Wolkenkratzer

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Hintergrund

Es gibt keine genaue Definition, wie viele Stockwerke oder welche Höhe ein Gebäude zu einem Wolkenkratzer macht. "Ich glaube nicht, dass es an der Anzahl der Stockwerke liegt. Ich denke, es ist die Einstellung", sagte Architekt T. J. Gottesdiener dem Christian Science Monitor. Gottesdiener, ein Partner der Firma Skidmore, Owings &Merrill, Designer zahlreicher hoher Gebäude, darunter der Sears Tower in Chicago, Illinois, fuhr fort:„Was ist ein Wolkenkratzer? , und schau nach oben."

Manche Beobachter bezeichnen Gebäude mit mindestens 20 Stockwerken als "Wolkenkratzer". Andere behalten den Begriff für Bauwerke von mindestens 50 Stockwerken vor. Es ist jedoch allgemein anerkannt, dass ein Wolkenkratzer in Gebäude mit 100 oder mehr Stockwerken passt. Mit 102 Stockwerken erreicht die besetzte Höhe des Empire State Building in New York 1,224 Fuß (373 m), und seine Spitze, die der sich verjüngende Teil auf dem Dach eines Gebäudes ist, erhebt sich weitere 70 m. Nur 25 Gebäude auf der ganzen Welt sind höher als 300 m, wenn man ihre Turmspitzen zählt, aber keine Antennen, die sich darüber erheben.

Das höchste freistehende Bauwerk der Welt ist der CN Tower in Toronto, Kanada, der eine Höhe von 553 m erreicht; gebaut, um eine Fernsehantenne zu tragen, ist der Turm nicht für die menschliche Besetzung ausgelegt, mit Ausnahme eines Restaurants und einer Aussichtsplattform in 335 m Höhe. Das höchste bewohnte Bauwerk der Welt sind die Petronas Twin Towers in Kuala Lumpur, Malaysia, die inklusive Turmspitzen eine Höhe von 452 m erreichen. Der Sears Tower in Chicago weist das höchste bewohnte Niveau auf; das Dach des 110. Stockwerks ist 443 m hoch.

In gewisser Weise sind superhohe Gebäude nicht praktikabel. Es ist billiger, zwei halbhohe Gebäude zu bauen als ein sehr hohes. Entwickler müssen Mieter für riesige Flächen an einem Standort finden; zum Beispiel umschließt der Sears Tower 4,5 Millionen Quadratfuß (415.000 Quadratmeter). Auf der anderen Seite müssen Entwickler in überfüllten Städten die begrenzte Menge an verfügbarem Land so gut wie möglich nutzen. Dennoch basiert die Entscheidung, ein dramatisch hohes Gebäude zu bauen, in der Regel nicht auf wirtschaftlichen Gründen, sondern auf dem Wunsch, Aufmerksamkeit zu erregen und Prestige zu gewinnen.

Verlauf

Im späten neunzehnten Jahrhundert gab es mehrere technologische Fortschritte, die das Design und den Bau von Wolkenkratzern ermöglichten. Dazu gehörten die Fähigkeit zur Massenproduktion von Stahl, die Erfindung sicherer und effizienter Aufzüge und die Entwicklung verbesserter Techniken zum Messen und Analysieren von strukturellen Belastungen und Spannungen. In den 1920er und 1930er Jahren wurde die Entwicklung von Wolkenkratzern durch die Erfindung des Lichtbogenschweißens und der Leuchtstofflampen (ihr helles Licht ermöglichte es den Menschen, weiter von den Fenstern entfernt zu arbeiten und erzeugte weniger Wärme als Glühbirnen) weiter vorangetrieben.

Traditionell trugen die Wände eines Gebäudes die Struktur; Je höher die Struktur, desto dicker mussten die Wände sein. Ein 16-stöckiges Gebäude, das 1891 in Chicago gebaut wurde, hatte an der Basis 1,8 m dicke Wände. Mit der Erfindung der Stahlrahmenbauweise, bei der ein starres Stahlskelett das Gewicht des Gebäudes trägt und die Außenwände lediglich fast wie Vorhänge am Rahmen aufgehängt sind, wurde auf sehr dicke Wände verzichtet. Das erste Gebäude, das diesen Entwurf verwendete, war das 10-stöckige Gebäude der Home Insurance Company, das 1885 in Chicago errichtet wurde.

