Beton Pnie Się Ku Niebu – Budownictwo Wysokie Jutra

Andrzej Ajdukiewicz

Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

Concrete climbing skywards – future of high-rise building

Streszczenie

Olbrzymi rozwój betonu jako materiału konstrukcyjnego, jaki miał miejsce w minionych dwóch, trzech dekadach, stworzył nowe możliwości w projektowaniu i wznoszeniu wysokich budynków. Na znaczący odwrót od stosowania stali, jako podstawowego materiału konstrukcyjnego w wysokich budynkach, wpłynęły trzy główne przyczyny: (1) postęp w technologii betonu i szybkości wznoszenia konstrukcji monolitycznych, (2) powszechny nacisk na ognioodporność budynków wysokich (po 11 września 2001), (3) wymagania dotyczące sztywności poziomej konstrukcji. Z drugiej strony, stosowanie żelbetu jako głównego materiału konstrukcyjnego w najwyższych budynkach, biorąc pod uwagę czas wznoszenia, a także ekonomię, wymagało specjalnych prac badawczych dotyczących właściwości betonu w wielu aspektach. Na podstawie najwyższego na dzi- siaj budynku świata, Burj Dubai, przedstawiono w pracy niektóre szczegóły zastosowań betonu oraz przykłady towarzyszących badań i analiz. Skala niektórych badań i analiz nie miała dotąd precedensu.

Abstract

The enormous development of concrete as a structural material, which happened in the past two-three decades, created new possibilities in design and construction of high-rise buildings. The following three reasons caused the significant retreat from the use of steel as a basic structural material in high-rise buildings: (1) progress in concrete technology and in a speed of erection of monolithic structures, (2) common stress on fire-resistance of high- rise buildings (after September 11, 2001), and (3) requirements regarding the horizontal stiffness of structures. On the other side, application of reinforced concrete as the main structural material in the highest buildings, taking into account time of erection, as well prof. dr inż. Andrzej Ajdukiewicz – Wydział Budownictwa, Politechnika Śląska as economy, called special research works on concrete properties in many aspects. On the basis of the tallest building in the world just now, Burj Dubai, some details of applications of concrete and examples of accompanying tests and analyses are presented in the paper. The scale of some tests and analyses has been unprecedented till now. Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

1. Wprowadzenie

Najwyższe budynki ostatniej dekady (1998-2008) miały konstrukcje mieszane, z zastosowaniem w różnym stopniu zespolonej konstrukcji stalowo-betonowej. Były to: Jin Mao w Szanghaju (1998 r.), o wysokości 421 m, z zespolonymi mega-słupami, Petronas Towers w Kuala Lumpur (1998r.), o wysokości 452 m, w którym już jedynie stropy były zespolone, a cała pozostała konstrukcja nośna – żelbetowa, Taipei 101 na Tajwanie (2004 r.), o wysokości 509 m – z częściowym jedynie zastosowaniem zespolonych mega-słupów, wypełnionych betonem tylko do 52. kondygnacji. Projekty tych obiektów powstawały jednak przed wnioskami, jakie środowisko budowlane całego świata wyciągnęło ze zbrodniczej katastrofy World Trade Center 11 września 2001 r., a tym bardziej przed późniejszymi lekcjami wynikającymi z katastrof. Właśnie przemyślenia po katastrofie wież WTC, która dostarczyła m.in. dowodów fatalnego zachowania się konstrukcji stalowej w pożarze, a także obserwacje odmienne – w postaci odporności betonowej konstrukcji wysokościowców (np. Madryt, Budynek Windsor, pożar 26-godzinny 12/13 lutego 2005 r. – fot. 1), stanowiły niezwykle poucza- jące lekcje. Niezależnie od takich bolesnych lekcji w wielkiej skali korzystne zachowanie się betonu w warunkach pożarowych udowodniło wiele badań. Prostą ilustrację zachowania się betonu w wysokich temperaturach przedstawia rys. 2 (wg PN-EN1992-1-2). a) b)

Rys. 1. Budynek Windsor w Madrycie: a) obiekt 37-kondygnacyjny z wewnętrzną konstrukcją żelbetową i stalowymi słupami w elewacji; b) stan po 26 godzinach pożaru w 2005 r.

