archirama.pl

Na granicy możliwości – wieżowiec Taipei 101

Wieżowiec Taipei 101 w mieście Tajpej, stolicy Tajwanu. Mający 508 metrów gigant jest dzisiaj najwyższym budynkiem na świecie. Jego projektantom przyszło się zmierzyć z problemami trudnych warunków posadowienia (jakość gruntu określono jako niezadowalającą), silnych wiatrów  (tajfuny występują tu kilka razy w roku) i trzęsień ziemi (działka jest położona około 200 metrów od linii uskoku tektonicznego). Budynek należało wyposażyć w specjalny system tłumienia drgań i kołysania, by zapewnić możliwie jak największy komfort dziesięciu tysiącom jego użytkowników. Jednocześnie do poruszania się między  wszystkimi 101 kondygnacjami przeznaczono 61 wind, z czego dwie, zapewniające dojazd na najwyżej położone piętra osiągają rekordowe szybkości, potwierdzone wpisem do Księgi Rekordów Guinessa.

Na granicy możliwości – wieżowiec Taipei 101

Widok wieżowca Taipei 101 z poziomu ulicy podczas budowy

Fot: z archiwum Evergreen Consulting Engineering Inc., Taiwan

Architektura i symbolika

W formie drapacza chmur Taipei 101 połączono lokalne motywy kulturowe, by budynek wyraźnie kojarzył się z Tajwanem. Rytm powtarzalnych modułów, tworzących zewnętrzną powierzchnię wieżowca, wynika z inspiracji budową bambusa i kształtem pagody. Każdy z modułów projektanci wyobrażali sobie jako kielich kwiatu, otwierający się ku niebu. Nawiązaniem do miejscowej tradycji było skomponowanie głównej bryły wieżowca z ośmiu modułów, a każdego z nich – z ośmiu kondygnacji. W niektórych narzeczach chińskich słowa „osiem” i „szczęście” są bowiem homonimami. Dziewiąty moduł stanowi architektoniczne zwieńczenie konstrukcji. Mieści on taras widokowy, kondygnacje techniczne i wspiera iglicę. Z kolei „talia” wieżowca została zaakcentowana medalionami, nawiązującymi formą do chińskich monet symbolizujących szczęście.

Wyzwania projektowe

Konstrukcja Taipei 101 musi sprostać tajfunom, trzęsieniom ziemi i problemom posadowienia, wynikającym ze słabości gruntu. Podczas jej projektowania, inżynierowie i architekci musieli uzwględnić pięć najważniejszych zagadnień. Pierwszym z nich był niezwykły kształt budynku. Dwadzieścia pięć dolnych pięter zwęża się lekko ku górze, tworząc ściętą piramidę – taka forma zwiększa odporność budynku na przewracanie. Ponad nimi wznosi się osiem ośmiopiętrowych modułów o odchylonych na zewnątrz ścianach, tworzących na wysokości 26 piętra „talię” i wyraźne cofnięcia elewacji na piętrach 34, 42, itd. Moduły mają też podwójne wycięcia w narożnikach, które zmniejszają efekty turbulencji wywołanych wiatrem. Sekwencja ośmiu piramidalnych modułów została zwieńczona węższym segmentem wieżowym.
Kolejnym wyzwaniem była konieczność zapewnienia dużej sztywności bocznej, by możliwie zmniejszyć kołysanie wywołane silnym wiatrem lub trzęsieniem ziemi i zabezpieczyć elementy niekonstrukcyjne przed uszkodzeniem. Z powodu słabej nośności gruntu należało przewidzieć głębokie palowanie, aż do poziomu skały macierzystej. Jednocześnie projektanci musieli dążyć do zmniejszenia całkowitej masy budynku, by zredukować koszty palowania. Ważną kwestią projektową było też zapewnienie odpowiedniego udźwigu słupów przy tej smukłej i stosunkowo lekkiej konstrukcji. Ostatnim – lecz zasadniczym – problemem było zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu użytkowania tak wielu najemcom i licznym osobom postronnym odwiedzającym budynek.