Das 242 m hohe Woolworth Building, das 1913 in New York City errichtet wurde, vereinte zunächst alle Komponenten eines echten Wolkenkratzers. Sein Stahlskelett erhob sich von einem Fundament, das auf Betonpfeilern getragen wurde, die sich bis zum Grundgestein erstreckten (eine Schicht aus festem Gestein, die stark genug ist, um das Gebäude zu tragen), sein Rahmen war gegen die erwarteten Windkräfte versteift und seine Hochgeschwindigkeitsaufzüge boten sowohl lokale als auch Express-Service zu seinen 60 Etagen.

Im Jahr 1931 erhob sich das Empire State Building in New York City wie ein 381 m hohes Ausrufezeichen. Es sollte 41 Jahre lang das höchste Bürogebäude der Welt bleiben. Bis zum Jahr 2000 würden weltweit nur noch sechs weitere Gebäude seine Höhe übertreffen.

Rohstoffe

Stahlbeton ist ein wichtiger Bestandteil von Wolkenkratzern. Es besteht aus Beton (einer Mischung aus Wasser, Zementpulver und Zuschlagstoffen aus Kies oder Sand), die um ein Gitter aus Stahlstäben (Bewehrungsstab genannt) gegossen werden, die den getrockneten Beton gegen durch den Wind verursachte Biegebewegungen verstärken. Beton ist unter Druckkräften von Natur aus stark; Das enorme projizierte Gewicht der Petronas Towers veranlasste die Designer jedoch, eine neue Art von Beton zu spezifizieren, die mehr als doppelt so stark war wie üblich. Dieses hochfeste Material wurde durch die Zugabe von sehr feinen Partikeln zu den üblichen Betonzutaten erreicht; Die vergrößerte Oberfläche dieser winzigen Partikel erzeugte eine stärkere Bindung.

Der andere Hauptrohstoff für den Bau von Wolkenkratzern ist Stahl, eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. In der Nähe befindliche Gebäude schränken häufig den verfügbaren Platz für Bautätigkeiten und die Lagerhaltung ein, sodass Stahlträger in bestimmten Größen und Formen genau so an die Baustelle geliefert werden, wie sie für die Platzierung benötigt werden. Vor der Auslieferung werden die Balken mit einer Mischung aus Gips und Vermiculit beschichtet (Glimmer, der zu schwammartigen Partikeln wärmeexpandiert wurde), um sie vor Korrosion und Hitze zu schützen. Nach dem Anschweißen jedes Balkens werden die frischen Fugen mit dem gleichen Beschichtungsmaterial besprüht. Um die Balken kann dann eine zusätzliche Isolierschicht gewickelt werden, z. B. eine mit Aluminiumfolie bedeckte Glasfaserwatte.

Um die besten Qualitäten von Beton und Stahl zu maximieren, werden sie im Hochhausbau oft zusammen verwendet. Beispielsweise kann eine Stützsäule gebildet werden, indem Beton um einen Stahlträger gegossen wird.

Eine Vielzahl von Materialien wird verwendet, um den Rahmen des Wolkenkratzers zu bedecken. Die als "Verkleidung" bezeichneten Platten, die die Außenwände bilden, können aus Glas, Metallen wie Aluminium oder Edelstahl oder Mauerwerksmaterialien wie Granit, Marmor oder Kalkstein bestehen.

Design

Konstrukteure übersetzen die Vision des Architekten vom Gebäude in einen detaillierten Plan, der statisch solide und realisierbar ist.

Das Entwerfen eines Flachbaus beinhaltet die Schaffung einer Struktur, die ihr eigenes Gewicht (die sogenannte Eigenlast) und das Gewicht der Personen und Möbel, die sie enthalten wird (die Nutzlast), trägt. Bei einem Wolkenkratzer wirkt sich die seitliche Windkraft stärker auf das Bauwerk aus als das Gewicht des Gebäudes und seines Inhalts. Der Planer muss sicherstellen, dass das Gebäude nicht durch starken Wind umgekippt wird und auch nicht so stark schwankt, dass es den Bewohnern körperliche oder emotionale Beschwerden verursacht.

Jedes Wolkenkratzer-Design ist einzigartig. Zu den wesentlichen Bauteilen, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können, gehören ein hinter nicht tragenden Vorhangfassaden verborgenes Stahlskelett, ein mit Verkleidungsplatten ausgefülltes Stahlbetonskelett zur Bildung der Außenwände, ein zentraler Betonkern (offene Stütze) ) groß genug, um Aufzugsschächte und andere mechanische Komponenten aufzunehmen, und eine Reihe von Stützsäulen um den Umfang des Gebäudes, die durch horizontale Träger miteinander und mit dem Kern verbunden sind.