DNI BETONU 2008 3

1 Andrzej Ajdukiewicz

35 20°C 100°C 30 200°C 300°C

] 25 400°C 2

m 20 500°C 15 600°C [N/m

700°C 10 800°C 900°C 5 1000°C1100°C 0 0 0.005 0.01H 0.015 0.02 0.025 Rys. 2. Zachowanie się betonu ściskanego w warunkach temperatur pożarowych

Dokonując syntezy aktualnego podejścia do budownictwa wysokiego można stwierdzić, że na obecny odwrót od stalowej konstrukcji złożyły się 3 podstawowe przyczyny: • szybki postęp w technologii betonu i szybkości wznoszenia budynków monolitycznych, • społeczny nacisk na ognioodporność budynków wysokich, • wysokie wymagania w odniesieniu do poziomej sztywności konstrukcji. O ile pierwsza z przyczyn ma podłoże w pierwszym rzędzie ekonomiczne, a dominujące znaczenie mają możliwości techniczne, o tyle dwie pozostałe przyczyny dotyczą sytuacji wy- jątkowych – pożaru i ekstremalnych wpływów wiatru (i/lub wpływów sejsmicznych). Te przyczyny, obok wielu innych przesłanek, przyświecały inwestorowi i projek- tantom najwyższego budynku świata, Burj Dubai. Ten monstrualny budynek ustanowił podwójny rekord. Jest już od marca 2008 r. najwyższą budowlą wzniesioną kiedykolwiek przez człowieka, a zarazem najwyższą konstrukcją z betonu (Fot.3). O ile ostateczna wysokość Burj Dubai, czyli łącznie z iglicą stalową, jest utrzymywana w ściśle strzeżonej tajemnicy (co najmniej 810 m), o tyle już wiadomo, że wysokość części żelbetowej – 586 m i 156 kondygnacji, to rekord konstrukcji z betonu. Tę wysokość osiągnięto 28 października 2007r. Wyżej już tylko stropy z betonu uzupełniają konstrukcję stalowej iglicy. Daleko w tyle pozostaje więc, najwyższy na świecie od 1992 r., budynek z całkowicie betonową konstrukcją – Central Plaza w Hong Kongu (374 m), ale także wspaniała wieża telewizyjna CN w Toronto, od 1976 r. najwyższa dotąd budowla betonowa świata – 553 m. Olbrzymia wysokość Burj Dubai wymagała nie tylko szczególnej wizji zgodnie współpracujących projektantów architektury i konstrukcji, ale także towarzyszących ba- dań doświadczalnych i teoretycznych na niespotykaną dotąd skalę [1]. Tej problematyce poświęcono dalszą część tego opracowania.

2. Koncepcja konstrukcji – optymalne wykorzystanie betonu

O ile w rzucie budynek ma kształt trójramiennej gwiazdy i w tym względzie przypomina 2 wspomnianą wieżę CN w Toronto, o tyle częściej jest określany jako „wieża z przyporami”

4 DNI BETONU 2008 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

(ang. buttressed tower) [3]. W ten sposób uzyskano, odpowiednio kształtując konstrukcję w skrzydłach i łączącym je centralnym rdzeniu, dużą sztywność giętno-skrętną. Aby „oszukać wiatr” zastosowano spiralny układ stopni redukujących wysięg skrzy- deł, bowiem taki kształt ogranicza formowanie się groźnych wirów. Tak więc, widoczne na rzucie kolejne stopnie (Rys. 4), są w różnych poziomach – różnica poziomów zmian rzutu wynosi 7 kondygnacji. Taki spiralny układ redukcji rzutu ku górze ma swoje korzenie w arabskim budownictwie. Widok Wieży Babel na XVI-wiecznym obrazie Pietera Bruegla Starszego z 1565r. dał temu świadectwo. Z kolei, trójramienny rzut budynku uznano za optymalny, wobec planowanej funkcji hotelowej i mieszkalnej – decyduje o widoku i doświetleniu. Centralny ośmiokątny rdzeń żelbetowy zapewnia wysoką odporność na skręcenie, analogicznie do sztywnej rury. Przenoszenie sił w rozszerzających się ku dołowi skrzydłach zapewniają podwójne tarcze żelbetowe, które tworzą korytarze w osiach skrzydeł. Opaski o wysokości trzech kondygnacji stanowią silne zwieńczenia, tworząc zarazem piętra techniczne. Schematyczne porównanie zmiany rzutów najwyższych budynków (Rys. 5) pokazuje różne podejście do konstrukcji, przy zbliżonych kombinacjach obciążeń. Najstarszy z pokazanych budynków – Sears Tower w Chicago (1974 r., 442 m) to stalowa konstrukcja z usztywniającymi ścianami żelbetowymi, o skokowej dużej zmianie rzutu. Najwyższy dotąd budynek – Taipei 101 (2004 r., 508 m) ma kwadratowy rzut z lekkim poszerzeniem u dołu. W obydwu tych przy- kładach powtarzalność prostokątnych modu- łów konstrukcji była dominującą przesłanką ustrojów nośnych. W przypadku Burj Dubai

