dró mjög úr efnisþörf og stuðlaði að stórbættri nýtingu rýmisins.

 

Sú arfsögn nýtur vinsælda að Jenney hafi fengið hugmyndina þegar hann sá að fuglabúrið í stofunni heima hjá honum hélt lögun sinni, þótt konan hans hefði lagt stóra og þykka bók ofan á það.

 

En hvaðan sem innblásturinn kom, sá hann fyrir sér að svipuð stálgrind yrði svo sterk og sveigjanleg að hægt væri að byggja allt að tíu hæða hús.

 

Jafnframt dygði styrkleikinn til þess að unnt væri að setja stóra glugga á alla útveggi og mæta þannig kröfum tryggingafélagsins um dagsbirtu inn á allar hæðir.

 

Jenney vann samkeppnina og fyrsti skýjakljúfurinn, Home Insurance Building, var fullgerður árið 1885.

 

Árið 1891 bættust tvær hæðir við fyrsta skýjakljúf veraldar, Home Insurance Building í Chicago, þannig að heildarhæðin var 54,9 metrar.

 

Í New York horfðu menn öfundaraugum til þessarar ótrúlega léttu og háu byggingar. Frá 1840 til 1870 hafði íbúatala borgarinnar þrefaldast og það var óneitanlega freistandi lausn á húsnæðisvandanum að byggja hærri hús.

 

Árið 1889 viðurkenndu byggingaryfirvöld borgarinnar málmramma Jenneys og skömmu síðar var 11 hæða hús, Tower Building, tekið í notkun.

 

Við tók mikil samkeppni, einkum milli New York og Chicago. Um aldamótin 1900 voru fyrstu 25-30 hæða húsin risin. Og þaðan lá leiðin bara í eina átt: upp.

 

Stálið flæddi úr ofnunum

Grundvöllurinn að háhýsunum var lagður með uppfinningu stálsins. Þegar hæfilegum skammti af kolefni var blandað í hrájárn myndaðist efnablanda sem bæði var óhemju sterk og sveigjanleg.

 

Fyrir iðnvæðingu var stál handunnið og gerð þess var erfiðleikum bundin og tímafrek. Fyrstu járnbrautarteinarnir og járnbrautarbrýrnar voru því gerð úr steypujárni en í steypujárni var of mikið kolefni og og því mynduðust sprungur sem ollu slysum.

 

Til að ná öruggari stjórn á kolefnismagninu í járni sótti breski verkfræðingurinn og uppfinningamaðurinn Henry Bessemer árið 1855 um einkaleyfi á nýrri aðferð til stálframleiðslu.

 

Aðferð Bessemers byggðist á gríðarlega öflugum ofnum þar sem kröftugu loftstreymi var beint að bráðnu hrájárni. Við háan hita í ofnunum myndaði súrefnið í loftinu efnasambönd við kísil, mangan og kolefni þannig að fimm til tíu metra háa kolsýringsstróka lagði upp frá ofnunum.

 

Þegar öll óhreinindi höfðu þannig verið hreinsuð úr járninu var blandað í það réttu magni m.a. af kolefni, allt eftir því hve sterkt stálið átti að verða. 

 

Þrjár uppfinningar sköpuðu fyrsta skýjakljúfinn

Á 19. öld umbylti iðnvæðingin stálframleiðslu. Á svipuðum tíma varð óþarft að nota stiga og burðarvirki voru gerð úr stáli. Þar með var stefnan tekin í átt til himins.

1. Massaframleiðsla við mikinn hita

Stálframleiðslan tók mikinn kipp árið 1855 með tilkomu hreinsiofnanna þar sem öll óhreinindi voru fjarlægð úr hrájárni við gríðarlegan hita en síðan blandað í það hæfilegu magni af kolefni þannig að úr varð stál. Í sterkasta stálinu eru 0,99% kolefni.

2. Lyftur hæfar til fólksflutninga

Lyftur voru lífshættulegar og aðeins notaðar til að flytja vörur. En þegar sjálfvirkur öryggisbúnaður var fundinn upp og stálstengur látnar festa lyftuna ef kapallinn slitnaði, varð unnt að nota lyftur til fólksflutninga.