Da jedes Design innovativ ist, werden Modelle der vorgeschlagenen superhohen Gebäude in Windkanälen getestet, um die Auswirkungen von starkem Wind auf sie und auch die Auswirkungen der durch das neue Gebäude verursachten Windmuster auf die umliegenden Gebäude zu bestimmen. Wenn Tests zeigen, dass das Gebäude bei starkem Wind zu stark schwankt, Ein Beispiel für ein Wolkenkratzer-Erdgeschossdesign und einen 6Baurahmen. Designer können mechanische Geräte hinzufügen, die der Bewegung entgegenwirken oder sie einschränken.

Neben dem Oberbau müssen Konstrukteure auch entsprechende mechanische Systeme wie Aufzüge, die Personen schnell und komfortabel transportieren, Umluftsysteme und Sanitäranlagen planen.

Der Bauprozess

Jeder Wolkenkratzer ist ein einzigartiges Bauwerk, das den physikalischen Zwängen, die durch Faktoren wie Geologie und Klima auferlegt werden, entspricht, die Bedürfnisse der Mieter erfüllt und die ästhetischen Ziele des Eigentümers und des Architekten erfüllt. Auch der Bauprozess jedes Gebäudes ist einzigartig. Die folgenden Schritte geben einen allgemeinen Überblick über die gängigsten Konstruktionstechniken.

Der Unterbau

• 1 Der Bau beginnt normalerweise mit dem Ausheben einer Grube, die das Fundament aufnehmen wird. Die Tiefe der Grube hängt davon ab, wie tief das Felsuntergrund liegt und wie viele Untergeschosse das Gebäude haben wird. Um eine Bewegung des umgebenden Erdreichs zu verhindern und das Wasser rund um die Gründungsstelle abzudichten, kann vor dem Ausheben der Grube eine Schlitzwand erstellt werden. Dies geschieht durch Ausheben eines tiefen, schmalen Grabens um den Umfang der geplanten Grube; Beim Ausheben des Grabens wird er mit Schlamm (wässriger Ton) gefüllt, um ein Einstürzen der Wände zu verhindern. Wenn ein Grabenabschnitt die gewünschte Tiefe erreicht hat, wird ein Bewehrungsstahlkorb darin abgesenkt. Anschließend wird Beton in den Graben gepumpt, wodurch die leichtere Aufschlämmung verdrängt wird. Die Aufschlämmung wird gewonnen und in anderen Abschnitten des Grabens wieder verwendet.
• 2 In einigen Fällen liegt das Grundgestein nahe der Oberfläche. Der Boden auf dem Grundgestein wird entfernt, und es wird genug von der Grundfelsoberfläche entfernt, um eine glatte, ebene Plattform zu bilden, auf der das Fundament des Gebäudes errichtet werden kann. Fundamente (Löcher, in denen die Stützpfeiler des Gebäudes verankert werden können) werden in den Fels gesprengt oder gebohrt. In die Fundamente werden Stahl- oder Stahlbetonstützen gestellt.
• 3 Liegt der Felsuntergrund sehr tief, werden Pfähle (vertikale Balken) durch den Boden gebohrt, bis sie im Felsuntergrund eingebettet sind. Eine Technik besteht darin, Stahlpfähle in Position zu bringen, indem wiederholt ein schweres Gewicht auf ihre Spitzen fallengelassen wird. Eine andere Technik besteht darin, Schächte durch den Boden und in den Felsuntergrund zu bohren, Stahlbewehrungsstäbe einzubringen und die Schächte anschließend mit Beton zu verfüllen.

  A. Schlitzwand. B. Fundament. C. Eine Art von Fundament für einen Wolkenkratzer verwendet Stahlpfähle, um das Fundament am Boden zu sichern. D. Die Gleitschalungsmethode zum Gießen von Beton.

• 4 Auf die Stützpfeiler wird eine Fundamentplattform aus Stahlbeton gegossen.

Aufbau und Kern

Sobald der Bau eines Wolkenkratzers im Gange ist, werden gleichzeitig mehrere Bauphasen des Bauwerks bearbeitet. Wenn beispielsweise die Stützsäulen mehrere Stockwerke hoch sind, beginnen die Arbeiter mit dem Bau von Stockwerken für die unteren Stockwerke. Wenn die Säulen höher werden, bewegen sich auch die Bodendecker in die höheren Stockwerke, und die Ausbauteams beginnen mit der Arbeit auf den untersten Ebenen. Durch die Überlappung dieser Phasen wird nicht nur die Zeit optimal genutzt, sondern auch die Stabilität des Bauwerks während des Baus gewährleistet.