Fot. 3. Burj Dubai – w dniu 4 marca 2008 r. zbliżał się do 700 m; widoczne liczne zmiany rzutu na wysokości i wzmacniające opaski pięter technicznych 3 DNI BETONU 2008 5 Andrzej Ajdukiewicz nie założono żadnych tego rodzaju ograniczeń, stosując kilkadziesiąt zmian rzutów na wysokości. Było to między innymi skutkiem wykorzystania możliwości monolitycznej konstrukcji żelbetowej i dowolności kształtowania rzutów.

Rys. 4. Schematyczny rzut obiektu

Rys. 5. Przykłady zmian rzutów konstrukcji w najwyższych budynkach

3. Dobór i badania zastosowanych betonów 3.1. Beton w fundamentach Wielki ciężar obiektu wymagał posadowienia palowego. Rozpoznanie geotechniczne przeprowadzono za pomocą odwiertów do 140m, a badanie presjometryczne wykonano w otworach do 90 m. Zastosowano 194 pale wiercone o średnicy 1,50 m, sięgające na głębo- kość około 52 m (45 m poniżej podstawy płyty fundamentowej). Obliczeniowe obciążenie pali wynosiło 30 MN, a próbne obciążenia wykonano dla 60 MN. Zastosowano w palach beton odpowiadający klasie C50/60, samozagęszczalny, na cemencie z dodatkiem 25% popiołów lotnych, o wysokiej odporności na agresję siarczanową i chlorkową, z dodatkiem 7% pyłów krzemionkowych, ograniczając stosunek w/c do 0,30. Szczególnie dużo uwagi poświęcono płycie fundamentowej spoczywającej na palach. Obiekt posadowiono na płycie o grubości 3,70 m. Spód płyty w stosunku do terenu znajdo- wał się w poziomie -7,55 m, co było około -4,0 m poniżej poziomu wód gruntowych. Płytę

4 6 DNI BETONU 2008

5 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra na czas betonowania podzielono na cztery części: 3 części pod skrzydłami i sześciokątna część centralna pod rdzeniem. Zastosowano samozagęszczalny beton C40/50, na cemencie z dodatkiem 40% popiołów lotnych; przy stosunku w/c = 0,34. Założenie ostatecznej mieszanki było poprzedzone analizami trwałości i zagrożenia rysami termiczno-skurczowymi. Między innymi, wykonano dwie olbrzymie kostki o boku 3,70 m (ponad 50m3 każda) w celu potwierdzenia właściwości technologicznych, a zwłaszcza kontroli gradientu temperatury. Z uwagi na wysokie temperatury w ciągu dnia wykonywano w toku betonowania badania rozpływu mieszanki, badania zalecone dla mieszanek samozagęszczalnych (L-box, V-box) oraz stopień schłodzenia mieszanki przed układaniem. Z uwagi na agresywne wody gruntowe (koncentracja chlorków do 4,5% i siarczanów do 0,6%), przewidziano 4 systemy ochrony żelbetu w fundamentach: • zastosowano dla płyty deskowania selektywnie przepuszczalne, • dla pali i płyty zwiększono otuliny, • spód i boki płyty fundamentowej zabezpieczono wodoodporną membraną, • zarówno dla pali, jak i dla płyty fundamentowej przewidziano system ochrony ka- todowej.

3.2. Beton w konstrukcji słupów i ścian Dobór betonu konstrukcji nośnej był najważniejszym wyzwaniem, z uwagi na szereg wymagań nie zawsze zbieżnych. Były to między innymi: • konsystencja pozwalająca na pompowanie na wielkie wysokości, • mała wrażliwość mieszanki na zmienne, z reguły wysokie temperatury (-50C do +500C), • szybki przyrost wytrzymałości, co najmniej do 10 MPa po 10 godzinach, • wysoka wytrzymałość docelowa – C70/80 w niższych poziomach i C50/60 w wyż- szych, • wysoki moduł sprężystości (rzędu 44 GPa w dolnej części), • niewielkie odkształcenia skurczu i pełzania. W projekcie, po analizach różnych wariantów zmian wymiarów i zmian właściwości wytrzymałościowych betonu, założono wymiary głównych elementów: • ściany rdzenia, o grubości zmiennej od 1,30 m do 0,50 m, z betonu C70/80 do wysokości 126. kondygnacji i C50/60 dla kondygnacji 127-156, • ściany w skrzydłach i słupy o różnych przekrojach (w przewadze słupy ∅0,60 m), z betonu C70/80 do wysokości 126. kondygnacji i C50/60 powyżej, • belki stężające pomiędzy ścianami a słupami, zapewniające dostatecznie podatne powiązanie konstrukcji przy zmieniających się obciążeniach w czasie wznoszenia, o wysokości 0,8 m do 1,10 m.