 

3. Stálgrind dreifði þyngdinni jafnt

Háar byggingar voru þungar, grunnurinn varð að vera traustur og veggirnir þykkir. Með innri og léttari stálgrind var unnt að dreifa þyngdinni á bjálka og stöpla og unnt varð að byggja meira en tíu hæðir.

 

 

 

Með Bessemeraðferðinni mátti nú framleiða 15 tonn af stáli á klukkustund en áður hafði það tekið 14 daga. Járnbrautarteinar, stálplötur, bjálkar og önnur byggingarefni streymdu beinlínis úr verksmiðjunum.

 

Árið 1860 var heimsframleiðsla á stáli orðin 50.000 tonn, áratug síðar hafði hún tífaldast í 500.000 tonn og 1899 náði framleiðslan 28 milljónum tonna.

 

Enginn nennir að ganga stiga

Auk stálsins notaði William Le Baron Jenney aðra nýja uppfinningu og kom fyrir þrýstiloftsknúinni lyftu í Home Insurance Building.

 

Um miðjan sjötta áratug 19. aldar gátu byggingar ekki orðið hærri en sjö hæðir, þar eð fjöldi stiga sem ganga þurfti upp, setti hæð húsanna eins konar náttúruleg takmörk.

 

Vörulyftur voru vel þekktar en óhæfar til mannflutninga þar eð ekki þurfti annað en að kapall slitnaði til að fólk týndi lífi. Þetta breyttist þegar vélvirkinn Elisha Graves Otis í Vermont fann upp sjálfvirkan neyðarhemil árið 1853.

 

Elisha Graves Otis gerði lyftuna örugga með sjálfvirkum neyðarhemli sem hann fann upp. Hann kynnti öryggisbúnaðinn á heimssýningunni í New York árið 1853.

 

Lyfta Otis fór um stálgrind með hökum líkt og á tannhjólum. Ofan á lyftunni var málmstöng tengd við fjöður og hún festi lyftuna í haki ef aðalkapallinn slitnaði.

 

Elisha Graves stofnaði Otis Elevator Company sem m.a. smíðaði lyftur í Eiffelturninn og Empire State-bygginguna. Nafnið er líka letrað á þær 57 lyftur sem nú líða hljóðlaust upp og niður um 19 lyftuop í Burj Khalifa á 36 km hraða.

 

Ungur maður sneri röngunni út

Á sjöunda áratug 20. aldar stóðu skýjakljúfar, byggðir á grunnhugmynd Williams Le Baron Jenney, vítt og breitt um heiminn en vegna þess að innri rör og bjálkar stálgrindarinnar tóku stóran hluta rýmisins var hver fermetri orðinn svo dýr að það gat ekki borgað sig að reisa hærri byggingar en 300 metra. Til að breyta því þurfti ungan mann frá Bangladess.

 

Hæstu byggingar sögunnar

Fyrstu stórbyggingarnar voru úr steinhleðslu en síðar komu steinsteypa og stál til sögunnar. Nú er unnt að byggja enn hærra, þökk sé samsettum blöndunarefnum sem bæði hafa meiri styrk og endingu.

Fornöld:  Pýramídar voru eins konar fjöll

Giza-pýramídinn var 147 metra hár þegar hann var nýbyggður og var árþúsundum saman hæsta bygging heims. Á breiðum undirstöðum og með gríðarþykka veggi gnæfðu pýramídarnir við himin eins og manngerð fjöll.

Miðaldir: Kirkjurnar teygja úr sér

Frá miðöldum og fram á 19. öld teygðu dómkirkjur sig æ hærra til himins. Steinstólpar utan á byggingunum báru þungann, þannig að t.d. dómkirkjan í Köln þoldi stóra glugga og 157 metra hæð.

19. öld: Stálöldin rennur upp

Með tilkomu járn- og stáliðnaðar gátu verkfræðingar sett ný met. Eiffelturninn í París var fullbyggður 1889, fyrsta mannvirkið sem náði 300 metra hæð og boðaði nýja tíma og sífellt hærri byggingar.