• 5 Bei Verwendung von Stahlstützen und Querverstrebungen im Gebäude wird jeder Träger mit einem Kran an seinen Platz gehoben. Der Kran steht zunächst auf dem Boden; später kann es auf der höchsten vorhandenen Ebene des Stahlskeletts selbst positioniert werden. Facharbeiter verschrauben oder schweißen das Ende des Trägers (Nieten werden seit den 1950er Jahren nicht mehr verwendet). Anschließend wird der Balken mit einem Isoliermantel umhüllt, damit er im Brandfall nicht überhitzt und geschwächt wird. Als alternative Wärmeschutzmaßnahme in einigen Gebäuden bestehen die Stahlträger aus Hohlrohren; Nach Fertigstellung des Überbaus werden die Rohre mit Wasser gefüllt, das während der gesamten Lebensdauer des Gebäudes kontinuierlich umgewälzt wird.
• 6 Beton wird häufig für den Bau des Kerns eines Gebäudes verwendet und kann auch zum Bau von Stützpfeilern verwendet werden. Üblicherweise wird eine als "Schlupfformung" bezeichnete Technik verwendet. Holzformen der gewünschten Form werden an einem Stahlrahmen befestigt, der mit einem Kletterheber verbunden ist, der eine vertikale Stange greift. Arbeiter bereiten einen Abschnitt aus Betonstahl vor, der höher ist als die Holzformen. Dann beginnen sie, Beton in die Formen zu gießen. Beim Einbringen des Betons hebt der Kletterheber die Schalung langsam und kontinuierlich an. Die Zusammensetzung der Betonmischung und die Steiggeschwindigkeit sind so aufeinander abgestimmt, dass der Beton im unteren Bereich der Schalung erstarrt ist, bevor die Schalung darüber aufsteigt. Im weiteren Verlauf bauen Arbeiter das über die Schalung ragende Bewehrungsstahlgitter aus und fügen Verlängerungen an der vertikalen Stange hinzu, die der Kletterheber greift. Auf diese Weise wird die gesamte Betonsäule als durchgehendes vertikales Element ohne Fugen aufgebaut.
• 7 In einem Stahl-Skelett-Gebäude werden Böden auf den Schichten der horizontalen Aussteifung hergestellt. Bei anderen Gebäudekonstruktionen werden die Böden durch horizontale Stahlträger gestützt, die am Gebäudekern und/oder an den Stützsäulen befestigt sind. Auf die Träger werden Stahldecks (Platten aus dünnem, gewelltem Stahl) gelegt und verschweißt. Eine etwa 5-10 cm dicke Betonschicht wird auf den Belag gegossen, um den Boden zu vervollständigen.

Das Empire State Building.

Das Empire State Building sollte den Wettbewerb um das höchste Gebäude beenden. Es sollte 102 Stockwerke und 381 Meter über den Straßen Manhattans ragen. Die Bauherren John J. Raskob und Pierre Samuel Du Pont sowie der ehemalige Gouverneur von New York, Alfred E. Smith, gaben im August 1929 ihre Absicht bekannt, das höchste Gebäude der Welt zu bauen. Sie wählten das Bauunternehmen Starrett Brothers and Eken und das Architekturbüro Shreve, Lamb und Harmon für das Projekt mit William F. Lamb als Chefdesigner. Er ist über dem fünften Stock von der Straße zurückgesetzt und schwebt dann ununterbrochen über 305 m in den 86. Stock. Das Äußere besteht aus Kalkstein und Granit und vertikale Säulen aus Chrom-Nickel-Stahl-Legierung erstrecken sich vom sechsten Stock bis zur Spitze. Das Gebäude enthielt 67 Aufzüge und 6.500 Glasfenster, die von einem 61 m langen Festmachermast für Luftschiffe gekrönt waren.

Das Empire State Building wurde am 11. April 1931, 12 Tage früher als geplant, fertiggestellt und am 1. Mai 1931 offiziell eröffnet. Das Gebäude ging als das höchste jemals gebaute Gebäude in die Geschichte ein und trug diesen Titel mehr als 40 Jahre lang. Erst 1972, als die 411 m hohen Zwillingstürme des World Trade Centers fertiggestellt wurden, wurde das Empire State Building in der Höhe übertroffen. Das World Trade Center wiederum wurde 1974 vom Sears Tower in Chicago übertroffen, der mit 443 mj das höchste Gebäude der Welt wurde.

