Tuli ja teräs nostivat talot pilviin
Öljylampun kaatoi ehkä lehmä, ehkä korttia pelaava miesseurue. Tapahtumien kulkua ei tiedetä tarkalleen, mutta joka tapauksessa vuonna 1871 tuli pääsi irti O'Learyn perheen navetassa ja levisi nopeasti Chicagon hellekesän kuivattamissa puutalokortteleissa.
”Taivaalta satoi palavia kattolevyjen, lankkujen, tapettien ja kaiken muun mahdollisen kappaleita kuin lunta. Kaikkialla savusi ja kipinöi, ja tuuli lietsoi jatkuvasti ja sai aikaan suuria hehkuvien hiilten pyörteitä. Kaupungin katot ja kadut olivat liekeissä”, kirjoitti muistiin silminnäkijä.
Tulipalo vaati 300 ihmisen hengen, ja 18 000 taloa paloi poroksi. Tuhkasta nousi vähitellen uudenlaisia – toinen toistaan korkeampia – rakennuksia.
Chicagon suurpalo teki 90 000 kaupunkilaisesta kodittomia. Määrä oli kolmasosa koko väkiluvusta.
Kaikki korkealle kurkottavat pilvenpiirtäjät – myös Dubain päätä huimaavaan 828 metrin korkeuteen ulottuva huipputapaus Burj Khalifa – juontavat juurensa 1800-luvun Chicagosta ja neljän miehen sisukkaasta uurastuksesta.
Lintuhäkistä idea teräsrunkoon
Kun Chicagon suurpalo sammui 9. lokakuuta 1871, paikallisviranomaiset päättivät heti, että vastedes kaupunkiin saa rakentaa taloja ainoastaan palamattomista materiaaleista, kuten tiilistä, marmorista ja kalkkikivestä. Ne olivat kuitenkin kalliita, ja vain harvoilla yksityishenkilöillä oli niihin varaa.
Siksi Chicagon keskustan tyhjät tontit päätyivät pankkien ja suuryritysten käsiin. Yksi niistä oli vakuutusyhtiö New York Home Insurance Company, joka etsi pääkonttorilleen uutta paikkaa.
Yhtiö pyysi arkkitehtejä suunnittelemaan rakennuksen, jonka jokainen kerros saa runsaasti luonnonvaloa.
Haaste vastasi täydellisesti 39-vuotiaan William Le Baron Jenneyn visiota. Hän halusi korvata kantavat kiviseinät moderneilla vaihtoehdoilla, joihin kuului metallirunko.
Pilvenpiirtäjällä neljä isää
Tietä kolossaalisille tornitaloille tasoittivat keksinnöt, jotka yksi mekaanikko ja kolme insinööriä tekivät erikseen.
Perimätiedon mukaan Jenney sai innoitusta kotinsa lintuhäkistä, joka säilytti muotonsa, vaikka hänen vaimonsa laski sen päälle ison, raskaan kirjan.
Olipa inspiraation lähde mikä tahansa, Jenney tajusi häkkimäisen teräsrakenteen olevan niin kevyt, luja ja joustava, että on mahdollista rakentaa kymmenkerroksisia taloja.
Lisäksi runko vahvistaa rakennusta niin, että kaikille sivuille voidaan tehdä suuria ikkunoita, joista tulvii valoa – kuten vakuutusyhtiö halusi.
Jenney vei voiton, ja maailman ensimmäinen pilvenpiirtäjäksi kutsuttu talo, Home Insurance Building, valmistui vuonna 1885.
Vuonna 1891 maailman ensimmäinen pilvenpiirtäjä, Home Insurance Building i Chicago, sai kaksi lisäkerrosta. Siitä tuli 54,9 metriä korkea.
New Yorkissa sensaatiomaisen rakennuksen korkeus ja keveys herättivät kateutta. Asukasluku oli kolminkertaistunut vuosina 1840–1870, ja yhtenä ratkaisuna tilaongelmaan pidettiin korkeampia taloja.
New Yorkin rakennusviranomaiset hyväksyivät vuonna 1889 Jenneyn metallirungon, ja pian sen jälkeen valmistui 11-kerroksinen Tower Building.
Etenkin Chicago ja New York tuntuivat kilpailevan keskenään. 1900-luvun alussa oli olemassa jo 25–30-kerroksisia taloja , ja suunta oli ylöspäin.
