Planung und Bau von Wolkenkratzern - Skyscraper design and construction

Ein Arbeiter am Rahmen des Empire State Building

Das Entwerfen und Bauen von Wolkenkratzern beinhaltet die Schaffung sicherer, bewohnbarer Räume in sehr hohen Gebäuden. Die Gebäude müssen ihr Gewicht tragen, Wind und Erdbeben standhalten und die Bewohner vor Feuer schützen. Sie müssen aber auch in den oberen Stockwerken bequem zugänglich sein und den Bewohnern ein angenehmes Klima bieten. Die Probleme in Wolkenkratzer Design gestellt werden zu den komplexesten anzutreffen waren die Bilanzen erforderlich zwischen betrachtet Wirtschaft , Technik und Bau - Management.

Grundlegende Designüberlegungen

Eine gute Tragwerksplanung ist bei den meisten Gebäudeentwürfen wichtig, insbesondere aber bei Wolkenkratzern, da selbst eine geringe Wahrscheinlichkeit eines katastrophalen Versagens angesichts der hohen Baupreise und der potenziellen Gefahr für Menschenleben in großem Umfang, wie beim Zusammenbruch der Eigentumswohnung in Surfside im Jahr 2021, nicht akzeptabel ist . Dies stellt Bauingenieure vor ein Paradox: Die einzige Möglichkeit, die Fehlerfreiheit sicherzustellen, besteht darin, alle Fehlerarten zu testen, sowohl im Labor als auch in der realen Welt. Aber der einzige Weg, alle Arten des Scheiterns zu kennen, besteht darin, aus früheren Fehlschlägen zu lernen. Daher kann kein Ingenieur absolut sicher sein, dass eine gegebene Struktur allen Belastungen standhält, die zu einem Versagen führen könnten, kann jedoch nur so große Sicherheitsmargen aufweisen, dass ein Versagen akzeptabel ist. Wenn Gebäude versagen, fragen sich Ingenieure, ob das Versagen auf mangelnde Voraussicht oder auf einen unbekannten Faktor zurückzuführen ist.

Unterkonstruktion

Eines der vielen Dinge, die Wolkenkratzer besonders machen, ist ihre Unterkonstruktion. Beispielsweise muss die Tiefe der Grube, die den Unterbau hält, bis zum Untergrund reichen. Wenn das Grundgestein nahe an der Oberfläche liegt, wird der Boden auf dem Grundgestein entfernt, und es wird genug von der Grundgesteinsoberfläche entfernt, um eine glatte Plattform zu bilden, auf der das Fundament des Gebäudes errichtet werden kann.

Belastung und Vibration

Taipei 101 erleidet einen Taifun (2005)

Die Belastung, die ein Wolkenkratzer erfährt, kommt hauptsächlich von der Kraft des Baumaterials selbst. Bei den meisten Gebäudekonstruktionen ist das Gewicht der Struktur viel größer als das Gewicht des Materials, das sie über ihr Eigengewicht hinaus trägt. In technischen Hinsicht die tote Last , die Last der Struktur ist, größer ist als die Verkehrslast , das Gewicht der Dinge in der Struktur (Menschen, Möbel, Fahrzeuge, etc.). Daher ist die Menge an Baumaterial, die in den unteren Stockwerken eines Wolkenkratzers benötigt wird, viel größer als das Material, das in den höheren Stockwerken benötigt wird. Dies ist optisch nicht immer erkennbar. Die Rückschläge des Empire State Buildings sind eigentlich eine Folge der damaligen Bauordnung und waren baulich nicht erforderlich. Andererseits ist die Form des John Hancock Centers auf einzigartige Weise das Ergebnis seiner Tragfähigkeit. Vertikale Stützen gibt es in verschiedenen Ausführungen, von denen die häufigsten für Wolkenkratzer in Stahlrahmen, Betonkerne, Rohr-in-Rohr-Konstruktion und Schubwände unterteilt werden können.

Auch die Windbelastung eines Hochhauses sollte berücksichtigt werden. Tatsächlich ist die seitliche Windlast, die auf superhohe Strukturen ausgeübt wird, im Allgemeinen der bestimmende Faktor bei der Tragwerksplanung. Der Winddruck nimmt mit der Höhe zu, sodass bei sehr hohen Gebäuden die mit dem Wind verbundenen Lasten größer sind als Eigen- oder Nutzlasten.

Andere vertikale und horizontale Belastungsfaktoren stammen aus unterschiedlichen, unvorhersehbaren Quellen, wie beispielsweise Erdbeben.