3.3. Beton w stropach Konstrukcja 156 stropów części nadziemnej wymagała działań optymalizacyjnych, przy uwzględnieniu szeregu kryteriów. W dążeniu do obniżenia wysokości konstrukcyjnej stropów wybrano w przeważającej większości stropy płaskie (bezbelkowe), a z uwagi na ograniczenie ciężaru własnego konieczne było minimalizowanie grubości płyt. W obrębie skrzydeł, gdzie przeważają obciążenia umiarkowane (pomieszczenia hotelowe i apartamenty mieszkalne), a rozpiętości w obydwu kierunkach dochodzą do 9,0m, przewidziano płyty o grubości od 20 do 30 cm. W końcowych częściach skrzydeł grubości nie przekra-

DNI BETONU 2008 7 Andrzej Ajdukiewicz czają 25 cm. Natomiast w obrębie rdzenia, gdzie dominują obciążenia komunikacyjne, zastosowano płaskie stropy wzmocnione płaskim belkami. Również w obrębie pięter technicznych, stanowiących zarazem system poziomych stężeń, stropy przejmujące duże obciążenia zaprojektowano jako płytowo-rusztowe. Te pasy stężeń obejmują po 3 kondy- gnacje o odmiennej konstrukcji – przewidziano je w czterech poziomach, na wysokości 76 m, 160 m, 265 m oraz 390 m (fot. 6). Wszystkie stropy w obrębie żelbetowej konstrukcji (do 156. kondygnacji), a także w części stalowej iglicy, zaprojektowano z betonu C40/50. Bardzo duże zróżnicowanie rzutów, schematów i grubości płyt, przy wielkim tempie wznoszenia, było możliwe dzięki wydajnym deskowaniom, prefabrykacji zbrojenia i wysokiej jakości technologii betonu (fot. 7).

Fot. 6. Konstrukcja pięter technicznych, stanowiących stężające opaski poziome

Fot. 7. Skomplikowane stropy realizowane ponad 550 m nad poziomem terenu

4. Obawy i badania związane z wiatrem

Na etapie projektu koncepcyjnego bardzo wiele badań i analiz poświęcono problemom wpływu wiatru na ten niezwykle wysoki i smukły obiekt. W stosunku do znanych sytuacji konieczne było rozważenie możliwości dużych różnic intensywności wiatru na wysokości. Konstrukcja musi bezpiecznie przenieść cykliczne obciążenia wywoływane dużymi obciążeniami od wiatru na wielkiej wysokości. Obciążenia te przekraczały inne oddziaływania wyjątkowe, w tym prognozowane wpływy sejsmiczne. Dla mieszkańców, jak i gości hotelowych kwestia ograniczenia wychyleń i drgań wywołanych wiatrem ma oczywiście zasadnicze znaczenie z punktu widzenia komfortu użytkowania. 6 Przeprowadzono w trzech dziedzinach analizy trwające ponad dwa lata [2]: • studium oddziaływań wiatrowych w rejonie obiektu i nad całą Zatoką Perską,

8 DNI BETONU 2008

7 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

• numeryczne analizy zachowania się obiektu przy różnych kierunkach, intensywności i okresach działania wiatru, • badania modeli w tunelu aerodynamicznym.

Ekstremalne oddziaływania wiatru uzyskane z badań meteorologicznych rozważono dla wszystkich kierunków w stosunku do rzutu obiektu. Wyniki badań wiatru były dosyć zaskakujące – największe prędkości wiatru przy cyklonach zanotowano na wysokościach 300-400 m nad płaskim terenem. Kształt rzutów sprawił, że minimalny wpływ bezpośred- niego naporu wiatru zachodzi kiedy rozważa się działanie od „dziobu”, a maksymalne, gdy wiatr działa od „rufy” (Rys. 8). W analizach obliczeniowych uzmienniano kolejno kierunek wiatru o kąt 100. Wskutek braku symetrii (różne wysokości schodkowej zmiany wysokości skrzydeł) trzeba było z uwagi na geometrię budynku rozważyć 36 kombinacji działania wiatru.