Teräs pursui jättiuuneista
Pilvenpiirtäjien menestykselle laski perustan teräksen keksiminen. Kun raakarautaan lisättiin sopivasti hiiltä, syntyi seos, joka oli erittäin lujaa ja taipuisaa.
Ennen teollistumista terästä valmistettiin käsityönä hyvin hankalasti ja hitaasti. Esimerkiksi ensimmäiset ratakiskot ja rautatiesillat olivat valurautaisia. Koska rauta sisälsi liikaa hiiltä, se halkeili ja aiheutti onnettomuuksia.
Brittiläinen insinööri ja keksijä Henry Bessemer halusi helpottaa raudan hiilipitoisuuden säätämistä ja patentoi vuonna 1855 uuden teräksen valmistusmenetelmän.
Bessemer-prosessi tapahtui valtavassa konvertteriksi kutsutussa uunissa, jossa raakarautaan puhallettiin voimakkaasti ilmaa. Korkeassa lämpötilassa ilman happi reagoi raakaraudan piin, mangaanin ja hiilen kanssa, ja hiilivedyt hulmusivat uunin yläosan aukosta 5–10 metrin lieskoina.
Kun raudasta oli poistettu kaikki epäpuhtaudet, siihen lisättiin tietyssä suhteessa muun muassa hiiltä sen mukaan, kuinka lujaa teräksestä piti tulla.
3 ideaa kohotti taloja
Jo 1800-luvun puolella terästä alettiin valmistaa teollisesti. Kun lisäksi portaat voitiin korvata hisseillä ja joustava teräsrunko keksittiin, rakennuksista oli mahdollista tehdä entistä korkeampia.
Bessemer-prosessilla voitiin valmistaa 15 tonnia terästä tunnissa. Ennen saman määrän tuottaminen kesti kaksi viikkoa. Ratakiskoja ja teräksisiä rakennusmateriaaleja alettiin tehtailla.
Vuonna 1860 maailmassa valmistettiin terästä 50 000 tonnia, 1870 kymmenen kertaa niin paljon ja 1899 peräti 28 miljoonaa tonnia.
Kukaan ei käyttänyt portaita
Teräksen lisäksi William Le Baron Jenney turvautui Home Insurance Buildingissä uudenlaiseen paineilmahissiin.
Vielä 1850-luvun puolivälissä rakennuksissa oli enintään seitsemän kerrosta, sillä myös portaiden pituus rajoitti talojen korkeutta. Ylimpiin kerroksiin oli raskas kavuta.
Tavarahissit olivat yleisiä, mutta samalla tekniikalla ei voitu kuljettaa ihmisiä, sillä he olivat hegenvaarassa siinä tapauksessa, että hissi pääsisi putoamaan. Vermontilainen mekaanikko Elisha Graves Otis ratkaisi ongelman vuonna 1853 automaattisella hätäjarrulla.
Elisha Graves Otis teki hissistä turvallisen keksimällään automaattisella hätäjarrulla. Hän esitteli turvamekanismin New Yorkin maailmannäyttelyssä 1853.
Otisin hissiä ympäröi metallikehys, jossa oli rattaan hampaiden kaltaisia pykäliä. Hissin päällä oleva metallitanko liikkui pykälien väliin, jos kaapeli katkesi.
Elisha Graves Otis perusti Otis Elevator Company -yhtiön, joka toimitti hissit muun muassa Eiffelin torniin ja Empire State Buildingiin. Nimi on kirjoitettu myös niihin 57 hissiin, jotka nousevat ja laskevat äänettömästi Burj Khalifan 19 hissikuilussa 36 kilometrin tuntinopeudella.
Nuorimies vei rungon ulos
William Le Baron Jenneyn käyttämän kaltainen metallirunko oli 1960-luvulle asti tavallinen kaiken maailman pilvenpiirtäjissä. Koska rungon palkit, pylväät ja putket veivät suuren osan sisätilasta ja neliömetrit olivat hintavia, ei kannattanut rakentaa yli 300 metriä korkeita taloja. Bangladeshista kotoisin ollut nuorimies halusi muuttaa tilanteen.
Aikansa korkeimmat rakennukset
Ensimmäiset korkeat rakennukset olivat kivisiä, ja betoni ja teräs tulivat myöhemmin. Nykyään voidaan rakentaa vielä korkeampia torneja lujien ja kestävien yhdistelmämateriaalien ansiosta.