Scherwände

Eine Schubwand ist in ihrer einfachsten Definition eine Wand, bei der das gesamte Material der Wand zum Widerstand sowohl horizontaler als auch vertikaler Lasten verwendet wird. Ein typisches Beispiel ist eine Backstein- oder Betonwand . Da das Wandmaterial zur Aufnahme des Gewichts verwendet wird, muss die Wand mit zunehmender Größe erheblich mehr Gewicht tragen. Aufgrund der Eigenschaften einer Wandscheibe ist es akzeptabel, dass kleine Konstruktionen wie Vorstadthäuser oder ein städtisches Brownstone geringe Materialkosten und wenig Wartung erfordern. Auf diese Weise werden für diese Konstruktionen Wandscheiben, typischerweise in Form von Sperrholz und Rahmen, Ziegel oder Betonblock verwendet. Bei Wolkenkratzern nimmt jedoch mit der Größe des Bauwerks auch die Größe der tragenden Wand zu. Große Bauwerke wie Burgen und Kathedralen adressierten diese Probleme von Natur aus, da eine große Mauer vorteilhaft war (Schlösser) oder um sie herum gestaltet werden konnte (Kathedralen). Da Wolkenkratzer versuchen, die Grundfläche durch die Konsolidierung der Tragstruktur zu maximieren, werden Wandscheiben meist nur in Verbindung mit anderen Tragsystemen verwendet.

Stahlrahmen

Das klassische Konzept eines Wolkenkratzers ist eine große Stahlbox mit vielen kleinen Boxen darin. Durch Eliminieren des ineffizienten Teils einer Scherwand , des Mittelteils, und Konsolidieren von Stützelementen aus einem viel stärkeren Material, Stahl, könnte ein Wolkenkratzer mit sowohl horizontalen als auch vertikalen Stützen gebaut werden. Diese Methode, obwohl einfach, hat Nachteile. Der wichtigste davon ist, dass, wenn mehr Material gestützt werden muss (wenn die Höhe zunimmt), der Abstand zwischen den Stützelementen abnehmen muss, was wiederum die Menge an Material, die gestützt werden muss, erhöht. Dies wird bei Gebäuden mit einer Höhe von mehr als 40 Stockwerken ineffizient und unwirtschaftlich, da die nutzbare Grundfläche für die tragenden Säulen und durch den stärkeren Einsatz von Stahl reduziert wird.

Rohrrahmen

Hauptartikel: Tube (Struktur)
Der Willis Tower zeigt die gebündelte Rohrrahmenkonstruktion

Anfang der 1960er Jahre wurde ein neues Tragsystem mit Rahmenrohren entwickelt. Fazlur Khan und J. Rankine definierten die gerahmte Rohrstruktur als "eine dreidimensionale Raumstruktur, die aus drei, vier oder möglicherweise mehr Rahmen, verspannten Rahmen oder Scherwänden besteht, die an oder in der Nähe ihrer Kanten verbunden sind, um eine vertikale rohrähnliche Struktur zu bilden". System, das Querkräften in jede Richtung widerstehen kann, indem es vom Fundament auskragt." Eng beabstandete, miteinander verbundene äußere Säulen bilden die Röhre. Horizontale Lasten (hauptsächlich Wind) werden von der Gesamtkonstruktion getragen. Etwa die Hälfte der Außenfläche steht für Fenster zur Verfügung. Gerahmte Rohre ermöglichen weniger Innensäulen und schaffen so mehr nutzbare Grundfläche. Wenn größere Öffnungen wie Garagentore erforderlich sind, muss der Rohrrahmen unterbrochen werden, wobei Übergangsträger verwendet werden, um die strukturelle Integrität zu erhalten. Röhrenkonstruktionen senken die Kosten, ermöglichen gleichzeitig höhere Gebäudehöhen. Die Rohrrahmenkonstruktion wurde erstmals im DeWitt-Chestnut Apartment Building verwendet , das von Khan entworfen und 1963 in Chicago fertiggestellt wurde. Sie wurde bald darauf für das John Hancock Center und beim Bau des World Trade Centers verwendet .

Eine Variante des Rohrrahmens ist das Bündelrohr, das mehrere miteinander verbundene Rohrrahmen verwendet. Der Willis Tower in Chicago verwendete dieses Design und verwendete neun Röhren unterschiedlicher Höhe, um sein unverwechselbares Erscheinungsbild zu erzielen. Die Bündelrohrkonstruktion war nicht nur wirtschaftlich hocheffizient, sondern auch „innovativ in der vielseitigen Gestaltung des architektonischen Raums. Effiziente Türme mussten nicht mehr kastenförmig sein, die Rohreinheiten konnten verschiedene Formen und in verschiedene Arten von Gruppierungen gebündelt werden könnten." Durch die gebündelte Röhrenstruktur müssen "Gebäude nicht mehr kastenförmig sein, sie könnten Skulptur werden". Städte haben dank Khans Innovationen, die wirtschaftliche Wolkenkratzer ermöglichen, einen enormen Anstieg beim Bau von Wolkenkratzern erlebt.