20. öld: Öld skýjakljúfanna

Með tilkomu burðarvirkja úr stáli var unnt að byggja æ lengra í átt til himins. 1930 varð Chrysler-turninn í New York hæsta bygging heims, 319 metrar og hærri en Eiffelturninn. Þróunin hélt áfram upp og 20. öldin varð öld skýjakljúfanna.

Nú: Áleiðis upp í kílómetrann

Nú reyna menn að komast að lágmarki yfir 600 metra. Stálgrindur eru ekki einráðar, heldur víkja þær fyrir léttari samblöndunarefnum, svo sem kolefnis- og glertrefjum og margvísleg byggingarefni vinna saman og mynda heild.

 

Þegar Fazlur Rahman Kahn kom til Chicago, 21 árs að aldri og nýútskrifaður verkfræðingur, hafði hann aldrei áður séð skýjakljúf. Hann var kominn til að sérhæfa sig í byggingaverkfræði, lauk náminu á mettíma og varð fljótt þekktur fyrir hugkvæmni og uppfinningasemi.

 

Kahn sneri röngunni út á uppbyggingu stálgrindar Jenneys, ef svo mætti segja og fann upp reyrlögunina þar sem hin þunga, innri stálgrind víkur fyrir ytri grind sem ber bygginguna uppi ásamt þverbitum úr stáli sem jafna þungann.

 

John Hancock Center í Chicago var fyrsti skýjakljúfurinn sem byggður var með nýju aðferðinni. Þegar háhýsið var fullbyggt 1969 náði það 344 metra hæð og skiptist í 100 hæðir.

 

Fazlur Rahman Kahn hélt áfram vinnu sinni og þróaði fleiri afbrigði af reyrlögun sinni. Þekktust er svonefnd „bundin reyrlögun“ sem hann notaði í Willis-turninn sem er 447 metra hár en hefur kallast Sears Tower frá 1973.

 

Burðargrind Willis-turnsins var innblásin af búntuðum bambusreyr og byggð upp á níu stólpum sem deildu byrðinni jafnt. Byggingin var sú hæsta í heimi í 25 ár.

 

Kahn sótti innblástur í bambusreyr samanbundinn í búnt til að byggja og tengja síðan saman marga aðskilda hluta sömu byggingar. Með því móti tókst honum að skipta bæði vindálagi og þyngd á fleiri stoðir. Willis-turninn var þannig byggður úr níu ferhyrndum, mislöngum stólpum sem skipta á milli sín álagi af ýmsum gerðum.

 

Miðaldaaðferðir snúa aftur

Hæsta bygging heims, Burj Khalifa, byggist á hugmyndum Kahns og er gerð úr mörgum reyrlaga hlutum sem tengdir eru saman. En í þessari byggingu birtist líka ný þróun. Uppfinningar fortíðarinnar er nefnilega ekki unnt að yfirfæra beint á nýjar og enn hærri byggingar, enda vex álagið með hverri nýrri hæð sem bætt er ofan á.

 

Verkfræðingarnir sem stóðu að Burj Khalifa þróuðu þess vegna sexhyrndan kjarna sem hin sérstæða Y-lögun styður við. Aðferðin minnir óneitanlega dálítið á dómkirkjur miðalda, þar sem ytri hlutar byggingarinnar voru notaðir til að styðja við hvolfþök og glugga.

 

Ytri hluti dómkirkja styðja við hvolfþök og glugga.

Aðstæður í Dubai sköpuðu svo alveg sérstök vandamál við byggingarvinnuna – einkum þegar komið var upp í mikla hæð. Það tók 40 mínútur að dæla steypu upp í 600 metra hæð og til þess þurfti þrýsting upp á 206 kg á fersentimetra. Vegna eyðimerkurhitans þurftu menn að blanda ís í steypuna til að koma í veg fyrir efnahvörf sem hefðu dregið mikið úr styrk hennar.

 

Vindurinn erfiðastur

Auk hitans veldur vindurinn miklu álagi á Burj Khalifa. Það sannaðist strax á fyrstu skýjakljúfunum að mikilvægt er að reikna með vindinum þegar byggt er á hæðina.