System konstrukcyjny

Wybrane rozwiązanie konstrukcyjne odpowiada na wszystkie powyższe problemy. Jest to „megarama” z centralnym sztywnym trzonem, połączonym z obwodowym układem „megasłupów” za pomocą jedno-, dwu- lub trzykondygnacyjnych kratownicowych wysięgników. Są one rozmieszczone co 8-10 kondygnacji, ich górne i dolne pasy zintegrowano z konstrukcją stropów, natomiast krzyżulce przechodzą przez takie pomieszczenia jak maszynownie lub magazyny. Usztywniony w czterech kierunkach trzon daje dobrą sztywność poprzeczną, natomiast sztywność podłużną gwarantują wysięgniki.
Na każdej ścianie zewnętrznej łączą się one z dwiema pionowymi megakolumnami, spinającymi piętra rozdzielone cofnięciem. Poniżej 26 piętra wprowadzono dodatkowe dwie kolumny na każdym boku i po jednej w każdym narożniku. Dodatkowe stężenie stanowią poziome kratownice obwodowe, spinające wszystkie kolejne elementy pionowe. Zastosowanie „megaramy” pozwala pozbyć się wydatnych skratowań na elewacji, ma też zasadnicze znaczenie konstrukcyjne. O ile bowiem stabilność konstrukcji budynków niskich i średniowysokich można zapewnić za pomocą samego trzonu (system trzonowy) lub konstrukcji elewacji (system rurowy), o tyle w najwyższych wieżowcach należy angażować do pracy cały przekrój w obu kierunkach. Budynek zaprojektowano z myślą o stuletnim okresie eksploatacji.

Materiał

Odchylenie wąskich, wysokich budynków pod wpływem wiatru wynika w dużej mierze z przemieszczeń konstrukcji, wywołanych ściskaniem i rozciąganiem słupów trzonowych i obwodowych na niższych piętrach.W przypadku Taipei 101, wymiarowanie elementów konstrukcji z uwzględnieniem samych parametrów wytrzymałości nie byłoby wystarczające dla zapobieżenia poważnym przechyłom wieżowca. Z kolei usztywnianie przez dodawanie zbrojenia byłoby nieekonomiczne. Dlatego zdecydowano się na konstrukcję kompozytową. W celu poprawienia sztywności konstrukcji, stalowe kolumny trzonu i megakolumny wypełniono betonem o wysokiej wytrzymałości do wysokości 62 piętra, natomiast pozostałe kolumny usztywniające elewację – do 26 piętra. Drgania wywołane wiatrem i ruchami tektonicznymi są redukowane przez masę betonowego wypełnienia kolumn oraz przez łączące je obwodowe kratownice. Zastosowanie stalowego szkieletu zapewnia dużą wytrzymałość przy najmniejszej masie własnej.

Posadowienie

Skała macierzysta pod działką zalega na głębokości 40 do 60 m pod gliną i zwartymi warstwami koluwialnymi. Budowa tak wysokiej konstrukcji w tym miejscu wymagała rozległych badań geotechnicznych. Płytkie fundamentowanie mogłoby prowadzić do wzmożonego osiadania albo utraty nośności gruntu. Dlatego inżynierowie zaprojektowali głębokie fundamentowanie na palach, sięgających poziomu skały rodzimej. Liczbę pali (ostatecznie 550) można było zmniejszyć dzięki zastosowaniu konstrukcji stalowej budynku – lżejszej niż żelbetowa. Ostatecznie system posadowienia składa się z pięciu rodzajów elementów: ścian szczelinowych, filarów wspierających podium, płyty dociskowej pod podium, filarów pod wieżą oraz płyty pod wieżą. Po obrysie budynku poprowadzono ścianę szczelinową o grubości 1,2 m i głębokości średnio 47 m. Ściana jest więc posadowiona dużo niżej od najgłębszego wykopu pod budynkiem (od 21,8 do 23,5 m) – stabilizuje to ścianę i odcina dopływ wód gruntowych pod fudamenty.
Handlowe podium otaczające podstawę wieżowca oraz położone pod nim kondygnacje parkingów wsparto na kolumnach o średnicy 2 m, utwierdzonych w podłożu skalnym na głębokość od 5 do 28 m. W miejscach, gdzie ciężar budynku nie byłby wystarczający do zrównoważenia wyporu wody gruntowej, tarcie pomiędzy kolumnami a skałą pomaga utrzymać budynek w miejscu. Część podziemną pod centrum handlowym wykonano metodą „top-down”, natomiast pod obrysem wieżowca – metodą tradycyjną: w ścianach szczelinowych rozpieranych belkami stalowymi. Ciągła żelbetowa płyta o grubości od 3 do 4,7 m, położona na najniższym poziomie podziemnym pod obrysem wieżowca przenosi obciążenia z pionowych elementów konstrukcji budynku na regularną siatkę 380 pali o średnicy 1,5 m, rozstawionych co 4 m. Pale zaprojektowano na obciążenia 10,7-14,2 MN. Analizy wykazały, że pewne kombinacje sił poziomych mogłyby spowodować przewracanie budynku. Ma temu zapobiec głębokie zamocowanie pali w skalistym podłożu (na głębokość 15 do 30 metrów).