Das Äußere

• 8 In den meisten hohen Gebäuden wird das Gewicht der Struktur und ihres Inhalts von den Stützpfeilern und dem Gebäudekern getragen. Die Außenwände selbst umschließen lediglich den Baukörper. Sie werden durch Anbringen von Paneelen aus Materialien wie Glas, Metall und Stein am Rahmen des Gebäudes hergestellt. Eine übliche Technik besteht darin, sie an Winkelkonsolen zu schrauben, die an Bodenplatten oder Stützsäulen befestigt sind.

Abschluss

• 9 Wenn ein Stockwerk des Gebäudes von Außenwänden umschlossen wurde, ist es bereit für den Innenausbau. Dazu gehört die Installation von Elementen wie Elektrokabeln, Telefonkabeln, Sanitärrohren, Innenwänden, Deckenplatten, Badezimmerarmaturen, Beleuchtungskörpern und Sprinklersystemen für die Feuerkontrolle. Dazu gehört auch die Installation mechanischer Komponenten wie Aufzüge und Systeme zur Luftzirkulation, Kühlung und Heizung.
• 10 Wenn der gesamte Überbau fertiggestellt ist, wird das Dach des Gebäudes durch die Installation eines Daches abgeschlossen. Dieser kann ähnlich wie ein Boden gebaut und dann mit einer Gummi- oder Kunststoffschicht wasserdicht gemacht werden, bevor er mit einer attraktiven, wetterbeständigen Schicht aus Fliesen oder Metall bedeckt wird.

Qualitätskontrolle

Bei der Qualitätssicherung werden verschiedene Faktoren berücksichtigt. Aufgrund der riesigen Ausmaße von Wolkenkratzern wird ein kleiner Positionierungsfehler an der Basis beim Ausfahren auf das Dach vergrößert. Zusätzlich zu normalen Vermessungsinstrumenten können ungewöhnliche Geräte wie Global Positioning System (GPS)-Sensoren und Flugzeugbombenvisiere verwendet werden, um die Anordnung und Ausrichtung von Strukturelementen zu überprüfen.

Bodensensoren rund um die Baustelle werden verwendet, um unerwartete Erdbewegungen durch die Bautätigkeit zu erkennen.

Nebenprodukte/Abfälle

Der Aushub der Baugrube und der Kellergeschosse erfordert die Beseitigung enormer Schmutzmengen. Als die 110-stöckigen Türme des World Trade Center in New York in den frühen 1970er Jahren gebaut wurden, wurden mehr als 1 Million Kubikyards (765.000 Kubikmeter) Erde und Gestein abgetragen und in den Hudson River gekippt, um 23,5 Acres (95.100 Quadratmeter) zu schaffen ) von neuem Land, auf dem später ein weiterer Wolkenkratzer errichtet wurde.

Die Zukunft

Es wurden Pläne für mehrere neue Wolkenkratzer entwickelt, die bestehende Höhenrekorde brechen würden. Beispielsweise wird ein 108-stöckiges Gebäude in der South Dearborn Street 7 in Chicago, das bis 2004 fertiggestellt sein soll, 473 m hoch sein. Es wird 174.000 Quadratmeter umschlossene Fläche auf einem Grundstück von nur 61 Quadratmetern bieten.

1956 kündigte der amerikanische Architekt Frank Lloyd Wright Pläne für einen 1,6 Kilometer hohen Wolkenkratzer an, in dem 100.000 Menschen arbeiten könnten. 1991 entwarf ein anderer amerikanischer Architekt, Dr. Eugene Tsui, ein 3,220 m hohes Gebäude, das 1.000.000 Menschen Platz zum Leben, Arbeiten und Erholen bieten sollte. Obwohl solche Gebäude theoretisch baubar sein mögen, sind sie derzeit nicht praktikabel. Zum Beispiel begrenzen die menschlichen Komfortniveaus die Aufzugsgeschwindigkeiten auf nicht mehr als 3.000 ft/min (915 m/min). Um die 100.000 Menschen unterzubringen, die in Wrights geplantem Gebäude arbeiten, hätte die Anzahl der Aufzugsschächte einen zu großen Teil der Gebäudefläche eingenommen.

Verbesserungen in der Aufzugstechnologie werden für zukünftige Wolkenkratzerdesigns wichtig sein. Selbstfahrende, seillose Aufzugskabinen, die sich sowohl horizontal als auch vertikal bewegen, wurden vorgeschlagen, befinden sich jedoch noch in der Entwicklung. Computergestützte Fahrzeugabfertigungssysteme, die Fuzzy-Logik verwenden, könnten verfeinert werden, um Personen effizienter zu befördern, indem Fahrgäste gruppiert werden, deren Ziele nahe beieinander liegen.