Rys. 8. Kierunki ekstremalnych oddziaływań wiatru

Nietypowy kształt budynku spowodował, że klasyczne uwzględnianie parcia i ssania uznano za niewystarczające. Analiza musiała objąć także zawirowania, które na wysokości mogły przyjmować zdecydowanie zróżnicowany charakter. Schematycznie wpływ różnic w rzutach ilustruje rys. 10, jednak zmiany intensywności na wysokości oraz wspomniana niesymetria skrzydeł silnie komplikują analizę tego problemu. Z racji tych wątpliwości zdecydowano się na badania w tunelu aerodynamicznym. Modele obiektu badano w różnej skali, w niespotykanym dotąd zakresie. Najpierw badano model całego budynku w skali 1:500, potem 1:250, a wreszcie górną część w skali 1:50 [2]. Badania potwierdziły, że przy rekordowej smukłości budynku bezpieczne przeniesie- nie obciążeń poziomych oraz odpowiednie ograniczenie amplitud i przyspieszeń drgań poziomych i skrętnych uzyskano dzięki silnym ścianom stężającym oraz poziomym pasom wzmocnień w obrębie pięter technicznych.

Zmniejszenie oporów opływu było także ważnym kryterium kształtowania elewacji [5]. Panele zewnętrzne musiały spełniać szereg wymagań w odniesieniu do wytrzymałości i trwałości, ale także niewielkiego ciężaru i odpowiedniej aerodynamiki oraz szybkiego montażu i łatwego zmywania (fot. 10).

DNI BETONU 2008 9

8 Andrzej Ajdukiewicz

Rys. 9. Schemat zróżnicowania wirów wiatrowych z uwagi na różnice rzutów

Fot. 10. Szklane panele elewacyjne na wysokość kondygnacji zredukowały wpływ wiatru

5. Wymagania i badania związane z realizacją i eksploatacją

Budynek Burj Dubai, łącznie z rozbudowaną częścią podziemną, ma powierzchnię użyt- kową 460.000 m2 i bardzo złożoną funkcję. Część wysokościowa obejmuje 280.000 m2, a w tym m.in. apartamenty mieszkalne (górne ok. 100 kondygnacji), luksusowy hotel Giorgio Armani (zwany tak od nazwiska włoskiego projektanta wszystkich wnętrz), funkcje rekre- acyjne, handlowe, 50.000 m2 powierzchni biurowej i wielkie parkingi na 3000 samochodów. Na poziomie 442 m przewidziano najwyższą na świecie platformę obserwacyjną. 9 Fundamenty i część podziemną rozpoczęto w 2004 r. i zakończono w lutym 2005 r., a wznoszenie części nadziemnej rozpoczęto w kwietniu 2005 r. Ustalono cykl realizacji obiektu na 48 miesięcy [4]. Aby sprostać tak postawionemu celowi przyjęto następujące założenia:

10 DNI BETONU 2008

10 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

• 3-dniowy cykl wykonania konstrukcji jednej kondygnacji, • optymalizacja transportu z zastosowaniem wysokowydajnego wyposażenia, • zastosowanie optymalnych deskowań do realizacji złożonych kształtów konstrukcji, • uwzględnienie wszystkich technologii wznoszenia wysokich budynków, dostępnych w okresie budowy na całym świecie. Aby osiągnąć podstawowy postulat, czyli realizację jednej kondygnacji w 3 doby, niezależnie od poziomu i przy dużej zmienności rzutów kondygnacji, zostały między innymi zastosowane następujące rozwiązania technologiczne: • system samowznoszących deskowań dla słupów i ścian (Doka – ACS), • system prostych i lekkich deskowań stropów (MevaDec) • prefabrykacja zbrojenia (ponad 80%), • beton wysokowartościowy, zapewniający wysoką wczesną wytrzymałość, niską od- kształcalność doraźną i opóźnioną oraz spełniający wymagania pompowalności, • najbardziej zaawansowane metody pompowania betonu. Warto podkreślić, że założenie realizacyjne „kondygnacja w 3 doby” jest wyzwaniem już przy monolitycznych, powtarzalnych kondygnacjach, na „zwykłych” wysokościach. Sukcesem było utrzymanie tego postępu także na poziomie bliskim rekordu 586 m, przy znacznej komplikacji rzutów kondygnacji.