Die Rohrsysteme sind von grundlegender Bedeutung für das Design hoher Gebäude. Die meisten Gebäude mit mehr als 40 Stockwerken, die seit den 1960er Jahren gebaut wurden, verwenden heute ein Röhrendesign, das von Khans Konstruktionsprinzipien abgeleitet wurde, Beispiele wie der Bau des World Trade Centers, des Aon Centers , der Petronas Towers , des Jin Mao Building und der meisten anderen superhohen Wolkenkratzer seit den 1960er Jahren . Der starke Einfluss der Röhrenkonstruktion zeigt sich auch beim Bau des derzeit höchsten Wolkenkratzers, dem Burj Khalifa .

Das Rätsel um den Aufzug

Aufzüge im Empire State Building

Die Erfindung des Aufzugs war eine Voraussetzung für die Erfindung der Wolkenkratzer, da die meisten Menschen nicht mehr als ein paar Treppen auf einmal steigen konnten (oder konnten). Die Aufzüge in einem Wolkenkratzer sind nicht nur ein notwendiges Hilfsmittel wie fließendes Wasser und Strom, sondern hängen eng mit der Gestaltung des gesamten Bauwerks zusammen. Ein höheres Gebäude erfordert mehr Aufzüge, um die zusätzlichen Stockwerke zu bedienen, aber die Aufzugsschächte verbrauchen wertvolle Bodenfläche. Wenn der Servicekern (der die Aufzugsschächte enthält) zu groß wird, kann dies die Rentabilität des Gebäudes verringern. Architekten müssen daher den Wert, der durch die Erhöhung der Höhe gewonnen wird, gegen den Wert abwägen, der durch den expandierenden Dienstleistungskern verloren geht. Viele hohe Gebäude verwenden Aufzüge in einer nicht standardmäßigen Konfiguration, um ihren Platzbedarf zu reduzieren. Gebäude wie die ehemaligen World Trade Center Towers und das John Hancock Center in Chicago nutzen Sky-Lobbys , in denen Expressaufzüge die Passagiere in die oberen Stockwerke bringen, die als Basis für lokale Aufzüge dienen. So können Architekten und Ingenieure Aufzugsschächte platzsparend übereinander platzieren. Sky-Lobbys und Express-Aufzüge nehmen viel Platz ein und erhöhen die Zeit, die für das Pendeln zwischen den Etagen aufgewendet wird. Andere Gebäude wie die Petronas Towers verwenden Doppeldeckeraufzüge, die es mehr Menschen ermöglichen, in einen einzigen Aufzug zu passen und an jeder Haltestelle zwei Stockwerke zu erreichen. Es ist möglich, sogar mehr als zwei Ebenen auf einem Aufzug zu benutzen, obwohl dies noch nicht ausprobiert werden muss. Das Hauptproblem bei Doppeldeckeraufzügen besteht darin, dass alle Aufzugsinsassen anhalten, wenn nur Personen auf einer Ebene in einer bestimmten Etage aussteigen müssen.

Eine weitere Lösung, die der Shanghai Tower und der im Bau befindliche Jeddah Tower (2019) verwenden, besteht darin, Gebäude für gemischte Nutzung zu schaffen, wobei Büroflächen in den unteren Etagen untergebracht werden, da mehr Nutzfläche benötigt wird. Nach oben hin sind mehrgeschossige Penthouses und Atrien angeordnet, die wenig Querschnittsfläche benötigen.

Andere Schwierigkeiten beim Bau von Wolkenkratzern

Der Bau von Wolkenkratzern kann aufgrund anderer Faktoren als Komplexität und Kosten schwierig sein. In europäischen Städten wie Paris kann es beispielsweise der Unterschied zwischen dem Erscheinungsbild alter Architektur und moderner Wolkenkratzer erschweren, die Genehmigung der lokalen Behörden für den Bau neuer Wolkenkratzer zu erhalten. Der Bau von Wolkenkratzern in einer alten und berühmten Stadt kann das Bild der Stadt drastisch verändern. In Städten wie London, Edinburgh, Portland und San Francisco gibt es eine gesetzliche Anforderung namens Protected View , die die Höhe neuer Gebäude innerhalb oder neben der Sichtlinie zwischen den beiden beteiligten Orten begrenzt. Diese Regel erschwert es auch, geeignete Standorte für neue Hochhäuser zu finden.


Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

  • Barr, Jason M. (2016-06-09). Die Skyline bauen: Die Geburt und das Wachstum von Manhattans Wolkenkratzern . Oxford University Press. P. 456. ISBN 978-0199344369.
  • Sabbagh, Karl (1991-07-01). Wolkenkratzer: Die Entstehung eines Gebäudes (Reprint ed.). Pinguin (Nicht-Klassiker). P. 400. ISBN 0-14-015284-9.
  • Chew, Michael YL; Michael Chew Yit Lin (2001-02-15). Bautechnik für hohe Gebäude (2 Sub ed.). Universitätspresse Singapur. P. 436. ISBN 981-02-4338-3.

Externe Links