Skelli vindurinn beint á stóran, sléttan flöt bætir hann í hraðann og blæs bæði upp og niður eftir húshliðinni. Við hvöss horn skapast kröftugir hvirflar og litlir vindstrókar.

Í borgum þar sem fleiri háhýsi eru saman komin og gatnareitir ferhyrndir, skapast hvassir vindstrengir eftir götunum og þeir geta auðveldlega þeytt fólki um koll. Það hefur t.d. sést bæði í London og New York.

 

Þótt háhýsi geti svignað og þoli nokkrar tilsveiflur án nokkurrar hættu á hruni, líður fólki illa ef gólfið helst ekki kyrrt. Verkfræðingar gera því allt sem þeir geta til að takmarka hreyfingar háhýsa.

 

Burj Khalifa er blanda gamalla og nýrra hugmynd

Hæsta bygging heims grundvallast á vel þekktum byggingarhefðum  en líka nýjum uppfinningum og háþróuðum vindvörnum.

 

1. Hönnunin truflar vind

Í Dubai eru sandstormar tíðir og vindhraðinn getur náð 100 km/klst. Burj Khalifa er samsett úr 27 misháum turnum með ávölum hornum sem kljúfa vindinn þannig að hann nær ekki þeim styrk sem þarf til að sveifla mannvirkinu.

2. Rör styrkja bygginguna

Árið 1963 sótti verkfræðingurin Fazlur Rahman Kahn innblástur í búnt bambusröra. Grunnhugmyndin er að bygging reist úr mismunandi rörlaga hlutum eykur burðarþol og vindþol.

3. Y-lögun styður við kjarnann

Í dómkirkjum miðalda héldu ytri stoðir uppi hvolfþökum og gluggum og á svipaðan hátt styðja neðri og ytri hlutar þessa Y-laga turns við sexhyrndan kjarna og veita byggingunni stöðugleika.

4. Steypustaurar tryggja grunninn

Grunnurinn minnir helst á risavaxna snjóþrúgu sem liggur ofan á sandinum og er festur niður með 192 steypustaurum. Núningsmótstaðan milli þessara 50 metra löngu staura og sandsins veldur því að grunnurinn haggast ekki.

 

Meginatriðið er að kljúfa vindinn og leiða hann afvega. Þetta gera ósamhverf form Burj Khalifa-turnsins einmitt. Ávöl horn og misjöfn hæð mismunandi hluta byggingarinnar kljúfa vindinn og beina honum stöðugt í aðrar áttir og þannig er dregið úr vindhraðanum.

 

Þessi hönnun veldur því að þótt hámarkssveifla byggingarinnar sé 1,5 metrar efst uppi, virðist sveiflan hæg og fólk finnur ekki fyrir sjóveiki.

 

Keppnin komin austur

Burj Khalifa hefur haldið titli sínum sem hæsta bygging heims síðan 2010 en í Sádi-Arabíu eru menn þegar byrjaðir á næsta methafa, Kingdom Tower sem á að ná langleiðina upp í töfraviðmiðið 1.000 metra.

 

Í Dubai eru líka uppi áætlanir um að byggja enn hærri turn en Burj Khalifa. Sá á að verða 1.400 metrar og kallast Dubai Creek Tower.

 

Keppnin sem á 19. öld stóð milli Chicago og New York hefur færst til og er nú háð á Arabíuskaga. Sumir sérfræðingar eru m.a.s. svo bjartsýnir að telja unnt að byggja skýjakljúf jafnháan Everestfjalli, að því gefnu að undirstöðurnar séu nógu traustar.

 

Þannig gæti keppnin sem hófst í kjölfar hræðilegs stórbruna í Chicago endað sem níu kílómetra hár skýjakljúfur.

 

MYNDBAND: Sjáðu Burj Khalifa byggðan metra eftir metra

Myndir  á þeim sex árum sem tók að reisa hæstu byggingu heims settar saman í myndband.

 

 

Birt 18:10.2021

 

 

 

ANTJE GERD POULSEN

 

 

BIRT: 18/10/2021

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is