5.1. Transport pionowy betonu Wielkie objętości betonu do realizacji konstrukcji Burj Dubai w sposób oczywisty skła- niały do wykorzystania pompowania betonu. Problemem była olbrzymia wysokość, a także wysokie wymagania w odniesieniu do mieszanki wysokowartościowego betonu dostarczanej na tę wysokość. Biorąc pod uwagę niespotykane wysokości tłoczenia i duże zmiany temperatur, zaprojektowano mieszanki z rezerwą, np. beton C70/80 osiągał fcm,cube = 100MPa. Na podstawie doświadczeń przy realizacji budynku Taipei 101, przy którego realizacji niewielkie masy betonu stosowanego w stropach pompowano na wysokość ponad 450 m, zdecydowano się na pompowanie na pełną wysokość blisko 600 m. Poprzedziły to przygotowania dokonywane w poziomie. Na odległość 600 m pompowano rurami ∅150 mm różne mieszanki betonowe przewidziane w Burj Dubai, a w tym C70/80-20 (czyli z kruszywem 20 mm), C70/80-14, C50/60-14 i C40/50-20. Na stanowisku poziomym o długości 600 m dokonano szeregu próbnych przetłoczeń i stwierdzono zmianę konsy- stencji odpowiadającą utracie około 25-30 mm podstawowego rozpływu wynoszącego 600 mm, przy wzroście temperatury w wyniku tarcia o 0,8÷1,00C. Ostatecznie zastosowano cztery piony pompowania – po jednym w rdzeniu i w trzech skrzydłach, zasilane za pomocą 3 wysokociśnieniowych pomp. Piony przewidziano do pompowania na wymagane poziomy: 390 m w zachodnim skrzydle, 442 m we wschodnim, 503 m w południowym skrzydle, a na najwyższy poziom 586 m – linia w centralnym rdzeniu (ostatecznie pompowano tu nawet na 606 m). Ciśnienia przy tłoczeniu na najwyższy poziom wynosiły około 210 barów (21MPa), ale instalacja była zaprojektowana na 250 barów. Wymagało to grubości ścianki rury 11mm. Podano łącznie 165.000 m3 mieszanki. W obawie przed niekorzystnymi wpływami pionowego pompowania i zmian temperatury przewidziano pompę rezerwową w rdzeniu do ewentualnego przetłaczania na poziomie 442 m – nie musiała być ona jednak uruchamiana. Szczegóły techniczne urządzeń i operacji pompowania podano w pracy [6].

DNI BETONU 2008 11 Andrzej Ajdukiewicz

5.2. Badania zachowania się konstrukcji w toku wznoszenia i eksploatacji W budynku tej wysokości problemem są odkształcenia betonu narastające w czasie budowy (w okresie około 4 lat) oraz zmiany odkształceń w okresie eksploatacji, wynikające z reologii stwardniałego betonu. W projekcie konstrukcji widoczne jest dążenie do wyrów- nania pionowych odkształceń doraźnych i długotrwałych w obrębie każdego poziomu, aby uniknąć uszkodzeń wynikających z nierównomiernych przemieszczeń [3]. Podjęto na wielką skalę analizy, które miały na celu ocenę następujących wpły- wów: • osiadanie fundamentów w czasie, w tym w okresie budowy, • wpływ odkształceń opóźnionych w długim przedziale czasu (30, a nawet 50 lat), • zmiany sztywności obiektu w wyniku zmian stanu odkształcenia, • redystrybucję sił w żelbecie, między betonem i zbrojeniem. Posłużono się 15 przestrzennymi modelami MES w odniesieniu do kolejnych faz na- rastania wysokości budynku oraz zaawansowanymi modelami do symulacji zjawisk dłu- gotrwałych w podłożu, betonie i stali. Syntezę wyników przewidywanych przemieszczeń pionowych pochodzących od odkształceń sprężystych, skurczu i pełzania, zachodzących w okresie 30 lat w poziomie poszczególnych kondygnacji, przedstawia wg [3] rys. 11.

Rys. 11. Przemieszczenia pio- nowe w poziomach 160 kondygnacji przewidywane po 30 latach od skrótu sprężystego, skurczu i pełzania, z uwzględ- nieniem okresu wznoszenia

Analizy, których wynikiem były m.in.wykresy na rys. 11, zostały w projekcie wykorzy- stane do kompensacji wpływu przemieszczeń w poszczególnych kondygnacjach. W tym celu wysokość kondygnacji, zwłaszcza w dolnej części budynku, nieco powiększono, aby po przemieszczeniach zachować w przybliżeniu przewidzianą wysokość. Podobne korekty wprowadzono dla kompensacji przemieszczeń poziomych. Innym ciekawym wynikiem analiz były zmiany w okresie 30 lat udziału betonu i stali w przenoszeniu obciążeń długotrwałych. Przykład redystrybucji sił osiowych na wybranym poziomie 135. kondygnacji, w słupie o stopniu zbrojenia 1%, przedstawia rys. 12. Również te efekty długotrwałe uwzględniono w projektowaniu, zwiększając ilość zbrojenia.