Vanha aika: Pyramidi oli vuori
Khufun eli Kheopsin pyramidi oli valmistuessaan 147 metriä korkea. Se oli vuosituhansia maailman korkein rakennus. Leveine pohjineen ja yhteen huippuun päättyvine järeine seinineen se oli tekovuori.
Keskiaika: Kirkot kohottautuivat
Keskiajalta 1800-luvulle asti katedraalit kasvoivat korkeutta. Ulkopuoliset kaaret siirsivät kuormitusta ulkoseinien tukipilareihin. Esimerkiksi Kölnin tuomikirkosta voitiin tehdä 157 metriä korkea isoista ikkunoista huolimatta.
1800-luku: teräksen tulo
Rauta- ja terästeollisuus siivitti insinöörit uusiin ennätyksiin. Kun Eiffelin torni valmistui Pariisiin vuonna 1889, se oli ensimmäinen 300 metriä korkea rakennus ja aina vain korkeampien rakennusten airut.
1900-luku: pilvenpiirtäjien aika
Teräsrunko antoi rakennuksille lisää korkeutta. Vuonna 1930 New Yorkin Chrysler Building rikkoi 319 metrin korkeudellaan Eiffelin tornin ennätyksen. Ja se oli vasta alkua, sillä 1900-luvusta tuli pilvenpiirtäjien vuosisata.
Nykyään: kilometri häämöttää
Rakentajat tähtäävät tätä nykyä ainakin 600-metrisiin "megapilvenpiirtäjiin". Puhtaat teräsrakenteet ovat väistymässä esimerkiksi hiili- ja lasikuituisten komposiittien tieltä. Ne ovat siis yhdistelmämateriaaleja.
Kun insinööriksi opiskellut Fazlur Rahman Khan muutti 21-vuotiaana Chicagoon perehtyäkseen rakennussuunnitteluun, hän ei ollut nähnyt koskaan pilvenpiirtäjää. Hän herätti huomiota kekseliäisyydellään ja valmistui ennätysajassa.
Khan käänsi Jenneyn teräskonstruktion nurin päin ja kehitti ”putkirakenteen”. Sisäpuolen järeä teräsrunko korvautui ulkopuolisella kehikolla, joka kannatteli rakennusta ja liittyi kuormitusta jakaviin teräksisiin poikkipalkkeihin.
Chicagoon vuonna 1969 valmistunut John Hancock Center oli ensimmäinen uudella tavalla rakennettu pilvenpiirtäjä. Se oli 344 metriä korkea ja 100-kerroksinen.
Fazlur Rahman Khan jatkoi kehitystyötä ja keksi perusrakenteesta useita muunnoksia. Tunnetuin on ”niputettu putkirakenne”, jota hän käytti vuonna 1973 valmistuneessa 447 metriä korkeassa Willis Towerissa (entiseltä nimeltään Sears Tower).
Willis Toweriin saatiin innoitusta niputetuista bamburuo'oista. Sen yhdeksän putkea jakavat kuormitusta keskenään. Rakennus oli maailman korkein 25 vuotta.
Bamburuokonipun innoittamana Khan suunnitteli erillisiä osarakenteita jakamaan tuulen ja painon kuormitusta keskenään. Esimerkiksi Willis Tower koostuu yhdeksästä eripituisesta nelikulmaisesta putkesta, jotka jakavat kuormittavia voimia toistensa kanssa.
Ennätyksenhaltijalla katedraalitukia
Maailman korkein rakennus, Burj Khalifa, perustuu Khanin ideoihin ja koostuu useasta toisiinsa liittyvästä putkirakenteesta. Silti se edustaa uutta ajattelua. Vanhoja keksintöjä ei nimittäin voida soveltaa sellaisinaan entistä korkeampiin rakennuksiin, sillä haasteet suurenevat kerros kerrokselta.
Burj Khalifan suunnittelijat kehittivät kuusikulmaisen ydinrakenteen, jota erikoinen Y-kirjainta muistuttava muoto tukee. Teknisessä ratkaisussa on jotain samaa kuin keskiajan katedraalien tukikaarissa, jotka siirsivät sisäholvien paineen ulkoseinien pilareihin.
Katedraalien ulkopuoliset tukikaaret siirsivät sisäholvien painetta ulkoseinien pilareihin.