Dwoisty system konstrukcyjny

Konstrukcja odporna na wiatr powinna charakteryzować się dużą sztywnością przestrzenną. Z kolei możliwość wstrząsów sejsmicznych sugerowałaby zastosowanie konstrukcji elastycznej, łatwo przewodzącej ruchy tektoniczne. By spełnić oba te wykluczające się wymagania, projektanci Taipei 101 wprowadzili dwoisty system: sztywne stalowe ramy, tworzące pochylone płaszczyzny elewacyjne współpracują z konstrukcją trzonu i wysięgnikami. Elementy stężenia trzonu są sztywno połączone ze wspierającymi go słupami. W sytuacji przeciążenia elementów poziomych, nadmiarowe siły – pochodzące na przykład z oddziaływań wiatrem – zostają przekazane na elementy pionowe. W miejscach, gdzie połączenia konstrukcji musiały się charakteryzować większą elastycznością, przekroje belek przy połączeniu z kolumnami trzonu zmniejszano – powstał charakterystyczny pokrój w kształcie kości. Obciążenia ścinające ram elewacyjnych są przekazywane na konstrukcję trzonu poprzez stalowe stężenia w płaszczyźnie podłogi na poziomie każdego cofnięcia (co 8 pięter).

Wiatr

Projektanci przywiązywali dużą wagę do kształtu narożników wieżowca w związku z ekstremalnymi warunkami wiatrowymi panującymi w jego okolicy. Przy projektowaniu narożników przyjęto parametry tzw. wiatru stuletniego, wiejącego z prędkością 43,3 m/s przez 10 minut. Testy laboratoryjne wykazały, że kwadratowy plan i gładkie proste narożniki powodują powstanie największych wirów i poważne wzbudzenie przy wietrze bocznym. Metodą kolejnych przybliżeń narożniki zaokrąglano lub ścinano (pod kątem 45 stopni), co jednak powodowało nieznaczne zmniejszenie reakcji na siły poziome. Dopiero uskokowe ukształtowanie narożników (z dwuipółmetrową głębokością uskoku) spowodowało znaczne zmniejszenie reakcji na oddziaływania wiatrowe. Całkowite wychylenie boczne założono na poziomie 1/200 wysokości wieżowca, przy parametrach wiatru pięćdziesięcioletniego. Gdyby przyłożyć wymagania wiatrowe stosowane w Nowym Jorku, wychylenia Taipei 101 wyniosłyby 1/400.

Tłumienie wiatru

Badania wykazały, że zalewana betonem stalowa konstrukcja wieżowca gwarantuje siedmiosekundowe kołysanie – o 2 sekundy krótsze, niż można się było spodziewać po obiekcie podobnej wysokości. Jednak ze względu na przewidywane duże prędkości wiatrów, a także ze względu na niski poziom tłumienia drgań przez sztywny trzon, projektanci nie mogli zapewnić użytkownikom odpowiedniego komfortu podczas silnych wiatrów za pomocą samej konstrukcji nośnej. Dlatego zdecydowano się na wprowadzenie dodatkowego systemu tłumienia wiatru – TMD (Tuned Mass Damping).
Każda z sił oddziałujących na budynek jest sama w sobie stosunkowo niewielka, jednak ich nałożenie może stanowić zagrożenie dla obiektu, o ile nadmiar energii nie zostanie wyprowadzony poza system konstrukcyjny. Tłumik TMD zużywa energię kołysania budynku na wprawienie w ruch amortyzatorów tłokowych, zamieniających energię kinetyczną na cieplną. Ich głównym elementem jest betonowa lub stalowa masa, której ciężar może dochodzić do 1% ciężaru budynku. Jest tak zamontowana, by mogła poruszać się swobodnie z tą samą częstotliwością co budynek. Gdy wieżowiec się wychyla, masa przesuwa się w przeciwnym kierunku. W przypadku Taipei 101, masa jest stalową kulą o masie 660 t (0,24% wagi budynku), widoczną dla odwiedzających, której równik umieszczono metr ponad poziomem 88 piętra. Częstotliwość wahania ustalono poprzez podwieszenie masy do konstrukcji 92 piętra. Efekt amortyzacji jest proporcjonalny do kwadratu prędkości masy, co oznacza, że mocne i nagłe wiatry są wygłuszane najlepiej.