Z rys. 12 widać, że z początkowego procentowego udziału w przenoszeniu sił: 85% – beton i 15% – stal, po 30 latach przewiduje się udział: 70% – beton i 30% – stal.

12 DNI BETONU 2008

11 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

Również te efekty długotrwałe uwzględniono w projektowaniu, zwłaszcza w aspekcie przemieszczeń.

Rys. 12. Redystrybucja sił osiowych w elemencie żelbetowym od obciążeń długotrwałych, jako wynik pełzania betonu, wg [3]

6. Burj Dubai – i co dalej

Problemy budownictwa wysokiego, a zwłaszcza nowe rozwiązania przy projektowaniu i wznoszeniu Burj Dubai wskazują, jak takie realizacje wpływają na postęp budownictwa w różnych aspektach. Bardzo wiele aktualnych problemów z dziedziny wysokiego budownictwa na świecie było tematem kolejnego kongresu budownictwa wysokiego (8th World Congress CTBUH – Council on Tall Buildings and Urban Habitat), w Dubaju, 3-5 marca 2008. Kongres odbył się pod hasłem “Tall & Green – Typology for a Sustainable Urban Fu- ture”. Chociaż hasła przyjaznych dla środowiska i odpowiadających zrównoważonemu rozwojowi budynków wysokich wydają się sztuczne, to jednak kompleksowe analizy nowoczesnych rozwiązań wskazują, że te olbrzymie budynki sprzyjają racjonalnym ekologicznie rozwiązaniom [7], [8]. Wprawdzie np. transport użytkowników i wody na duże wysokości prowadzi do oczywistych wydatków energii, ale zyskuje się na kon- centracji innych energochłonnych procesów, jak np. klimatyzacji. Np. wykorzystywany „efekt komina”, przy odpowiednim sterowaniu i wprowadzaniu nowoczesnych ścian zewnętrznych, pozwala na wielkie korzyści [9]. Koszty zabezpieczeń przeciwpożarowych też wskazują na korzyści w stosunku do średnio-wysokich12 obiektów. W budynkach wysokich dąży się ku strategii „potrójnego zera”: zero energii + zero emisji zanieczyszczeń + zero odpadów [10] Beton jest wielką szansą dla nowych rozwiązań konstrukcji budynków wysokich i szansa ta została skutecznie podjęta przez największe jednostki projektowe. Świadczy o tym coraz bardziej dominująca rola konstrukcji betonowych w realizowanych lub projektowanych budynkach. A wyzwania są ogromne – pewną syntezę daje podane na rys. 13 zestawienie listy najwyższych budynków w roku 2020. Wysokość budynków ponad 1000 m przestała już być uznawana za futurystyczną fantazję – takie realizacje już rozpoczęto.

DNI BETONU 2008 13 Andrzej Ajdukiewicz

Rys. 13. Zestawienie 20 najwyższych budynków na świecie przewidzianych w roku 2020

Nr na mapie, nazwa obiektu*, miasto Kraj Wysokość [m] / Rok liczba kondy- ukończe- gnacji nia 1. Al. Burj, Dubai Z.E.A. 1050 / 228 2012 (?) 2. Burj Mubarak al-Kabir, Madinat Al Hareer Kuwejt 1001 / 200+ 2012 3. Burj Dubai, Dubai Z.E.A. 810 / 160+ 2009 4. Russia Tower, Moskwa Rosja 612 / 118 2012 5. Incheon Towers, Incheon Korea Płd 610 / 151 2013 (?) 6. Chicago Spire, Chicago U.S.A. 609 / 150 2010 7. Shanghai Center, Szanghaj Chiny 580 / 118 (?) 8. Millenium Tower, Busan Korea Płd 560 / 106 (?) 9. Lotte Super Tower, Seul Korea Płd 552 / 105 (?) 10. Doha Convention Center, Doha Katar 552 / 105 2011 11. Freedom Tower (One World Trade Center), NY U.S.A. 540 / 82 11.9.2010 12. Pentominium, Dubai Z.E.A. 516 / 120 (?) 13. Busan Lotte Tower, Busan Korea Płd 510 / 107 (?) 14. Taipei 101, Taipei Tajwan 509 / 101 2004 15. Burj Al Alam, Dubai Z.E.A. 501 / 108 2010 16. Shanghai Word Financial Center, Szanghai Chiny 492 / 101 2008 17. Abraj Al Bait, Mekka Arabia S. 485 / 76 2010 18. International Commerce Centre, Hong Kong Chiny 484 / 118 2010 19. DAMAC Heigths, Dubai Z.E.A. 460 / 90 (?) 20. Petronas Towers, Kuala Lumpur Malezja 452 / 88 1998 * nazwy obiektów wg zestawienia CTBUH (Council on Tall Buildings and Urban Habitat)