Burj Khalifa pystytettiin Dubaihin erittäin vaativissa olosuhteissa – erityisesti korkeuden kasvaessa. Betonin pumppaaminen 600 metrin korkeuteen kesti 40 minuuttia, vaikka paine oli valtava 206 kiloa neliösenttimetriä kohti. Lisäksi aavikon kuumuus pakotti sekoittamaan betoniin jäätä sitä haurastuttavien kemiallisten reaktioiden estämiseksi.
Tuuli on suuri haaste
Burj Khalifan riskitekijöihin kuuluu lämmön ohella tuuli. Jo ensimmäiset pilvenpiirtäjät osoittivat, että tuuli pitää ottaa suunnittelussa huomioon rakennettaessa korkeita taloja.
Kun tuuli osuu laajoihin tasaisiin pintoihin, ilmavirta voimistuu ja syöksyy ylös- ja alaspäin. Rakennuksen terävien kulmien ympärille syntyy voimakkaita pyörteitä, jotka muistuttavat trombia.
Ruutukaavakaupungit, joissa on vierekkäin korkeita taloja, ovat usein tuulisia ja kadut voivat muuttua tuulitunneleiksi, joissa raju ilmavirta voi jopa kaataa jalankulkijoita. Näin on tapahtunut muun muassa Lontoossa ja New Yorkissa.
Vaikka rakennus saa huojua melko paljon ilman romahtamisvaaraa, heilunta koetaan niiden sisällä epämiellyttäväksi. Siksi huojumisliikettä pyritään rajoittamaan mahdollisuuksien mukaan.
Burj Khalifa on sekoitus uutta ja vanhaa
Maailman korkein rakennus nojautuu tukevasti rakennusperintöön, mutta se on myös uuden tekniikan ja aerodynaamisen muotoilun edustaja.
1. Muoto hajottaa tuulta
Dubaissa esiintyy hiekkamyrskyjä, joissa tuulen nopeus on jopa 28 m/s. Burj Khalifa koostuu 27 erikorkuisesta tornista, joiden kulmat on pyöristetty niin, että ne hajottavat tuulta ja vähentävät näin tuulesta johtuvaa huojuntaa.
2. Putki vahvistaa tornia
Vuonna 1963 bamburuokonippu innoitti insinööri Fazlur Rahman Khania kehittämään uuden rakenteen. Ideana on pystyttää talo erikokoisista putkiosista, jotka parantavat rakennuksen kantavuutta ja tuulenkestoa.
3. Y-muoto tukee ydintä
Keskiaikaisissa katedraaleissa holveja ja ikkunoita vahvistavat tukikaaret ja -pylväät. Vastaavalla tavalla Burj Khalifa hyötyy Y-muodostaan, sillä alimmat tasot vakauttavat rakennusta tukemalla sen kuusikulmaista ydintä.
4. Betonipilarit kantavat tornia
Perustukset muodostavat ikään kuin valtavan betonisen lumikengän, joka lepää hiekalla ja kiinnittyy 192 betonipilarilla. Paksun hiekkapatjan ja 50 metriä pitkien pilareiden välinen kitka pitää rakennuksen paikallaan.
Pohjimmiltaan on kyse tuulen hajottamisesta ja ohjaamisesta. Burj Khalifan epäsymmetrinen muoto pyöristettyine kulmineen ja korkeudeltaan ja leveydeltään vaihtelevine osineen häiritsee jatkuvasti ilmavirtoja ja samalla heikentää niitä.
Ratkaisujen ansiosta huippu huojuu enintään 1,5 metriä. Kallistuminen on niin hidasta, ettei se aiheuta pahoinvointia.
Kilpailu on siirtynyt Lähi-itään
Burj Khalifa on pitänyt korkeusennätystä hallussaan vuodesta 2010, mutta Saudi-Arabiaan ollaan rakentamassa sitä korkeampaa Kingdom Toweria, jonka on määrä saavuttaa maaginen kilometrin raja.
Myös Dubaissa on vireillä hanke, joka tähtää Burj Khalifaa korkeamman rakennuksen, 1 400 metriä korkean Dubai Creek Towerin, pystyttämiseen.
Chicagon ja New Yorkin 1800-luvulla aloittamaa kilpailua käydään nyt Arabian niemimaalla. Joidenkin tutkijoiden mukaan teoriassa on mahdollista rakentaa vaikka Mount Everestin korkuinen talo, kunhan perustukset vain kestävät.
Maan tasalle palaneesta Chicagosta alkanut kehitys voi siis vielä johtaa yhdeksän kilometrin korkeuteen.