Konstrukcja pinakla

Pinakiel – najwyżej położona część wieżowca stanowiła osobne zagadnienie projektowe. Jej jednolity cylindryczny kształt i lokalizacja na szczycie budynku czyniły z niej element bardzo wrażliwy na wiatr boczny o małej prędkości. Drgania wywołane zawirowaniami mogły spowodować znaczne naprężenia w ramie tworzącej pinakiel podczas przewidzianej stuletniej eksploatacji. Dlatego tę część wyposażono w osobny system tłumienia. Tworzą go dwa tłumiki o masie 4,5 t na rolkach, zapewniających ruch w dwóch kierunkach. Również same połączenia elementów konstrukcji nośnej zostały szczegółowo przeanalizowane pod kątem różnorodnych możliwych naprężeń. Po przeprowadzeniu badań, niektóre z połączeń zmieniono ze spawanych na sworzniowe, zapewniające korzystniejszy rozkład naprężeń.

Windy

Wygoda użytkowników była podstawowym kryterium wyboru szybkobieżnych wind obsługujących pomost obserwacyjny na 89 piętrze. Windy wjeżdżają z szybkością 1010 m/min, co jest nowym rekordem  w transporcie pionowym w budownictwie. Przy takiej szybkości ludzkie uszy dobrzez znoszą spadek ciśnienia podczas jazdy w górę. Jednak równie szybka jazda w dół mogłaby powodować pewien dyskomfort, dlatego windy powrotne są wolniejsze – pokonują 540 metrów na minutę. Piętra biurowe są obsługiwane przez windy piętrowe, by zmniejszyć powierzchnię potrzebną na szachty komunikacyjne. Wysokość pięter części biurowej jest stała i dostosowana do podwójnej wysokości kabiny – wynosi 4,2 m.

Wieżowiec Taipei 101
Tajpej, Tajwan
Autorzy: C.Y.Lee & Partners, Tajwan
Konstrukcja: Thornton Tomasetti Engineers, Nowy Jork; Evergreen Consulting Engineering, Inc., Tajwan
Instalacje: Continental Engineering Consultants Inc.
Instalacje teleinformatyczne: Chunghua Telecom
Zarządzanie: Turner International Industries
Badania gruntowe: Sino Geotechnology, Inc.
Badania wiatrowe: RWDI
System tłumienia wiatru: Motioneering
Generalny wykonawca: konsorcjum Kumagai Gumi, RSES Engineering i Ta-You-Wei
Deweloper: Taipei Financial Centre Corporation
Powierzchnia działki: 30 277 m2
Powierzchnia całkowita budynku: 350 000 m2
Wysokość: 508 m
Liczba kondygnacji: 5 podziemnych, 101 nadziemnych
Przwidywana liczba użytkowników: 10 000
Realizacja: 1998-2004
Nie podano kosztów realizacji

 

Artykuł opracowano z wykorzystaniem materiałów udostępnionych przez firmy: C.Y.Lee & Partners, Evergreen Consulting Engineering, Thornton Tomasetti Engineers, oraz na podstawie treści dwóch artykułów: Reaching for the sky („Civil Engineering”, styczeń 2004) oraz The sky’s the limit („Modern Steel Construction”, grudzień 2002), napisanych przez zespół autorów: Dennis C.K. Poon, Shaw-song Shieh, Leonard M. Joseph, Ching-Chang Chang

Źródło: "Architektura-murator" 05/2006
Autor: red.
Zdjęcia: z archiwum Evergreen Consulting Engineering Inc., Taiwan, udostępnione przez pracownię C.Y.Lee & Partners, Daniele Domenicali
Data publikacji: 17.06.2011 16:23

Dział Architektura wprowadzi Cię w wyjątkowy świat budynków oraz rozwiązań architektonicznych. Architektura w Polsce i na świecie. Dowiesz się, jakie inwestycje architektoniczne planowane są w rodzimych miastach. Dział Architektura przybliży Ci obrazy poszczególnych miast kraju oraz świata. To tu znajdują się aktualności związane z lokalizacją obiektów sportowych oraz ich konstrukcją. Specjaliści z działu Architektura zwrócą uwagę na niecodzienne budowle, bryły architektoniczne oraz funkcjonalne rozwiązania. Możesz znaleźć tu również ekskluzywne budowle: architektura, która na pewno zwróci Twoją uwagę. W dziale Architektura znajdziesz znajdziesz informacje na temat architektów, biur projektowych, najnowszych realizacji, a także ajniki aranżacji ogrodu, aby przykuwał uwagę przybywających gości. Możesz liczyć także na przegląd zabytków, które być może wskażą Ci kierunek wakacyjnych eskapad. Zajrzyj do działu Architektura, a na pewno nie pożałujesz!