Na tej liście Burj Dubai znajdzie się na trzeciej pozycji, dzisiejszy rekordzista Taipei 101 na 14, a Petronas Towers na 20 pozycji. Z relacji projektantów na wspomnianym Kongresie wynikało, że ta oficjalna lista CTBUH może być jeszcze uzupełniona nowymi bardzo wysokimi obiektami do 2020 r., których przygotowania są już zaawansowane.

13 14 DNI BETONU 2008 Beton pnie się ku niebu – budownictwo wysokie jutra

Z mapy rozmieszczenia najwyższych budynków w najbliższej przyszłości (Rys. 13) wynika zdecydowana koncentracja tego budownictwa w Azji (Zatoka Perska, Korea, Chiny).

7. Podsumowanie

Współczesne realizacje wielkich budynków to przedsięwzięcia o skali światowej. Zamknię- ty konkurs na projekt Burj Dubai wygrało najbardziej doświadczone w budownictwie wysokim biuro projektów Skidmore, Owings & Merill (SOM) z Chicago. Badania wiatrowe wykonano w Kanadzie, analizy sejsmiczne w Australii, a wykonawstwo powierzono kon- sorcjum Samsung Engineering and Construction z Korei Płd., we współpracy z firmami z Belgii (BeSix) i Dubaju (Arabtec). Obawy o celowość budownictwa wysokiego rozwiewa informacja, że arabski dewe- loper Emaar sprzedał wszystkie apartamenty w Burj Dubai nabywcom z kilkudziesięciu krajów w ciągu zaledwie dwóch dni sprzedaży. Oczywiście, z punktu widzenia rynku budowlanego nie jest obojętne, gdzie takie obiekty są wznoszone. Oprócz kwestii organizacyjnych i finansowych warto podkreślić znaczenie tego typu inwestycji dla rozwoju teorii i praktyki budownictwa w szerokim zakresie. Z drugiej strony realizacje tak zaawansowanych technicznie obiektów natychmiast konsumują osiągnięcia technologiczne i badawcze, stanowiąc znakomity poligon wdrożeń.

Literatura

[1] Smith A.: Burj Dubai: Designing the World’s Tallest. Proceedings of CTBUH 2008 8th World Congress Proceedings “Tall and Green: Typology for a Sustainable Urban Future” , Dubai, UAE, March 3-5, 2008; str. 36-42. [2] Irvin P.A., Baker W.F.: The Burj Dubai Tower Wind Engineering. Structure Magazine, June 2006, str. 28-31. [3] Baker W.F., Korista D.S., Novak L.C.: Burj Dubai: Engineering the World’s Tallest Buildings. The Structural Design of Tall and Special Buildings (Wiley Intercience), Vol. 16, 2007; str. 361-375. [4] Abdelrazaq A., Kim K.J., Kim J.H.: Brief on the Construction Planning of the Burj Dubai Project, Dubai, UAE. CTBUH 2008, ibid., str. 387-394. [5] Irvin P.A. et al.: The Burj Dubai Tower Wind Tower Testing of Cladding and Pedestrian Level. Structure Magazine, November 2006, str. 47-51. [6] Kimmerle S.: 606m world record delivery height at Burj Dubai concrete pumping operation is com- pleted. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej „Dni Betonu”, Wisła 13-15 października 2008; Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków, str. 160-170. [7] Guthrie A.: Tall Buildings Sustainability from bottom up. CTBUH 2008, ibid., str. 95-101. [8] Ali M.M., Armstrong P.J.: Overview of Sustainable Design Factors in High-Rise Buildings. CTBUH 2008, ibid., str. 282-291. [9] Etheridge D.W., Ford B.: Natural ventilation of tall buildings – options and limitation CTBUH 2008, ibid., str. 226-232. [10] Frachette R.E., Gilchrist R.: ‘Towards Zero Energy” A Case Study of the Pearl River Tower, Guangzhou, China. CTBUH 2008, ibid., str. 252-262.

DNI BETONU 2008 15